Co to jest mikroreaktor?
Mikroreaktor to urządzenie na bardzo małą skalę, w którym mogą zachodzić reakcje chemiczne. Zazwyczaj mierzy mniej niż cal (2,54 cm) długości i szerokości i być może mniej niż jedną szesnastą cala (1,56 mm) grubości, chociaż wymiary są różne. Zwykle będą miały lampy wejściowe i wyjściowe, z niewielkimi kanałami lub komorami wewnątrz, w których zachodzą reakcje. Zazwyczaj reagentami i produktem są płyny - ciecze lub gazy - które można wprowadzać za pomocą niewielkich pomp lub elektro-osmozy. Od 2011 r. Mikroreaktory są wykorzystywane wyłącznie do celów eksperymentalnych i prototypowania, ale istnieje realna perspektywa ich zastosowania w dużych ilościach do masowej produkcji przydatnych chemikaliów.
Urządzenie jest zwykle budowane przez wytrawianie małych kanałów na odpowiednim materiale w podobny sposób, jak w produkcji układów scalonych. Mogą być wykonane z płytek krzemowych, szkła, metalu lub materiałów ceramicznych. Kanały nie mogą być szersze niż ludzkie włosy. Trawienie można wykonać za pomocą lasera, wyładowania elektrycznego lub za pomocą środków chemicznych. Często mikroreaktor jest wykonany z dwóch wytrawionych płyt umieszczonych razem.
Mikroreaktory oferują pewne znaczące zalety w porównaniu z bardziej tradycyjnymi środkami przeprowadzania reakcji chemicznych na większą skalę. Wysoki stosunek powierzchni do objętości umożliwia reakcje przebiegające szybciej i często w niższej temperaturze niż jest to możliwe w większych skalach. Reakcje wysoce egzotermiczne, które normalnie byłyby potencjalnie niebezpieczne lub szkodliwe dla sprzętu, mogą być bezpiecznie przeprowadzone; każde wytworzone ciepło rozprasza się szybko ze względu na znacznie mniejsze objętości reagentów. Awaria w części tradycyjnej fabryki chemicznej może spowodować uwolnienie dużych ilości niebezpiecznych chemikaliów lub całkowite wstrzymanie produkcji. Przeciwnie, uszkodzenie jednej części nie wpłynęłoby znacząco na instalację składającą się z dużej liczby mikroreaktorów.
Zwykle mikroreaktory działają z ciągłym przepływem reagentów. Chociaż szybkość produkcji z pojedynczego mikroreaktora jest oczywiście bardzo mała, można go jednak uznać za niewielką fabrykę. Istnieje możliwość zastosowania bardzo dużej liczby masowo produkowanych mikroreaktorów ułożonych w stosy w celu uzyskania produktów w ekonomicznie opłacalnej skali, a szereg możliwości jest badanych.
Zastosowanie mikroreaktorów w syntezie organicznej jest bardzo obiecującym obszarem. Oferują szybkie mieszanie reagentów, szybki czas reakcji, zwiększoną wydajność i bezpieczne obchodzenie się z toksycznymi i wybuchowymi związkami. Zwiększenie skali produkcji z poziomu laboratoryjnego do przemysłowego nie wymaga żadnych zmian w procedurach w celu osiągnięcia optymalnej wydajności - wystarczy po prostu dodać więcej jednostek mikroreaktorowych.
Innym potencjalnym zastosowaniem komercyjnym jest produkcja biodiesla, alternatywy dla paliw kopalnych. Obecne metody produkcji wymagają zmieszania głównych surowców, oleju roślinnego i metanolu z katalizatorem i pozostawienia na kilka godzin w celu zakończenia reakcji. W mikroreaktorze na biodiesel reakcja jest prawie natychmiastowa i ponownie, zwiększenie skali procesu do uzyskania użytecznych ilości wymagałoby po prostu połączenia dużej liczby mikroreaktorów.
Istnieje jednak szereg problemów, które należy rozwiązać, aby osiągnąć ekonomiczną produkcję chemikaliów na dużą skalę przy użyciu mikroreaktorów. Jednym z nich jest efekt ściany: reagenty i produkty mają tendencję do przywierania do ścian komory reakcyjnej. Jest to na ogół nieistotne w przypadku tradycyjnej produkcji chemicznej przy użyciu dużych naczyń reakcyjnych, ale w skali mikro znaczna część potencjalnej wydajności może zostać utracona. Innym problemem jest to, że trudno jest przeprowadzić reakcje z udziałem ciał stałych, zarówno jako reagentów, jak i produktów, w mikroreaktorze, ponieważ mają one tendencję do zatykania kanałów.