Damit Innovation nicht im Labor endet: Wie Fraunhofer CBP das Scale-up in die Chemieindustrie begleitet

Zwischen einem vielversprechenden Laborergebnis und einer industriellen Produktionsanlage liegt ein Weg, der Technik, Kapital und Genehmigungen zusammenführen muss. Genau an dieser Schnittstelle arbeitet das Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna: Mit flexibel nutzbaren Pilot- und Demonstrationsanlagen lassen sich Verfahren unter realitätsnahen Bedingungen prüfen, bevor in großem Maßstab investiert wird. Dr. Holger Wondraczek erläutert, worauf es beim Scale-up ankommt und welche Rolle belastbare Daten für die Investitionsentscheidung spielen.

Warum der Sprung vom Labor in die Produktion so riskant ist

Deutschland und Europa verfügen über eine exzellente Grundlagenforschung – daran lässt Dr. Holger Wondraczek keinen Zweifel. Die zentrale Herausforderung sieht er weniger in der Entwicklung neuer Technologien als darin, den Beleg zu schaffen, dass diese zuverlässig und wirtschaftlich im industriellen Maßstab umsetzbar sind. Genau dieser Beleg ist aufwendig, denn zwischen einem Versuch im kleinen Maßstab und einer Anlage mit Produktionsvolumen verändern sich nahezu alle relevanten Größen.

Wärme- und Stofftransport, Verweilzeiten, Durchmischung, Druckverhältnisse, Materialbeständigkeit oder die Standzeit von Katalysatoren wirken in großen Apparaten anders als in einem kompakten Laboraufbau. Hinzu kommen Fragen der Prozesssicherheit, der Analytik, der Energie- und Medienversorgung sowie des Umgangs mit Neben- und Restströmen. Wer diese Punkte erstmals in der späteren Produktionsanlage klärt, riskiert Umplanungen, Mehrkosten und Stillstände – und damit genau jene Risiken, die eine Investitionsentscheidung verzögern.

Die Hürden sind nicht nur technischer Natur. Eine Pilot- oder Demonstrationsanlage muss geplant, genehmigt, errichtet und betrieben werden. Das bindet Kapital, Personal und Zeit, bevor überhaupt ein Produkt am Markt erlöst wird. Gleichzeitig verlangen Geldgeber und Geschäftsführung belastbare Zahlen zu Ausbeute, Verfügbarkeit und Betriebskosten. Diese Zahlen entstehen nicht am Reißbrett, sondern im Betrieb einer Anlage, die dem späteren Maßstab nahekommt.

Bei Verfahren, die CO2 oder erneuerbare Ressourcen als Ausgangsstoffe nutzen, fällt diese Lücke noch größer aus. Häufig fehlt die geeignete Chemiewerksinfrastruktur, weil bestehende Standorte auf etablierte Rohstoffe und deren Stoffströme ausgelegt sind. Neue Rohstoffbasen erfordern andere Medien, eine andere Handhabung von Gasen oder Zwischenprodukten und nicht selten auch andere Sicherheitskonzepte. Wer hier ohne passende Umgebung startet, trägt ein zusätzliches Maß an Unsicherheit.

Was Pilot- und Demonstrationsanlagen leisten

Pilot- und Demonstrationsanlagen sind verkleinerte Versionen industrieller Anlagen. Sie erlauben es, Technologien unter realitätsnahen Bedingungen auf Umsetzbarkeit, Effizienz und Marktfähigkeit zu prüfen. Anders als im Labor arbeiten sie mit kontinuierlichen Strömen, mit realen Rohstoffqualitäten und über Betriebszeiten hinweg, in denen sich Verschleiß, Ablagerungen oder Schwankungen zeigen. Die dabei gewonnenen Daten bilden eine wichtige Grundlage für die Investition in eine industrielle Produktionsanlage.

Der Erkenntnisgewinn reicht über einzelne Kennzahlen hinaus. Aus dem Betrieb lassen sich Stoff- und Energiebilanzen ableiten, Anforderungen an Apparate und Werkstoffe konkretisieren und Annahmen zur Wirtschaftlichkeit überprüfen. Auch die Frage, ob ein Verfahren stabil genug für den Dauerbetrieb ist, lässt sich erst mit einer laufenden Anlage seriös beantworten. Für die Kalkulation einer späteren Produktionsanlage ist das entscheidend, weil sich Investitions- und Betriebskosten erst mit belastbaren Prozessdaten realistisch abschätzen lassen.

Zwischen beiden Anlagentypen bestehen Graduierungen: Eine Pilotanlage ist in der Regel kleiner und dient vor allem dem Nachweis der Prozessführung, eine Demonstrationsanlage kommt dem industriellen Maßstab näher und liefert zusätzliche Hinweise auf Integrationsfähigkeit und Logistik. Viele Projekte durchlaufen mehrere Stufen, in denen Erkenntnisse aus der vorherigen Runde in die nächste einfließen. Jede Stufe senkt ein Stück weit das Risiko – ersetzt aber nicht die unternehmerische Entscheidung.

Vom Auftrag zur Anlage: die Multi-Purpose-Pilotanlage des CBP

Das Fraunhofer CBP beschleunigt den Weg vom Labormaßstab in die industrielle Realität mit flexibel einsetzbaren Pilotanlagen und interdisziplinärer Expertise. Prozesse können unter realen Bedingungen erprobt und Investitionsentscheidungen mit belastbaren Daten abgesichert werden, ohne dass ein Unternehmen eine eigene, kostspielige Anlage errichten muss. „Was wir am Fraunhofer CBP anbieten, ist weltweit nur selten in dieser Form verfügbar“, sagt Dr. Wondraczek.

Zwei Wege stehen offen: Kunden können ihre Prozesse auf der Multi-Purpose-Pilotanlage einbringen oder eigene Demonstrationsanlagen auf der vorhandenen Infrastruktur errichten. Die Betriebsexperten und Wissenschaftler am CBP kennen nach eigener Darstellung die Fallstricke bei Skalierungsprojekten und unterstützen dabei, Scale-up-Risiken zu vermeiden und schneller zum Erfolg zu kommen. Passt die vorhandene Pilotanlage zum jeweiligen Prozess, kann ein Unternehmen praktisch sofort starten. Auch eine kundeneigene Demonstrationsanlage lässt sich vergleichsweise schnell realisieren.

Ob ein Prozess passt, hängt von mehreren Faktoren ab: von der benötigten Kapazität, den eingesetzten Medien und Materialien, den Anforderungen an Sicherheit und Analytik sowie von genehmigungsrechtlichen Fragen. Wer eine bestehende Anlage nutzt, spart nicht nur Investitionen, sondern auch Zeit, weil Infrastruktur, Betriebsabläufe und Erfahrungswissen bereits vorhanden sind. Das gilt besonders für junge Unternehmen und für Projekte, deren Finanzierung noch nicht gesichert ist.

Zwei Beispiele aus der Zusammenarbeit: Kunststoffrecycling und palmölfreie Fette

Wie das in der Praxis aussieht, zeigt die Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Pruvia: Dessen thermisches Recycling von Kunststoffen wurde im großen Maßstab auf einer Anlage auf dem Außengelände des Fraunhofer CBP erprobt. Der Aufbau einer eigenen Anlage in diesem Maßstab wäre für ein Unternehmen in einer frühen Phase kaum darstellbar gewesen.

Ein zweites Beispiel stammt aus der Biotechnologie: Ein Schwesterinstitut des CBP entwickelt gemeinsam mit der Mibelle Group eine neuartige Technologie zur Herstellung palmölfreier Fette aus CO2. Auch dieses Verfahren wird auf den Anlagen des CBP für die spätere industrielle Anwendung pilotiert. Beide Projekte zeigen, dass die Skalierung nicht nur eine technische, sondern auch eine organisatorische Aufgabe ist: Rohstofflogistik, Analytik, Betriebsabläufe und Genehmigungen müssen zusammenpassen.

Raps ganzheitlich nutzen: das EthaNa-Verfahren

Die Überführung innovativer Verfahren in den industriellen Maßstab ist auch das Ziel der Eigenentwicklungen am Fraunhofer CBP. Ein Beispiel ist das EthaNa-Verfahren zur ganzheitlichen Nutzung von Raps. Dabei wird aus Rapspresskuchen eine alternative Proteinquelle für die Lebensmittelindustrie gewonnen. Auch die Rapsschalen werden einer weiteren Nutzung zugeführt, sodass möglichst alle Bestandteile der Pflanze Verwendung finden.

„Aktuell sind wir mit potenziellen Anwendern im Gespräch, um diese Forschungsergebnisse in die industrielle Kommerzialisierung zu bringen“, sagt Dr. Wondraczek. Neben der Auftragspilotierung sucht das Zentrum proaktiv den Austausch mit Industriepartnern – insbesondere mit Blick auf regulatorische Anforderungen und neue Märkte für alternative Proteine, die mit den entwickelten Verfahren adressiert werden. Der Kontakt zu Anwendern ist dabei kein Nebenaspekt: Ohne klare Vorstellung von Zulassungswegen, Produktspezifikationen und Abnehmern bleibt selbst ein technisch ausgereiftes Verfahren schwer finanzierbar.

Was das für Unternehmen bedeutet – und worauf Sie achten sollten

Für Unternehmen aus der Chemie-, Kunststoff- und Lebensmittelbranche eröffnet die Nutzung vorhandener Pilotinfrastruktur einen Weg, Technologien zu prüfen, ohne sofort in eine eigene Anlage zu investieren. Der konkrete Nutzwert liegt in belastbaren Betriebsdaten, die sich als Grundlage für Investitionsentscheidungen, Fördervorhaben oder Gespräche mit Geldgebern verwenden lassen. Zudem erhalten Sie frühzeitig ein Gespür dafür, welche Anforderungen ein Prozess an Apparate, Werkstoffe und Sicherheitstechnik stellt.

Bevor Sie ein Skalierungsprojekt starten, lohnt es sich, einige Fragen vorab zu klären: Welche Mindestkapazität muss die Anlage erreichen, damit die Ergebnisse aussagekräftig sind? Welche Medien, Rohstoffqualitäten und Temperaturen sind erforderlich? Welche Daten benötigt Ihre Geschäftsführung oder Ihr Finanzierungspartner tatsächlich, um eine Entscheidung zu treffen? Und welche regulatorischen Anforderungen gelten für das angestrebte Produkt und seinen Markt? Wer diese Punkte früh sortiert, verliert im Projekt weniger Zeit mit Umplanungen.

Zugleich sollten Sie die Grenzen solcher Vorhaben realistisch einschätzen. Ein Pilotbetrieb ersetzt keine Marktanalyse und keine endgültige Investitionsrechnung; er liefert Daten und verringert technische Unsicherheit. Marktrisiken, Wettbewerb und Preisentwicklungen bleiben bestehen. Auch die Kapazität vorhandener Anlagen ist begrenzt – nicht jedes Verfahren lässt sich ohne Anpassung aufnehmen. Genau deshalb ist der frühe Austausch zwischen Anlagenbetreiber und Anwender wichtig, damit Erwartungen und Möglichkeiten zusammenpassen.

Fragen zu Pilotierung und Zusammenarbeit beantwortet am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP Claudia Vorbeck telefonisch unter +49 711 970 4031 oder per E-Mail an claudia.vorbeck@igb.fraunhofer.de.