Mikrotechnologie v chemii a farmacii V. Jiřičný, J. Křišťál Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i.
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
Mikro zařízení Microfluidics Chemické mikroreaktory, mikromísiče, výměníky tepla MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) Mikročipy, tištěné spoje, miniaturní mechanika
Budeme hledat souvislosti mezi makro a mikro
Měřítka chemických reaktorů
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?
Příroda Živočišná říše Rostlinná říše Nerostná říše
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 100 000 km = dvojnásobek obvodu Zeměkoule CO2, odpadní látky, vylučování
Příroda - rostlinná Koruna O 2, CO 2, Odpar vody Kořeny Kmen Dopravní spojení Voda Rozpuštěné soli
Příroda - nerostná
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
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
Specifický povrch m 2 /m 3, m 2 /kg M.Liaw University Aachen
Max Kleiber, 1932 M.Liaw University Aachen
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
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 22 1 22 cm cm 2 3 S V 20,2 0,1 202 cm cm 2 3 Zmenšení charakteristického rozměru = zvětšení specifického povrchu
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
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
Proč menší znamená lepší? Protože mikroreaktory jsou flexibilnější pro lokální výrobu dle potřeby umožňují dříve nemyslitelné reakce průtočné a tím výkonnější bezpečnější
Příklady mikroaparátů Mikromísiče Tepelné výměníky Mikroreaktory
Mikromísiče typy mísičů L-L, L-G, G-G široká škála podle výrobců volba dána typem aplikace IMM, FZK
Mikroreaktory Kapalina plyn Kapalina kapalina Reaktant s katalyzátorem Lokální kontrola podmínek
Mikrostrukturovaný reaktor M.Baerns
Komerční mikrosystémy pro výzkum a vývoj SIPROCESS Siemens Ehrfeld Mikrotechnik
Schéma vývojové sestavy Ehrfeld Mikrotechnik
Zvětšování měřítka Tradiční postup Laboratoř Poloprovoz Továrna M.Baerns
Zmenšování měřítka M.Baerns
Zvětšování měřítka Mikrotechnologie Struktura Reaktor Reakční modul Tovární linka M.Baerns
Pasterizace mléka štěrbina 0,6 mm délka 28 cm ohřev 3-10 sec < 5 l/h mléka NIZO Food Research
Výroba nitroglycerínu Průtok 15 kg/h Pro výrobu léků Vysoká bezpečnost výroby Vysoká čistota produktu IMM
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 - - 2 H + - 2 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
Elektrochemická alkoxylace Štěrbinový elektrolyzér Štěrbina 0,1 mm 3 krát výkonnější Úspora energie
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
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 28 000 kanálků 0,1 x 0,2 mm SO 2 + O 2 chlazení 1 chlazení 2 mikro SO 2 reaktor izolace SO 3 FZK
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
Evropské výzkumné projekty IMPULSE 6.RP EU 2005 2009 20 společností a institucí ze 7 zemí Evropy F3 Factory Flexible Fast Future 7.RP EU 2009 2013 25 partnerů (14 průmyslových, 11 akademických)
Navazující EU projekt F3 (Future Fast Flexible) integrovaný projekt EU-7RP 2009-2013 14 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
Děkujeme K. Bouzkovi z VŠCHT, M. Liawovi z University v Cáchách, Katje-Haas Santo z FZK za poskytnutí materiálů pro tuto přednášku.
Děkuji za pozornost