Chemical Engineering Consulting

Entwicklung chemiebasierter Produkte

Eine Vielzahl chemiebasierter Produkte, wie z.B. ein ablösbarer Klebstoff für Etiketten, eine PET-Bierflasche, ein mikrostrukturiertes Pflanzenschutzmittel oder ein Spezialshampoo mit Glitzereffekt haben etwas gemeinsam:

Es ist der Weg auf dem diese Produkte entwickelt wurden.

Der Weg der Produktentwicklung verläuft in der Regel über 4 Stufen:

• Produktanforderungen, Bedarf (needs) - Welche Anforderungen muss das Produkt erfüllen?
• Produktideen (ideas) - Welche verschiedenen Produkte könnten diesen Anforderungen gerecht werden?
• Produktauswahl (selection) - Welche Ideen sind die, die am meisten Erfolg versprechen?
• Produktherstellung (manufacture) - Wie kann man das Produkt auf wirtschaftliche Weise in kommerziellen Mengen herstellen?

Beispiel für chemiebasierte Produkte
- ein Lösungsmittel für eine chemische Textilreinigung
- ein Amin zur Gaswäsche
- ein heterogener Katalysator zur Synthese von MTBE
- ein biologisch abbaubares Polymer
- ein biologisch abbaubares Geschirrspülmittel
- eine Bio-Sonnenschutzcreme mit hohem Lichtschutzfaktor
- ein Produkt zum Pflanzenschutz
- eine Aspirin-Tablette mit einer gegen Magensaft resistenten Beschichtung
- ein UV-Absorber für Polymere
- ein koffeinhaltiges Erfrischungsgetränk
- ein Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen
- ein PET-Weinglas "to go"
- eine Brennstoffzelle für den Campingurlaub
- ein Küchengerät zur Aufbereitung von Trinkwasser

Produktentwicklung vs. Prozessentwicklung
Prozessentwicklung
Es ist zu Beginn einer Prozessentwicklung in der Regel bekannt, um welches Produkt es sich handelt, wofür es eingesetzt werden soll und welchen Qualitätsanforderungen es genügen muss. Meist handelt es sich um einen Grundstoff (commodity product), der für einen existierenden Markt produziert werden soll, wobei die Jahresproduktion einer Anlage im Bereich von einigen 10.000 t/a bis zu einigen 100.000 t/a liegt. Der Entwicklungsprozess konzentriert sich daher auf die effiziente Herstellung des Produkts.

Zielfunktion: Minimierung der fixen Investition, des Rohstoffverbrauchs und des Energiebedarfs; Maximierung von Ausbeute und Selektivität.

Dabei werden üblicherweise kontinuierlich betriebene Anlagen verwendet, bei denen für den spezifischen Fall optimierte Apparate zum Einsatz kommen. Ein sorgfältiges Prozessdesign ist hier essentiell, um sich am Markt erfolgreich behaupten zu können.

Produktentwicklung
Im Vordergrund steht nicht die effiziente Herstellung eines Produkts sondern dessen spezielle Eigenschaften bzw. eine spezielle Funktion. Diese Produkte werden eher in absatzweise betriebenen Prozessen (batch processes) hergestellt oder bestehen selbst aus kleinen Ausrüstungsgegenständen (equipment). Die zur Herstellung chemiebasierter Produkte verwendeten Anlagen bestehen in der Regel aus Standardapparaten und Maschinen (generic equipment). Prozesseffizienz und Energieintegration stehen hier eher nicht im Vordergrund.

Product Design - Neue Produkte vs. etablierte Produkte
Neue Produkte

• Entwicklung von Methoden zur Herstellung innovativer Produkte mit maßgeschneiderten Eigenschaften
• Bestimmung der Produktzusammensetzung (Rezeptur)
• Umsetzung möglicher Herstellungsprozesse
• Minimierung der Entwicklungszeit (time to market)
  

Etablierte Produkte

• Erweiterung des Einsatzspektrums
• Eröffnung neuer Märkte
• Erweiterung des Produktlebenszyklus

Eine Voraussetzung zur schnellen Einführung eines Produktes auf dem Markt sind die Integrierte Produktentwicklung und parallele Projektabläufe:

Integrierte Produktentwicklung
„Methodensystem zur Zielorientierung und Zusammenarbeit von Menschen, die Produkte erstellen“ (Erlenspiel, K.: Integrierte Produktentwicklung: Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit, Hanser, 2009)

Persönliche Integration

• Integration der Leistungsbereitschaft
• Integration der Ziele
• Integratives Wissen

Informatische Integration

• Integration der Kunden
• Aufgabenintegration
• Methodenintegration
• Integrative Eigenschaftsfrüherkennung
• Datenintegration

Organisatorische Integration

• Aufbauintegration
• Ablaufintegration
• Simultaneous und Concurrent Engineering
• Örtliche Integration

Simultaneous Engineering (SE)
„Zielgerichtete, interdisziplinäre Zusammen- und Parallelarbeit von Produkt-, Produktions- und Vertriebsentwicklung“. (Erlenspiel, K.: Integrierte Produktentwicklung: Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit, Hanser, 2009)

Ziele

• Innovationsorientierte Gestaltung des Unternehmens
• Zeiteinsparung (bei der Produktentwicklung) „time to market“
• Kostenverringerung (bezüglich der Produktgesamtkosten)
• Qualitätsverbesserung (bezogen auf die Vorstellung der Kunden)

Simultaneous Engineering
Parallelisierung von Produkt- und Produktionsentwicklung

Concurrent Engineering
Optimale Produkterstellung durch interdisziplinäre Zusammenarbeit im Team

In Deutschland beides unter „Simultaneous Engineering“
In den USA beides unter „Concurrent Engineering“

Zehn Voraussetzungen für eine beschleunigte Projektabwicklung
1 Unbedingter Wille zur schnellen Produkteinführung über alle Hierarchieebenen mit voller Unterstützung der Geschäftsleitung
2 Sofortige Bereitstellung von Geld und Personal nach Akzeptanz des Produktvorschlags (flexible Organisation)
2 Moderne Projektstruktur unter Einbeziehung interner und externer Fachleute
3 Fachliche Kompetenz und hohes Engagement der beteiligten Personen
4 Parallelbearbeitung aller Aufgaben
5 Sofortiger Start von Teilaufgaben
6 Konzentration der Arbeiten auf eine Produkt
7 Umgehende Bestellung von Rohstoffen für die Entwicklung
8 Frühzeitige Bestellung von Maschinen und Apparaten, notfalls auf Basis nicht abgesicherter Daten (Lieferzeiten)
9 Einbeziehung der Kunden in die Entwicklung von der Idee bis zum Markteintritt
nach: Rähse, W.: Produktdesign in der chemischen Industrie, Springer (2007)

Waren vor 1975 noch mehr als 75 % aller Verfahrensingenieure im Bereich chemischer Grundchemikalien beschäftigt, nimmt deren Zahl in diesem Bereich weiter ab. Seit 2005 sind, bei weiter steigender Tendenz, schon mehr als die Hälfte aller Verfahrensingenieure im Bereich verfahrenstechnischer bzw. chemiebasierter Produkte beschäftigt.


Abb. P1: Beschäftigung von Verfahrensingenieuren vor 1975 und seit 2005

Schlussfolgerungen

• Anforderungen und Bedürfnisse der Kunden werden in kommerzielle Produkte umgesetzt
• Die Basis potentiell hoher Wertschöpfung chemiebasierter Produkte sind deren spezifische Eigenschaften und nicht die effiziente Herstellung
• Die Produktentwicklung läuft vor der Prozessentwicklung ab und ist bei der Herstellung von Spezialchemikalien ein dominierender Abschnitt der gesamten Wertschöpfungskette
• Verfahrenstechniker und Chemieingenieure sind mehrheitlich heute - und mit weiter steigender Tendenz - im Bereich Entwicklung, Herstellung und Vertrieb chemiebasierter und verfahrenstechnischer Produkte beschäftigt
• Chemische Spezialitäten und chemische Produkte sind ein wichtiger Faktor unsere heutigen chemischen Industrie, die sich in dieser Richtung neu orientiert hat und sich in Zukunft in diese Richtung auch weiter entwickeln wird

Empfohlene Literatur

• Cussler, E.L.; Moggridge, G.D.: Chemical Product Design, Cambridge University Press (2001)
• Bröckel U.; Meier, W.; Wagner, G.: Product Design and Engineering: Best Practices, Wiley-VCH (2007)
• Rähse, W.: Produktdesign in der chemischen Industrie, Springer (2007)
• Ulrich, K.; Eppinger, S.: Product Design and Development, McGraw-Hill (2003)