Verfahrenstechnik

Begriff, Berufsbild und Bedeutung

Verfahrenstechnik, auch Prozesstechnik, ist eine Ingenieurwissenschaft der Stoffumwandlung. Sie befasst sich mit Prozessen, in denen Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe in ihrer Art, Eigenschaft oder Zusammensetzung verändert werden. Nach der Definition der VDI-Gesellschaft für Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC) geht es um die technische und wirtschaftliche Durchführung solcher Prozesse.

Verfahrensingenieure übertragen naturwissenschaftliche Erkenntnisse, etwa aus der Chemie, in technisch realisierbare Prozesse. Wichtige Fragen sind dabei die Vergrößerung vom Labor- zum Produktionsmaßstab und der Energiehaushalt eines Verfahrens. Ihre Aufgaben reichen von Entwicklung, Modellierung und Simulation über die Auswahl und Auslegung von Apparaten, Bauteilen und Materialien bis zur Mess-, Regelungs- und Anlagenplanung. Berufsfelder liegen unter anderem in der Chemie-, Energie-, Lebensmittel- und Pharmaindustrie, im Anlagenbau und in Forschungseinrichtungen.

Aufgaben und Anwendungsfelder

Die Verfahrenstechnik nutzt physikalische, chemische und biologische Prozesse zur Verarbeitung von Stoffen. Anders als die Fertigungstechnik erzeugt sie Stoffe oder verändert Stoffe ohne genau festgelegte geometrische Form. Die Fertigungstechnik verarbeitet diese Ausgangsprodukte anschließend zu Körpern und Produkten mit bestimmter Form weiter.

Typische Beispiele sind:

• Mahlen und Sieben von Getreide,
• Gewinnung von Metallen aus Erzen,
• Papierproduktion,
• Auftrennung der Bestandteile von Erdöl oder Rohöl.

Ein Rohmaterial kann bereits das Produkt eines vorherigen Verarbeitungsschritts sein; ein entstandenes Produkt kann wiederum weiterverarbeitet werden. Diese Vernetzung heißt Produktionsverbund oder Anlagenkomplex. Auch Recycling und die Wiedergewinnung von Wertstoffen aus Abfällen gehören zur Verfahrenstechnik. Für Bioenergie aus nachwachsenden Rohstoffen werden ebenfalls moderne verfahrenstechnische Methoden benötigt.

Das Fach ist interdisziplinär und steht unter anderem mit Metallurgie, Chemieingenieurwesen, Physik, Biotechnik und Umwelttechnik in Verbindung. Angrenzende Bereiche sind Anlagen-, Apparate- und Armaturenbau, Leitungsbau, Elektrotechnik, Energietechnik, Prozessleittechnik sowie Arbeits- und Explosionsschutz.

Ausbildung und Abgrenzung

Verfahrenstechnische Studiengänge werden in Deutschland und Österreich an Technischen Universitäten und anderen Hochschulen angeboten. Je nach Hochschule ist das Fach eher technisch oder chemisch ausgerichtet: Es kann eine Vertiefung des Maschinenbaus, ein eigenständiges Bachelorstudium oder die Grundlage für Spezialisierungen wie Bioverfahrenstechnik und Chemietechnik sein. Weitere Spezialisierungen betreffen beispielsweise Agrartechnik, Nutztierhaltung, Energieanlagenbau, Erneuerbare Energien, Umwelttechnik, Biotechnologie und Lebensmitteltechnologie.

Im englischsprachigen Ausland entspricht das Studienfach meist dem Chemical Engineering; Process Engineering bezeichnet dort eher die Tätigkeit eines Ingenieurs. In Deutschland wird in der Hochschulausbildung zwischen Verfahrens- und Chemietechnik unterschieden. Frühere Abschlüsse waren meist Diplom-Ingenieur; durch den Bologna-Prozess wurden Bachelor und Master eingeführt. In Deutschland verleihen nur die Technische Universität Dresden und die Technische Universität Freiberg noch den Abschluss Diplom-Ingenieur.

Verfahrenstechnik ist überall beteiligt, wo ein Stoffstrom und seine Veränderung entwickelt werden. Ihr Schwerpunkt liegt darauf, ein Verfahren unter gegebenen Randbedingungen zu optimieren. Sie versucht nicht vor allem, neue Naturzusammenhänge zu entdecken, sondern bekannte Zusammenhänge technisch nutzbar zu machen. Chemieingenieurwesen ist dabei eine Disziplin mit Schwerpunkt Chemie; Umwelttechnik legt den Schwerpunkt auf rechtliche, toxikologische und logistische Aspekte der Ver- und Entsorgung.

Grundoperationen und Gliederung

Für die Auslegung verfahrenstechnischer Prozesse werden Natur- und Materialwissenschaften sowie Wirtschafts-, Sozial-, Politik- und Rechtswissenschaften benötigt. Der Anlagenbau greift außerdem auf weitere Ingenieurwissenschaften zurück. Verfahrenstechnische Anlagen können von wenigen Gramm bis zu mehreren Millionen Tonnen pro Jahr produzieren.

Zur Beschreibung werden Prozesse in Grundoperationen (englisch unit operations) zerlegt. Eine Grundoperation umfasst nur einen physikalischen Vorgang, etwa Mischen oder Verdampfen. Wichtige Klassen sind:

• Änderung von Stoffeigenschaften: Zerkleinern, Kühlen, Trocknung;
• Änderung der Stoffzusammensetzung: Filtration, Destillation;
• Änderung der Stoffart: Oxidation, Hydrierung, Polymerisation.

Aneinandergereihte Grundoperationen bilden einen Gesamtprozess. Diese Zerlegung erleichtert Berechnung und Verständnis, ist aber zunächst nicht optimal hinsichtlich Energie und Platz. Deshalb werden heute häufig mehrere Grundoperationen in einem Prozessschritt kombiniert.

Die klassische Gliederung umfasst mechanische, chemische und thermische Verfahrenstechnik sowie weitere physikalische Verfahren. Daneben gibt es komplexe Bereiche wie biologische Verfahrenstechnik, Grenzflächenverfahrenstechnik und Membranverfahrenstechnik. Hilfs- und Spezialdisziplinen sind beispielsweise MSR-Technik, Anlagenbau und kerntechnische Verfahrenstechnik.

Wichtige Teildisziplinen

Die mechanische Verfahrenstechnik nutzt Mechanik und Strömungsmechanik. Ihre Hauptgruppen sind Zerkleinern, Agglomerieren, Mischen und Trennen, etwa durch Filter oder Siebe. Außerdem werden Lagern, Fördern und Dosieren von Feststoffen, Schüttgütern und Flüssigkeiten – beispielsweise durch Pumpen – ihr zugerechnet.

Die thermische Verfahrenstechnik behandelt besonders thermische Trenn- und Reinigungsprozesse. Dazu gehören Destillation, Rektifikation und Extraktion; auch Prozesse mit Membrantechnik zählen dazu.

Die chemische Verfahrenstechnik oder chemische Reaktionstechnik untersucht Stoffwandlungen durch chemische Reaktionen. Sie verbindet Verfahrenstechnik eng mit Chemie und behandelt insbesondere die Übertragung von Laborergebnissen in den technischen Maßstab. Dazu gehören Pilotanlagen und die Untersuchung von Kinetiken, also Reaktionsgeschwindigkeiten. Diese Maßstabsübertragung heißt Scale-up.

Die elektrochemische Verfahrenstechnik nutzt elektrochemische Phänomene technisch, etwa für die Synthese von Chemikalien, elektrolytische Raffination von Metallen, Batterien, Brennstoffzellen, Sensoren, galvanische Abscheidung, Ätzung, Trennungen und Korrosion. Die Systemverfahrenstechnik modelliert das dynamische Verhalten verfahrenstechnischer Systeme, optimiert ihre Struktur und gestaltet notwendige Teilsysteme. Nanotechnik beschäftigt sich mit Stoffen und Systemen bis hin zu wenigen Molekülen. Für die Verfahrenstechnik ist besonders die Nanopartikeltechnik wichtig; Kohlenstoffnanoröhren verhalten sich beispielsweise anders als Graphit-Partikel.

Bioverfahrenstechnik

Bioverfahrenstechnik, auch Bioprozesstechnik oder Bioengineering, setzt biotechnologische Prozesse in Forschung und Produktion um. Biotechnologie nutzt Stoffumwandlungen durch biologische Prozesse technisch. Diese werden durch Enzyme in Zellen – meist Bakterien, Hefen oder Pilzen – oder durch isolierte Enzyme durchgeführt. Man spricht dabei von Biokatalyse, Biosynthese oder Fermentation. Kultivierung bedeutet, dass sich eingesetzte Zellen während des Prozesses vermehren oder Stoffwechsel betreiben.

Bioverfahrenstechnik umfasst Planung, Prozesskontrolle, Produktaufbereitung, Steuerung und fortlaufende Optimierung. Gentechnische Methoden können eingesetzt werden, sind aber nicht für jede Anwendung erforderlich. Biologische Verfahren laufen oft unter weniger extremen Bedingungen als chemische Verfahren und können daher ökonomische oder ökologische Vorteile haben. Sie können außerdem Verbindungen erzeugen, die chemisch nicht synthetisierbar sind, und bei chiralen Verbindungen nur eine benötigte Variante liefern. Ihre Reaktionsgeschwindigkeit ist jedoch durch begrenzte Temperaturen eingeschränkt; deshalb benötigen Reaktoren oft größere Volumina.

Bioreaktoren oder Fermenter enthalten häufig Rührwerke, Temperaturregelung sowie Technik zur Kontrolle von Temperatur, Sauerstoffgehalt und pH-Wert. Sie werden beispielsweise für Wirkstoffe, Diagnostika, Impfstoffe, Biogas, Abwasser- und Abluftbehandlung oder Lebensmittel wie Bier, Joghurt und Sauerkraut eingesetzt. Produkte können durch Enzyme entstehen, durch Stoffwechselprodukte kultivierter Mikroorganismen wie Ethanol, Butanol oder Citrat, durch Speicherstoffe wie Polyhydroxybuttersäure oder durch gentechnisch veränderte Stoffwechselwege. Nach der Fermentation folgt meist ein Downstream Processing, also eine Aufbereitung mit möglichen Schritten wie Zellaufschluss, Filtration und Chromatographien.