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

Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89
Microreactortechnologie; de chemische fabriek op een chip
52
van een seconde tot en met tientallen minuten.
De hierboven genoemde voordelen van schaal-
verkleining zijn in de praktijk met behulp van deze
systemen zeer duidelijk bewezen. Elke reactie die in
principe gekoeld moet worden, of waar een van de
reagentia gedoseerd moet worden toegevoegd, kan
profiteren van het gebruik van een microreactorsysteem.
Een bekend voorbeeld is de Swern Moffatt
oxidatiereactie. Normaal gesproken vindt deze reactie
in een batch proces plaats bij -78°C, een temperatuur
die zodanig laag is dat deze commerciële toepassing
onmogelijk maakt. Door de betere controle
over stof- en warmte-overdrachtsprocessen kan in
een microreactor de reactie met dezelfde selectiviteit
worden uitgevoerd bij kamertemperatuur, of
zelfs met een verbeterde opbrengst bij 60°C. 3, 4, 5
Door de controle over de reactietijd kunnen zeer
snelle processen uitstekend onder controle worden
gehouden. Yoshida en medewerkers hebben hierbij
het begrip ΄flash chemistry΄ geïntroduceerd. Uiterst
snelle reacties met zeer labiele intermediairen blijken
door de korte verblijftijd in de reactor met een
veel hogere mate van selectiviteit plaats te vinden.
Het is zelfs mogelijk om bij bepaalde reacties het
kinetisch of thermodynamisch gewenste product te
verkrijgen met meer dan 80% opbrengst, door sim-
pelweg de reactietijd te verlengen van minder dan
een seconde naar 20 seconden.
Synthese op een chip is niet beperkt tot organische
chemie. Ook biokatalyse kan efficiënt worden
uitgevoerd, polymerisaties kunnen eenvoudig
plaatsvinden en ook het gebied van de nanotechnologie
heeft microreactoren ontdekt. Op een
zeer gecontroleerde manier kunnen bijvoorbeeld
quantum dots worden gemaakt. De hoge mate van
controle over de reactietijd is in dit verband cruciaal.
Ook zeer goed gedefinieerde microdeeltjes en
capsules kunnen met behulp van microfluïdische
systemen uiterst efficiënt vervaardigd worden.
Een belangrijke nieuwe ontwikkeling die recent
is ingezet is om de technologie niet te beperken tot
slechts synthese op een chip, maar om te streven naar
een geïntegreerde benadering, ofwel het zogenaamde
Process on a Chip. Het meest eenvoudige voorbeeld
daarbij is dat er meerdere syntheseprocessen achter
elkaar on chip worden uitgevoerd. Dit kunnen bijvoorbeeld
cascadereacties zijn, of een reactiestap gevolgd
door een quenching reactie. Een complexer proces
betreft de integratie van tussentijdse opwerkingsstappen.
Vloeistof-vloeistof extractie, scheiding met
behulp van on chip membranen en zelfs destillatie on
chip zijn hierbij allemaal al verwezenlijkt.
Figuur 4
De mogelijke
toepassingen van
microreactoren. 7