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