Jaarboek no. 89. 2010/2011 - Koninklijke Maatschappij voor ...

More documents

Recommendations

Info

Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89 Microreactortechnologie; de chemische fabriek op een chip 50 modern lab, dan zouden we weinig verschillen zien in het glaswerk dat wordt gebruikt. Nog steeds vindt het overgrote deel van de reacties plaats in glazen rondbodem kolven of op industriële schaal in ketels; het lijkt erop of we nooit erbij stil hebben gestaan dat ook wat betreft syntheseapparatuur verbeteringen mogelijk zijn. In deze toestand van schijnbare stilstand is een verandering gekomen aan het eind van de 20ste eeuw met de opkomst van de microreactortechnologie. De ontwikkeling van microreactoren hangt sterk samen met de opkomst van microsysteemtech- Figuur 3 Een microreactoropstelling (links) en een losse microreactor, vervaardigd uit glas (rechts). Figuur 2 Een micromenger gemaakt door middel van deep etching 3D lithografie, door het Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM). nologie binnen de analyse. Schaalverkleining in analysetechnieken leidt tot efficiëntere en snellere scheiding van analyten. Verder is er een geringere hoeveelheid te analyseren materiaal noodzakelijk en zijn de apparaten veel handzamer. Daarom kunnen ze ook meegenomen worden om analyses ter plekke uit te voeren. Vanwege het feit dat de eerste geminiaturiseerde analysesystemen gemaakt werden met behulp van lithografietechnieken die geleend zijn van de halfgeleiderindustrie, werd deze toepassing van microsysteemtechnologie ook wel Analyse op een Chip genoemd. Deze schaalverkleining is in eerste instantie toegepast in de chro-
matografie, maar is zeer succesvol geworden in de electroforese. DNA en eiwit analyse kan zeer snel en met kleine hoeveelheden worden uitgevoerd dankzij slimme chipsystemen, die ontworpen zijn door bedrijven zoals Caliper en Affymetrix. Een ontwikkeling die hierop volgde, is het zogenaamde micrototaal analyse systeem, ofwel micro- TAS. Dit concept, dat bedacht is door Andreas Manz, behelst dat niet alleen de analyse module geminiaturiseerd wordt, maar dat deze ook met micromonstername en samplevoorbewerkings -eenheden geïntegreerd wordt. Een andere, vaak gebruikte benaming van microTAS is 'Lab on a Chip'. Deze microTAS aanpak vertoont namelijk veel gelijkenis met het ΄integrated circuit΄ concept uit de microelektronica en ΄Chip΄ wordt hier als directe verwijzing naar deze technologie gebruikt. Pas aan het eind van de jaren negentig van de 20ste eeuw ontstond er het inzicht dat microsysteemtechnologie niet alleen zeer nuttig kan zijn voor analyse, maar ook voor synthesedoeleinden. Driedimensionale vormgevingstechnieken uit de lithografie, zoals DRIE en powder blasting werden toegepast om in glas kanalen, mixers en membranen te vervaardigen. Ook polymere substraten werden vormgegeven met bijvoorbeeld templating, embossing en microspuitgiet methoden. Hierdoor ontstond er een grote variëteit aan microreactoren, die uitgebreid zijn ingezet voor het uitvoeren van een uiteenlopende serie van reacties. 1, 2 Een cruciaal element bij het gebruik van microreactoren is het transport van vloeistof door de microkanalen. Hiervoor zijn twee methoden veelvuldig toegepast. In analogie met de microanalyse methoden werd in eerste instantie vaak gebruik gemaakt van elektro-osmotische flow (EOF). Door een spanning te zetten over een microkanaal ontstaat er transport van ionen in de vloeistof. Dit transport resulteert in het meesleuren van de oplosmiddelmoleculen waardoor er een netto transport wordt bereikt. Hoewel deze techniek een aantal voordelen heeft, zoals een vlak stromingsprofiel, heeft het als grote nadeel dat er altijd ionen aanwezig moeten zijn in de oplossing, waardoor deze techniek Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89 Microreactortechnologie; de chemische fabriek op een chip beperkt is tot polaire (waterige) oplossingen. Meer generiek toepasbaar (en daarmee de momenteel meest gangbare techniek) is het gebruik van micropompen die de vloeistof met grote precisie door de kanalen weten te transporteren. Er zijn twee grote verschillen tussen traditionele reactoren die worden toegepast in de fijnchemie en microreactoren. Ten eerste zijn dat natuurlijk de afmetingen. Microreactoren zijn buisvormige reactoren met diameters die normaal gesproken variëren tussen tientallen micrometers en enkele millimeters, en reactorvolumina die zich bevinden tussen de ml en ml. Daarnaast geeft de keuze van een buisvormige reactor de mogelijkheid om reacties continu uit te voeren, in plaats van de traditionele batchgewijze productie. Deze manier van synthese heeft enkele karakteristieke voordelen. Door de geringe diameter van enkele tientallen micrometers zijn we in staat om veel efficiënter warmte toe of af te voeren aan de reactor. Daardoor hebben we een uitstekende controle over de reactietemperatuur en kunnen we voorkomen dat er locaal oververhitting ontstaat, een proces dat in ketelreactoren vaak leidt tot ongewenste bijproductvorming. Niet alleen warmteoverdracht is beter gecontroleerd, dit geldt ook voor stofoverdracht. Diffusieprocessen bepalen de snelheid van menging van reagentia, en ook hier hebben we meer controle in het micrometer gebied dan op macroschaal. Omdat we in de reactor per tijdseenheid een zeer klein volume hebben, is het veel veiliger om microreactoren te gebruiken wanneer gewerkt wordt met gevaarlijke (giftige of explosieve) stoffen. De schaal waarop een reactie uit de hand kan lopen blijft namelijk altijd zeer beperkt. Door de betere controle over de procesomstandigheden worden mogelijke risico’s ook nog eens verder verkleind. Doordat de reactie op een continue wijze wordt uitgevoerd, wordt de reactietijd bepaald door de verhouding tussen de lengte van het reactiekanaal en de stroomsnelheid van de chemicaliën. Als deze eenmaal is ingesteld kan de synthese door blijven gaan tot de gewenste hoeveelheid product is gevormd. De reactietijd kan variëren van fracties 51
Page 1: NATUURKUNDIGE VOORDR ACHTEN 2010 -
Page 4 and 5: ISBN 978 90-72644-23-7 Drukkerij Vi
Page 7 and 8: INHOUD Diligentiaprijs voor Scholie
Page 9 and 10: VERSLAG VAN DE KONINKLIJKE MAATSCHA
Page 11 and 12: Oprichting in 1793 Het Gezelschap t
Page 13 and 14: N.Th. Michaelis 1898-1904 Dr. E.H.
Page 15 and 16: ALFABETISCH REGISTER VAN DE VOORDRA
Page 17 and 18: Natuurkundige voordrachten I Nieuwe
Page 23 and 24: Elektriciteitopslag in batterijen m
Page 25 and 26: De vermogensdichtheid van een batte
Page 27 and 28: Figuur 3 Het effect dat vacatures (
Page 29 and 30: Schakelbare spiegels: een samenspel
Page 31 and 32: Applications Beside their purely fu
Page 33 and 34: hydrogen absorption properties of t
Page 35 and 36: Gammaflitsen: extreem nieuws uit de
Page 37 and 38: ster ontstaat. Het directe bewijs v
Page 39 and 40: Figuur 2 Als we voor alle 2704 gamm
Page 41 and 42: gammaflits kan miljarden jaren na h
Page 43 and 44: Genetica en genoomonderzoek naar ve
Page 45 and 46: zingen in de code aanwezig die aang
Page 47 and 48: omdat we beschikken over de gezondh
Page 49: Microreactortechnologie; de chemisc
Page 53 and 54: Figuur 5 De economische haalbaarhei
Page 57 and 58: qubit can now be described as follo
Page 59 and 60: games not only nicely demonstrates
Page 61: Natuurkundige voordrachten I Nieuwe
Page 100 and 101:
Natuurkundige voordrachten I Nieuwe
Page 103 and 104:
LOFAR: op zoek naar de snelste deel
Page 105 and 106:
Figuur 4 Artist impression van het
Page 107:
ichting van inval te bepalen. Naarm
Page 110 and 111:
Page 112 and 113:
Page 114 and 115:
Page 116 and 117:
Page 118 and 119:
Page 120 and 121:
Page 122 and 123:
Page 124:
show all

Jaarboek no. 89. 2010/2011 - Koninklijke Maatschappij voor ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?