Mikroreaktorer beskrivs som en ny och överlägsen teknologi inom den kemiska reaktionstekniken. Mikroreaktorer kan göra kemiska processer betydligt snabbare, lönsammare och säkrare.
Text & foto: Marcus Prest
Kemisk reaktionsteknik, en av de klassiska grenarna inom ämnet kemiteknik har under de senaste åren gjort stora framsteg – inte enbart tack vare ökad kemisk kännedom och mer avancerade beräkningsmetoder – utan främst tack vare utvecklingen av nya katalytiska material (ämnen som försnabbar kemiska reaktioner utan att själva bli konsumerade av reaktionen) och reaktorer (behållare i vilka man försöker åstadkomma kemiska reaktioner).
– Man brukar ofta påstå att cirka nittio procent av alla industriellt tillämpade kemiska processer i världen utnyttjar katalysatorer, säger Tapio Salmi professor vid ämnet kemisk reaktionsteknik vid Åbo Akademi.
– Att påskynda reaktionerna är till exempel i den kemiska industrins intresse eftersom en snabbare reaktion gör att hela produktionsprocessen blir effektivare och lönsammare.
Kemiska reaktioner genomförs på väldigt olika skala, från liten experimentell skala till stor industriell skala. Den stora industriella skalan gäller till exempel vid tillverkning av bränslen och konstgödsel.
– Under 2000-talet har det bedrivits forskning i mikroreaktorer som ett led i att försnabba reaktionerna och göra dem säkrare.
Mikroreaktorer är ett populärt forskningstema ute i Europa och det har visat sig att man med mikroreaktorer kan åstadkomma betydligt snabbare reaktioner än med traditionella reaktorer. Mikroreaktorteknologiutvecklingen gäller över hela skalan, det vill säga från experimentell till industriell storlek.
– I mikroreaktorer, som är kontinuerliga kemiska reaktorapparater, sker reaktionerna i strömningskanaler klart under en millimeter. Man behöver mikroskopi för att kunna se något. Man blåser gas eller vätska igenom mikroreaktorn för att åstadkomma en kemisk reaktion.
Den främsta fördelen med mikroreaktorteknologin förutom den ökade snabbheten är att man kan åstadkomma reaktioner med små mängder material och reaktionen är lättare att kontrollera. Mikroreaktorer medför också att man kan köra processer lokalt med små mängder där de behövs, vilket minskar transporterna – som är bra ur ekonomisk synpunkt.
Mikroreaktorsystem.
– Vår nisch vid Åbo Akademi är reaktiva mellanprodukter, intermediärer – vilket är produkter som används av industrin för att nå en slutprodukt. Vi har specialiserat oss på gasfasreaktioner som görs med fasta mikroreaktorrör.
– Många av dessa intermediärer är giftiga trots att slutprodukten kan vara icke-giftig och biologiskt nedbrytbar. Typiska exempel är cellulosaderivat som framställs genom att använda klormetan, kloretan, klorättiksyra och etenoxid som reagenser. Med mikroreaktorer går det att preparera tillräckliga mängder av dessa reagenser direkt där de används i stället för att transportera dem tusentals kilometer längs motorvägar och järnvägar. Just nu transporteras miljoner ton kemikalier per år långa sträckor från punkt A till punkt B.
Number up
Sabrina Schmidt, doktorand vid kemisk reaktionsteknik vid Åbo Akademi (från Aachen, Tyskland), visade i sitt doktorsarbete att det i mikroreaktorer går att genomföra reaktioner minst 50 gånger snabbare än med konventionella metoder. Doktorsarbetet gällde produktionen av metylklorid och etylklorid som framställs genom att låta klorvätegas och antingen etanol eller metanol reagera med varandra.
– Metyl- och etylklorid används för att göra cellulosaderivat, förtjockningsmedel, silikon, tillsatsämnen i livsmedel, tapetklister, och så vidare, säger Tapio Salmi.
För att förstora en process med mikroreaktorer kan man naturligtvis inte förstora reaktorn, eftersom hela konceptet är beroende av reaktorns mikrostorlek. Devisen är number up, det vill säga öka antalet reaktorer, istället för det konventionella som är scale up vilket betyder större reaktor.
– Praktiskt sett är det svårare att göra det konventionella scale up eftersom många effekter blir annorlunda när man använder större mängder reagenser och övergår till stora volymer.
Med mikroreaktorer är också kontrollerbarheten av reaktionerna bättre. Det är en viktig aspekt då det i så gott som alla processer idag är centralt att få en jämn kvalitet och för att biprodukter som kan uppstå om reaktionen inte går att kontrollera så exakt, ger upphov till ett separationsproblem vilket i så fall innebär ytterligare en ny fas i produktionen.
– Man kan hur som helst inte sälja en produkt som är en mystisk blandning.
Detaljbild av halvelliptiska kanaler.
En orsak till biprodukter kan till exempel vara svårigheten att upprätthålla jämn temperatur i en reaktor. I en klassisk reaktor har man en kemisk process som producerar mycket värme från en central punkt. Med värmefördelningen dyker många fysikaliska frågor upp. I en ideal cylindrisk kanal är förhållande mellan yttre yta och volym 2πRL/(πR2L)=2/R där R är kanalens radie och L betecknar kanallängden. Genom att minska på kanalens radie kan förhållandet yta/volym dramatiskt ökas – vilket är av stor betydelse till exempel då det gäller att leda bort värme.
– Detta innebär att kemiska reaktioner som i konventionella reaktorapparater är farliga, till och med explosiva kan genomföras på ett säkert och behärskat sätt i mikroreaktorer.
Teknik
Diffusion sker när två olika typer av molekyler på grund av molekylernas olika kinetiska hastighet sammanblandas. För att försnabba reaktionen används en katalysator. För katalyserade processer i konventionella reaktorer är porösa katalysatorstrukturer ofta en flaskhals som bromsar diffusionens potentiella hastighet.
En porös struktur är dock nödvändig för att man ska kunna åstadkomma en tillräckligt stor specifik yta där katalytiskt aktiva säten – till exempel metallnanopartiklar och kluster – kan placeras. Det vill säga: man behöver en porös struktur för att kunna placera katalysatorämnet i reaktorn.
– Diffusionens bromsande effekt på den totala hastigheten kan bli markant, då katalysatorpartiklar med diametern 1–10 mm används i industriell skala.
– Man kan minska på katalysatorskiktets tjocklek, men här hamnar man snabbt i en återvändsgränd, eftersom en minskning av en konventionell katalysatorpartikels diameter leder till en ökad tryckförlust i reaktorröret. Det här sätter en praktisk gräns för katalysatorpartiklarnas storlek, det är svårt att använda katalysatorpartiklar som är mindre än ett par millimeter i bäddreaktorer i industriell skala; oftast arbetar man med betydligt större partiklar, i centimeterskala.
– Men genom att tillämpa mikroreaktorteknologi kan fördelarna med en hög katalysatoreffektivitet och låg tryckförlust kombineras. Det katalytiskt aktiva materialet fästs vid reaktorkanalernas inre väggar. På detta sätt kan mycket tunna katalysatorskikt på 10–20 mikrometer prepareras. Tryckförlusten hålls under kontroll, eftersom reaktionsblandningen strömmar i ett öppet mikrorör.
När det gäller mikroreaktorer är det upplägg man har i labbet väldigt långt överensstämmande med det upplägg man skulle tillämpa i fabriksskala. Däremot är framställningsteknologin för mikroreaktorer relativt dyr. Reaktorerna görs i metallboxar och det betyder att det blir mycket metall per kubikmeter som i sin tur gör att konstruktionen av fabriken blir kostsam.
Guld
Just nu jobbar Salmis grupp med ett forskningsprojekt från Finlands Akademi med tema mikroreaktorer som handlar om guld som ett katalytiskt material.
– Man har länge trott att guld är en katalytiskt passiv metall men forskningen har visat att guld i nanopartikelform, alltså partiklar med en diameter på en miljondels millimeter, är en selektiv och aktiv oxidationskatalysator.
– ”Nano” har länge varit ett modeord i branschen men i det här fallet handlar det verkligen om nanoteknologi: vi försöker styra saker i nanoskala. För en del kemiska processer måste storleken på partiklarna vara exakt rätt. Vi kan övervaka processen i transmissionselektroskopi – vilket vi har tillgång till via Åbo universitet.
Salmis grupp fick nyligen ett pris för en artikel de skrev tillsammans med en grupp vid universitetet i Neapel. Artikeln publicerades i tidskriften Chemical Engineering Science.
– Det var en matematisk modellering av mikroreaktorer. Man måste kunna beskriva komponenternas koncentration inne i mikroreaktorn – som är en funktion av både rymd och tidskoordinater.
Får man fram den matematiska beskrivningen utgående från färdiga värden och färdiga ekvationer, kan man alltså lösa ett sådant problem helt utan att behöva kolla saken empiriskt?
– I princip kan man göra det med en ekvation men jag måste ha numeriska värden på reaktionens hastighetskonstanter som man får fram med en matematisk metod, regressionsanalys, där man prövar olika värden tills man får en överensstämmelse med experimentella data.
– Modellen är alltid en modell av en rymd, med hundratals ekvationer som dagens datorer gör det möjligt att köra rätt snabbt.
Hur ser framtiden för mikroreaktorteknologin ut?
– Möjligheterna är i stort sett obegränsade. Men det förutsätter att kemister och kemiingenjörer kontinuerligt letar efter nya tillämpningar. Och nya framsteg i mikroreaktorteknologin förutsätter också ett gränsöverskridande samarbete mellan kemister, fysiker, materialforskare och kemiingenjörer.