Wat is een microreactor?
Een microreactor is een zeer kleinschalig apparaat waarin chemische reacties kunnen plaatsvinden. Gewoonlijk meet het minder dan inch (2,54 cm) in lengte en breedte en misschien minder dan een zestiende inch (1,56 mm) in dikte, hoewel de afmetingen variëren. Het zal normaal gesproken invoer- en uitvoerbuizen hebben, met kleine kanalen of kamers waarin de reacties plaatsvinden. Gewoonlijk zijn de reactanten en het product vloeistoffen - vloeistoffen of gassen - die met behulp van kleine pompen of elektro-osmose kunnen worden ingebracht. Vanaf 2011 worden microreactoren alleen gebruikt voor experimentele en prototypingdoeleinden, maar er is een reëel vooruitzicht om ze in grote aantallen in te zetten voor de massaproductie van nuttige chemicaliën.
Het apparaat wordt normaal geconstrueerd door kleine kanalen op een geschikt materiaal te etsen op een vergelijkbare manier als de vervaardiging van geïntegreerde schakelingen. Ze kunnen worden gemaakt van siliconenwafels, glas, metaal of keramische materialen. De kanalen mogen niet breder zijn dan een mensenhaar. Het etsen kan worden uitgevoerd met laser, elektrische ontlading of met chemische middelen. Vaak wordt de microreactor gemaakt van twee samengeëtste platen.
Microreactoren bieden een aantal belangrijke voordelen ten opzichte van meer traditionele, grootschalige middelen voor het uitvoeren van chemische reacties. Door de hoge oppervlakte-volume-verhouding kunnen reacties sneller en vaak bij een lagere temperatuur verlopen dan op grotere schaal mogelijk is. Sterk exotherme reacties die normaal gesproken potentieel gevaarlijk of schadelijk voor de apparatuur zijn, kunnen veilig worden uitgevoerd; alle gegenereerde warmte verdwijnt snel vanwege de veel kleinere volumes reactanten. Een storing in een deel van een traditionele chemische fabriek kan leiden tot het vrijkomen van grote hoeveelheden gevaarlijke chemicaliën of de productie volledig stoppen. Een plant bestaande uit een groot aantal microreactoren zou daarentegen niet significant worden getroffen door het falen van een onderdeel.
Gewoonlijk werken microreactoren met een continue stroom reactanten. Hoewel de snelheid van de output van een individuele microreactor duidelijk erg klein is, kan deze toch als een kleine fabriek worden beschouwd. Er is een potentieel om zeer grote aantallen in massa geproduceerde microreactoren te gebruiken die op elkaar zijn gestapeld om producten op een economisch levensvatbare schaal te leveren, en een aantal mogelijkheden wordt onderzocht.
Het gebruik van microreactoren in organische synthese is een veelbelovend gebied. Ze bieden een snelle menging van reactanten, snelle reactietijden, verhoogde opbrengsten en veilige hantering van giftige en explosieve verbindingen. Het opschalen van productie op laboratorium- naar industrieel niveau houdt geen wijziging in van de procedures om optimale opbrengsten te bereiken - het zou gewoon een kwestie zijn van het toevoegen van meer microreactor-eenheden.
Een ander potentieel commercieel gebruik is bij de productie van biodiesel, een alternatief voor fossiele brandstoffen. De huidige productiemethoden vereisen dat de belangrijkste grondstoffen, plantaardige olie en methanol, worden gemengd met een katalysator en enkele uren worden bewaard om de reactie te voltooien. In een biodiesel-microreactor is de reactie bijna onmiddellijk en opnieuw zou het opschalen van het proces om bruikbare hoeveelheden te produceren eenvoudigweg het combineren van een groot aantal microreactoren omvatten.
Er zijn echter een aantal problemen die moeten worden overwonnen om economische grootschalige productie van chemicaliën met behulp van microreactoren te bereiken. Een daarvan is het wandeffect: reactanten en producten hebben de neiging zich aan de wanden van de reactiekamer te hechten. Dit is over het algemeen onbelangrijk voor de traditionele chemische productie met grote reactievaten, maar op microschaal kan een aanzienlijk deel van de potentiële opbrengst verloren gaan. Een ander probleem is dat het moeilijk is om reacties uit te voeren met vaste stoffen, hetzij als reactanten of als producten, in een microreactor omdat deze de kanalen verstoppen.