sistemi microchimici e microfisici -...
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Sistemi Microchimici e Microfisici
Prof. Attilio Citterio Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/
Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione Corso 096125 (095857)
Introduction to Green and Sustainable Chemistry
Attilio Citterio
Sistemi Microchimici: Opportunità e Limiti
resa
eff. energetica compattezza
Le reazioni ed altre operazioni unitarie miniaturizzate, hanno specifici vantaggi sui sistemi chimici convenzionali
Visione Semplificata!
Attilio Citterio
Tendenza Moderna in Chimica e Ingegneria Chimica che Superano i Confini delle Discipline
Micro fabbricazione
Microfluidica
Ingegneria dei micro processi
Catalisi e Scienza materiali
TECNOLOGIE ABILITANTI
SCIENZE FONDAMENTALI
Matematica Modellaz. e simulazione
Chimica e Ingegneria Chimica
Chimica verde / sostenibile
Processi su piccola scala conti-flusso
Intensificazione di processo
Nuovi mezzi di ingegneria chimica di processo
Attilio Citterio
Sistemi Microchimici – Scalabilità verso il Basso e verso l'Alto
MIT
~ 50 ml
~ 5 µ litro 25°C
~ flussi di 5 litri? temperatura?
Pilota
Produzione
~ 1 ml Non in scala
SCALA
DOWN
UP UP
OUT
Attilio Citterio
Impianto di Produzione a Microreattori per Chimica Fine
Micromesc. (1000 l/h)
Reattore a microtubi (100 l/h)
Micro scambiatore di calore (100 l/h)
Impianto di chimica fine con 10 apparecchiature di produzione microstrutturati: ACHEMA, May 15, 2006
IChemE Chemistry Innovation KTN/Impact Award Premio (Whitehall, London)
IMM Plant in NATURE Nature 442, 27 July 2006
Attilio Citterio
Miniaturizzazione di Processi Chimici
“Versione miniaturizzata degli oggetti normali.”
Stessa funzionalità per volume come i macro
La dimensione è il fattore distintivo
Portabilità spesso importante
Spesso altamente integrata
Piattaforme a scala micro per strutture/materiali a scala nano
Attilio Citterio
Cosa è la Microfluidica?
La Microfluidica consente il controllo preciso, la manipolazione e l’analisi di fluidi nell’intervallo da microlitro a picolitro. I dispositivi microfluidici sono fabbricati usando tecniche sviluppate nell’industria dei semiconduttori e sono spesso detti chips microfluidici. Oggi le aree di applicazione per la microfluidica includono:
Chimica – Ricerca e sviluppo Analisi del DNA e genomica Microreattori Sistemi a base di cellule
I benefici di uso dei dispositivi microfluidici per applicazioni di laboratorio sono: Riduzione del volume di campione e reagenti usati Miglioramento della risoluzione delle separazioni Abilità nel condurre reazioni ed analisi più velocemente Abilità nel condurre processi in parallelo Miglioramento del controllo del mescolamento e riscaldamento dei fluidi Rapido trasferimento di massa dovuto all’alto rapporto area superficiale/volume Migliorata integrazione delle fasi di processo, per es. reazioni e separazioni Sviluppo di nuovi e migliori metodi di rivelazione Dispositivi più semplici, più economici e smaltibili Accesso ad un ampio intervallo di geometrie fluidiche.
Microarrays Diagnostica clinica Cromatografia liquida Sensori per la Bio-difesa
Attilio Citterio
Letteratura di Microfluidica
Microchemical Journal
Nguyen, Wereley Microfluidics RC / 3.3 / 20 ~110€; 500 pages ISBN-1580533434. 2002
EH / 9.0 / 31
~80€; 260 pages ISBN-3527307338, 2004
Henrik Bruus: "Theoretical Microfluidics« (Oxford Master Series in Physics)
~40€; 346 pages; ISBN-10:0199235090. 2007
Attilio Citterio
Letteratura sui Microreattori
Attilio Citterio
Letteratura - Internet
Fluidi
Pressione
Energia cinetica
Energia potenziale
Equazione di Bernoulli
Diffusione Viscosità
Osmosi
Freni Idraulici
Esempi sangue
Altri Esempi
Press. idraulica
Pressione Fluido Statico
Principio di Pascal’
Galleggiab.
Principio di Archimede
Legge di Poiseuille
Effetti di Turbolenza
Fluidi non-Newtoniani
Trasporto membrana
Azione capillare
Tensione Superficiale
Legge di Laplace
Tensione di parete
Frizione nel Fluido
Energia Interna
sono caratterizzate da
e
as well as
riassunti in
porta a
e
e
e
hanno hanno In movim.
a riposo sono soggetti a
porta a porta
a
Attilio Citterio
A proposito di Microfluidica
• „Micro“ significa almeno una delle seguenti caratteristiche:
piccoli volumi (μl; nl; pl; fl) Piccola dimensione Basso consumo energetico effetti del micro-intorno
• Flusso laminare ...
• 1 fl – 1 μl: 10 ordini di grandezza • ma ancora lontano dal livello molecolare
1 mm
1 μl
1 nl
1 nl 1 fl
Science Magazine 2 July 1999
Attilio Citterio
Scale dei Reattori Chimici
Industria Laboratorio Microsistema
Volume 30 m3 10-3 m3 3 10-11 m3
Scale-down 1 1:3 10-5 1 10-12
Diametro 2 m 2 cm 20 µm
Superficie Volume
2
32 mm
2
3200 mm
2
3200 000 mm
Attilio Citterio
Vantaggi Chiave: Superficie anziché Volume
Volume costante
Raggio (µm) Are
a su
perfi
cial
e/Vo
lum
e (µ
m-1
)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
10 20 30 40 50 60 70 80 90
100
0
A B C
V constante
SA crescente
Rapporto superficie/volume
• Gestione del Calore • Mescolamento efficiente • Reazioni su Superfici • Esplosione-Sicurezza • Minori dimensioni
Attilio Citterio
Scala Lunghezze e Tempi di Processi Chimici e Fisici
10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102
105
104
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
Sca
la te
mpo
rale
[s]
Micro strutturati
fluido dinamica e trasporto
catalizzatori / reazione chimica
Scala spaziale [m]
Attilio Citterio
Tipiche Scale Temporali e Lunghezze di Reattori Chimici
10 m 1 m 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm
10-2
10-1
100
101
102
103
104
lunghezza
Tem
po m
edio
di r
esid
enza
[s]
apparato micro-strutturato
apparato milli-strutturato
reattore multi-tubolare
reattore tubolare
reattore ad agitazione
Attilio Citterio
Sono Disponibili Componenti Micro-strutturati
Micro reattori Combinazione di µHE e
µmescolatori
Micro mescolatori Mescolano da
pochi ml/h a 30 l/h
Micro scambiatori di calore Massimo valore 700 W/m2K
A un flusso d'aria di 75 l/min.
IMM: Micro-mescolatore
interdigitale
Microvetreria Microreattore
Heatric: Scambiatore di Calore a flusso
incrociato
Attilio Citterio
• Strutture ingegnerizzate con migliorato trasferimento di calore e massa
• Superfici auto-assemblanti • Strutture nano-fabbricate • Enzimi biologici come catalizzatori
altamente funzionali
SISTEMI MICRO CHIMICI E TERMICI CONSIDERATI COME “PIATTAFORME” PER LE NANOTECNOLOGIE
Attilio Citterio
Reattori Multicanale Micro-strutturati (2)
Condizioni di flusso per fluidi tipici, Volume: VR = 5 cm3; L = 5 cm
diametro canale, d [m]
Caduta di pressione, ∆p=1 bar num
ero
di R
eyno
lds,
Re
[-]
gas (aria)
liquido (acqua)
diametro canale, d [m]
Caduta di pressione, ∆p=1 bar te
mpo
di c
onta
tto, τ
[s]
gas (aria)
liquido (acqua)
Attilio Citterio
Superficie/Volume: Trasferimento Efficace
Esempio: Coefficiente complessivo di trasferimento di calore
Tipo Hx U (W·m-2·K-1) Tubolare 150-1200 Spirale 700-2500 Laminare 1000-4000
Micro-canale: 3800-6800 W ·m-2·K-1)
(Canali da 500×500 µm2×1.5 cm)
Attilio Citterio
Proprietà di Micro-dispositivi
• Comportamento dei fluidi a questa scala Dominano gli effetti parete
• Superfici e interfasi Sporcamenti Flusso multi-fase Energia superficiale, tensione, bagnabilità Dinamiche -- avvio
• Strumentazione Misure di proprietà di stato - P, T, fase, qualità, composizione Densità, conducibilità termica, conducibilità elettrica Controlli – richiedono di essere integrati Flusso e distribuzione del fluido Omogeneità del sistema
Attilio Citterio
A proposito di Microfluidica - peculiarità
• „Micro“ significa almeno una delle seguenti caratteristiche:
piccoli volumi (μL; nL; pL; fL) Piccola dimensione Basso consumo energetico effetti del micro-intorno
• Flusso laminare • Tensione superficiale
Attilio Citterio
Flusso Elettrosmotico
• „Micro“ significa almeno una delle seguenti caratteristiche:
piccoli volumi (μl; nl; pl; fl) Piccola dimensione Basso consumo energetico effetti del micro-intorno
• Flusso laminare • Tensione superficiale • Cariche elettriche superf. • diffusione
Flusso Elettrosmotico
EOF Flusso Laminare
P
Flusso mosso dalla pressione
u LRe ρη
=
Numero di Reynolds < 2300
velocità u, densità ρ, lunghezza percorsa L, e viscosità η del fluido.
Attilio Citterio
Mercato per la Microfluidica
Stampa Automazione Industriale
Sensori di flusso per condizionamento (HSG-IMIT) 50.000 unità nel 2005
Erogatori Industriali Ingegneria Processi Chimici / Alimentatori
Attilio Citterio
Mercato per la Microfluidica (2)
Scienze della vita!!!! • Elettroforesi Capillare
• Lab on chip
• Erogazione farmaci
• Analisi cliniche
DNA
sezione di reazione
riserva ingresso campione di sangue zona di trasporto
finestra di lettura contenitore in plastica
sezione di separazione zona di rivelazione per i marker A, B & C Sezione di comando
Attilio Citterio
Sensori di Flusso
Principio di Funzionamento Principi termici Riscaldanti & sensori di temperatura
• Anemometri • Calorimetri • Tempo di volo
Specifiche Intervallo: 15 μm/s – 1500 μm/s Potenza: < 15 mW Tempo di risposta: < 1 ms Applicazioni specifiche a canali a
flusso possibile
Attilio Citterio
Lab-on-a-Chip: Disco a Emulsione
• Generazione controllata di gocce su disco rotante
• Il flusso d’acqua è focalizzato da due flussi d’olio √0
• Produzione di gocce d’acqua in olio (emulsione W/O) Volumi: 5…22 nL Velocità: 0…300 gocce / s
• Alta Riproducibilità Diametro gocce: CV < 2%
Attilio Citterio
Stampa di Microarray per Analisi del DNA
Microarray
Macchie, allineate in un matrice Segnale fluorescente di una macchia
Attilio Citterio
Principio del Getto d’Inchiostro
• Erogazione per deflessione diretta del volume Tube di polimero Pistone piezo-attuato Spostamento rapido per
l’espulsione del getto Breve plateau Lento rilascio per richiamo
capillare
• Aspetto peculiare del principio Erogazione fluido senza contatti La più semplice possibile
geometria fluidica Facile confezionamento
(bloccaggio meccanico)
Attilio Citterio
Dosaggi nL e pL : NanoJet
• Volume di dosaggio: 5 nL - 1.000 nL • Velocità dosaggio: 1.000 nL/s • Intervallo viscosità: 1 – 100 mPas • Precisione: > 5 %
Attilio Citterio
Nuova Classe di Tecnologia di Processo
1 Å 1 nm 1 µm 1 mm 1 m 1 km
Smog
Molecole Gas
Virus
Batteri
Capello Umano Raggio di Molte Cellule
Polvere Atmosferica
Fumi di Tabacco Sabbia
Uomo
Singolo Transistor su IC IC Chip Personal Computer
Pompe e Valvole Convenzionali Reattori e scambiatori di
Calore Convenzionali
Impianti Termici e Chimici Convenzionali
Rotori per Micromotori
Tipica Ampiezza dei Microcanali Micro Pompe e Valvole
Reattori Microcanali e Scambiatori di calore
Sistemi MicroTermici e Chimici
Attilio Citterio
Caratteristiche di un Sistema Continuo a Microreattori
1. Preciso controllo della temperatura – facilmente impostata e variata - nessun gradiente di temperatura
2. Preciso controllo del tempo - facilmente impostato e variato – veloci reazioni esotermiche con consistenti dimensioni di particelle
3. Preciso controllo dell’alimentazione/stechiometria – indagini rapide di stechiometria variando le velocità di alimentazione
4. Mescola consistente e rapida – assicura nucleazione non precipitazione
Tice, J.D. et al. Langmuir 2003 19, 9127-8133
5. Nessuna limitazione di scala – piccola scala per l’ottimizzazione; o “continuo” per fare kilogrammi al giorno (100 g/h raggiungibile facil.)
6. Riproducibile – stessa temperatura, stesso mescolamento, stesso tempo di reazione, ogni volta
7. Immediata lavorazione con acqua – semplice dispositivi di trattamento
Attilio Citterio
Sistemi Micro Chimici e Termici
Scambiatori di Calore a Microcanali, Reattori e Unità di Separazione
Miniaturizzazione: Alte capacità Sistemi Leggeri Produzione di Massa Costosi ma versatili
MEMS, Macchine Mesoscopiche Sistemi Micro/Nano Microcats
Attilio Citterio
Micro-Reattori
• Nuovi formati di reattori che offrono alta capacità ed alta produttività
• I micro reattori sono più versatili e meno dipendenti dagli operatori chimici-ingegneristici Forniscono quantità
usabili di prodotti Sono di uso facile
Attilio Citterio
Reattori Multicanale Micro-strutturati
Volume: VR = 5 cm3
Caduta di pressione: Δp = 1 bar
Lunghezza: L= 5. cm Diametro: d= 100. μm Numero di canali: N= 12,740. Superficie specifica: a= 40,000. m2/m3
Velocità di flusso : u= 0.63 m/s (acqua) 35. m/s (aria) Flusso massivo: Qm= 225. kg/h (acqua) 15. kg/h (aria)
Attilio Citterio
Micromiscelatori
Schema di un micromescolatore con iniezione di microgetti multipli in una camera di miscelazione
1. L'elemento centrale del miscelatore è una struttura a rete con un gran numero di buchi regolari.
2. Nel corso delle operazioni, il miscelatore è riempito con un liquido, e l'altro liquido è iniettato nel volume di miscelazione tramite molti microbuchi.
3. Si generano numerosi microgetti e aumenta la superficie di contatto tra i due liquidi.
4. I buchi sono posizionati in file distanti 10-100 μm, che provoca una limitata diffusione tra i getti.
5. Le velocità di flusso tipiche sono dell'ordine del μL/s, i diametri dei buchi sono di 10 μm, e l'altezza della camera di miscelazione è di circa 100 μm.
Source: Quak Foo Lee
Iniezione di Microgetti Multipli
Fluido 1
Fluido 1
Fluido 2
Miscela
Microgetto
Attilio Citterio
Micromiscelatori
1. Applicazione: sensore chimico industriale
2. Flusso: 0.01 – 0.1 μL/s 3. Flusso molto viscoso con un Re < 1 4. Il sistema è composto due sezioni
silicio/vetro accoppiati a sandwich connessi per incollaggio anodico.
5. Si ricava una struttura a canale nel vetro e l'altra nel silicio.
6. Nella regione dove i canali si sovrappongono, essi sono separati da un piatto strutturato definito da uno strato.
7. Ampiezza max. = 300 μm profondità max. = 30 μm
8. Lo spessore del piatto strutturato per separare i canali nel vetro e nel wafer di silicio è di 5 μm e l'ampiezza delle fessure sono di 15 μm.
Separatori di flusso multipli e Ricombinazione
Unità di mescolamento di un micromiscelatore statico con iniezioni multiple a forma di fessura
Source: Quak Foo Lee
Miscela
Miscela
Fluido 1
Fluido 2
Attilio Citterio
Micromescolatori
1. I fluidi da mescolare sono introdotti negli elementi di miscelazione in contro-flusso in canali interdigitati con pareti corrugate.
2. Ampiezza tipica dei canali = 25 o 40 μm 3. La configurazione dei canali porta ad
una disposizione periodica di flusso lamellare dei due fluidi.
4. Il flusso lamellare lascia il dispositivo perpendicolarmente alla direzione dei flussi alimentati e, a seguito dello spessore della lamelle, si realizza una veloce miscelazione per diffusione.
5. Le pareti dei canali corrugati aumentano la superficie di contatto delle correnti lamellari e migliorano la stabilità meccanica o delle pareti separanti.
Multilaminazione di strati di Fluidi
Multilaminazione di correnti nei canali con pareti corrugate, portano a miscelazione veloce per diffusione
Micrografia SEM di un elemento di miscelazione basata sulla multilaminazione di strati sottili di fluidi. Il dispositivo consiste di 2 × 15 microcanali interdigitati con pareti corrugate.
Source: Quak Foo Lee
Miscela
Fluido 1 Fluido 2
Fessura
Microcanali
Ampiezza dei microcanali: 40 µm
Elementi di mescolamento con 2 x 15 microcanali
Attilio Citterio
Vaporizzatore di Benzina
• Capacità 50 kWe: 4 celle ciascuna di reattori a microcanali e scambiatori di calore
• Volume: 0.3 L • Processi/combust. 1400
SLPM
1999 - Premio R&D
Attilio Citterio
Micro Scambiatori di Calore
Diametro canale : ~50 – 500 μm Lunghezza canale : 20 – 100 mm N° di canali : 200 – 1000 Superficie specifica: 104–105 m2/m3
Micro scambiatore di calore con connessioni per fluido (fonte: Forschungszentrum Karlsruhe)
Uscita fluido 1
Ingresso fluido 2
Strato 1
Strato 2
Uscita fluido 2
Ingresso fluido 1
Apertura per perno di fissaggio
Scambiatore di Calore a Controflusso in Dispositivo a Piatti Sovrapposti
Scambiatore di Calore a Flusso Incrociato in Dispositivo a Piatti Sovrapposti
Attilio Citterio
• Flussi di calore: 100 µwatt·cm-2 • Basse cadute di pressione: 1-2 psi • Alti coefficienti di trasferimento di
calore convettivo Fase liquida: 10,000 - 15,000
W·m-2·K-1 Fase evaporante: 30,000 - 35,000
W·m-2·K-1
Vantaggi: Veloce Trasporto di Calore e Massa
Attilio Citterio
Microseparatori
Schema di scambio di soluto tra fluidi immiscibili in microcanali parzialmente sovrapposti (a sinistra) e micrografia SEM della sezione dei microcanali (a destra).
Scambi tra Fluidi Immiscibili
Scambi tra Fluidi Miscibili
Micrografia SEM (a sinistra) e schema (a destra) di una unità di estrazione a canali adiacenti per due fluidi con fessure, oblique alla direzione del flusso, per lo scambio tra le due fasi.
Acquoso
Acquoso
Organico
Organico
Area interfacciale tra due liquidi immiscibili
Attilio Citterio
Microseparatori
Filtrazione, Diffusione e Separazione Aerodinamica
Micrografia SEM di una sezione di filtro composta da lamelle disposte a un angolo di attacco alla direzione del flusso.
• In ambito macroscopico, la filtrazione e le strutture setaccianti sono spesso attentamente progettate in merito a forma e posizione delle aperture.
• In ambito microscopio normalmente si usano materiali porosi a disposizione irregolare. • I metodi di microfabbricazione consentono la produzione di microfiltri completamente
isoporosi (dimensioni pori dell'ordine di micrometri) da un'ampia varietà di materiali, e nel contempo si possono progettare dimensione, forma e posizioni di ogni poro.
• Configurazioni speciali per filtri a flusso incrociato per concentrare particelle sospese. • Nel caso di unità a membrana, i dispositivi microfabbricati sono utili come strutture di
trasporto con ingressi e uscite integrate per fluidi.
Attilio Citterio
Sistema Tradizionale Sistema NeSSI
UOP LLC
Miniaturizzazione di Sistemi Analitici
Attilio Citterio
Supporti al Meccanismo
LAMIMS MRX Atm. TSR TEOM
TAP MRX Pulsata
Test di Reattività
ZLC
Calorimetria Marcatura Isotopica
SSITKA
Modello di Processo
Meccanismo di Rxn
Calore Ads. Calore Spec.
Numero di Intermedi Emivita Diffusione
Caratterizzazione UOP LLC
Attilio Citterio
CPM – Produzione H2
150 µm
Sensore di Temperatura
ingresso uscita
flusso collettore uscita schiuma
ingressi uscita
Miscelatore Zona catalitica
Attilio Citterio
Sintesi di Paal Knorr via Microreattori
FutureChemistry’s FlowSyn su Microreattori Micronit Microfluidics
Dichetone
Ammina
Agente di Quenching
Microreattore
Prodotto Controllo di temperature
Raccolta e analisi off-line
P2
P3
P1
M
M
RI
Attilio Citterio
Miniaturizzazione di Reazioni Chimiche: Sintesi di Carbammati
Hemantkumar R. Sahoo, Jason G. Kralj, and Klavs F. Jensen, Angew. Chem., 2007, 46, 5704-5708.
microreattore
monofase µR3
µS2 µR2
µS1
microsepaatore
Reflui aq.
Alcol
Carbammato
N2
isocianato
Sodio azide (aq)
gas-liquido-solido
Separazione gas-liquido
Separazione liquido-liquido
Acil cloruro
Configurazione sperimentale per la sintesi di carbammati,
mR1, micro-reattore per conversione dell'acil cloruro ad azide organica;
mS1, separazione quantitativa delle correnti organiche e acquose;
mR2, microreattore caricato con catalizzatore acido solido per la conversione di azidi organiche ad isocianato;
mS2, separazione quantitativa di N2 gassoso dal liquido;
mR3, microreattore per la reazione dell'isocianato con l'alcol a carbammato.
Sintesi di carbammati via azidi organiche
+CCl
R
ONaN3
Acyl chloride
Sodiumazide
CN
R
O
N+N-
Heat
- N2
NC
R
O
Organicazide
Acyl isocyanate
R'OHN
CR
O
H
OR'
Carbamate
Attilio Citterio
Microreattori in Vetro della Corning
Calo di pressione 1 millimetro
Mescolamento300 micron
Strato scambio calore
Strato scambio calore Reagenti
Fluido per scambio termico
Reagenti
Attilio Citterio
Moduli Fluidici: Concetto e Libreria
Microstrutture tipo SJ
Microstrutture tipo DT
Microstrutture tipo MF
Microstrutture tipo MJ
Ingresso - Processo
Uscita - Processo
Ingresso e Uscita – Scambiatore calore
Attilio Citterio
Componenti del Reattore Ingegnerizzato
Tenute O-ring
Connettori
Interfacce
Intelaiatura
Moduli Fluidici
Connettori Standard
Tubi
Sensori
Strumentazione (valvola riduz. pressione …) Aggiungibile
Marcatura (isolamento…)
Attilio Citterio
Sintesi Kolbe-Schmitt del Fluoroglucinolo in Microreattori
0
10
20
30
40
50
60
0 50 100 150 200 250 300
Res
a (%
)
Temperatura (°C)
OH
OHOH
OH
OHOH
COOH
OH
OHOHKHCO3 (aq) ∆, t
Attilio Citterio
Sintesi Kolbe-Schmitt : Lavorazione ad Alte p,T
V. Hessel, C. Hofmann, P. Löb, J. Löhndorf, H. Löwe, A. Ziogas Org. Proc. Res. Dev. 9, 4(2005) 479-489
• Pressione: 40-70 bar • Temperatura: 100-220°C • Tempo Reazione : 4 –390 s Riduzione del tempo di
reazione di ~2000 Aumento nella resa
spazio-temporale di un fattore 440
Aumento in produttività di un fattore 4
Alte p,T
Velocità di flusso totale [ml/h]
Res
a [%
]
OH
OH
OH
OH
COOH
KHCO3 (aq)
Attilio Citterio
Studio di Modellizzazione della Polimerizzazione in Soluzione dello Stirene
V. Hessel, C. Serra, H. Löwe, G.Hadziioannou, Chem. Ing. Techn.77, 11 (2005) 39-59,
Constanti cinetiche Dipendenti dalla temperatura
Convezione
Micro mescolatore
tubolare Reattore
Fenomeno Termico convezione/conduzione
Idrodinamica equazioni di Navier-Stokes
Reazione, convezione e diffusione dei composti chimici
Calore rilasciato dalla polimerizzazione
Viscosità influenzata Dalla resa di reazione
Convezione Viscosità influenzata dalla temperatura di reazione
(Velocità di Polimerizzazione)
Attilio Citterio
Reattore Microstrutturato per Epossidazione
Reazione (microstrutturato)
Mescolamento (microstrutturato)
evaporazione H2O2 (microstrutturato)
Sintesi Modello :
Caratteristiche:
• Modulare (operazioni unitarie, capacità)
• Multi-uso (catalizzatore e reazione)
• Reazioni sotto pressione • Reazioni in regime
esplosivo Degussa
CH CH2
O
CH3
CH CH2CH3
+H2O2( vap) / -H2O
TS-1
Attilio Citterio
Polimerizzazione Radicalica
Impianto operante nel sito industriale di Idemitsu Kosan
Attilio Citterio
Dove Applicare la Tecnologia Microchimica?
Approcci diretti da sistemi pericolosi Processi con concentrazioni elevate o anche senza solvente Processi a temperature e/o pressioni elevate Processi che implica il mescolamento dei reagenti ‘tutti in un colpo’ Processi che coinvolgono intermedi instabili Processi in regime esplosivo o di reazioni fuggitive Processi che implicano l'assenza di catalizzatori e agenti ausiliari
SVILUPPO DI REATTORI PER PERMETTERE LA CHIMICA PIUTTOSTO CHE SOTTOMETTERE LA CHIMICA ALLE ESIGENZE DEL REATTORE
V. Hessel, P. Löb, H. Löwe, Curr. Org. Chem. 9, 8 (2005) 765-787 Jähnisch, K.; Hessel, V. et al.; Angew. Chem. Intern. Ed. 43, 4 (2004) 406-446
Attilio Citterio
Guide Scientifiche e Tecnologiche alle Applicazioni di Nano–Superfici
DISCIPLINE SCIENTIFICHE
PROMOTORI TECNOLOGICI com
ples
sità
tempo fisica
chimica
Scienza dei materiali
Fisica applicata
Ingegnera meccanica
Ingegneria chimica
Ingegneria elettrica
Scienze ambientali
biochimica
biologia
medicina
informatica
superfici
interfacce
clusters
film sottili
rivestimenti
super-reticoli
nano-strutture
bio-nano
transistor/elettronica aerospaziale
catalisi interconnessioni
magnetismo elettrochimica/corrosione
tribologia (frizione/adesione) tensioattivi
optoelettronica fotochimica
ambiente polimeri
infragilimento sensori/attuatori
elettronica molecolare spintronica
biocompatibilità membrane
quantum dots/nanotubi Nano-meccanica
biosensori/bioelettronica/…
Dalla SUPERFICE al NANO
Attilio Citterio
Fenomeni e Tecniche nelle Applicazioni di Nano-Superfici
TECNICHE
FENOMENI
Dalla SUPERFICE al NANO co
mpl
essi
tà
tempo Vuoto ultra-alto
strumentazione
caratterizzazione
Teoria predittiva
Teoria analitica
sintesi: MBE, …
Radiazione sincrotrone
Imaging: STM, HREM, …
Manipolazione atomica
non-UHV
tomografia
superfici
interfacce
clusters
Film sottili
rivestimenti
Super-reticoli
Nano-strutture
Bio-nano
termodinamica Struttura geometrica
Struttura elettronica Struttura magnetica
adsorbimento Reazioni chimiche
meccanismi
Proprietà ottiche
vibrazioni dinamica
crescita
optomagnetismo soft matter
auto-organizzazione multifunzionalità
Attilio Citterio
Letteratura sui Microreattori e Sistemi Microchimici
1. S. Born, E. O'Neal, K.F. Jensen "Organic Synthesis in Small Scale Continuous Flow: Flow Chemistry" Organic Synthesis in Small Scale Continuous Flow: Flow Chemistry, In Comprehensive Organic Synthesis II (Second Edition), edited by Paul Knochel, Elsevier, Amsterdam, 2014, Pages 54-93,
2. Patrick L. Mills, David J. Quiram, James F. Ryley, Microreactor technology and process miniaturization for catalytic reactions—A perspective on recent developments and emerging technologies, Chemical Engineering Science, 2007, 62, 24, 6992
3. Paul Watts, Charlotte Wiles, Recent advances in synthetic micro reaction technology, Chem. Commun., 2007, 5, 443 4. Nam-Trung Nguyen, Micromixers, 2008, 293 5. D. Ghislieri, K. Gilmore, P. H. Seeberger Control for divergent, continuous, multistep syntheses of active
pharmaceutical ingredients” Angew. Chem., I.E. 2015, 54, 678–682 6. C. Y. Park, Y. J. Kim, H. J. Lim, J. H. Park, M. J. Kim, S. W. Seo, C. P. Park “Continuous flow photooxygenation of
monoterpenes” RSC Advances 2015, 5, 4233–4237 7. Christoph Tonhauser, Adrian Natalello, Holger Löwe, Holger Frey, Microflow Technology in Polymer Synthesis,
Macromolecules, 2012, 45, 24, 9551. 8. P. Wiktor, A. Brunner, P. Kahn, J. Qiu, M. Magee, X. F. Bian, K. Karthikeyan, J. LaBaer “Microreactor array device”
Scientific Reports 2015, 5, Article number: 8736, doi: 10.1038/srep08736 9. Jun-ichi Yoshida, Heejin Kim, Aiichiro Nagaki, Green and Sustainable Chemical Synthesis Using Flow Microreactors,
ChemSusChem, 2011, 4, 3, 331 10. Florence Bally, Christophe A. Serra, Volker Hessel, Georges Hadziioannou, Homogeneous Polymerization: Benefits
Brought by Microprocess Technologies to the Synthesis and Production of Polymers, Macromolecular Reaction Engineering, 2010, 4, 9-10, 543
11. Jun Yue, Jaap C. Schouten, T. Alexander Nijhuis, Integration of Microreactors with Spectroscopic Detection for Online Reaction Monitoring and Catalyst Characterization, Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51, 45, 14583
12. Li-Hua Du, Xi-Ping Luo, Lipase-catalyzed regioselective acylation of sugar in microreactors, RSC Advances, 2012, 2, 7, 2663