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

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