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Microreactor
Ein Mikroreaktor und eine Münze zur Größenangabe.

Mikroreaktoren sind eine relativ neue Neuheit in der chemischen Reaktionstechnik. Von solchen Reaktoren sind nicht viel größer als eine Streichholzschachtel. Im Inneren eines solchen Reaktors sind mikroskopische Kanäle mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis einigen Hundert angeordnet Mikrometer, durch die die Reagenzien und Reaktionsprodukte fließen, sowie Kanäle zum Kühlen oder Heizen. Die Stoffe können in einem Mikroreaktor gemischt, umgesetzt und/oder getrennt werden[1].

Mikroreaktoren wurden zunächst in Laboraufbauten, aber auch für die kommerzielle Produktion von Feinchemikalien in kleinen Tonnagen geeignet. Sie können eine attraktive Alternative zur traditionellen kommerziellen Produktion sein, die laut a Batch-Prozess läuft ab. Der Schritt vom Labor zur Serienfertigung bedeutet eine Maßstabsvergrößerung (vergrößern), was potenzielle Probleme aufwirft: Die Reaktionsbedingungen in einem Batch-Reaktor sind anders als in einem kleinen Laboraufbau. Bei Mikroreaktoren ist dies nicht mehr der Fall: Um die Produktion zu steigern, stellt man einfach mehr Mikroreaktoren parallel (nummerieren). Da Mikroreaktoren kontinuierlich arbeiten, liefern sie auch eine gleichbleibende Produktqualität.

Mikroreaktoren eignen sich besonders für schnell ablaufende und schwer kontrollierbare Reaktionen:

  • sehr endothermisch oder exotherm Reaktionen
  • Reaktionen bei niedriger Temperatur
  • Reaktionen mit instabilen Zwischenstufen
  • Reaktionen mit gefährlichen Produkten, wie hochaggressiven oder explosiven Stoffen
  • Reaktionen mit niedrigem Selektivität oder geringer Ertrag.

Das Verweilzeit in einem Mikroreaktor ist sehr kurz und die Menge an Reagenzien in einem Mikroreaktor ist so gering, dass keine Explosionsgefahr besteht, und die Wärmeaustausch (Kühlen/Heizen) kann viel genauer gesteuert werden als in einem großen Reaktor. Die Kontaktzeit zwischen den Reagenzien ist kurz, so dass Nebenreaktionen vermieden werden und die Produktqualität höher ist als bei Batch-Produktion.

Nachteile von Mikroreaktoren sind:

  • hoher Stückpreis: Die Reaktoren sind Präzisionsinstrumente, die meist speziell für eine bestimmte Aufgabe konstruiert werden müssen. Diese Kosten werden jedoch durch die geringeren Betriebskosten (Prozessvereinfachung) und durch den Wegfall von Scale-up-Kosten beim Wechsel vom Labor- in den Produktionsmaßstab kompensiert. Auch die Standardisierung und der modulare Aufbau von Mikroreaktorsystemen werden angestrebt;
  • nicht geeignet für langsam ablaufende Reaktionen;
  • die Mikrokanäle können durch Ablagerungen von festen Nebenprodukten blockiert werden. Geschweißte oder geklebte Reaktoren sind schwer oder gar nicht zu reinigen;
  • die Nachbehandlung (Trennung) der Reaktionsprodukte muss noch nach traditionellen Methoden erfolgen. Aufgrund der höheren Qualität kann dies prinzipiell vereinfacht werden.

Der Durchsatz eines Mikroreaktors liegt zwischen 2 µl/min und einigen zehn Litern pro Stunde. Sie können für Produktionsmengen in der Größenordnung von einigen zehn Tonnen pro Jahr (Parallelschaltung) eingesetzt werden und werden zur Synthese von Spezialchemikalien, hauptsächlich in der Pharmaindustrie und Feinchemie, eingesetzt.

Es wird geschätzt, dass im Jahr 2006 weltweit 30 bis 40 Produktionsanlagen auf Basis von Mikroreaktoren in Betrieb waren[2].