Microrreator: diferenças entre revisões

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[[Image:LLNL-microreactor.jpg|right|frame|Microrreator desenvolvido no [[Laboratório Nacional de Lawrence Livermore|LLNL]] utiliza técnicas de micromaquinaria para miniaturizar o design do mesmo. Aplicações incluem processamento de combustíveis para geração de [[Hidrogênio molecular|hidrogênio]], [[Síntese química|síntese]] e estudos de biorreatores.]]
 
Um '''microrreator''' ou '''reator microestrutrurado''' ou '''reator microcanalizado''' é um dispositivo em que reações químicas ocorrem em um espaço de dimensões abaixo de 1 milímetro; a forma típica de tal confinamento são microcanais.<ref name=Watts>''Recent advances in synthetic micro reaction technology'' Paul Watts and Charlotte Wiles [[Chem. Commun.]], '''2007''', 443 - 467, {{DOI|10.1039/b609428g}}</ref> Microrreatores são estudados no campo da engenharia de microprocessos, juntamente com outros dispositivos — como micropermutadores de calor — em que processos físicos ocorrem. Um microrreator é, geralmente, um [[Reator químico|reator]] de fluxo contínuo (em contraste com um reator em batelada).<ref>{{citecitar web|lastúltimo =Bhangale|firstprimeiro =Atul|titletítulo=Enzyme-Catalyzed Polymerization of End-Functionalized Polymers in a Microreactor|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma301178k|publisherpublicado=Macromolecules}}</ref><ref>{{citecitar web|lastúltimo =Bhangale|firstprimeiro =Atul|titletítulo=Continuous Flow Enzyme-Catalyzed Polymerization in a Microreactor|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja111346c|workobra=JACS}}</ref> Microrreatores oferecem muitas vantagens sobre reatores de dimensão convencional, incluindo vastos avanços na eficiência energética, velocidade reacional e rendimento, segurança, confiabilidade, escalabilidade, atendimento de produção de demanda e um grau deverasmente superior de [[Teoria de controle|controle]].
 
==História==
Microrreatores de [[Gás|fase gasosa]] têm uma longa história de estudo contudo aqueles de [[Líquido|fase líquida]] começaram a surgir no final da década de 1990.<ref name=Watts/> Um dos primeiros microrreatores com [[Trocador de energia térmica|permutadores de calor]] de alta performance foi confeccionado no início da década de 1990 pelo Departamento Central de Experimentação — ''Hauptabteilung Versuchstechnik'', HVT — do [[Forschungszentrum Karlsruhe]],<ref name=schubi01>{{Citecitar journalperiódico
| last1último1 = Schubert
| first1primeiro1 = K.
| last2último2 = Brandner
| first2primeiro2 = J.
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| coauthors coautor=
| title título= Microstructure Devices for applications in thermal and chemical process engineering
| journal periódico= Microscale Thermophysical Engineering
| volume = 5
| issue número= 1
| pages páginas= 17&mdash;39
| publisher publicado= Taylor & Francis
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| date data=janeiro Januaryde 2001
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| accessdate acessodata= }}</ref>, na Alemanha, com técnicas de micromaquinaria mecânica que foram subdescobertas geradas da fabricação de [[Spray|vaporizadores]] de separação para o [[Urânio enriquecido|enriquecimento de urânio]].<ref name=schubi01/> Como a exploração em tecnologia nuclear tornou-se drasticamente reduzida na Alemanha, permutadores de calor microestruturados tornaram-se objetos de estudo devido a sua capacidade de lidar com reações químicas altamente exotérmicas e perigosas. Esse novo conceito, inicialmente conhecido por nomes como "tecnologia de microrreação" ou "engenharia de microprocessos", foi futuramente desenvolvido por diversas instituições de pesquisa. Como um exemplo de 1997 que envolveu um [[Acoplamento diazoico|azoacoplamento]] em um reator de [[pyrex]] com canais de dimensões de 90 [[Micrómetro (unidade de medida)|mícrons]] de profundidade por 190 [[Micrómetro (unidade de medida)|mícrons]] de comprimento.<ref name=Watts/>
 
==Benefícios==
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==Problemas==
* Although there have been reactors made for handling particles, microreactors generally do not tolerate particulates well, often clogging. Clogging has been identified by a number of researchers as the biggest hurdle for microreactors being widely accepted as a beneficial alternative to batch reactors. So far, the so-called microjetreactor<ref>{{citecitar journalperiódico|lastúltimo =Wille|firstprimeiro =Ch|author2autor2 =Gabski, H.-P |author3autor3 =Haller, Th |author4autor4 =Kim, H |author5autor5 =Unverdorben, L |author6autor6 = Winter, R |titletítulo=Synthesis of pigments in a three-stage microreactor pilot plant—an experimental technical report|journalperiódico=Chemical Engineering Journal|yearano=2003|volume=101|issuenúmero=1-3|pagespáginas=179–185|doi=10.1016/j.cej.2003.11.007}} and literature cited therein</ref> is free of clogging by precipitating products. Gas evolved may also shorten the residence time of reagents as volume is not constant during the reaction. This may be prevented by application of pressure.
* Mechanical pumping may generate a pulsating flow which can be disadvantageous. Much work has been devoted to development of pumps with low pulsation. A continuous flow solution is [[electroosmotic flow]] (EOF).
*Typically, reactions performing very well in a microreactor encounter many problems in vessels, especially when scaling up. Often, the high area to volume ratio and the uniform residence time cannot easily be scaled.
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In microreactor studies a [[Knoevenagel condensation]]<ref>''Knoevenagel condensation reaction in a membrane microreactor'' Sau Man Lai, Rosa Martin-Aranda and King Lun Yeung [[Chem. Commun.]], '''2003''', 218 - 219, {{DOI|10.1039/b209297b}}</ref> was performed with the channel coated with a [[zeolite]] catalyst layer which also serves to remove water generated in the reaction. The same reaction was performed in a microreactor covered by polymer brushes.<ref>F. Costantini, W. P. Bula, R. Salvio, J. Huskens, H. J. G. E. Gardeniers, D. N. Reinhoudt and W. Verboom [[J. Am. Chem. Soc.]], '''2009''',131, 1650, {{DOI|10.1021/Ja807616z}}</ref>
 
:[[ImageImagem:Knoevenagelmicroreactor.png|400px|Knoevenagel condensation application]]
A [[Suzuki reaction]] was examined in another study<ref>''Instantaneous Carbon-Carbon Bond Formation Using a Microchannel Reactor with a Catalytic Membrane'' Yasuhiro Uozumi, Yoichi M. A. Yamada, Tomohiko Beppu, Naoshi Fukuyama, Masaharu Ueno, and Takehiko Kitamori [[J. Am. Chem. Soc.]]; '''2006'''; 128(50) pp 15994 - 15995; (Communication) {{DOI|10.1021/ja066697r}}</ref> with a palladium catalyst confined in a [[polymer network]] of [[polyacrylamide]] and a [[triphenylphosphine|triarylphosphine]] formed by [[interfacial polymerization]]:
 
:[[ImageImagem:Suzukimicroreactorreaction.png|400px|Suzuki reaction application]]
 
The [[combustion]] of [[propane]] was demonstrated to occur at temperatures as low as 300&nbsp;°C in a microchannel setup filled up with an [[aluminum oxide]] lattice coated with a [[platinum]] / [[molybdenum]] catalyst:<ref>''Low temperature catalytic combustion of propane over Pt-based catalyst with inverse opal microstructure in a microchannel reactor'' Guoqing Guan, Ralf Zapf, Gunther Kolb, Yong Men, Volker Hessel, Holger Loewe, Jianhui Ye and Rudolf Zentel [[Chem. Commun.]], '''2007''', 260 - 262, {{DOI|10.1039/b609599b}}</ref>
 
:[[ImageImagem:PropaneCombustionInmicrochannelreactor.png|400px|Propane combustion application]]
 
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=== Enzyme catalyzed polymer synthesis ===
''''''
Enzymes immobilized on solid supports are increasingly used for greener, more sustainable chemical transformation processes. Microreactors are used to study enzyme-catalyzed ring-opening polymerization of ε-caprolactone to polycaprolactone. A novel microreactor design developed by Bhangale et al.<ref>{{citecitar web|lastúltimo =Atul|firstprimeiro =Bhangale|titletítulo=Enzyme-Catalyzed Polymerization of End-Functionalized Polymers in a Microreactor|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma301178k|workobra=Macromolecules}}</ref><ref>{{citecitar web|lastúltimo =Bhangale|firstprimeiro =Atul|titletítulo=Continuous Flow Enzyme-Catalyzed Polymerization in a Microreactor|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja111346c}}</ref> enabled to perform heterogeneous reactions in continuous mode, in organic media, and at elevated temperatures. Using microreactors, enabled faster polymerization and higher molecular mass compared to using batch reactors. It is evident that similar microreactor based platforms can readily be extended to other enzyme-based systems, for example, high-throughput screening of new enzymes and to precision measurements of new processes where continuous flow mode is preferred. This is the first reported demonstration of a solid supported enzyme-catalyzed polymerization reaction in continuous mode.
 
===Análise===
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====Infrared spectroscopy====
 
Mettler Toledo and [[Bruker Optics]] offer dedicated equipment for monitoring, with [[attenuated total reflectance]] spectrometry (ATR spectrometry) in microreaction setups. The former has been demonstrated for reaction monitoring.<ref>{{citecitar journalperiódico|lastúltimo =Carter|firstprimeiro =Catherine F.|author2autor2 =Lange, Heiko |author3autor3 =Ley, Steven V. |author4autor4 =Baxendale, Ian R. |author5autor5 =Wittkamp, Brian |author6autor6 =Goode, Jon G. |author7autor7 = Gaunt, Nigel L. |titletítulo=ReactIR Flow Cell: A New Analytical Tool for Continuous Flow Chemical Processing|journalperiódico=Organic Process Research & Development|datedata=19 Marchde março de 2010|volume=14|issuenúmero=2|pagespáginas=393–404|doi=10.1021/op900305v}}</ref> The latter has been successfully used for reaction monitoring<ref>{{citecitar journalperiódico|lastúltimo =Minnich|firstprimeiro =Clemens B.|author2autor2 =Küpper, Lukas |author3autor3 =Liauw, Marcel A. |author4autor4 = Greiner, Lasse |titletítulo=Combining reaction calorimetry and ATR-IR spectroscopy for the operando monitoring of ionic liquids synthesis|journalperiódico=Catalysis Today|yearano=2007|volume=126|issuenúmero=1-2|pagespáginas=191–195|doi=10.1016/j.cattod.2006.12.007}}</ref> and determining dispersion characteristics<ref>{{citecitar journalperiódico|lastúltimo =Minnich|firstprimeiro =Clemens B.|author2autor2 =Sipeer, Frank |author3autor3 =Greiner, Lasse |author4autor4 = Liauw, Marcel A. |titletítulo=Determination of the Dispersion Characteristics of Miniaturized Coiled Reactors with Fiber-Optic Fourier Transform Mid-infrared Spectroscopy|journalperiódico=Industrial & Engineering Chemistry Research|datedata=16 Junede junho de 2010|volume=49|issuenúmero=12|pagespáginas=5530–5535|doi=10.1021/ie901094q}}</ref> of a microreactor.
 
==Pesquisa acadêmica==
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<li>Dedicated developments. Manufacturer of microstructured components are mostly commercial development partners to scientists in search of novel synthesis technologies. Such development partners typically excel in the set-up of comprehensive investigation and supply schemes, to model a desired contacting pattern or spatial arrangement of matter. To do so they predominantly offer information from proprietary integrated modeling systems that combine computational fluid dynamics with thermokinetic modelling. Moreover, as a rule, such development partners establish the overall application analytics to the point where the critical initial hypothesis can be validated and further confined.</li></ol>
 
[[FileImagem:FlowStart CloseUp.jpg|thumb|Exemplo de um sistema reator de fluxo.]]
 
==Referências==