Che cos'è un microreattore?
Un microreattore è un dispositivo su scala molto ridotta in cui possono verificarsi reazioni chimiche. Tipicamente, misura meno di 2,54 cm di lunghezza e larghezza e forse meno di 1,56 mm di spessore, anche se le dimensioni variano. Avrà normalmente tubi di ingresso e uscita, con canali o camere minuscoli all'interno, in cui si verificano le reazioni. Di solito i reagenti e il prodotto sono fluidi - liquidi o gas - che possono essere introdotti usando minuscole pompe o elettroosmosi. A partire dal 2011, i microreattori sono utilizzati solo a fini sperimentali e di prototipazione, ma esiste una reale prospettiva di impiegarli in gran numero per la produzione in serie di sostanze chimiche utili.
Il dispositivo è normalmente costruito incidendo piccoli canali su un materiale adatto in modo simile alla fabbricazione di circuiti integrati. Possono essere realizzati con wafer di silicio, vetro, metallo o materiali ceramici. I canali potrebbero non essere più ampi di un capello umano. L'incisione può essere eseguita mediante laser, scarica elettrica o mezzi chimici. Spesso il microreattore è costituito da due piastre incise inserite insieme.
I microreattori offrono alcuni vantaggi significativi rispetto a mezzi più tradizionali e su larga scala per lo svolgimento di reazioni chimiche. L'elevato rapporto area-volume-volume consente alle reazioni di procedere più rapidamente e spesso a una temperatura inferiore rispetto a quanto è possibile su scale più grandi. Le reazioni altamente esotermiche che potrebbero essere potenzialmente pericolose o dannose per l'apparecchiatura possono essere eseguite in sicurezza; qualsiasi calore generato si dissipa rapidamente a causa dei volumi molto più piccoli di reagenti. Un guasto in una parte di un impianto chimico tradizionale potrebbe comportare il rilascio di grandi quantità di sostanze chimiche pericolose o l'interruzione completa della produzione. Al contrario, un impianto costituito da una vasta gamma di microreattori non sarebbe influenzato in modo significativo dal fallimento di una parte.
Di solito, i microreattori funzionano con un flusso continuo di reagenti. Sebbene la velocità di uscita da un singolo microreattore sia ovviamente molto piccola, può comunque essere considerata come una piccola fabbrica. Esiste il potenziale di impiegare un numero molto elevato di microreattori di serie fabbricati insieme per fornire prodotti su scala economicamente praticabile e sono in fase di studio numerose possibilità.
L'uso di microreattori nella sintesi organica è un'area molto promettente. Offrono una rapida miscelazione di reagenti, tempi di reazione rapidi, rese maggiori e manipolazione sicura di composti tossici ed esplosivi. Il passaggio dalla produzione di laboratorio a quella industriale non comporta alcun cambiamento nelle procedure per ottenere rese ottimali: sarebbe semplicemente una questione di aggiunta di più unità microreattore.
Un altro potenziale uso commerciale è nella produzione di biodiesel, un'alternativa ai combustibili fossili. Gli attuali metodi di produzione richiedono che le principali materie prime, l'olio vegetale e il metanolo, vengano miscelati con un catalizzatore e lasciati per diverse ore per completare la reazione. In un microreattore a biodiesel, la reazione è quasi immediata e, ancora una volta, aumentare il processo per produrre quantità utili comporterebbe semplicemente la combinazione di un gran numero di microreattori.
Vi sono, tuttavia, una serie di problemi che devono essere superati per ottenere una produzione economica su larga scala di prodotti chimici mediante microreattori. Uno di questi è l'effetto muro: reagenti e prodotti tendono ad aggrapparsi alle pareti della camera di reazione. Ciò è generalmente insignificante per la produzione chimica tradizionale che utilizza grandi recipienti di reazione, ma su microscala, una percentuale significativa della resa potenziale potrebbe andare persa. Un altro problema è che è difficile eseguire reazioni che coinvolgono solidi, sia come reagenti che come prodotti, in un microreattore poiché tendono a ostruire i canali.