Was ist ein Mikroreaktor?
Ein Mikroreaktor ist ein sehr kleines Gerät, in dem chemische Reaktionen stattfinden können. Typischerweise misst es weniger als 2,54 cm (Zoll) in der Länge und Breite und vielleicht weniger als 1,56 mm (Sechzehntel Zoll) in der Dicke, obwohl die Abmessungen variieren. Es wird normalerweise Eingangs- und Ausgangsröhren mit winzigen Kanälen oder Kammern im Inneren haben, in denen die Reaktionen stattfinden. In der Regel sind die Reaktanten und das Produkt Flüssigkeiten - Flüssigkeiten oder Gase -, die mit winzigen Pumpen oder Elektroosmose eingeleitet werden können. Ab 2011 werden Mikroreaktoren nur noch zu Experimentier- und Prototyping-Zwecken eingesetzt. Es besteht jedoch die reale Aussicht, sie in großer Zahl für die Massenproduktion nützlicher Chemikalien einzusetzen.
Die Vorrichtung wird normalerweise durch Ätzen winziger Kanäle auf ein geeignetes Material ähnlich wie bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen hergestellt. Sie können aus Siliziumwafern, Glas, Metall oder Keramikmaterialien bestehen. Die Kanäle dürfen nicht breiter sein als ein menschliches Haar. Das Ätzen kann durch Laser, elektrische Entladung oder auf chemischem Wege erfolgen. Oft besteht der Mikroreaktor aus zwei zusammengeätzten Platten.
Mikroreaktoren bieten einige signifikante Vorteile gegenüber herkömmlicheren Mitteln zur Durchführung chemischer Reaktionen in größerem Maßstab. Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ermöglicht einen schnelleren und häufigeren Reaktionsablauf bei niedrigeren Temperaturen als dies bei größeren Maßstäben möglich ist. Stark exotherme Reaktionen, die normalerweise potenziell gefährlich sind oder die Ausrüstung beschädigen, können sicher durchgeführt werden. Die erzeugte Wärme wird aufgrund der viel geringeren Reaktantenmengen schnell abgebaut. Ein Ausfall in einem Teil einer traditionellen Chemiefabrik kann zur Freisetzung großer Mengen gefährlicher Chemikalien führen oder die Produktion vollständig einstellen. Im Gegensatz dazu wäre eine Anlage, die aus einer großen Anzahl von Mikroreaktoren besteht, vom Ausfall eines Teils nicht wesentlich betroffen.
Üblicherweise arbeiten Mikroreaktoren mit einem kontinuierlichen Strom von Reaktanten. Obwohl die Leistung eines einzelnen Mikroreaktors offensichtlich sehr gering ist, kann sie dennoch als winzige Fabrik angesehen werden. Es besteht das Potenzial, sehr viele in Serie hergestellte Mikroreaktoren zu verwenden, die zusammengestapelt werden, um Produkte in wirtschaftlich vertretbarem Maßstab bereitzustellen, und eine Reihe von Möglichkeiten wird untersucht.
Der Einsatz von Mikroreaktoren in der organischen Synthese ist ein vielversprechender Bereich. Sie bieten ein schnelles Mischen der Reaktanten, schnelle Reaktionszeiten, erhöhte Ausbeuten und einen sicheren Umgang mit toxischen und explosiven Verbindungen. Bei der Umstellung von der Labor- auf die industrielle Produktion werden keine Änderungen an den Verfahren vorgenommen, um optimale Ausbeuten zu erzielen. Es müssten lediglich weitere Mikroreaktoreinheiten hinzugefügt werden.
Eine weitere mögliche kommerzielle Verwendung ist die Herstellung von Biodiesel, einer Alternative zu fossilen Brennstoffen. Derzeitige Herstellungsverfahren erfordern, dass die Hauptrohstoffe Pflanzenöl und Methanol mit einem Katalysator gemischt werden und mehrere Stunden stehengelassen werden, um die Reaktion zu vervollständigen. In einem Biodiesel-Mikroreaktor erfolgt die Reaktion fast sofort, und wiederum würde die Vergrößerung des Prozesses auf nützliche Mengen einfach die Kombination einer großen Anzahl von Mikroreaktoren erfordern.
Es gibt jedoch eine Reihe von Problemen, die überwunden werden müssen, um eine wirtschaftliche Herstellung von Chemikalien in großem Maßstab unter Verwendung von Mikroreaktoren zu erreichen. Einer davon ist der Wandeffekt: Reaktanten und Produkte neigen dazu, an den Wänden der Reaktionskammer zu haften. Für die traditionelle chemische Herstellung mit großen Reaktionsgefäßen ist dies im Allgemeinen unbedeutend, im Mikromaßstab kann jedoch ein erheblicher Teil der potenziellen Ausbeute verloren gehen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass es schwierig ist, Reaktionen mit Feststoffen, entweder als Reaktanten oder als Produkte, in einem Mikroreaktor durchzuführen, da diese dazu neigen, die Kanäle zu verstopfen.