German Future Prize 2010

Die hte Aktiengesellschaft, vertreten durch Dr. Dirk Demuth (CEO), Dr. Wolfram Stichert (CFO), sowie Prof. Dr. Ferdi Schüth, Aufsichtsratsmitglied der hte und Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, ist nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2010. Der Deutsche Zukunftspreis ist eine vom Bundespräsident verliehene Auszeichnung. Mit seinem Preis für Technik und Innovation würdigt der Bundespräsident der Bundesrepublik Deutschland Forscher und Entwickler, die, ausgehend von exzellenter Forschung, neue Produkte erfolgreich auf den Weg in den Markt bringen.

„Wir freuen uns sehr über die Nominierung und sehen darin eine Bestätigung für die innovative Arbeit, die in den vergangen Jahren zusammen mit unseren Kunden und Partnern geleistet wurde. Wir werden uns dennoch nicht auf diesem Erfolg ausruhen und weiterhin neue Hochdurchsatztechnologien entwickeln und unsere Prozesse weiterhin optimieren, um auch zukünftig beste Ergebnisse für unsere Kunden zu erzielen,“ sagt Dirk Demuth, CEO und Mitbegründer der hte Aktiengesellschaft.

Für den renommierten Preis wurden insgesamt drei Projektteams nominiert. Am 1. Dezember 2010 wird Bundespräsident Christian Wulff die Entscheidung der Jury im Rahmen der vom ZDF übertragenen Preisverleihung verkünden. Weitere Informationen unter www.deutscher-zukunftspreis.de

Wir möchten uns an dieser Stelle bei unseren Kunden, Partnern, aber vor allem beim gesamten Team der hte Aktiengesellschaft für die erfolgreiche Zusammenarbeit bedanken.

Chemische Beschleuniger im Turbotest - neue Katalysatoren eröffnen Energieoptionen

Katalysatoren bringen chemische Reaktionen in Schwung. Sie helfen etwa dabei, umweltschädliche Stoffe aus Abgasen zu entfernen, Grundstoffe für Farben oder Medikamente möglichst effizient zu gewinnen oder Kunststoffe aus pflanzlichen Materialien statt aus Erdöl herzustellen. Damit leisten sie einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und einem sparsamen Umgang mit Energie und Ressourcen. Doch wie kann man schnell und effizient den am besten geeigneten Katalysator aufspüren?

Prof. Dr. Ferdi Schüth, Dr. Dirk Demuth und Dr. Wolfram Stichert wiesen den Weg, um eine Vielzahl verschiedener Stoffe gleichzeitig auf ihre Tauglichkeit als Katalysator zu testen – und dabei treffsicher den wirkungsvollsten Reaktionsbeschleuniger zu identifizieren. Ferdi Schüth ist wissenschaftliches Mitglied und Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung. Außerdem ist er einer der Gründer der Heidelberger hte AG, wo er als Aufsichtsmitglied tätig ist. Dirk Demuth war an der Gründung dieses Unternehmens ebenfalls beteiligt und leitet es als Vorstandsvorsitzender. Wolfram Stichert ist ein weiterer Mitgründer der hte AG und seit 2003 Finanzvorstand des Unternehmens.

Herzstück des von den drei nominierten Forschern und des Teams der hte AG entwickelten Systems ist die Parallelreaktortechnik. Sie bündelt mehrere Dutzend einzelne Rohre, in denen das Reaktionsmedium über unterschiedliche Katalysator-Kandidaten synchron hinweg strömt. Auf diese Weise laufen zahlreiche Experimente parallel ab, die bislang mit großem Aufwand nacheinander gemacht werden mussten. Neue Katalysatoren, etwa für schadstoffärmere Verbrennungsprozesse, lassen sich so bis zu 100 Mal schneller auffinden. Um das effektive Experimentiersystem zu verwirklichen, mussten Schüth, Demuth und Stichert auch neuartige und schnelle Analysetechniken entwickeln. Dabei nutzten die Forscher unter anderem Methoden der künstlichen Intelligenz. Auch eine speziell an das Hochdurchsatztestverfahren angepasste Software, die die Messdaten erfasst und auswertet, gehört zu den tragenden Säulen der Innovation.

Als Vorbild dienten den Nominierten Verfahren, mit denen in der Pharmaindustrie sehr viele Substanzen schnell auf ihre Tauglichkeit als Medikamentenwirkstoff untersucht werden. Unter anderem die hohen Reaktionstemperaturen von oft mehreren hundert Grad Celsius machten eine Übertragung auf die Katalysatorentwicklung jedoch schwierig. Dass sie den drei Forschern dennoch gelang, ist von immenser Bedeutung für Wirtschaft und Klimaschutz. Der Umsatz mit Katalysatoren beträgt weltweit über 10 Milliarden Euro pro Jahr. Die damit erzielte Wertschöpfung ist noch 100-fach bis 1000-fach höher. Das Hochdurchsatzverfahren senkt die Kosten der Katalysatorentwicklung und legt die Basis für neue technische Möglichkeiten in vielen Bereichen der Industrie: Es gibt den Automobilingenieuren ein Werkzeug an die Hand, um auch künftige strengere Abgasnormen erfüllen zu können. Es hilft beim Ersatz von Erdöl durch nachwachsende Rohstoffe, etwa bei der Herstellung synthetischer Biokraftstoffe. Und es beschleunigt die Entwicklung von neuen Materialien für leistungsfähige Batterien für den Einsatz in Elektroautos.

Die Forscher begannen in der zweiten Hälfte der 1990er-Jahre mit der Entwicklung der Parallelreaktortechnik. Ihnen gelang es, ein überzeugendes Konzept zu erarbeiten, das sie durch die Gründung des Unternehmens hte (the high throughput experimentation company) rasch in die kommerzielle Vermarktung überführten. Die BASF AG war von Beginn an größter Kunde und übernahm 2008 75 Prozent der Anteile an hte. Inzwischen wurden bei hte über 160 Arbeitsplätze geschaffen, seit seiner Gründung hat das Unternehmen insgesamt rund 100 Millionen Euro Umsatz gemacht. Das Hochdurchsatztestverfahren ist sehr erfolgreich am Markt und wird von vielen Unternehmen aus dem Umfeld der chemischen, petrochemischen und Öl-Industrie routinemäßig eingesetzt.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Chemische Beschleuniger im Turbotest – neue Katalysatoren eröffnen Energieoptionen“ wurde von der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. gemeinsam mit der Deutschen Akademie der Naturforscher Leopoldina und dem Innovationspreis NRW vorgeschlagen.

Über die Nominierten

Neben den drei Nominierten Ferdi Schüth, Dirk Demuth und Wolfram Stichert sehen wir selbstverständlich alle 160 Mitarbeiter der hte Aktiengesellschaft als die an, die die Nominierung für den Deutschen Zukunftspreis 2010 erst ermöglicht haben. Nur durch deren Einsatz, ihre Ideen und Kreativität konnte die hte in den vergangenen Jahren zu dem führenden Unternehmen in der Hochdurchsatzforschung heranwachsen.

Die Geschichte der hte beginnt an der Johann-Wolfgang-Goethe Universität Frankfurt und am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, wo Ferdi Schüth tätig war, als die Konzepte für die Hochdurchsatzforschung in der Katalyse entwickelt wurden. Sein Forschungs-schwerpunkt lag bereits zu dieser Zeit auf dem Gebiet der heterogenen Katalyse. Er erkannte sehr früh die Möglichkeit, die industrielle Forschung und Entwicklung im Bereich der heterogenen Katalyse mittels Hochdurchsatzverfahren wesentlich effizienter zu gestalten. Bis dahin standen Hochdurchsatztechniken in ihrer heutigen Form dem Katalysatormarkt nicht zur Verfügung. Schnell konnte Ferdi Schüth einige seiner Mitarbeiter, zu denen auch Wolfram Stichert zählte, von seiner Idee, Hochdurchsatzmethoden in die Katalysatorentwicklung einzuführen, überzeugen. Der ehemalige Schüth-Mitarbeiter Dirk Demuth war inzwischen bei der BASF in der Katalysatorforschung tätig. Aber auch er wurde von der Idee Ferdi Schüths überzeugt. Zum Ende des Jahres 1998 war der Geschäftsplan fertig gestellt und im Juni 1999 nahm hte als privates und unabhängiges Unternehmen mit zwei großen Industrieprojekten seine Arbeit auf.

Der Sprecher des nominierten Teams,  Prof. Dr. Ferdi Schüth, wurde im Juli 1960 in Allagen (heute Warstein) geboren. Nach seinem Abitur studierte er Chemie an der Westfälischen Wilhelms Universität in Münster. Während seiner Promotion, die er 1988 abschloss, studierte er ebenfalls Rechtswissenschaften an der Universität Münster. Nach Forschungsaufenthalten in Minneapolis (Minnesota, USA) und Santa Barbara (Kalifornien, USA) wurde er 1995 an der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz habilitiert. Er folgte 1995 einem Ruf als Professor an der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt, woraufhin er 1998 als Direktor an das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr berufen wurde. Seine Forschungsaktivitäten liegen in den Bereichen Katalyse, poröse Materialien, Wasserstoffspeicherung, Hochdurchsatzmethoden in Katalyse und Materialforschung sowie der Bildung von Festkörpern aus Lösungen.

Ferdi Schüth wurde mit vielen Auszeichnungen für seine Forschung geehrt. Darunter der Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft in 2003 und die Wahl in die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, 2008. Neben seiner Rolle als Aufsichtsratsmitglied der hte AG ist er unter anderem Vizepräsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft, stellvertretender Vorsitzender der Dechema, Mitglied des Präsidiums der Gesellschaft Deutscher Chemiker GDCh und stellvertretender Vorsitzender des wissenschaftlichen Ausschusses der Max-Planck-Gesellschaft.

Neben Ferdi Schüth sind Dr. Dirk Demuth und Dr. Wolfram Stichert nominiert. Dirk Demuth, geboren im Mai 1966 in Trier, studierte Chemie an der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, wo er 1994 erfolgreich promovierte. Wolfram Stichert studierte ebenfalls in Mainz, wechselte jedoch an die Goethe-Universität Frankfurt, wo er 1999 als wissenschaftlicher Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung  promovierte. Nach einem Postdoktorandenaufenthalt bei der BASF in Ludwigshafen trat er dem Gründerteam der hte bei, er ist seit 2000 Mitglied des Vorstandes und begleitet den Posten des Finanzvorstandes. Nach seiner Promotion und nach Forschungsaufenthalten in Kalifornien und Berlin wechselte Dirk Demuth 1995 ebenfalls zur BASF. Zusammen mit Ferdi Schüth, Wolfram Stichert und anderen gründete er dann die hte. Seit 2000 ist er ebenfalls Mitglied des Vorstandes und führt das Unternehmen als CEO und COO.

Was ist Katalyse?

Ohne Katalysatoren wäre unsere Umwelt eine ganz andere als die, die wir kennen. Nahezu alles, was uns in unserem Alltag umgibt, ist während der Herstellung mit Katalysatoren in Berührung gekommen - unseren chemischen Beschleunigern. Katalysatoren sind Substanzen, die chemische Reaktionen energiesparender, kostengünstiger und umweltverträglicher machen oder sogar erst ermöglichen. Durch den Einsatz von Katalysatoren bei der Rauchgasentstickung in Müllverbrennungsanlagen werden Stickoxide unschädlich gemacht. Katalysatoren machen unsere Kraftstoffe sauberer und viele Gegenstände, die unser tägliches Leben vereinfachen, können nur mittels Katalysatoren hergestellt werden. Auch in Zukunft werden Katalysatoren unverzichtbar sein, denn der bevorstehende Wandel in der Energiewirtschaft wird genau so von ihnen abhängig sein wie die Nutzung nachwachsender Rohstoffe.

Fast täglich nutzt man, ohne es zu wissen, Katalysatoren. Autoabgaskatalysatoren wandeln schädliche Abgase in ungiftige Verbindungen um. Weniger bekannt ist, dass Katalysatoren unerlässlich für die Herstellung von über 80% aller Chemieerzeugnisse sind. Auch in lebenden Zellen, und damit dem menschlichen Körper, spielen Katalysatoren eine entscheidende Rolle. Ohne spezielle Proteine (Enzyme) könnte im lebenden Organismus eine Vielzahl biochemischer Prozesse nicht ablaufen. Hierzu zählen elementare Stoffwechselprozesse, wie die Verdauung oder die Photosynthese in pflanzlichen Zellen. Viele chemische Reaktionen sind kinetisch gehemmt und laufen unter normalen Bedingungen nur außerordentlich langsam ab. Zur Beschleunigung muss Energie (z.B. Wärme) zugeführt werden. Energieintensive Prozesse sind jedoch ineffizient und teuer. Ein Katalysator kann eine chemische Reaktion so verändern, dass dem Prozess sehr viel weniger Energie zugeführt werden muss. Dadurch wird die Herstellung eines Produktes bedeutend billiger, ressourcen- und umweltschonender. Ohne Katalysatoren würden viele Reaktionen nicht stattfinden. Das entsprechende chinesische Schriftzeichen für Katalysator wurde daher auch von den Zeichen für das Wort "Heiratsvermittler" abgeleitet.

Wie Katalysatoren funktionieren

Für viele chemische Reaktionen ist oftmals der direkte Weg von den Ausgangsstoffen zu den Produkten unmöglich - es wird zu viel Energie benötigt. Diese "Energiebarriere" liegt wie ein großer Berg, der überwunden werden muss, zwischen Ausgangsstoffen und Produkt. Man kann aber auch einen Umweg wählen, um diesen „Energie-Berg“ zu umgehen. Und dieser Umweg lohnt sich. Aber um ihn zu ermöglichen, muss ein weiterer Stoff, der Katalysator, der Reaktion hinzugegeben werden. Der Katalysator eröffnet neue Wege - der Berg kann umgangen werden. Bildlich gesprochen nimmt der Katalysator die Ausgangstoffe an der Hand und führt diese über energieärmere Zwischenstufen zum Ziel.

Katalysatoren werden oft mit "Reaktionsbeschleuniger" übersetzt und werden während der Reaktion (fast) nicht verbraucht. Nachdem der Katalysator seine Arbeit verrichtet hat ist er wieder frei, um weiteren Ausgangsstoffe den günstigen Umweg zu zeigen.

Viele Jahre lang war die Katalyse ein Vorgang, den man sich nicht so recht erklären konnte. Aber in den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass die bildliche Beschreibung des „Heiratsvermittlers“ ganz gut zutrifft. Der Katalysator tritt in physikalische oder chemische Wechselwirkung mit den Ausgangsstoffen. Die dabei entstehenden Zwischenprodukte wären ohne einen Katalysator nicht möglich. Erst über diese Zwischenprodukte wird dann das Endprodukt erreicht.

Gerhard Ertl, Chemie-Nobelpreisträger des Jahres 2007, konnte genau das für eine der wirtschaftlich bedeutendsten chemischen Reaktionen zeigen: der Synthese von Ammoniak aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff an einer Eisenoberfläche (schematisch links dargestellt). Ammoniak ist für die Herstellung von Düngemitteln eine wirtschaftlich wichtige Grundchemikalie. Auf der Oberfläche des Eisenkatalysators werden Wasserstoff- und Stickstoffmoleküle absorbiert und in einzelne Atome gespalten. Vor allem die extrem stabile Dreifachbindung zwischen den Atomen im Stickstoffmolekül wäre ohne die Hilfe eines Katalysators praktisch nicht trennbar. Nach der gelungenen Spaltung der Moleküle in Atome können in einem zweiten Schritt die Wasserstoffatome mit den Stickstoffatomen reagieren und es bildet sich Ammoniak. Nur dank der Verwendung geeigneter Katalysatoren lassen sich die beiden Elemente über mehrere Stufen hinweg zu Ammoniak verbinden.

Katalyse - ein Wirtschaftsfaktor

Für die Wirtschaft sind Katalysatoren unverzichtbar. Weltweit werden durch katalytische Prozesse Chemikalien im Wert von über 2,5 Billionen Euro hergestellt und vier von fünf Chemikalien sind während ihrer Produktion mit Katalysatoren in Berührung gekommen. Man schätzt, dass ca. ein Viertel des Bruttoinlandeinkommens direkt oder indirekt dank der Katalyse erwirtschaftet wird.  Der gesamte Katalysatormarkt wird auf über 13 Milliarden Euro geschätzt.

Katalysatoren und die Zukunft der Menschheit

Seit Jahren sind Katalysatoren bereits unverzichtbar für den Schutz unserer Umwelt. Sie verhindern zum einen, dass bei verschiedenen großtechnischen Prozessen Schadstoffe entstehen und tragen gleichzeitig zur effizienteren Nutzung unserer Energie bei. Ohne Katalysatoren könnten Düngemittel oder Kraftstoffe weder wirtschaftlich noch umweltschonend hergestellt werden. Ohne den Einsatz von Katalysatoren im Autoabgas- katalysator würden weiterhin giftige und umweltschädliche Abgase an die Luft abgegeben werden. Forscher arbeiten mit Hochdruck an Katalysatoren um den Energieträger Wasserstoff auf energieeffiziente Art und Weise zu gewinnen, und um Kraftstoffe und chemische Rohstoffe der nächsten Generation herzustellen.

Hochdurchsatz - "viel auf einmal"

Man kann die Katalysatoren der Zukunft natürlich über  Zufallstreffer finden, aber für einen solchen Volltreffer reicht Glück alleine nicht aus. Man muss systematisch vorgehen, um den optimalen Katalysator für eine bestimmte Reaktion zu finden. Hier hilft die Hoch- durchsatztechnik. Das Hochdurchsatzprinzip ist simpel: Es werden viele verschiedene Katalysatormaterialien hergestellt und gleichzeitig unter denselben Bedingungen getestet. Sozusagen "viel auf einmal". So lassen sich aus einer Vielzahl an Katalysatoren die besten Materialien am schnellsten identifizieren.

Wie wurde früher nach Katalysatoren gesucht?

Schon früher hatte man den Gedanken, durch Parallelisierung die Suche nach neuen Katalysatoren zu beschleunigen. Jedoch fehlte es an einer ausgereiften technischen Lösung. Daher wurde in den letzten 100 Jahren im Einzeltestverfahren vorgegangen. Man nimmt ein Material, befüllt damit seinen Einfachreaktor und führt einen Test durch. So ein Test dauert dann vielleicht nur einige Stunden, kann aber auch mehrere Wochen andauern. Dazu verändert man nach und nach die physikalischen Parameter, man ändert die Materialzusammensetzung und schon dauern die Untersuchungen viele Monate oder sogar Jahre. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Entwicklung des Ammoniak- katalysators bei der BASF in Ludwigshafen. In über 20.000 Tests wurden über 6.000 verschiedene Materialen untersucht. Mit einem Einfachreaktor undenkbar. Schon damals wurde ein hochdurchsatzähnlicher Ansatz gewählt, indem man 6 Reaktoren gleichzeitig betrieben hat.

Mit der innovativen Technologieplattform der hte Aktiengesellschaft wurde ein Paradigmenwechsel in der Katalysatorforschung vorgenommen. Die anfängliche Skepsis in der Forscher-Community konnte man überwinden und fand eine technologische Lösung. Zwar erforschte die Pharmaindustrie nach demselben Prinzip schon länger medizinische Wirkstoffe für neue Medikamente, aber dass die Methode auch unter den ungleich harscheren Bedingungen der Ölraffinerien und der Produktion chemischer Grundstoffe funktionieren könne, bezweifelten viele.

Das Hochdurchsatzprinzip

Bei der hte Aktiengesellschaft wurden in den letzten 11 Jahren verschiedenste Testsysteme entwickelt, die genau dieses Prinzip verfolgen und 16, 48 oder gar hunderte Katalysatoren gleichzeitig testen. Dabei wird der Strom der gasförmigen und/oder flüssigen Ausgangsstoffe auf eine entsprechende Anzahl von Reaktorröhren aufgeteilt. Jede dieser Röhren ist dann mit einem anderen Katalysator beschickt. Die Apparaturen arbeiten, je nach der zu überprüfenden Reaktion, bei Temperaturen von etwa 200-500°C. Es können aber auch Reaktionen bis zu Temperaturen von 1000°C untersucht werden- und das bei Drücken bis zu 200 bar. Zudem verhalten sich die verwendeten Chemikalien oft sehr aggressiv. Diesen Belastungen müssen die Reaktorrohre in manchen Tests sogar ein paar Wochen standhalten, entsprechend robust müssen die Materialien sein. Um schneller einen neuen Katalysator zu finden, reichen Parallelreaktoren alleine nicht, sie müssen auch mehr oder weniger automatisch ablaufen. Daher werden die Ausgangsstoffe der Testreaktionen computergesteuert dosiert und über eine gemeinsame Zuleitung, wenn nötig aber auch über einzeln ansteuerbare Ventile, in die Reaktionsrohre geschickt. Am anderen Ende fängt ein System eigens entwickelter Ventile die gasförmigen Reaktionsprodukte auf. Ein Roboterarm steuert zudem die einzelnen Rohre an, um flüssige Produkte abzufangen.

Aber nicht nur die Suche nach neuen Katalysatoren wird hiermit beschleunigt, sondern auch die Optimierung von Prozessbedingungen lässt sich deutlich schneller realisieren. Auch für Alterungstests, die Bewertung wechselnder Eingangsstoffe oder für die Qualitätskontrolle können die Parallelreaktoren effizient eingesetzt werden. Dabei ist nicht nur das Know-How von Chemikern gefragt. Auch Verfahrenstechniker, Softwarespezialisten, Physiker und Mathematiker sind für die Hochdurchsatz-Techniken in der Katalysatorentwicklung unverzichtbar. Diese arbeiten unter anderem an intelligenter Software, welche die Daten automatisiert auswertet, interpretiert und die Forscher dadurch bei der Suche nach dem besten Katalysator unterstützt. Ingenieure feilen ununterbrochen an technischen Lösungen, um immer wieder neue Herausforderungen zu meistern. Wie zum Beispiel, immer schwerer werdende Öle verarbeiten zu können, für welche dann Katalysatoren entwickelt werden müssen um daraus dann beispielweise mehr Diesel pro Barrel zu gewinnen.

Wenn aber nun in hunderten bis tausenden Tests verschiedene Materialen geprüft werden, so müssen diese erst einmal hergestellt werden. Auch hier hilft der Hochdurchsatzgedanke. Roboterunterstütze Synthesen der Katalysatoren helfen hierbei, die entsprechenden Mengen verschiedener Katalysatoren zu erstellen. Viele Arbeitsschritte werden dadurch automatisiert, aber einige müssen weiterhin manuell ausgeführt werden. Der Chemielaborant bleibt damit unersetzlich.