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

Mikrotechnologie v chemii a farmacii

V. Jiřičný, J. Křišťál Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i.

Délkové škály 1µm

1nm

1mm

tištěné spoje

1m čipy

mikro reaktory

průtočné reaktory

počítače vsádkové reaktory

světlo dešťové vlas kapky

kouř organické molekuly bílkoviny

nano technologie

buňky

hmyz

mikro technologie

makro svět

savci

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

Kyslík, výživa, vstřebávání

 proudění 30 cm/s

 Vlásečnice  průměr 5 – 20 µm  proudění 0,5 mm/s  Celková délka asi 100 000 km

= dvojnásobek obvodu Zeměkoule CO2, odpadní látky, vylučování

Příroda - rostlinná Koruna O2, CO2, Odpar vody

Kmen Kořeny Voda Rozpuštěné soli

Dopravní spojení

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 ttoku [L/u] ≥ tdifuze [h2/D] h difuzní dráha

L délka mikrokanálu Pístový tok

Specifický povrch m2/m3, m2/kg

M.Liaw M.Liaw University University Aachen 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 = 0,1cm

a = 0,01cm

b

b = 1cm L = 10cm

b = 1cm L = 10cm

S  2 L ( a  b)

S=2*10*(0,1+1)=22cm2

S=2*10*(0,01+1)=20,2cm2

V  ab L

V=0,1*1*10=1cm3

V=0,01*1*10=0,1cm3

L

a

S 2 ( a  b)  V ab

S 22 cm 2   22 3 V 1 cm

S 20,2 cm 2   202 3 V 0,1 cm

Zmenšení charakteristického rozměru = zvětšení specifického povrchu

Specifický povrch

Taylorova difuze ttoku [L/u] ≥ tdifuze [h2/D]

u rychlost toku

h=1 mm S/V = 22 cm2/cm3 h difuzní dráha = charakteristický rozměr

tdifuze=1/D L délka mikrokanálu h=0,1 mm S/V = 202 cm2/cm3

h difuzní dráha

tdifuze=0,01/D

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 CH3 O

CH3 O

CH3 O

+

H3C OH - 2 e

CH3

4-methylanisole

+ H3C OH - 2 e

- 2 H+ CH2 O CH3

4-methoxybenzylmetylether

- 2 H+ H3C

C O H O

CH3

4-methoxybenzaldehyde dimethylacetale

Elektrochemická alkoxylace  Štěrbinový elektrolyzér  Štěrbina 0,1 mm  3 krát výkonnější

 Úspora energie

2 SO2 + O2 => 2 SO3

Oxidace SO2

Vent SO2 Cooler

 Průměr 2,5 m

SO2 Gas

1st Bed Inlet Temperature 415 to 425 °C 2nd Bed Inlet Temperature 415 to 425 °C

 Výška 10 m

1st Bed

1st Bed Cooler Regeneration Air Outlet

2nd Bed

2nd Bed Cooler

 Průtok 30 t/h

Vent

LP Gas Heater 3rd Bed SO3 Gas

Catalytic Converter

Regeneration Blower

3rd Bed Inlet Temperature 385 a 395 °C

SO3 Cooler

katalyzátor

K.Bouzek

Oxidace SO2 v mikroreaktoru  Celková velikost

 Aktivní objem

35 x 20 x 15 cm (Krabice o bot)  Průtok 800 g/h SO2

280 ml  28 000 kanálků 0,1 x 0,2 mm

SO2 + O2

chlazení 1 chlazení 2

mikro SO2 reaktor izolace SO3

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