GIG Karasek Technikum: Wie Sie unter realen Bedingungen neue Konzepte erproben

Unser Technikum steht Kunden unterschiedlichster Industrien sowie Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen offen.

Im Folgenden erhalten Sie Einblick in den grundsätzlichen Ablauf von Technikumversuchen sowie deren Aufgabenstellungen und Zielsetzungen.

Die Vorteile des Technikums für die Prozess- und Anlagenentwicklung

Das Technikum bietet eine Reihe von Vorteilen, die für die Entwicklung und Optimierung von Prozessen und Anlagen von hoher Relevanz sind:

1. Praktische Erprobung: Das Technikum ermöglicht die praktische Erprobung von Prozessen und Anlagen unter realen Bedingungen. Es bietet die Möglichkeit, verschiedene Parameter zu testen, Abläufe zu optimieren und mögliche Schwachstellen zu identifizieren. Durch diese praktische Erfahrung können maßgeschneiderte Lösungen entwickelt und effiziente Prozesse gewährleistet werden.

2. Risikominimierung:  Das Technikum ermöglicht verschiedene Szenarien zu testen und die besten Lösungen auszuwählen, bevor größere Investitionen getätigt werden. Durch Technikumversuche können potenzielle Risiken und Unsicherheiten frühzeitig erkannt und minimiert werden. Dies hilft, kostspielige Fehler und Probleme in späteren Phasen des Projekts zu vermeiden. 

3. Daten- und Erfahrungsgewinn:  Das Technikum liefert wertvolle Daten und Erfahrungen, die bei der Auslegung von Einzelmaschinen, Anlagen und Prozessen von entscheidender Bedeutung sind. Die genaue Aufzeichnung von Parametern wie Temperatur, Druck und Durchsatz dient als Grundlage für die Skalierung von Prozessen und die Gewährleistung einer effizienten und zuverlässigen Produktion.

4. Individuelle Lösungen:  Durch die enge Zusammenarbeit mit Kunden können maßgeschneiderte Lösungen entwickelt werden, die auf ihre individuellen Anforderungen zugeschnitten sind. Um optimale Ergebnisse zu liefern, bietet das Technikum Flexibilität bei der Konfiguration und Kombination von Anlagen.

5. Prozessgarantien:  Für bestimmte Leistungswerte und Eigenschaften der Anlage verlangen Kunden neben der allgemeinen Gewährleistung explizite Zusicherungen. Ein typisches Beispiel ist die Garantie für einen bestimmten Reinheitsgrad. Diese Garantiewerte können insbesondere bei neuartigen Prozessen oder Medien nicht allein auf theoretischer Grundlage zugesichert werden. Erst die Erprobung im Technikumversuch liefert die erforderlichen Daten und Informationen, um Garantiewerte zu bestätigen.

Abbildung 1: Im GIG Karasek Technikum sind die Anlagen für unterschiedlichste Aufgaben konfigurier- und kombinierbar. © GIG Karasek

Der Ablauf von Labor- und Pilotversuchen im Technikum

Das Technikum von GIG Karasek umfasst den gesamten Bereich der Verdampfungs- und Destillationstechnik und wird zukünftig auch mit Equipment zur Umwandlung von CO₂ in Chemikalien und Treibstoffe ausgestattet sein. Mit maßgeschneiderten Versuchsprozessen werden gezielt die individuellen Anforderungen und Aufgabenstellungen unserer Kunden adressiert. Vor der Durchführung von Technikumsversuchen ist die Bereitstellung der Sicherheitsdatenblätter des Testprodukts erforderlich.

1. Vorversuche im Labor  

Die Laboranlagen werden vor allem im Rahmen von Machbarkeitsstudien genutzt, um die Eignung neuer Produkte zu untersuchen. Oftmals sind die Stoffdaten des zu untersuchenden Mediums nur begrenzt bekannt. Durch Laborversuche, die mit einer kleinen Menge von etwa 20 bis 30 Litern durchgeführt werden, kann das Verhalten des Mediums unter verschiedenen Parametern getestet werden.

Dabei stehen folgende Fragen im Vordergrund:

• Ist eine thermische Trennung des Produkts überhaupt möglich?
• Tritt kurzfristig Belagsbildung oder übermäßige Schaumbildung auf?
• Ist das Medium weiterhin förderbar oder wird es fest?
• Wie verhält sich das Medium in Bezug auf Viskosität?

Der Fokus der Laborversuche liegt somit auf der Bewertung der grundsätzlichen Eignung des Mediums für die Anwendung des Kunden. Die genaue Bestimmung des Trenngrades und anderer Qualitätsparameter erfolgt hingegen erst im Rahmen von Pilotversuchen.
 

Abbildung 2: In der Laboranlage können Grundstoffe umfassend getestet werden. © GIG Karasek

2. Versuche im Pilotmaßstab

Die Pilotanlagen sind flexibel ausgelegt, um eine Vielzahl von Anwendungen zu ermöglichen. Sie können miteinander verbunden und für verschiedene Aufgaben konfiguriert und kombiniert werden.

Ein konkretes Beispiel für eine Anlagen-Kombination ist die Weiterverarbeitung eines konzentrierten Zwischenprodukts im Dünnschicht- oder Kurzwegverdampfer, welches zuvor im Fallfilmverdampfer erzeugt wurde (z.B. Abwasser Reduktion). Ebenso lässt sich der Dünnschichtverdampfer mit dem Kurzwegverdampfer verschalten, um temperatursensible Produkte schonend und effizient zu konzentrieren (z.B. Fettsäuren).

Ferner besteht die Möglichkeit, spezielles Equipment des Kunden zu integrieren, um die Pilotanlagen an die spezifischen Anforderungen und Prozessschritte des Kunden anzupassen (z.B. Extruder zur Aufschmelzung von Granulaten).

Abbildung 3: Unsere Anlagen sind mit SPS ausgestattet und erfassen sämtliche relevante Versuchsparameter, die dem Kunden in Form eines umfassenden Versuchsberichts zur Verfügung gestellt werden. © GIG Karasek

Die detaillierte Planung und Durchführung der Versuche erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden, um sicherzustellen, dass individuelle Anforderungen erfüllt werden:

• Für die Versuchsreihen in der Pilotanlage werden in der Regel etwa 300 bis 1.000 Liter des Einsatzstoffes benötigt.
• Vor Beginn der Versuchsreihen wird die Anlage gründlich gereinigt, um eine zuverlässige und präzise Durchführung der Experimente zu gewährleisten.
• Die Versuchsprozesse selbst werden von Verfahrenstechnikern durchgeführt, die über das notwendige Fachwissen und die Erfahrung verfügen.
• Nach Abschluss der Versuche erhält der Kunde Proben, die er für weitere Analysen verwenden kann.
• Zusätzlich wird ein umfassender Technikum-Report bereitgestellt, der alle relevanten Versuchsparameter wie Temperatur, Druck und Durchsatz enthält. Diese Dokumentation bildet die Grundlage für die spätere Auslegung von Apparaten und Anlagen.
• Falls die Analyse des Kunden ergibt, dass die gewünschten Ergebnisse noch nicht erreicht wurden, wird eine Optimierung des Verfahrens vorgenommen. Entsprechende Maßnahmen können beispielsweise eine Anpassung der Parameter, die Verwendung einer anderen Technologie oder Veränderungen im Vorprozess umfassen.

Die Kosten für die Versuche sind im Vergleich zu etwaigen Kosten aus Optimierungsmaßnahmen in einer Großanlage vernachlässigbar. Das Versuchsangebot umfasst eine Pauschale für 2 Tage, einschließlich Vor- und Nachbereitung, Umbauten und Instandhaltung. Für jeden zusätzlichen Tag sowie für Laborversuche gelten reduzierte Pauschalbeträge.

Abbildung 4: Kunden erhalten im Anschluss an ihre Versuche Proben zur weiteren Analyse. © GIG Karasek

Aufgabenstellungen und Ziele von Versuchen im Technikum

Die umfangreiche Testinfrastruktur bietet die entscheidende Grundlage für die Bewertung neuartiger Produkte, die Bestimmung optimaler Prozessparameter oder Leistungsgrenzen bis hin zur Ermittlung der Designparameter für die Auslegung von industriellen Anlagen. Zu den typischen Aufgabenstellungen gehören die Erprobung von Prozesslösungen zur Verarbeitung neuer Produkte, die Optimierung bestehender Anlagen oder die Auslotung von Grenzwerten. 

Abbildung 5: Analyse einer Stoffprobe im Labor des Technikums © GIG Karasek

1. Bewertung neuartiger Produkte

Die Berücksichttigung verschiedener Aspekte ermöglicht eine fundierte Einschätzung der Machbarkeit von Technikumsversuchen und der Anwendbarkeit spezifischer Verfahren.

„Unsere Versuche dienen primär der Validierung theoretischer Auslegungen. Es gibt aber auch Kunden, die noch nicht in einen Apparat oder eine Anlage investieren wollen, sondern lediglich die Trennbarkeit eines Mediums prüfen möchten. In solchen Fällen ist es notwendig, eine Vorab-Bewertung durchzuführen, um festzustellen, ob das Medium grundsätzlich für Pilotversuche geeignet ist und welche Verdampfertechnologien in Betracht gezogen werden können“, erläutert Sarah Schüssler, Operator im Technikum von GIG Karasek.

Abbildung 6: Sarah Schüssler ist Operator im Technikum von GIG Karasek © GIG Karasek

Folgende Kriterien dienen als Bewertungsgrundlage:

• Toxizität: Aufgrund der Ausblaseleitung des Vakuumsystems können hochtoxische Stoffe nicht im Technikum verarbeitet werden.
• Viskosität: GIG Karasek verfügt über Anwendungen für eine Viskosität von bis zu 5.000 Pas. Die Bewertung zielt lediglich darauf ab, die optimale Verdampfertechnologie für das jeweilige Kundenprodukt zu bestimmen.
• Explosionsgefährdung: Das Technikum ist mit Apparaten ausgestattet, die explosionsgefährdete Stoffe verarbeiten können. Die Anwendbarkeit wird unter anderem anhand der Temperaturklasse und des erwarteten Explosionsdrucks individuell geprüft.
• Aggressivität des Mediums: Korrosive oder abrasive Medien können zu Schäden an den Anlagen im Technikum führen. In manchen Fällen sind dennoch Versuche möglich, da die Einsatzzeiten bei Tests von begrenzter Dauer sind.
• Belagsbildung: Die Bildung von Belägen auf den Heizflächen beeinträchtigt den Wärmeübergang und die Leistung von Fallfilmverdampfern. Die Betriebsgrenzen für den Einsatz von Fallfilmverdampfern werden im Einzelfall geprüft.
• Schaumbildung: Medien mit hoher Schaumbildung können insbesondere bei Fallfilmverdampfern zu Problemen führen. Die Neigung zur Schaumbildung und ihre Auswirkungen auf den Prozess werden im Einzelfall geprüft.    
• Förderbarkeit: Im Technikum besteht die Möglichkeit, Produkte zu trocknen und in einen rieselfähigen Feststoff umzuwandeln.

2. Erprobung neuer Prozesslösungen 

Für die erfolgreiche Realisierung von Anlagenprojekten und die Einführung neuer Prozesse reichen theoretische Berechnungen oft nicht aus. Die Vielfalt an verfügbaren Technikum-Apparaten ermöglicht es, die optimale Anlagenkonfiguration und die erforderliche Anzahl an Trennapparaten für die Gesamtanlage zu ermitteln. Auf dieser Grundlage wird eine maßgeschneiderte Prozesslösung entwickelt, die den spezifischen Vorgaben und Bedingungen des Kunden bestmöglich entspricht.

Abbildung 7: Das Technikum bietet eine hochwertige Testinfrastruktur für individuelle Versuchszwecke © GIG Karasek

3. Optimierung von Anlagen  

Im Laufe der Zeit können sich in bestehenden Anlagen die Anforderungen ändern oder bestimmte Bottlenecks machen eine Anpassung der Prozessparameter erforderlich. Technikumversuche bieten in solchen Szenarien eine kostengünstige und risikofreie Möglichkeit, neue Betriebsdaten zu erproben. Basierend auf den Versuchsprotokollen erhält der Anlagenbetreiber eine solide Grundlage für die optimale Einstellung der Anlage, ohne das Risiko kostenintensiver Fehlversuche auf der eigenen Anlage eingehen zu müssen.

1. Kapazitätserhöhung

Eine typische Anwendung in diesem Zusammenhang ist die Erhöhung der Kapazität einer bestehenden Anlage durch die Beseitigung von Durchsatzbeschränkungen. Unsere Verfahrenstechniker führen zunächst eine Inspektion in der Anlage des Kunden durch und berechnen anschließend im Rahmen einer theoretischen Studie die Auswirkungen verschiedener Parameteränderungen auf die Produktionsleistung. Dabei stützen sie sich auf Daten, die vom Kunden bereitgestellt werden. Um die Ergebnisse zu validieren, wird häufig ein Versuch im Technikum durchgeführt.

2. Anlagenoptimierung

Es gibt jedoch auch Einschränkungen bei der Anpassung der Prozessparameter. Zum Beispiel können höhere Temperaturen oder Drücke zu einer Beeinträchtigung der Produktqualität führen oder die Lebensdauer der Anlage verkürzen. In solchen Fällen kann es notwendig sein, die Anlage selbst zu verbessern, um die Kapazität zu steigern.

Ein Beispiel hierfür wäre der Austausch eines kleineren Verdampferkörpers gegen einen größeren. Die Auslegung der Aggregate im Verdampferkörper ermöglicht es, die zusätzliche Menge problemlos zu verarbeiten, sodass eine höhere Produktion erreicht werden kann, ohne die gesamte Anlage komplett austauschen zu müssen. Auch hier kann das Technikum durch entsprechende Versuche unterstützen und wertvolle Erkenntnisse liefern.

Abbildung 6: Die umfangreiche Testinfrastruktur bietet die Basis für die Entwicklung einzelner Apparate bis hin zu kompletten Anlagen. © GIG Karasek

4. Auslotung von Grenzwerten  

Der Kunde verfügt beispielsweise über einen Feedstrom mit spezifischer Zusammensetzung und hat das Ziel, entweder eine Stoffanreicherung durchzuführen oder eine Trennung vorzunehmen. Um den gewonnenen Stoff weiterzuverarbeiten oder auf dem Markt zu verkaufen, müssen bestimmte Grenzwerte eingehalten werden.

4.1. Reinheitsgrad

Der Reinheitsgrad eines Produkts legt fest, welche Menge an Verunreinigungen oder Schadstoffen darin enthalten sein darf. Im Falle von Biodiesel ist beispielsweise der Schwefelgehalt auf 10 ppm begrenzt, um die erforderliche Qualität für die Beimischung zu gewährleisten. Im Rahmen von Technikumversuchen kann erprobt werden, ob der angestrebte Reinheitsgrad des Kunden mit den vorhandenen Technologien erreicht werden kann und unter welchen Prozessbedingungen die besten Ergebnisse erzielt werden können.

4.2. Temperatur

In einigen speziellen Anwendungen kann es vorkommen, dass die Produktqualität mit zunehmender Temperatur abbaut. Durch Versuchsreihen auf verschiedenen Temperaturniveaus kann gezielt die maximale Temperatur ermittelt werden, bei der das Produkt noch stabil bleibt, ohne beispielsweise Verfärbungen oder andere unerwünschte Veränderungen zu erfahren.   

4.3. Viskosität

Viskosität spielt eine entscheidende Rolle im Bereich der Fallfilmtechnologie und stellt einen wichtigen Grenzwert dar. Ein maßgeblicher Faktor, der die Viskosität beeinflusst, ist der Trockensubstanzgehalt des Mediums. D.h. je höher der Trockensubstanzgehalt, desto höher die Viskosität.

Im Technikumsversuch kann gezielt ermittelt werden, bis zu welchem Trockensubstanzgehalt das Medium aufkonzentriert werden kann, bevor es aufgrund seiner zunehmenden Zähflüssigkeit im Fallfilmverdampfer nicht mehr optimal verarbeitet werden kann. Anders ausgedrückt ermöglicht der ermittelte Grenzwert eine Einschätzung der maximalen Viskosität, bei der der Fallfilmverdampfer noch effizient betrieben werden kann.

Durch die Bestimmung dieses Grenzwerts im Versuch erhalten Kunden wertvolle Informationen zur optimalen Prozessgestaltung und können die Betriebsparameter entsprechend anpassen, um eine effiziente und zuverlässige Verdampfung des Mediums zu gewährleisten.

5. Scale-up: Designparameter für die Auslegung von Großanlagen

Scale-up bezeichnet den Transfer der Ergebnisse aus Technikumsversuchen auf eine großtechnische Anlage. Dabei werden dimensionslose Kennzahlen auf Basis der Versuchsergebnisse ermittelt, um die Auslegung der maßstäblich größeren Produktionsanlage zu ermöglichen.

5.1. k-Wert als Indikator für den Wärmedurchgang

Ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung von Großanlagen ist die Heizfläche, da sie das Hauptkriterium für die Größe eines Apparates und letztendlich seine Kosten darstellt.

Der k-Wert ist als Indikator für den Wärmedurchgang die entscheidende Kennzahl für die Ermittlung der Heizfläche und optimale Dimensionierung der Anlage:

• Ein zu niedriger k-Wert würde bedeuten, dass der Stoffaustausch ineffizient ist und ein größerer Verdampfer mit einer größeren Oberfläche benötigt wird.
• Ein zu hoher k-Wert hingegen kann zu unnötigen Investitionskosten führen, da ein kleinerer Verdampfer ausreichen würde.

Die Berechnung des k-Werts erfolgt in drei Schritten:

1. Wärmeübergang vom Heizmedium auf den Behältermantel

2. Wärmeleitung durch den Behältermantel

3. Wärmeübergang vom Behältermantel auf das Prozessmedium

• Der Wärmedurchgang bzw. k-Wert ist somit einerseits abhängig von den Materialien, die im Verdampfer verbaut sind, andererseits aber auch beeinflusst vom Medium, das verdampft wird: 
• Während die Materialeigenschaften der Apparate bekannt sind, fehlen oft genaue Stoffdaten über das zu verdampfende Medium. In den meisten Fällen reichen die vom Kunden übermittelten Stoffeigenschaften für eine theoretische Auslegung des Apparats nicht aus, da der Detailliertheitsgrad zu gering ist.

5.3. Flächenbeladung (Dünnschichttechnologie)

Im Bereich der Dünnschichttechnologie kann für das Upscaling auch die Flächenbeladung herangezogen werden. Die Berechnung basiert auf der linearen Hochrechnung des Feeds, der im Verdampfer verarbeitet wurde.

Fazit: Kostengünstige Erprobung neuer Konzepte

Das Technikum von GIG Karasek stellt ideale Bedingungen für eine kostengünstige Erprobung verschiedenster Aufgabenstellungen bereit. Dabei deckt es ein breites Spektrum ab, wie die Qualitätsbestimmung neuer Produkte, die Optimierung von Anlagen sowie die Umsetzung von Anlagenprojekten. Hierfür stehen im Technikum speziell konfigurierbare Labor- und Pilotanlagen zur Verfügung, die individuell für die jeweilige Anwendung konfiguriert werden können. Eine ausführliche Beschreibung unserer Pilotanlagen finden Sie in Kürze in unserem Blogbeitrag „Flexibilität und Anpassungsfähigkeit: Die Technikumanlagen im Überblick“.