Vad är en mikroreaktor?
En mikroreaktor är en mycket liten anordning där kemiska reaktioner kan äga rum. Vanligtvis mäter den mindre än 2,54 cm i längd och bredd och kanske mindre än en sextonde tum (1,56 mm) i tjocklek, även om dimensionerna varierar. Det kommer normalt att ha in- och utgångsrör, med små kanaler eller kammare inuti, i vilka reaktionerna sker. Vanligtvis är reaktanterna och produkten vätskor - vätskor eller gaser - som kan införas med små pumpar eller elektro-osmos. Från och med 2011 används mikroreaktorer endast för experimentella och prototypande ändamål, men det finns en verklig möjlighet att använda dem i stort antal för massproduktion av användbara kemikalier.
Anordningen är normalt konstruerad genom etsning av små kanaler på ett lämpligt material på liknande sätt som tillverkning av integrerade kretsar. De kan tillverkas av kiselskivor, glas, metall eller keramiska material. Kanalerna är kanske inte bredare än människohår. Etsningen kan utföras med laser, elektrisk urladdning eller med kemiska medel. Ofta är mikroreaktorn tillverkad av två etsade plattor som är klädda ihop.
Mikroreaktorer erbjuder några betydande fördelar jämfört med mer traditionella medel i större skala för att utföra kemiska reaktioner. Det höga förhållandet mellan yta och volym möjliggör att reaktionerna går snabbare och ofta vid en lägre temperatur än vad som är möjligt vid större skalor. Mycket exoterma reaktioner som normalt skulle vara potentiellt farliga eller skadliga för utrustningen kan utföras på ett säkert sätt; eventuell värme som genereras sprids snabbt på grund av de mycket mindre volymerna av reaktanter. Ett misslyckande i någon del av en traditionell kemisk anläggning kan leda till att stora mängder farliga kemikalier släpps eller produktionen helt stängs av. Däremot skulle en anläggning bestående av ett stort antal mikroreaktorer inte påverkas avsevärt av att en del misslyckades.
Vanligtvis arbetar mikroreaktorer med ett kontinuerligt flöde av reaktanter. Även om utmatningshastigheten från en enskild mikroreaktor uppenbarligen är mycket liten kan den ändå betraktas som en liten fabrik. Det finns potential att anställa mycket stora massaproducerade mikroreaktorer staplade tillsammans för att tillhandahålla produkter i ekonomiskt hållbar skala, och ett antal möjligheter undersöks.
Användningen av mikroreaktorer i organisk syntes är ett mycket lovande område. De erbjuder snabb blandning av reaktanter, snabba reaktionstider, ökade utbyten och säker hantering av giftiga och explosiva föreningar. Uppskalningen från produktion till laboratorie- till industriell nivå innebär ingen förändring av procedurerna för att uppnå optimala utbyten - det handlar helt enkelt om att lägga till fler mikroreaktorenheter.
En annan potentiell kommersiell användning är produktion av biodiesel, ett alternativ till fossila bränslen. Nuvarande produktionsmetoder kräver att de viktigaste råvarorna, vegetabilisk olja och metanol, blandas med en katalysator och lämnas i flera timmar för att fullborda reaktionen. I en biodieselmikroreaktor är reaktionen nästan omedelbar och återigen skulle en skalning av processen för att producera användbara mängder helt enkelt innebära att man kombinerar ett stort antal mikroreaktorer.
Det finns emellertid ett antal problem som måste lösas för att uppnå ekonomisk storskalig produktion av kemikalier med mikroreaktorer. En av dessa är väggeffekten: reaktanter och produkter tenderar att hålla fast vid reaktionskammarens väggar. Detta är vanligtvis obetydligt för traditionell kemisk tillverkning med användning av stora reaktionskärl, men i mikroskala kan en betydande del av det potentiella utbytet försvinna. Ett annat problem är att det är svårt att utföra reaktioner som involverar fasta ämnen, antingen som reaktanter eller som produkter, i en mikroreaktor eftersom de tenderar att täppa upp kanalerna.