Mikrotechnologie v chemii a farmacii. V. Jiřičný, J. Křišťál Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i.

Transkript

1 Mikrotechnologie v chemii a farmacii V. Jiřičný, J. Křišťál Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i.

2 Délkové škály 1nm 1µm 1mm 1m tištěné spoje čipy počítače mikro reaktory průtočné reaktory vsádkové reaktory světlo kouř vlas dešťové kapky organické molekuly bílkoviny buňky hmyz savci nano technologie mikro technologie makro svět

3 Mikro zařízení Microfluidics Chemické mikroreaktory, mikromísiče, výměníky tepla MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Mikročipy, tištěné spoje, miniaturní mechanika

4 Budeme hledat souvislosti mezi makro a mikro

5 Měřítka chemických reaktorů

6 Odpovíme na tyto otázky: Jak dalece umíme napodobit přírodní procesy probíhající na mikro měřítku? Co je podstatou těchto mikroprocesů? Pro jaké průmyslové výroby je dokážeme využít? Jak budou vypadat chemické továrny budoucnosti? Budou léky vyráběny přímo v lékárnách?

7 Příroda Živočišná říše Rostlinná říše Nerostná říše

8 Příroda - živočišná Cévy (tepny a žíly) průměr 10 1 mm proudění 30 cm/s Vlásečnice průměr 5 20 µm proudění 0,5 mm/s Kyslík, výživa, vstřebávání Celková délka asi km = dvojnásobek obvodu Zeměkoule CO2, odpadní látky, vylučování

9 Příroda - rostlinná Koruna O 2, CO 2, Odpar vody Kořeny Kmen Dopravní spojení Voda Rozpuštěné soli

10 Příroda - nerostná

11 Společné rysy Proudění Vstupy kapalina, plyn, roztoky solí Výstupy kapalina plyn, roztoky solí Kontinuální Mezifázová plocha a vztažný objem Ovlivňuje velikost přenosu hmoty difuzí a tepla Stěny cév a žil, povrch kořenů a listů, povrch vln Difuze přes mezifázovou plochu

12 Proudění, mezifázová plocha a difuze Laminární tok v mikroaparátech Proudnice jsou paralelní malé promíchávání Velký rychlostní gradient velké RTD u rychlost toku Taylorova difuze t toku [L/u] t difuze [h 2 /D] h difuzní dráha L délka mikrokanálu Pístový tok

13 Specifický povrch m 2 /m 3, m 2 /kg M.Liaw University Aachen

14 Max Kleiber, 1932 M.Liaw University Aachen

15 Jak dalece umíme napodobit přírodní procesy probíhající na mikro měřítku? Mísiče, tepelné výměníky, reaktory, analytické sensory Co je podstatou těchto mikroprocesů? Velký specifický povrch, velká rychlost reakce Přesná kontrola operačních podmínek Velká produkce z jednotky objemu aparátu Pro jaké průmyslové výroby je dokážeme využít? Nebezpečné, s velkou ekologickou zátěží, Reakce L-L, L-G Jak budou vypadat chemické továrny budoucnosti? Lokálně distribuované výroby flexibilní v objemu a sortimentu Budou léky vyráběny přímo v lékárnách? Bude možné, pokud bude potřeba

16 Povrch a objem, specifický povrch Výšku kanálu a zmenšíme 10krát. a b L a = 0,1cm b = 1cm L = 10cm a = 0,01cm b = 1cm L = 10cm S V 2 L( a b) ab L S=2*10*(0,1+1)=22cm 2 S=2*10*(0,01+1)=20,2cm 2 V=0,1*1*10=1cm 3 V=0,01*1*10=0,1cm 3 S 2( a b) V ab S V cm cm 2 3 S V 20,2 0,1 202 cm cm 2 3 Zmenšení charakteristického rozměru = zvětšení specifického povrchu

17 Specifický povrch Taylorova difuze t toku [L/u] t difuze [h 2 /D] h=1 mm S/V = 22 cm 2 /cm 3 t difuze =1/D h=0,1 mm S/V = 202 cm 2 /cm 3 t difuze =0,01/D u rychlost toku L délka mikrokanálu h difuzní dráha = charakteristický rozměr h difuzní dráha Zmenšení charakteristického rozměru = zvýšení reakční rychlosti

18 Mikroaparáty - vlastnosti Jeden rozměr mikro = menší 1 mm Laminární proudění Velký poměr mezifázové plochy a objemu Dokonalá kontrola provozních podmínek Zvyšuje rychlost reakce Vstup: kapalina, plyn Kontinuální provoz

19 Proč menší znamená lepší? Protože mikroreaktory jsou flexibilnější pro lokální výrobu dle potřeby umožňují dříve nemyslitelné reakce průtočné a tím výkonnější bezpečnější

20 Příklady mikroaparátů Mikromísiče Tepelné výměníky Mikroreaktory

21 Mikromísiče typy mísičů L-L, L-G, G-G široká škála podle výrobců volba dána typem aplikace IMM, FZK

22 Mikroreaktory Kapalina plyn Kapalina kapalina Reaktant s katalyzátorem Lokální kontrola podmínek

23 Mikrostrukturovaný reaktor M.Baerns

24 Komerční mikrosystémy pro výzkum a vývoj SIPROCESS Siemens Ehrfeld Mikrotechnik

25 Schéma vývojové sestavy Ehrfeld Mikrotechnik

26 Zvětšování měřítka Tradiční postup Laboratoř Poloprovoz Továrna M.Baerns

27 Zmenšování měřítka M.Baerns

28 Zvětšování měřítka Mikrotechnologie Struktura Reaktor Reakční modul Tovární linka M.Baerns

29 Pasterizace mléka štěrbina 0,6 mm délka 28 cm ohřev 3-10 sec < 5 l/h mléka NIZO Food Research

30 Výroba nitroglycerínu Průtok 15 kg/h Pro výrobu léků Vysoká bezpečnost výroby Vysoká čistota produktu IMM

31 Elektrochemická alkoxylace Důležitý meziprodukt pro léčiva, komesmetiku Průmyslově vyrábí BASF 3500 tun/rok CH 3 O CH 3 O - + H 3 C OH - 2 e + H 3 C OH - 2 e H H + CH 3 O CH 3 4-methylanisole CH 2 O CH 3 4-methoxybenzylmetylether C O H O H 3 C CH 3 4-methoxybenzaldehyde dimethylacetale

32 Elektrochemická alkoxylace Štěrbinový elektrolyzér Štěrbina 0,1 mm 3 krát výkonnější Úspora energie

33 Oxidace SO 2 2 SO 2 + O 2 => 2 SO 3 SO2 Cooler Vent Výška 10 m SO2 Gas Průměr 2,5 m 1st Bed Inlet Temperature 415 to 425 C 1 st Bed 1 st Bed Cooler Regeneration Air Outlet Průtok 30 t/h 2nd Bed Inlet Temperature 415 to 425 C 2 nd Bed 2 nd Bed Cooler Vent LP Gas Heater 3 rd Bed SO3 Gas Catalytic Converter SO3 Cooler katalyzátor Regeneration Blower 3rd Bed Inlet Temperature 385 a 395 C K.Bouzek

34 Oxidace SO 2 v mikroreaktoru Celková velikost 35 x 20 x 15 cm (Krabice o bot) Průtok 800 g/h SO 2 Aktivní objem 280 ml kanálků 0,1 x 0,2 mm SO 2 + O 2 chlazení 1 chlazení 2 mikro SO 2 reaktor izolace SO 3 FZK

35 Mikroprocesy shrnutí Výroba požadovaného množství na místě spotřeby Flexibilita objemu produkce a sortimentu Menší náklady na distribuci Menší objem menší riziko Menší zátěž životního prostředí v místě výroby Velký výkon v jednotce objemu Přesná kontrola provozních podmínek Velká energetická účinnost Velká konverze a selektivita

36 Evropské výzkumné projekty IMPULSE 6.RP EU společností a institucí ze 7 zemí Evropy F3 Factory Flexible Fast Future 7.RP EU partnerů (14 průmyslových, 11 akademických)

37 Navazující EU projekt F3 (Future Fast Flexible) integrovaný projekt EU-7RP partnerů z průmyslové sféry Bayer Technology, BASF, Rhodia, Evonik, Procter & Gamble, Astra Zeneca a a další 11 partnerů z akademické sféry ENSIC, University of Newcastle, TU Dortmund RWTH Aachen, FZK Karlsruhe, ÚCHP AV ČR v.v.i. a další výzkum a vývoj zařízení a metodik umožňující zkrátit dobu uvedení produktu na trh zvýšit flexibilitu produkce zefektivnit a kontinualizovat výrobní proces demonstrační základna výroba polymerů, monomerů a chemických specialit podle portfolia průmyslových pratnerů po ukončení projektu dostupnost demonstrační základny pro další průmyslové subjekty a akademické instituce

38 Děkujeme K. Bouzkovi z VŠCHT, M. Liawovi z University v Cáchách, Katje-Haas Santo z FZK za poskytnutí materiálů pro tuto přednášku.

39 Děkuji za pozornost