Nachhaltig rechnet sich – Einsatz von Wirbelschichttechnologie und Pulversynthese in Zukunftsprojekten

Die Wirbelschichttechnologien des Life-Science-Spezialisten Glatt sind bereits seit den 1960er Jahren etabliert. Anwendungen finden sich in der Pharmaindustrie, der Lebens- und Futtermittelindustrie sowie in der Feinchemie. Mit Hilfe kontinuierlicher Wirbelschicht- und Strahlschichtverfahren können auch temperatur- und sauerstoffsensitive Substanzen unter inerten Bedingungen behandelt und in ihren Eigenschaftenprofilen optimiert werden. Die Expertise in der Prozessentwicklung ist zudem bei der Erforschung und Entwicklung von Zukunftsmaterialien wie Feststoffbatterien oder Hochleistungswerkstoffen für den 3D-Druck gefragt. Bislang geltende Temperaturlimits lassen sich heute mit Hochtemperaturwirbelschichtanlagen von Glatt überwinden, um beispielsweise Katalysatormaterialien in einem einstufigen Verfahren zu erzeugen.

Im Konradin-Messeguide zur Powtech 2019 wurde ein neu entwickeltes Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlammaschen vorgestellt: „PHOS4green“ schließt Phosphat aus Klärschlammaschen auf, anschließend wird das Stoffgemisch der Suspension in der Wirbelschicht zu einem frei fließenden, sofort einsetzbaren Düngergranulat sprühgranuliert (Abb. 1). Im November 2019 feierte der Entwicklungspartner Seraplant, ein Düngerhersteller aus Sachsen-Anhalt, Richtfest zum Bau der ersten von Glatt geplanten „PHOS4green“-Produktionsanlage (Abb. 2). Das aschebasierte Wirbelschichtverfahren beweist sich auch in anderen Fragestellungen als vielversprechender und zugleich wirtschaftlich attraktiver Lösungsansatz, wie aktuelle Forschungs- und Kooperationsprojekte zeigen, in denen sich Glatt engagiert.

Aschen aus Knochenmehl, Gärprodukten, Gülle

Das zweistufige, reststofffreie Verfahren von Glatt funktioniert nachweislich mit unterschiedlichen Aschearten. Die Rezepturen werden jeweils gezielt auf das Endprodukt abgestimmt. Das ist auch für die Düngerspezialprodukte interessant, denen sich eine Gruppe von klein- und mittelständischen Unternehmen sowie Forschungsinstituten im Wachstumskern abonoCARE verschrieben hat. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt bündeln die Kooperationspartner ihre Innovationskräfte, um geschlossene Technologie- und Wertschöpfungsketten vom Reststoff bis zum Produkt zu entwickeln und wirtschaftlich zu verwerten – auch auf internationaler Ebene. Im Mittelpunkt der Aktivitäten stehen entsorgungskritische organische Reststoffe – beispielsweise Aschen aus Tierexkrementen oder Knochenmehl. Es werden aber auch Ascherückstände aus dem Mephrec-Verfahren verwertet, das zur Verhüttung von Klärschlamm mit metallurgischem Phosphorrecycling angewendet wird. Im Teilprojekt 1 von abonoCARE entwickelt Glatt Ingenieurtechnik Rezepturen für Suspensionen mit erhöhtem Feststoffanteil und erarbeitet technologische Lösungen für die Kreislaufwirtschaft, um diese beispielweise durch die Nutzung von Abwärme im Prozess noch effizienter zu machen.

Biomasseaschen und Spurenstoffe

Auch in zwei weiteren Forschungsprojekten wird untersucht, wie sich mit Hilfe der Wirbelschichttechnologie Reststoffe ganz gezielt binden bzw. verwerten lassen. In einem Projekt mit dem Thüringer Landesamt für Landwirtschaft und ländlichen Raum (TLLLR), das dem Bundesforschungsprojekt BAM (Biomasse-Asche-Monitoring) zugeordnet ist, werden Biomasseaschen beprobt, analysiert und auf die Verwertbarkeit als Dünger geprüft. Glatt entwickelt zu diesem Zweck rohstoffspezifische Suspensionen für Granulationsprozesse, die zu gebrauchsfertigen, DüMV-konformen Düngern führen.

Das „ERWAS-Anschlussprojekt RIAS – Ressourcenschonende und integrierte Aktivkohleherstellung auf Kläranlagen zur Spurenstoffelimination“ beschäftigt sich mit Lösungen auf Aktivkohlebasis, um Mikroverunreinigungen aus Abwasser zu entfernen. Über einen Siebprozess sollen organische Stoffe aus dem Rohabwasser abgeschieden, in Kohlenstoff umgewandelt und zur Abwasseraufbereitung eingesetzt werden. Glatt erprobt im Rahmen dieses Forschungsprojekts die kostengünstige und effektive Pelletierung der Carbonisate mittels Wirbelschichtagglomeration. In Bezug auf die Anforderungen an das Verfahren, die Verarbeitung und die Qualität der Endprodukte verfügen die Prozessexperten über jahrzehntelange Erfahrungen.

Partikeldesign für neue Batteriewerkstoffe

Mit einer Weiterentwicklung der Pulversynthese hat Glatt ein weiteres wegweisendes Verfahren etabliert: Die Kombination von Sprühtrocknung und Sprühkalzination im pulsierenden Gasstrom ermöglicht das zielgenaue Design neuer Pulvertypen im Nano- und Mikrometerbereich mit exakt eingestellten Eigenschaften. Pulverwerkstoffe für Hochleistungskeramiken, Katalysatoren oder Spezialpigmente können hinsichtlich Handling, Funktionalität und Komplexität in einem bislang ungekannten Maß spezifisch auf verschiedenste Applikationsspektren maßgeschneidert werden.

Besonders gefragt ist die Glatt Pulversynthese auch in aktuellen Forschungsprojekten zur Entwicklung von innovativen Batteriesystemen für die Elektromobilität. Im Rahmen des vom BMBF geförderten EMBATT2.0-Projekts zur Entwicklung von stapelbaren Bipolarbatterien auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie hat Glatt aktive Materialien auf oxidischer Basis für neuartige Elektroden erzeugt, die eine definierte Primärpartikelgröße und ausgebildete Kristalloberflächen aufweisen. Das ebenfalls vom BMBF geförderte Verbundprojekt ARTEMYS befasst sich mit Fertigungstechnologien für Materialien, die in Festkörperbatterien ohne Polymeranteil eingesetzt werden sollen. Glatt ist hierbei in die Entwicklung der Feststoffelektrolyte eingebunden.

Ein weiteres spannendes Forschungsprojekt widmet sich keramischen Festkörperbatterien. In dem vom BMWi geförderten Verbundvorhaben FLiBatt arbeitet Glatt am Material für die Beschichtung der Kathodenpartikel. Im Vergleich zur Batterien mit flüssigen Elektrolyten enthalten anorganische Lithium-Ionen-Feststoffbatterien kein brennbares organisches Material. Das macht die Zellen sicherer, erhöht die Lebensdauer und die Energiedichte. Zurzeit werden Feststoffbatterien nahezu ausschließlich mittels dünnschichttechnologischen Fertigungsprozessen – zum Beispiel Vakuumabscheidung – hergestellt, für die zudem ein großtechnischer Maßstab fehlt. Im Weimarer Technologiezentrum von Glatt werden zu diesem Zweck auch Verfahrensvarianten für die Skalierung der Partikelproduktion erprobt.