Was ist ein Reaktor mit Mantel?
Ein Reaktor mit Mantel ist ein spezialisierter Reaktionsbehälter, der für eine präzise Temperaturregelung während chemischer Reaktionen entwickelt wurde. Er verfügt über eine innere Kammer, in der die chemische Reaktion stattfindet, sowie über einen äusseren Mantel, durch den ein Wärmeträgermedium zirkuliert.
Diese Konstruktion trennt das Prozessmedium vollständig vom Heiz- oder Kühlfluid und macht Glasreaktoren mit Mantel ideal für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen, bei denen Temperaturstabilität entscheidend ist. Die Möglichkeit, Temperatur und Durchflussrate des zirkulierenden Wärmeträgers individuell zu steuern, gewährleistet eine gleichmässige Temperaturverteilung innerhalb des Prozesses – ein zentraler Faktor für Stabilität, Sicherheit und Effizienz der Reaktion. Optional kann eine zusätzliche Vakuummantelung angebracht werden, um bei extremen Hoch- oder Tieftemperaturen eine noch höhere thermische Stabilität zu erzielen.
Historisch gesehen begannen chemische Reaktoren als einfache Glas- oder Metallgefässe mit nur begrenzter Kontrolle über die Reaktionsbedingungen.
Mit dem Fortschritt in der industriellen Chemie und Verfahrenstechnik wuchs der Bedarf an präzisem Thermomanagement, was zur Entwicklung von Reaktoren mit Mantel führte. Frühere Modelle nutzten einfache Dampf- oder Wassermäntel zur Temperaturregelung.
Moderne Reaktoren bestehen heute aus hochwertigen Materialien wie Borosilikatglas (zur visuellen Beobachtung des Prozesses) oder Edelstahl bzw. Hastelloy, die auch bei anspruchsvollen Bedingungen eine hohe chemische Beständigkeit bieten. Reaktoren mit Mantel kommen in einer Vielzahl von Branchen zum Einsatz, insbesondere bei temperaturkritischen Prozessen. In der chemischen Synthese ermöglichen sie kontrollierte Reaktionen wie Hydrierung, Nitrierung und Veresterung. In der pharmazeutischen Industrie werden sie für die API-Synthese, präzise Kristallisation und Lösemittelrückgewinnung während des Scale-ups genutzt. Auch in der Peptidsynthese (SPPS) finden sie zunehmend Anwendung.
In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie dienen sie der Extraktion, Destillation, Pasteurisation und Fermentation, wobei sie Geschmack und Produktsicherheit erhalten. In der Petrochemie und Polymerproduktion werden grossvolumige Reaktoren mit Mantel für Polymerisation, Hydrierung und Feedstock-Blending eingesetzt. In der Materialwissenschaft ermöglichen sie die Nanopartikel-Synthese sowie die Herstellung von Spezialbeschichtungen. Durch ihre präzise Temperaturführung, effiziente Durchmischung und die Möglichkeit der Integration mit Kondensatoren, PAT-Sensoren und Temperaturregelaggregaten (TCUs) sind Reaktoren mit Mantel unverzichtbar für eine reproduzierbare, skalierbare und sichere Produktion.
Glasreaktoren: Der Allrounder unter den Glasapparaturen
Zentrale Komponenten eines Reaktors mit Mantel
Das Reaktionsgefäss bildet das zentrale und wichtigste Element eines Reaktors mit Mantel. Typische Materialien sind Borosilikatglas – aufgrund seiner chemischen Beständigkeit und Transparenz – sowie Edelstahl für Anwendungen mit hohem Druck oder hoher Temperatur. Bei grösserem Produktionsmassstab verliert Borosilikatglas an Wirtschaftlichkeit, weshalb häufig glasemaillierte Edelstahlreaktoren eingesetzt werden. Bereits in der Planungsphase sollte berücksichtigt werden, wie das Endprodukt aus dem Reaktor entnommen wird – entweder über ein Ventil am Boden oder durch eine obere Entleerungsöffnung.
Der Mantel ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung und sorgt für eine präzise thermische Regelung des Prozessmediums. Dabei ist es entscheidend, dass der Mantel einen kontinuierlichen Fluss des Wärmeträgermediums gewährleistet, um lokale Überhitzungs- oder Kältebereiche zu vermeiden. So wird eine gleichmässige Temperaturverteilung im gesamten Reaktor erreicht. Fortschritte im Reaktordesign – wie die von GlasKeller entwickelte Ringbaffle-Technologie – gewährleisten eine optimale thermische Performance des Reaktionsinhalts. Ringbaffles sind ringförmige Strukturen im Inneren des Mantels, die den Wärmetransportfluss gleichmässig leiten und den Wärmeaustausch zwischen Mantel und Prozessmedium deutlich verbessern.
Diese zusätzliche Steuerung ist ideal, um Temperaturschwankungen im Prozessmedium präzise auszugleichen.
Die Temperaturregelaggregate (TCUs) steuern die Temperatur des gesamten Systems, indem sie das Heiz- oder Kühlmedium, das durch den Mantel zirkuliert, regulieren. Moderne TCUs integrieren präzise PID-Regler und Temperatursensoren für eine automatisierte, exakte Temperaturführung.
Das Rührwerk und der Rührmotor spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle für den erfolgreichen Ablauf chemischer Reaktionen.
Sie fördern die homogene Durchmischung der Reaktanden und verbessern dadurch sowohl den Wärme- als auch den Stoffaustausch innerhalb des Reaktors.
Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Rührertypen zum Einsatz:So eignen sich Schrägblattrührer (Pitched-Blade Turbinen) besonders für niedrigviskose Fluide, während Ankerrührer eine gleichmässige Bewegung in hochviskosen oder polymerisierenden Mischungen gewährleisten.
Zur Vervollständigung eines Glasreaktors mit Mantel werden häufig zusätzliche Komponenten integriert, darunter:
- Kondensatoren, um flüchtige Lösemittel zurückzugewinnen und Druckaufbau zu vermeiden
- PAT-Sonden und Sensoren für die Prozessüberwachung – z. B. Temperatur, pH-Wert, IR-Spektrum, Kristallgrösse und Leitfähigkeit
- Überdruck- und Probenventile zur Sicherheit und für Materialentnahme
- Automations- und Steuerungsmodule, die eine vollständige Prozesskontrolle ermöglichen, inklusive Datenaufzeichnung und Sicherheitsalarmen
Ring Baffle: Die Möglichkeit, Temperatur und Durchflussrate des zirkulierenden Wärmeträgers individuell zu steuern, gewährleistet eine gleichmässige Temperaturverteilung innerhalb des Prozesses – ein zentraler Faktor für Stabilität, Sicherheit und Effizienz der Reaktion.
Funktionsweise eines Reaktors mit Mantel
Ein Reaktor mit Mantel funktioniert, indem ein Wärmeträgermedium durch den äusseren Mantel geleitet wird, der das Reaktionsgefäss umschliesst.
Die Wärmeübertragung erfolgt dabei über Leitung (Konduktion) durch die Gefässwand und über Strömung (Konvektion) innerhalb des Wärmeträgers.
Dieses duale Prinzip ermöglicht eine präzise Erwärmung oder Kühlung des Reaktionsinhalts und sorgt für einen effizienten Energieaustausch zwischen Mantel und Prozessmedium.
Das Temperaturregelaggregat (TCU) steuert Temperatur und Durchflussrate des Wärmeträgermediums und hält damit die gewünschten Reaktionsbedingungen konstant. Eine exakte Temperaturregelung ist entscheidend für die Reaktionskinetik, den Produktausbeutegrad und die Prozesssicherheit – insbesondere bei exothermen oder sensiblen Reaktionen. PID-Regler und Sensoren überwachen und justieren kontinuierlich alle Parameter, um Temperaturschwankungen oder Abweichungen zu vermeiden.
Die Effizienz der Wärmeübertragung hängt von mehreren Faktoren ab:
- Manteldesign: Elemente wie Ringbaffles oder Halbrohrspiralen erhöhen die Turbulenz und verbessern den Wärmeaustausch durch vergrösserte Kontaktflächen
- Eigenschaften des Wärmeträgers: Viskosität, Wärmeleitfähigkeit und Durchflussrate beeinflussen die Leistungsfähigkeit des Systems
- Durchmischung: Rührwerke fördern die interne Konvektion und sorgen für eine gleichmässige Temperaturverteilung im Reaktor
- Materialauswahl: Glas oder Edelstahl bestimmen die Wärmeleitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Systems
In ihrer Gesamtheit ermöglichen diese Faktoren, dass Reaktoren mit Mantel ein kontrolliertes, skalierbares und reproduzierbares thermisches Umfeld schaffen – ideal für Anwendungen wie chemische Synthese, Kristallisation, Fermentation und viele weitere temperaturabhängige Prozesse.
Arten von Reaktoren mit Mantel
Reaktoren mit Mantel unterscheiden sich in Material, Manteldesign und Grösse, wobei jede Variante auf spezifische Prozessanforderungen abgestimmt ist.
Glasreaktoren mit Mantel – meist aus Borosilikatglas gefertigt – bieten hervorragende chemische Beständigkeit und Transparenz.
Sie eignen sich ideal für Laboranwendungen, Forschung und Entwicklung sowie Niederdruck-Reaktionen, bei denen visuelle Kontrolle und präzise Temperaturführung entscheidend sind. Reaktoren aus Edelstahl sind für hohen Druck und hohe Temperaturen ausgelegt und kommen daher in Pilotanlagen und industriellen Produktionsumgebungen zum Einsatz. Für grössere Volumina bietet glasemaillierter Stahl eine optimale Kombination aus mechanischer Stabilität und Korrosionsbeständigkeit.
Einwandige Reaktoren mit Mantel besitzen eine einfache äussere Hülle, durch die das Wärmeträgermedium zirkuliert.
Sie ermöglichen eine grundlegende Temperaturkontrolle. Doppelwandige Reaktoren mit Mantel verfügen zusätzlich über eine Vakuumisolierung zwischen den Schichten, wodurch die thermische Effizienz erhöht und Wärmeverluste minimiert werden – ideal für energieintensive oder temperatursensible Prozesse.
Nach Grösse und Volumen lassen sich Reaktoren mit Mantel wie folgt einteilen:
- Laborreaktoren (0.1 – 20 L): Für Forschung und Entwicklung, insbesondere für die Prozessentwicklung
- Pilotreaktoren (20 – 100 L): Dienen als Brücke zwischen Labor und Produktion, um Prozessparameter zu validieren
- Industrie-Reaktoren (ab 100 L): Für kontinuierliche oder Batch-Produktionen im grossen Massstab
Spezielle Ausführungen wie der kontinuierlich gerührte Tankreaktor (CSTR) halten einen konstanten Stoffeintrag und Produktaustrag aufrecht und gewährleisten so stationäre Prozessbedingungen. Diese Bauart wird in der chemischen, pharmazeutischen und biochemischen Industrie häufig eingesetzt, um skalierbare und reproduzierbare Reaktionen zu ermöglichen.
Jede Reaktorkategorie stellt eine individuelle Balance zwischen Sichtbarkeit, Langlebigkeit, thermischer Kontrolle und Skalierbarkeit her, um den jeweiligen Prozessanforderungen gerecht zu werden.
Zunehmend beliebt sind auch Filterreaktoren, die heute von vielen Herstellern angeboten werden. Sie vereinen Reaktion und Filtration in einem einzigen Gefäss und ermöglichen dadurch eine effizientere Prozessführung bei Anwendungen wie Kristallisation, Produktrückgewinnung und Reinigung.
Filterreaktoren vereinen Reaktion und Filtration in einem einzigen Gefäss und ermöglichen dadurch eine effizientere Prozessführung bei Anwendungen wie Kristallisation, Produktrückgewinnung und Reinigung.
Auswahl des richtigen Reaktors mit Mantel
Die Auswahl des richtigen Reaktors mit Mantel beginnt mit der Art der Reaktion und den erwarteten Temperaturveränderungen während des Prozesses.
Bei stark exothermen Reaktionen sollte ein Reaktor gewählt werden, der über eine hohe Wärmeabfuhrkapazität, eine grosse Mantelfläche, leistungsstarke Temperaturregelaggregate (TCUs) und ein robustes Rührsystem verfügt. Für endotherme Reaktionen hingegen sind ein effizientes Heizmedium und ein optimaler thermischer Kontakt entscheidend.
Die Grösse und das Material des Reaktors sollten auf den Prozessmassstab und die chemische Zusammensetzung abgestimmt werden. Borosilikatglas eignet sich besonders für kleine Volumina, korrosive Medien und Anwendungen, bei denen eine visuelle Beobachtung des Prozesses erforderlich ist.Glasreaktoren mit Mantel sind ideal für Forschung und Entwicklung sowie für das Scale-up vor dem Übergang in die Pilotproduktion. Für Pilotanlagen oder industrielle Anwendungen mit hohem Druck oder abrasiven Chemikalien sind Edelstahlreaktoren oder glasemaillierte Stahlreaktoren die bevorzugte Wahl. Auch die Gefässgeometrie sollte sorgfältig berücksichtigt werden – insbesondere im Hinblick auf Mischverhalten und Feststoffhandling.
Bereits zu Beginn sollten die Temperatur- und Druckgrenzen des Prozesses definiert werden.
Der Manteltyp wird entsprechend dieser Anforderungen gewählt:
- Einwandiger Mantel für moderate Temperaturkontrolle
- Halbrohr- oder Ringbaffle-Mantel für verbesserte Wärmeübertragung
- Doppelmantel oder Vakuummantel für maximale Präzision oder Isolation
Ebenso sollte die Kompatibilität der TCU mit dem erforderlichen Temperaturbereich und dem verwendeten Wärmeträgermedium überprüft werden.
Die Auswahl der Automations- und Steuerungsfunktionen richtet sich nach dem Prozessrisiko und der gewünschten Reproduzierbarkeit.
Zu den bewährten Optionen zählen PID-geregelte TCUs, verriegelte Alarmsysteme, PAT-Sensoren, Rezeptsteuerungen und Datenaufzeichnungssysteme – insbesondere bei regulierten oder präzise kontrollierten Prozessen. Für eine reibungslose Skalierung sollte die Laborausstattung so gewählt werden, dass sie sich nahtlos mit der Automatisierung auf Pilot- und Produktionsebene verbinden lässt – um Transferverluste oder Prozessabweichungen zu minimieren.
Da es auf dem Markt eine Vielzahl von Reaktorherstellern gibt, ist es entscheidend, dass das gewählte System prozessspezifisch ausgelegt ist.
GlasKeller bieten eine breite Palette an kundenspezifischen Anpassungsoptionen, mit denen sich Reaktordesign, Materialauswahl und Zubehör exakt an die betriebs- und sicherheitstechnischen Anforderungen anpassen lassen.
Peptidreaktoren für die Peptidsynthese (SPPS) finden auch zunehmend Anwendung.
Fehlersuche bei Reaktoren mit Mantel
Die Fehlersuche bei Glasreaktoren mit Mantel beginnt stets mit systematischen Überprüfungen und einfachen Korrekturen, bevor auf den Austausch einzelner Komponenten zurückgegriffen wird.
Temperaturschwankungen:
Treten unregelmässige Temperaturen auf, sollte zunächst Luft aus dem Mantel abgelassen und der Durchfluss des Wärmeträgermediums überprüft werden.
Ebenso sind die Sollwerte des Temperaturregelaggregats (TCU) zu kontrollieren. Sensoren sollten regelmässig neu kalibriert und die PID-Einstellungen feinjustiert werden. Eine optimierte Rührleistung hilft zudem, Temperaturschichtungen (Stratifikation) zu vermeiden.
Leckagen:
Zur Vorbeugung sind geeignete Dichtungen, korrektes Anzugsdrehmoment der Flansche und regelmässige Drucktests entscheidend. Bei einer Leckage sollte der betroffene Bereich sofort isoliert und die Dichtungen oder O-Ringe ersetzt werden. Korrodierte Metallteile müssen repariert oder ausgetauscht werden; beschädigte Glaskomponenten erfordern eine fachgerechte Reparatur oder den Ersatz durch spezialisierte Hersteller.
Rühr- und Mischprobleme:
Wenn Mischprobleme auftreten – etwa Feststoffabsatz, Wirbelbildung oder Motorüberlastung – sollte zunächst der Rührertyp und die Drehzahl an die Viskosität des Mediums angepasst werden. Gegebenenfalls können „Baffles„ hinzugefügt oder die Rührergeometrie verändert werden. Zudem sollten Wellendichtungen und Lager überprüft sowie die Drehzahl (RPM) angepasst werden. Je nach Prozess kann der Wechsel zu einem Ankerrührer oder Schrägblattrührer (Pitched-Blade) Abhilfe schaffen.
Verschmutzung und Reinigung:
Um Ablagerungen (Fouling) zu vermeiden und die Reinigung zu vereinfachen, sollten Totzonen im Design vermieden, Temperaturprofile kontrolliert und kompatible Lösemittel verwendet werden. Ein validiertes CIP-System (Clean-in-Place) mit erhitztem Lösemittel oder alkalischer Reinigungslösung ist empfehlenswert. Wo möglich, sollte zusätzlich eine mechanische Reinigung eingeplant werden.
Für Edelstahlkomponenten ist die Passivierung regelmässig zu erneuern, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden und die Langzeitleistung zu sichern.
Neben den technischen Aspekten der Fehlersuche sind auch Sicherheitsmassnahmen entscheidend. Reaktorsysteme müssen mit Überdruckventilen und Notabsperreinrichtungen ausgestattet, regelmässig geprüft und leicht zugänglich sein. Der Betrieb darf ausschliesslich nach dokumentierten Arbeitsanweisungen erfolgen – durch geschultes Personal und unter kontrollierten Start- und Abschaltprozeduren. Für luft- oder feuchtigkeitsempfindliche Substanzen ist eine inertisierte Atmosphäre sicherzustellen, ergänzt durch geeignete Transfertechniken sowie die Kontrolle von statischer Aufladung und Sauerstoffeintrag.
Besonders wichtig ist das Tragen der persönlichen Schutzausrüstung (PSA):
- Chemikalienbeständige Handschuhe
- Schutzbrille oder Gesichtsschutz
- Labormantel oder flammenhemmender Overall
- Atemschutz, sofern erforderlich
Zudem sollten Notfallsets für Chemikalienverschüttung sowie eine geeignete Notbelüftung jederzeit bereitstehen.
Vor jeder Inbetriebnahme ist eine vollständige Risikobewertung durchzuführen, um Sicherheit und Prozessstabilität zu gewährleisten.
Unser Engagement für Qualität und Innovation
Unser Engagement für Qualität und Innovation bedeutet, dass wir ständig nach Wegen suchen, um unsere Borosilikatglasprodukte zu verbessern. Wir arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen — Wissenschaftlern und Forschern —, um ihre Bedürfnisse zu verstehen und Produkte zu entwickeln, die ihre Forschung unterstützen und vorantreiben. Diese Zusammenarbeit ermöglicht es uns, spezifische Lösungen zu entwickeln, die genau auf die experimentellen Anforderungen und wissenschaftlichen Ziele unserer Kunden abgestimmt sind.
