Pilotanlagen und Technika in der Prozessindustrie

In Deutschland existiert ein dicht besetztes und hoch spezialisiertes Anbietersegment für Pilotanlagen und Technikumsausrüstung. Es ist historisch aus dem Maschinen- und Anlagenbau für die Verfahrenstechnik hervorgegangen. Die Anbieter lassen sich primär in drei Kategorien gliedern:

Spezialisierte Apparate- und Komponentenbauer: Diese Hersteller fokussieren sich auf spezifische Grundoperationen wie Mischen, Dispergieren, Kneten, Zerkleinern, Klassieren, Trocknen, Granulieren, Coaten, Extrudieren sowie thermische Trennverfahren und bieten hierfür Labor- und Technikumsaggregate in skalierbaren Baureihen an. Typische Systeme umfassen Intensiv-, Pflugschar-, Konus- und Doppelwellenmischer, Technikumsmühlen (z. B. Kugel-, Strahl-, Prall- und Rührwerksmühlen), Wirbelschicht-, Sprüh-, Vakuumkontakt- und Bandtrockner, Doppelschneckenextruder im Technikumsmaßstab sowie Filtrations-, Destillations- und Kristallisationsanlagen.

Diese Lösungen adressieren unter anderem die Bau-, Chemie-, Pharma-, Lebensmittel-, Polymer- und Batterieindustrie und erlauben ein Scale-up durch geometrisch und verfahrenstechnisch ähnliche Baureihen.

Turnkey-Anlagenbauer für Pilot- und Miniplant-Systeme konzipieren und realisieren schlüsselfertige, oft modular aufgebaute Pilotlinien (z. B. als Skid-Montage), die den gesamten Prozesspfad vom Rohstoffhandling über Reaktion, Aufbereitung und Formgebung bis zum Endprodukt abbilden. Sie bieten Pilot-, Labor- und Miniplant-Anlagen mit integrierter Verfahrenstechnik und Automatisierung für chemische, pharmazeutische, biotechnologische und weitere Industrien.

Engineering-Dienstleister und Hersteller mit eigenem Technikum verfügen über Technika und Versuchszentren, die als „Capacity as a Service“ genutzt werden können. Kunden greifen auf vorhandene Pilotinfrastruktur zu, führen Machbarkeitsstudien, Versuchsreihen und Scale-up-Tests durch, ohne selbst in Hardware investieren zu müssen. Oft stehen verschiedene Labor- und Pilotanlagen für Misch-, Reaktions-, Trenn- und Trocknungsprozesse zur Verfügung, die um Prozessanalytik und Automatisierung ergänzt sind.

Technika von Forschungseinrichtungen

Neben industriellen Herstellern betreiben auch Fraunhofer-Institute, Universitäten und industrienahe Forschungseinrichtungen eigene Technika. Diese können für Auftragsversuche, gemeinsame Entwicklungsprojekte und Scale-up-Studien genutzt werden. Dies ist häufig eine sinnvolle Vorstufe oder Alternative zur eigenen Investition in Pilotinfrastruktur.

Bedeutung des Technikums für die Rezepturentwicklung

Das Technikum bildet das kritische Bindeglied zwischen dem Labormaßstab (Gramm- bis Kilobereich) und der industriellen Produktion (Tonnenmaßstab). Es ermöglicht die Validierung von Rezepturen unter produktionsnahen Bedingungen, wobei zentrale physikalische Einflussgrößen (z. B. Scherkräfte, Wärmeübergangskoeffizienten, Verweilzeit- und Strömungsverhalten) kontrolliert und systematisch variiert werden können.

Dadurch lassen sich:

• Risiken von Fehlchargen in der Großanlage reduzieren
• Rohstoffeffizienz und Ausbeuten quantifizieren
• energetische Kennzahlen und Betriebskosten frühzeitig bewerten
• technologische Grenzen und Betriebsfenster sicher bestimmen

Die im Technikum gewonnenen Daten sind die Grundlage für belastbare Scale-up-Konzepte und Investitionsentscheidungen.

Prozesstechnische Anforderungen an moderne Pilotanlagen

Moderne Pilotanlagen zur Rezepturentwicklung und Prozessoptimierung zeichnen sich durch hohe Flexibilität, Modularität und Datendichte aus. Typische Merkmale sind:

• Modularität und Variantenfähigkeit: Austauschbare Prozessmodule (z. B. unterschiedliche Rührorgane, Düsen, Trennstufen oder Filtermedien) ermöglichen die schnelle Anpassung an verschiedene Viskositäten, Partikelgrößen, Reaktionskinetiken oder Produkttypen. Modular aufgebaute Verfahrenszonen erlauben den Wechsel zwischen Prozessoperationen (z. B. Granulieren, Trocknen, Coaten oder Reagieren) innerhalb einer Anlage.
• Integration von In-line- und At-line-Messtechnik: Spektroskopische In-line-Messung, Partikelgrößenanalyse, Leitfähigkeit sowie pH-, Temperatur- und Drucksensorik ermöglichen die Echtzeit-Überwachung der Produkt- und Prozessqualität mittels Process Analytical Technology (PAT). Die hohe Instrumentierungsdichte unterstützt die statistische Versuchsplanung und die Entwicklung robuster Prozessmodelle.
• Hygienic Design und Regulierungskonformität: In Life-Science- und Lebensmittelanwendungen erfüllen die Anlagen die GMP-, FDA-, Hygienic-Design- und ATEX-Anforderungen. So werden Kreuzkontaminationen bei Rezepturwechseln ausgeschlossen und Sicherheit sowie Produktqualität gewährleistet.

Offene Schnittstellen und Datenintegration

Moderne Systeme bieten offene Schnittstellen für die Einbindung in Leitsysteme, Produktionssysteme oder Laborsysteme und erleichtern die Erfassung, Auswertung und Archivierung von Versuchsdaten.

Transfer von der Pilotphase in die Produktion (Scale-up)

Der Scale-up basiert auf der Anwendung der Ähnlichkeitstheorie. Chemie- und Prozessingenieure nutzen kennzeichnende, dimensionslose Kennzahlen (z. B. Reynolds-Zahl, Newton-Zahl, Archimedes-Zahl) sowie weitere Kennwerte, um die im Technikum ermittelten optimalen Prozessparameter auf größere Volumina zu übertragen.

Ziele des Scale-ups sind:

• Wahrung der geometrischen, kinematischen und thermischen Ähnlichkeit zwischen Pilot- und Produktionsanlage
• Sicherstellung konstanter Produktqualität trotz steigendem Durchsatz
• Minimierung von Anpassungsaufwand, Anfahrzeiten und Ausschuss bei der Großanlage

Verwertung der Technikumsdaten

Die im Technikumsbetrieb gewonnenen Daten fließen in Auslegungsrechnungen, die Auswahl der Apparate, Sicherheitsbetrachtungen und wirtschaftliche Bewertungen ein.

Rolle der Automatisierung in Technikumsanlagen

Die Automatisierung moderner Pilotanlagen geht weit über einfache Steuerfunktionen hinaus und ist ein zentraler Enabler für systematische Prozessoptimierung.

Datenerfassung und Design of Experiments (DoE): Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und übergeordnete Systeme mit integrierten Datenbankanbindungen erfassen kontinuierlich Prozess- und Qualitätsdaten. Dies bildet die Basis für DoE-Ansätze, bei denen Parameterkombinationen systematisch variiert und statistisch ausgewertet werden.

Die erhobenen Daten ermöglichen Korrelationsanalysen zwischen Prozessparametern und Qualitätsmerkmalen. Auf dieser Grundlage entstehen Prozessmodelle und zunehmend Digitale Zwillinge. Mit diesen können zukünftige Prozessanpassungen zunächst virtuell simuliert, optimiert und anschließend im Technikum bzw. in der Produktion implementiert werden.

Skalierbare Automatisierungskonzepte

Durch die Nutzung standardisierter Schnittstellen, Steuerungsplattformen und Funktionsbausteine lassen sich Automatisierungskonzepte vom Technikum relativ einfach auf Produktionsanlagen übertragen. Dies verkürzt den Scale-up und erhöht die Wiederverwendbarkeit von Know-how.

Auswahlkriterien bei der Herstellerauswahl

Technische Entscheider sollten bei der Auswahl eines Herstellers für Pilotanlagen und Technikumsausrüstung insbesondere folgende Kriterien prüfen:

• Scale-up-Fähigkeit und Ähnlichkeit zwischen Technikum und großtechnischer Anlage
• Branchen- und Prozesskompetenz des Anbieters (z. B. Chemie, Pharma, Lebensmittel, Polymer, Batterie)
• GMP-/ATEX-Konformität und Hygienic Design je nach Zielanwendung
• Instrumentierungsdichte, PAT-Ausstattung und Datenkonnektivität
• Modularität und Erweiterbarkeit der Anlage zur Abdeckung verschiedener Rezepturen und Prozesse
• Verfügbarkeit von Versuchszentren/Technika für Machbarkeitsstudien vor Investitionsentscheidungen

Durch die Kombination aus geeigneter Anbieterkategorie, passend dimensionierter Pilotanlage und datengestützter Prozessentwicklung wird die Grundlage für eine robuste, skalierbare und wirtschaftliche Produktion geschaffen.