Microsoft Word - zavrsni-printanje_BZ.doc

Транскрипт

1 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE SVEUČILIŠNI PREDDIPLOMSKI STUDIJ Studij: Kemijsko inženjerstvo Martina Warde Mikroreaktori ZAVRŠNI RAD Zagreb, srpanj 2010.

2 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE SVEUČILIŠNI PREDDIPLOMSKI STUDIJ Studij: Kemijsko inženjerstvo Martina Warde Mikroreaktori ZAVRŠNI RAD Voditelj rada: dr. sc. Bruno Zelić, izv. prof. Članovi stručnog povjerenstva: dr. sc. Bruno Zelić, izv. prof. dr. sc. Irena Škorić, docent dr. sc. Nenad Bolf, docent Zagreb, srpanj 2010.

3 Sažetak Mikroreaktori su mili-, mikro- ili nanometarski sustavi proizvedeni korištenjem suvremene mikrotehnologije i preciznog inženjerstva. Osnovu građevnu jedinicu mikroreaktorskih sustava čini mreža mikrokanala urezanih u čvrstu pločicu načinjenu od različitih materijala, Vrsta materijala koja se primjenjuje za izradu mikroreaktora ovisno je o specifičnostima reakcije koje se provode u mikroreaktoru. Kao posljedica malog promjera mikrokanala strujanje kapljevine u sustavu je većinom laminarno, što znatno olakšava postavljanje modela procesa i njegovu kontrolu, odnosno predviđanje vrijednosti lokalnih karakterističnih veličina procesa u bilo kojem dijelu sustava. Jedna od najvećih prednosti mikroreaktora je vrlo veliki omjer međufazne površine prema volumenu reaktora, zbog čega je prijenos tvari i topline učinkovitiji, a broj otpadnih procesnih struja sveden na minimum ili su, u nekim slučajevima, one posve izbjegnute. Za provedbu reakcija u mikroreaktorima potrebne su male količine reaktanata i katalizatora, a pogodni su i za obavljanje reakcija koje su izrazito egzotermne/endotermne ili eksplozivne i zahtijevaju upotrebu otrovnih tvari. Po potrebi je mikroreaktore moguće i uvećavati, a da se pritom zadrže sve njihove prednosti u odnosu na konvencionalne reaktore, što se provodi povezivanjem procesnih jedinica (ćelija) u serijski ili paralelan spoj, a broj povezanih jedinica može doseći nekoliko tisuća. Mikroreaktori su izrazito praktični zbog mogućnosti provođenja nekoliko istovremenih reakcija, separacija i analiza cjelokupnog procesa u jednom reakcijskom kanalu ili nekoliko njih, a u slučaju prestanka rada pojedine jedinice, neće doći do zastoja u provedbi preostalih procesnih stupnjeva. Ključne riječi: mikroreaktori, mikrokanali, višefazni sustavi, kemijske reakcije i

4 Summary Microreactors are mili-, micro- or nanometer sized systems produced using modern technology and precise engineering. Base of microreactor system structure is a net of microchannels engraved into a hard disc made of different materials, depending on the application for different types of reactions. As a consequence of small diameter of microchannels, flow of liquid in the system is mostly laminar, which greatly facilitates the setup process model, its control and prediction of local parameters in any part of the system. One of the greatest qualities of microreactors is very large proportion of intermediate surface to the volume of the reactor, which is why mass and heat transfer are more efficient and the number of waste process streams has been reduced to minimum or in some cases completely avoided. To complete reaction successfully, microreactors need small amounts of reactants and catalysts and are suitable for carrying out reactions that are highly exothermic/endothermic or require the use of explosive and toxic substances. It is possible to enlarge the miniature system maintaining all of its advantages over conventional reactors, which is implemented by connecting processing units (elementary cells) in a serial or parallel connection, and a number of related units can reach several thousand. Microreactors are very practical because of the possibility of conducting several simultaneous reactions, separation and analysis of the entire process in one reaction channel or several of them, and in case of termination of each unit cell, it will not cause a halt in the implementation of other process tasks in the system. Key words: microreactors, microchanells, multiphase systems, chemical reactions ii

5 SADRŽAJ 1. Uvod Mikroreaktori Definicija, struktura i podjela mikroreaktora Izrada mikroreaktora Prednosti mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore Nedostaci mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore Uvećanje procesa Strujanje u mikrokanalima Matematički opis strujanja u mikrokanalu Režimi strujanja u mikrokanalu Mikromiješalice i miješanje fluida u mikrokanalu Prijenos tvari i topline Primjena mikroreaktora Dvofazni sustavi plin kapljevina Dvofazni sustavi kapljevina kapljevina Dvofazni sustavi kapljevina krutina Trofazni sustavi plin kapljevina krutina Zaključak Literatura Popis simbola Grčki simboli Indeksi...27 iii

6 1. Uvod 1. Uvod U posljednjih nekoliko godina, istraživanja vezana uz razvoj minijaturnih kemijskih sustava naglo su porasla što je prije svega rezultiralo realizacijom brojnih mikroanalitičkih procesa. Ovo je imalo za posljedicu uklanjanje mnogih problema koji se javljaju pri provođenju različitih reakcija i separacije produkata u industrijskom i laboratorijskom mjerilu. Međutim, naizgled jednostavno smanjivanje dimenzija kemijskog reaktora, omogućeno različitim dostupnim mikrotehnologijama, zapravo predstavlja puno dublju i složeniju zadaću. Potrebno je postići prostornu i vremensku kontrolu procesa u umanjenom mjerilu, te prenijeti sve parametre u mikrometarsko mjerilo, uz zadržavanje postojećih kvaliteta, ali i uklanjanje problema koji se javljaju pri upotrebi konvencionalnih reaktora. Područja koja su do sada privlačila najviše istraživanja u mikroreaktorima su reakcije u plinskoj i kapljevitoj fazi koje obuhvaćaju homogenu i heterogenu katalizu, katalitičku oksidaciju, heterocikličku sintezu i fotokemijske reakcije. Ti su procesi naglasili vrijednost korištenja mikrotehnologije u kemijskom inženjerstvu, osobito u radu s agresivnim i štetnim kemikalijama, organskim otapalima, biotehnologiji te u razvoju i analizi širokog spektra kemijskih reakcija. Osim toga, ne treba podcijeniti važnost koju će mikroreakori imati i koju već imaju samo kao sredstvo istraživanja i učenja u širokom spektru znanstvenih disciplina, kao što su medicina, farmacija i prehrambena industrija. Mikroreaktori pokazuju brojne praktične prednosti u usporedbi s tradicionalnim makroreaktorima pri provedbi različitih kemijskih reakcija, koje je dosad bilo moguće izvesti samo u većem mjerilu. U današnje vrijeme nužno je zadovoljiti visoke standarde u pogledu sigurnosti procesa, osobito prilikom prijenosa, rukovanja i skladištenje otrovnih, štetnih i eksplozivnih tvari. U ovim slučajevima, mikroreaktori zbog svojih malih dimenzija, mogu biti izabrano procesno rješenje jer se vrlo jednostavno mogu prenijeti direktno u točku potražnje. Upotrebom mikroreaktora smanjuje se mogućnost havarija izazvanih izrazito egzotermnim ili eksplozivnim reakcijama zbog učinkovitog prijenosa topline i kontrole procesnih uvjeta koje je moguće provesti u mikrokanalu. Primjenom mikroreaktorske tehnologije u toplanama ili u različitim tipovima generatora topline može se očekivati znatno povećanje učinkovitosti procesa zbog malih otpora prijenosu topline ovakvih uređaja i sa ovim povezanih toplinskih gubitaka. Uz jednostavniju kontrole procesnih uvjeta u mikroreaktorima i minimalnog rasipanja topline primjena mikroreaktorske tehnike u energetskim postrojenjima osigurava i minimalnu razinu havarija i različitih nesreća uzrokovanih neučinkovitom kontrolom 1

7 1. Uvod procesnih uvjeta kada se ovakvi procesi provode u makroskopskom mjerilu. Osim klasične provedbe reakcije u jednom procesnom stupnju, mikroreaktore je moguće dizajnirati tako da se u jednom mikrokanalu odvija nekoliko reakcija ili jediničnih operacija. Tako je primjerice moguće u jednom mikrokanalu integrirati kemijsku reakciju, separaciju komponenata reakcijske smjese i izolaciju ciljanog produkta uz recirkulaciju ostalih komponenata reakcijske smjese. Na taj način izrazito se povećavaju učinkovitost procesa, ukupna konverzija u produktivnost. Iako je u mikroreaktorima moguća učinkovita provedba reakcije i kontrola procesa u mikroskopskom mjerilu, dimenzije mikroreaktora su i dalje prevelike da bi uređaj imao znatniji utjecaj na odvijanje procesa na molekulskoj razini. Ipak, nema sumnje da takav utjecaj postoji, te je pri provedbi kemijskih reakcija u mikroreaktorima nužno voditi brigu o zbivanjima na molekulskoj razini. Smanjenje veličine procesnog prostora ima kao posljedicu povećanje učinkovitosti, produktivnosti i sigurnosti procesa. Zbog učinkovitije regulacije procesnih uvjeta, upotrebe malih količina reaktanata i katalizatora, znatno većeg omjera međufazne površine i volumena reaktora, dolazi do intenzivnijeg prijenosa tvari i energije i smanjenja količine otpadnih procesnih struja u odnosu na procese koji se odvijaju u konvencionalnim reaktorima. Zbog toga mikroreaktori nalaze nove mogućnosti primjene ponajviše u medicini i farmaceutskoj industriji. Glavni nedostatak mikroreaktora je u tome što se još uvijek ne mogu primijeniti kao zamjena za sve postojeće sustave, a zbog malog promjera mikrokanala u radu s viskoznim i čvrstim sustavima može doći do njihovog začepljenja. 1 2

8 2. Mikroreaktori 2. Mikroreaktori 2.1. Definicija, struktura i podjela mikroreaktora U skladu sa samim izrazom mikroreaktor, koji se najčešće koristi i najšire je prihvaćen, takav mikrouređaj (Slika 1) možemo definirati kao umanjen sustav za provedbu kemijskih reakcija, proizveden djelomično ili u potpunosti primjenom metodologije mikrotehnologije i mikroinženjerstva. Slika 1. Osnovne strukturne jedinice mikroreaktora Karakteristične dimenzije unutrašnjih struktura mikroreaktora, od kojih je najvažniji mikrokanal kroz koji prolazi fluid, uglavnom se nalaze u mili-, mikro- ili nanopodručju (Slika 2) s užim ili širim rasponom veličina pojedinih dijelova uređaja. 2 Bez obzira na to, uobičajen 3

9 2. Mikroreaktori je naziv mikroreaktor za sve uređaje spomenutih dimenzija i kao takav je usvojen u stručnoj literaturi. Pojam mikroreaktora u osnovi se veže sa malim dimenzijama njegove osnovne jedinice mikrokanala čije su tipične dimenzije u rasponu i m. Slika 2. Shematski prikaz mikroreaktora s uvidom u njegovu unutarnju građu. Konstrukcija mikroreaktora se općenito izvodi na hijerarhijski način, naizmjeničnim povezivanjem skupa jedinica sastavljenih od podjedinica. Ovo osobito vrijedi za mikroreaktore čija se cijela struktura zasniva na umnožavanju osnovnih ćelija. Mikrokanali, kao temeljne građevne jedinice mikroreaktora, u većini su slučajeva paralelni i nalaze se u nizu jedan do drugog (Slika 1a, Slika 2). Omeđeni su predjelima za ulazni i izlazni tok fluida, odnosno spojnicama za dovod reaktanata i odvod dobivenih produkata. Svaki kanal može sadržavati manje komore, odnosno može se sastojati od još sitnijih mikrostruktura koje oblikom podsjećaju na pore. Pojedini protočni kanal ili nekoliko povezanih kanala određene geometrije čini jedan mikroelement (Slika 1b). Kombinacija mikroelementa, povezanih linija toka fluida i nosača mikroelementa, čini jedan čip (Slika 1c). Da bi se povećala protočnost i produktivnost sustava, s obzirom na protok reaktanata, produkata ili katalizatora, mikrorekatorski čipovi se međusobno povezuju paralelno ili serijski. Ovakav se način povezivanja najčešće primjenjuje kod mikroreaktora koji se koriste za provođenje reakcija u plinskoj fazi. Niti jedna elementarna ćelija ne može funkcionirati samostalno, jer sama za sebe ne predstavlja neovisni sustav, s obzirom na to da su joj za neovisan rad potrebni razni periferni uređaji kao što su odgovarajuće pumpe ili senzori. Naziv mikrouređaj (Slika 1d)) odnosi se na element ugrađen u kućište i povezan, odgovarajućim spojnicama, sa vanjskim pumpama za dobavu reaktanata, katalizatora ili povratni tok reakcijske smjese. Mikrouređaj također može biti sastavljen od nekoliko povezanih 4

10 2. Mikroreaktori mikrouređaja, koji u tom slučaju čine njegove osnovne komponente. Paralelno ili serijski povezani mikrouređaji, odnosno različite mikroprocesne jedinice za pripremu reaktanata i katalizatora, provedbu reakcije i separaciju produkata predstavljaju tzv. mikropostrojenje. Građa i veličina mikropostrojenja ovisi o tipu reaktora koji ga čine i o vrsti reakcija koje se u njemu odvijaju te, u općenitom slučaju, o tome jesu li reaktori laboratorijskog ili industrijskog mjerila. Opisana strukturna hijerarhija (mikrokanal, mikroelement, čip, mikroreaktor i mikropostrojenje) direktno je povezana s podjelom mikroreaktora s obzirom na različite tipove reakcija i/ili jediničnih operacija za koje su namijenjeni. Prema tome, mikroelementi mogu biti: mikromikseri (Slika 3) 3, mikroizmjenjivači topline, mikroseparatori, mikroreaktori za provedbu reakcija u plinskoj fazi, mikroreaktori za provedbu reakcija u kapljevitoj fazi i višefunkcionalni mikroreaktori za provedbu reakcija s fluidima bez obzira na njihovo agregatno stanje. Slika 3. Princip multilaminarnog miješanja u mikromikseru. U slučaju kada mikropostrojenje objedinjuje više funkcija u jednom uređaju (Slika 4) ono se klasificira prema onoj funkciji koja je za njega najznačajnija. 4,5 5

11 2. Mikroreaktori Slika 4. Višenamjenski mikroreaktor za sustave kapljevina-kapljevina Mikroreaktore je moguće klasificirati i prema vrsti reakcija koje se u njima provode. Uobičajena je podjela na dvije skupine mikroreaktora: one u kojima se provode kemijske reakcije i one u kojima se odvijaju biokemijski procesi. S druge strane, razvijen je velik broj mikroreaktora koji, prema potrebi, mogu zadovoljiti oba područja rada. 5 S obzirom na tip procesa koji se u njima odvijaju, mikroreaktori mogu biti namijenjeni šaržnom ili kontinuiranom radu. Zbog izvedbe i principa rada mikroreaktora procesi se u njima najčešće provode kontinuirano osobito u slučajevima kada je reakcija limitirana visokom koncentracijom reaktanata ili produkata. Kada to nije slučaj, uglavnom se koriste mikroreaktori sa šaržnim principom rada Izrada mikroreaktora Materijal pogodan za izradu mikroreaktora odabire se s obzirom na tip mikroreaktora i njegovu krajnju primjenu, odnosno vrstu reakcije koja se u njemu provodi. U većini slučajeva kao materijal za izradu mikroreaktora koristi se staklo, keramika i silicij, a rjeđe se upotrebljavaju polimerni materijali kao što su polimetilmetakrilati, polikarbonati, cikloolefini i silikoni, a u pojedinim slučajevima za izradu mikroreaktora koriste se metali, odnosno njihove legure. Kao metali najčešće se koriste nikal i svi plemeniti metali, čija su svojstva uglavnom poboljšana dodatkom drugog metala, koji nije nužno plemenit. Odabrani se materijal oblikuje u pravokutne pločice i najpogodnijom se tehnikom u njega urezuju mikrokanali željenih dimenzija. Prosječna veličina mikroreaktorske pločice 6

12 2. Mikroreaktori iznosi: duljina / širina / visina = 45 / 15 / 2 mm. Tipične su dimenzije mikrokanala u današnjim mikroreaktorima µm širine i nekoliko milimetara duljine, te se površina poprečnog presjeka pločice najčešće mjeri u mm 2. Tehnike izrade mikrokanala i općenito mikroreaktora su: mokro jetkanje, ubrizgavanje u kalup, lasersko mikrooblikovanje, fotolitografija i slično. Izuzetno je bitan odabir materijala i tehnike pri izradi svakog tipa mikroreaktora, jer ima izravan utjecaj na obilježja površine kanala u kojima će se odvijati kemijske reakcije. Konkretno, radi se o hrapavosti mikrokanala koja, uz brzinu protoka i viskoznost fluida (kapljevine), ima glavnu riječ pri određivanju oblika strujanja fluida (laminarno, prijelazno ili turbulentno), odnosno mehanizma prijenosa tvari i topline (kondukcija, konvekcija, radijacija) te pada tlaka u sustavu (Slika 5). 6 Slika 5. Ovisnost pada tlaka u mikrokanalu o brzini protoka kapljevine kroz njega Pri oblikovanju mikroreaktora, također je potrebno uzeti u obzir: karakteristike fluida, vrijeme trajanja reakcije, tlak i temperaturu sustava, dimenzije mikroreaktora koje će dopuštati jednostavnu provedbu analize procesa te ukupni volumen i protok fluida u svim mikrokanalima zajedno. Potrebno je napomenuti dase promjenom samo jedne karakteristične veličine procesa bitno mijenjaju značajke sveukupnog procesa. 7

13 2. Mikroreaktori Oblikovani elementi mikroreaktora (pločice s urezanim mikrokanalima) spajaju se s pumpama za dovod fluida, a međusobno se povezuju i ugrađuju u kućište na kojem se nalaze ulazni i izlazni otvori za fluid (Slika 1d). Element mikroreaktora ugrađen u kućište često se naziva mikroreaktorski čip. U mnogo slučajeva se, pri povezivanju više čipova u jedinicu (jediničnu ćeliju), čipovi slažu na način da obavljaju različite funkcije: u prvom se čipu odvija miješanje ulaznih procesnih struja, u drugom reakcija, u trećem separacija izlaznih struja (u idealnom slučaju čistih produkata bez neizreagiranih reaktanata), u četvrtom ugušćivanje dobivene smjese do željene koncentracije, dok peti čip ima ulogu detektora koji prati različite procesne parametre. Ovakvi sustavi koji objedinjuju više podprocesnih jedinica za provedbu reakcije, separaciju produkata i analizu različitih karakterističnih veličina procesa se nazivaju mikrosustavi za provedbu i analizu procesa (Slika 6). Slika 6. Mikrosustavi za provedbu i analizu procesa Danas se sve više razvijaju mikrosustavi za provedbu i analizu procesa koji su sposobni samostalno i kontinuirano pripremiti uzorak, provesti miješanje ulaznih struja (reaktanata) i separaciju izlaznih struja (produkata), detektirati sve bitne procesne veličine i njihove promjene, te na licu mjesta izvršiti obradu dobivenih podataka. 1 8

14 2. Mikroreaktori 2.3. Prednosti mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore Iz malih dimenzija mikroreaktora proizlazi mnoge prednosti pri usporedbi s reaktorima klasične laboratorijske i industrijske veličine i uobičajenog makrovolumena. Vrlo mali promjeri mikrokanala najčešće osiguravaju laminarno strujanje fluida u sustavu, iz čega u idealnom slučaju proizlazi difuzijski prijenos tvari, koji je jednolik i samim time učinkovit. Između ostalog, uzrok većoj učinkovitosti procesa u cjelini je i veliki omjer međufazne površine u odnosu na volumen cjelokupnog mikroreaktora. Veća međufazna površina znači uspješnije procese prijenosa i bolji kontakt procesnih struja te se istodobno stvaranje nusprodukata, kao posljedica odvijanja nepoželjnih reakcija, svodi na najmanju moguću mjeru, a u idealnom slučaju potpuno isključuje. Osim toga, laminarni tok uvelike pojednostavljuje postupak postavljanja modela procesa. 1,5 S obzirom na dimenzije mikroreaktora, potrebne su male količine reaktanata i katalizatora (ako se radi o katalitičkom procesu). Reakciju je moguće vrlo jednostavno i precizno pratiti i kontrolirati u svakom trenutku, što omogućuje sigurno vođenje procesa u željenom smjeru i predviđanje ishoda, odnosno dobivanje očekivane količine i kvalitete produkta. Zbog izrazito velike površine, u odnosu na ukupni volumen, za izmjenu topline u mikroreaktorima nema značajnijih prepreka niti prilikom provođenja izrazito egzotermnih ili endotermnih reakcija te onih koje su neizbježno ili potencijalno eksplozivne. U mikroreaktorima je dopuštena upotreba štetnih i otrovnih tvari kao reaktanata te dobivanje sličnih supstanci u formi produkata. U jednom je mikroreaktoru moguće istovremeno provođenje više reakcija paralelno. To se također odnosi na procese separacije i na analizu provedbe procesa u svakoj njegovoj vremenskoj i prostornoj točki. Dakle, moguće je izvršavanje nekoliko različitih zadataka u istom mikrokanalu. Nadalje, relativno mala duljina reakcijskog puta omogućuje uspješno odvijanje reakcija kod kojih prijenos tvari i topline predstavlja problem. Osim duljine kanala, na taj prijenos i na strujanje fluida znatno utječe stjenka mikrokanala, čija je hrapavost bitan čimbenik pri određivanju pada tlaka i gubitaka u sustavu koje je pomoću naprednih metoda primijenjenih u proizvodnji mikrouređaja moguće svesti na zanemarivo malu vrijednost. Kvaliteti provedbe procesa u mikroreaktorima dodatno doprinosi neometano odvijanje kontinuiranih procesa u slučaju prestanka rada, kvara, mehaničkog oštećenja ili blokiranja pojedinog mikrokanala ili čak veće podjedinice sustava. U tom je slučaju moguća relativno jednostavna i brza zamjena nefunkcionalnih dijelova bez 9

15 2. Mikroreaktori prekidanja reakcija i drugih procesa koji se za to vrijeme odvijaju u usporednim jedinicama i ostatku reakcijskog prostora. Prednost mikroreaktora leži i u činjenici da nije teško vrlo precizno definirati željeno vrijeme zadržavanja fluida u sustavu. Pri usporedbi svih karakteristika; dimenzija, ukupnog volumena, koeficijenta prolaza topline i difuzijskog koeficijenta te ukupnog prosječnog vremena potrebnog za provedbu reakcije, jasno se vidi brojnost i značaj opisanih prednosti mikroreaktora u odnosu na uobičajene makroreaktorske sustave Nedostaci mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore Glavni nedostatak mikroreaktora leži u činjenici da se još uvijek ne mogu primijeniti kao zamjena za reaktore laboratorijske i pogotovo one industrijske veličine, a nije izvjesno ni da će to u bližoj budućnosti biti izvedivo. Zbog vrlo malog promjera mikrokanala, javljaju se problemi u radu s viskoznim kapljevinama i smjesama koje sadrže veću koncentraciju čvrstih čestica, jer može doći do taloženja tvari na stjenke pri čemu se kanali nakon nekog vremena postupno začepljuju. Iako je mali volumen mikroreaktora njihova prednost, on je, s druge strane, još uvijek prevelik da bi značajnije utjecao na odvijanje procesa na molekularnoj razini. Štoviše, mali volumen mikroreaktora nije nužno prednost samim time što često postoji potreba za dobivanjem veće količine produkta, a broj jedinica koje je moguće ugraditi na jedan čip je ograničen. Posljedica takvog načina povezivanja jedinica je izrazit pad tlaka u sustavu, što uzrokuje manje iskorištenje i energetsku učinkovitost, odnosno velike gubitke pri provedbi procesa. Ako se, umjesto spomenutog unutrašnjeg uvećanja, primijeni vanjsko, riješen je problem pada tlaka, ali se istodobno javljaju drugi nedostaci u obliku većeg utroška materijala za izradu mikrouređaja koji k tome zauzima veći prostor, što opet ide u prilog manjoj ekonomičnosti. Staklo kao najčešći materijal za izradu mikroreaktora uz mnogo pozitivnih karakteristika ima jednu vrlo negativnu lomljivost. Ovaj nedostatak dovodi u pitanje nisku cijenu ovakvih mikroreaktora, s obzirom na njihov kraći vijek trajanja. Jedan od problema koji se javljaju pri dizajniranju mikroreaktora je određivanje temperaturnog profila u četverokutnom kanalu, čija složenost proizlazi iz teškoće predviđanja lokalnih temperatura i gustoće toka topline u sustavu, između ostalog iz razloga što srednja 10

16 2. Mikroreaktori temperatura nije dobar izbor za referentnu vrijednost kojom bi bilo prikladno opisati lokalni toplinski tok u bilo kojoj točki promatranog sustava Uvećanje procesa Da bi se postiglo povećanje kapaciteta i uvećanje mjerila mikroreaktora, provodi se paralelno ili serijsko spajanje pojedinih mikročipova u cjelinu (eng. numbering-up ili scalingout). Ovo je puno jednostavnije u odnosu na klasično uvećanje procesa (eng. scaling-up) koje je znatno složeniji, dugotrajniji i skuplji postupak, i u isto vrijeme manje isplativ (Slika 7). Vrlo je bitna značajka mikroreaktorskih sustava uvećanih paralelnim ili serijskim spajanjem sigurnost odvijanja procesa bez prekida i bez većih smetnji u slučaju prestanka rada pojedinog čipa iz bilo kojeg razloga. Bitno je napomenuti da takvi uređaji, dobiveni međusobnim serijskim i/ili paralelnim spajanjem mikroelemenata, nisu nužno dimenzijama i volumenom manji od konvencionalnih makroreaktora. Naprotiv, po potrebi mogu čak premašiti njihove prosječne dimenzije. Slika 7. Usporedba metodologije uvećanja procesa kod makroreaktora i mikroreaktora 11

17 2. Mikroreaktori Dva su osnovna pristupa uvećanju procesa kod mikroreaktora. Prvi je način vanjsko uvećanje, odnosno povećanje broja strukturnih jedinica (eng. external numbering-up). Ono se provodi na način da se veći broj čipova s jednim elementom poveže u paralelan sustav (Slika 8). 7 Slika 8. Shematski prikaz mikroreaktorskih uređaja povezanih u paralelan sustav Drugi je način unutrašnje povećanje broja strukturnih jedinica (eng. internal numbering-up). Takav pristup podrazumijeva serijsko povezivanje većeg broja elemenata unutar jednog čipa. Pritom se formira jedan zajednički ulazni tok i jedan izlazni tok, odnosno jedinstven spremnik za produkt. Unutrašnje uvećanje procesa ne mora biti dobro rješenje u slučaju da postoji potreba za vrlo velikim dimenzijama uređaja, jer je broj jedinica koje je moguće ugraditi na jedan čip ograničen padom tlaka pri serijskom povezivanju, što je prethodno opisano kao jedan od nedostataka mikroreaktora. Zato se u praksi češće primjenjuje vanjsko uvećanje procesa, jer se procjenjuje da su sve njegove ranije spomenute mane, u odnosu na unutrašnje uvećanje, ipak lakše zanemarive,odnosno rezultiraju manjim gubicima. Iz svih navedenih činjenica proizlazi da najbolji način uvećanja procesa ipak ovisi o mogućnostima i uvjetima koje svaki proizvođač može i mora ispuniti. 12

18 3. Strujanje u mikrokanalima 3. Strujanje u mikrokanalima 3.1. Matematički opis strujanja u mikrokanalu U mikroreaktorima se kemijski i biokemijski procesi odvijaju prema istim fizikalno - kemijskim zakonitostima kao procesi u makroskopskim sustavima (konvencionalnim reaktorima). To znači da se procesi koji se odvijaju u mikroreaktorima mogu opisati pomoću istih jednadžbi kao oni provođeni u sustavima uobičajene veličine. Za definiranje režima strujanja u mikrokanalima se koristi Navier Stokesova jednadžba, dok se kod višefaznih sustava režim strujanja opisuje jednadžbama koje se dobivaju primjenom drugog Newtonovog zakona za tok fluida. Stlačivi oblik Navier Stokesove jednadžbe, koja opisuje prijenos momenta količine gibanja fluida, primjenjuje se ako se u sustavu nalazi plinska faza (jednadžba 1): ui u i p ui uk 2 u j uj gi ik (1) t x j xi xk xk xi 3 x j gdje su: u i komponenta brzine toka u smjeru i, ρ gustoća fluida (plina), µ - dinamička viskoznost, p tlak, g i ubrzanje sile teže, δ ij Kroneckerov simbol; pri čemu su u i g vektorske veličine, a i,j,k su komponente vektora. Kod plinske faze, na tok i prijenos topline znatan utjecaj imaju viskozno grijanje, razrjeđivanje, hrapavost površine uz koju se fluid giba i stlačivost. Za opis strujanja također se upotrebljava jednadžba kontinuiteta, tj. zakon očuvanja mase (jednadžba 2): p i t x i u 0 Ako je zadovoljena bilanca tvari, dolazi do prijenosa momenta količine gibanja uzrokovanog gibanjem elementa fluida, što je osnova prikazane jednadžbe kontinuiteta. Navier-Stokesova jednadžba predstavlja najopćenitiji oblik zakona očuvanja količine gibanja i vrijedi za Newtonske fluide i nekompresibilne fluide, te za laminarno strujanje. 8 Za opis toka kapljevine u mikrokanalima, primjenjuje se nestlačivi oblik Navier Stokesove jednadžbe (jednadžba 3): ui ui 1 p 1 u i uj gi (3) t xj xi x j x j Uz pretpostavke da je tok stacionaran i da postoji konstantan pad tlaka u sustavu, Navier Stokesova jednadžba se pojednostavljuje te poprima oblik (jednadžba 4): (2) 13

19 3. Strujanje u mikrokanalima 4 p d Q L 128 (4) Jednadžba 4 opisuje Poiseuilleov tok, gdje je Q količina prenesene topline, α koeficijent prijelaza topline, d promjer kanala. Osnovne karakteristike Poiseuilleovog toka su maksimalna brzina strujanja fluida u centru, minimalna brzina strujanja na stjenkama mikrokanala (Slika 9.) te proporcionalnost protoka i pada tlaka u sustavu. 9 Slika 9. Laminarno strujanje kroz cijev kružnog poprečnog presjeka Režimi strujanja u mikrokanalu Objektivne metode za određivanje tipa strujanja još su uvijek u razvoju te se tip strujanja u mikrokanalima subjektivno procjenjuje i svrstava u jednu od pet kategorija (Slika 10): 10 1) Strujanje u filmu; nastaje pri vrlo malim linearnim brzinama strujanja, od svega nekoliko mm/s. Kapljevina se giba silazno niz stjenke kanala, a plinska faza prolazi kroz središte kanala istostrujno ili protustrujno u odnosu na kapljevinu. 2) Mjehurasto strujanje; plin protječe u obliku sitnih mjehurića kroz kontinuirani tok kapljevine. 3) Čepoliko ili segmentirano strujanje, tzv. Taylorov tip strujanja (Slika 11) 6, mjehurići se postupno spajaju u veće mjehure poprimajući oblik čepa te zauzimaju cijeli promjer kanala. Promjenom uvjeta provedbe procesa, nastaju mjehurići različitih dimenzija. Duljina čepolikih mjehura ovisit će o geometrijskim karakteristikama i o materijalu od kojeg su izrađeni mikrokanali. 14

20 3. Strujanje u mikrokanalima 4) Uzburkano strujanje; nastaje pri većim brzinama protjecanja plinske faze. Pritom dolazi do pojave malih mjehurića na krajevima većih. Promjenom brzine, tj. njenim povećavanjem unosi se nered u sustav. 5) Anularno strujanje ili prstenasti tok; javlja se pri vrlo velikim brzinama strujanja. Dolazi do zamjene mjesta plinovite i kapljevite faze na način da sada kapljevina struji uz stjenku mikrokanala u obliku tankog filma, a kroz njegovo središte teče plinska faza pomiješana sa sitnim kapljicama. Slika 10. Strujanje fluida u mikrokanalima: a) i b) mjehuričasto strujanje; c) i d) segmentirano (Taylorovo) strujanje; e) prijelazno segmentirano-uzburkano strujanje; f) uzburkano strujanje; g) strujanje u filmu; h) anularno strujanje 15

21 3. Strujanje u mikrokanalima Slika 11. Shematski prikaz Taylorovog strujanja u mikrokanalu U svrhu postizanja željene vrste strujanja, treba uzeti u obzir sljedeće karakteristične veličine procesa: linearnu brzinu strujanja, svojstva kapljevite faze, geometriju i dimenzije kanala te vrstu materijala od kojeg su izrađeni. Ovi parametri ujedno predstavljaju najveće probleme pri postizanju i održavanju pojedinih željenih oblika strujanja Mikromiješalice i miješanje fluida u mikrokanalu Tehnologija mikromiješalica u zadnjih nekoliko godina sve znatnije napreduje i ostvaruje odlične rezultate u poboljšavanju procesa u mikroreaktorskim sustavima. U uobičajenom mikroreaktoru, bez mikromiješalice, pri brzinama strujanja kapljevina od 0,1 1 mm s -1 ostvaruje se laminarno strujanje (Reynoldsova značajka iznosi približno 10), pri čemu je miješanje dviju procesnih struja posljedica difuzijskog prijenosa tvari. Da bi se poboljšao taj način miješanja, primjenjuju se vrlo male vrijednosti brzine strujanja ili se ono čak potpuno zaustavlja te se na taj način produljuje vrijeme kontakta između dviju kapljevina. 16

22 3. Strujanje u mikrokanalima Druga opcija je primjena većih brzina strujanja ili manjih kanala, ali kada je god to moguće primjenjuju se mikromiješalice. Mikromiješalice se mogu podijeliti u dvije skupine, pasivne i aktivne. Aktivne miješalice zahtijevaju primjenu vanjskog rada. Najčešće daju bolje rezultate, ali zbog većih troškova proizvodnje, većeg utroška energije te gubitka, odnosno uništavanja uzoraka i otopina, kad god je to moguće koriste se pasivne miješalice. Aktivnim miješalicama nazivamo one koje se u svom radu koriste: ultrazvukom, zvučnim vibracijama (mjehurići kapljevina generiraju se u zvučnom polju, pri čemu se površina mjehurića ponaša poput vibrirajuće membrane), elektrokinetičkim nestabilnostima (fluktuacije električnog polja uzrokuju miješanje), periodičkim promjenama brzine strujanja, višeelektrodnim poljem (njegovom se primjenom razbijaju spojeni mjehurići plina), piezoelektričnim membranama (princip rada je sličan ultrazvuku), magneto-hidrodinamičkim miješalima (koriste električno polje koje stvaraju elektrode integrirane u mikrokanale), mikromiješalima i integriranim mikroventilima (omogućuju nekontinuirano miješanje difuzijom). Najveće prednosti mikromiješala su prilagodljive dimenzije, dvopoložajna regulacija i fleksibilnost. Za postizanje pasivnog miješanja upotrebljavaju se: protustrujni tok (miješalo je u obliku proreza), paralelni tok (zbog specifične strukture miješala struje se razdvajaju na dvije podstruje te se nakon toga međusobno ukrštaju i miješaju nekoliko puta), recirkulacija (pri visokim vrijednostima Reynolsove značajke cik cak konfiguracija kanala uzrokuje optočni tok što ima za posljedicu miješanje), sudar mlazova (zbog čega dolazi do međusobnog turbulentnog miješanja) i kao poseban slučaj Coanda- miješanje (zasniva se na postojanju skretnice dijela toka fluida i njihovog ponovnog vraćanja u glavni tok, što uzrokuje miješanje). Najjednostavnije oblikovane miješalice su pasivne miješalice konstruirane u obliku slova Y. Upotrebljavaju se za miješanje plinova i kapljevina. Unatoč jednostavnoj izvedbi miješanje je vrlo učinkovito. Usporedbom triju različitih izvedbi Y - miješalica (-45 o i +45 o orijentacija i Venturijeva cijev) dobivene su različite duljine zona miješanja. Najbolji su rezultati dobiveni primjenom -45 o orijentacije pri čemu je dobivena zona duljine miješanja 2,12 mm, dok se najlošijom pokazala Venturijeva cijeva kao Y - miješalica sa suženjem. 17

23 3. Strujanje u mikrokanalima 3.4. Prijenos tvari i topline Zbog malih dimenzija mikrokanala u mikroreaktorskim uređajima ( µm) i velike površinske gustoće ( m 2 m -3 ) moguće je postići vrlo intenzivan prijenos topline pri čemu koeficijenti prijenosa topline mogu iznositi i do W m -2 K -1. Osim toga u mikroreaktore se često ugrađuju izmjenjivači topline koji dodatno poboljšavaju regulaciju izmjene topline te su vrlo učinkoviti i gotovo neophodni kada se u mikroreaktorima provode izrazito egzotermne ili endotermne reakcije. Vörz i suradnici su korištenjem učinkovitog prijenosa topline u mikroreaktorima uspjeli postići selektivnost od 95 % i konverziju od 55 % u procesu oksidativne dehidrogenacije primjenom dodatnog srebrnog mikroizmjenjivača topline ugrađenog na uobičajenu konfiguraciju mikroreaktora. Reakcija je egzotermna i odvija se pri temperaturi od 500 o C uz prisustvo srebra kao katalizatora. Bez ugrađenog izmjenjivača topline postignuta je selektivnost od 90 % uz konverziju od 55 %. 1 Prednosti upotrebe mikroreaktora kod izrazito egzotermnih ili endotermnih reakcija su i u boljoj kontroli sekundarnih reakcija. Npr. Brzo hlađenje sintetiziranog produkta nakon završetka reakcije rezultira većom čistoćom gotovog proizvoda. Velike prednosti mikroreaktora u odnosu na konvencionalne reaktore vidljive su i pri prijenosu tvari. Upotrebom modela tankog filma za procjenu prijenosa tvari, uspoređivane su vrijednosti volumnog koeficijenta prijenosa kisika (k l a) za mikroreaktor i laboratorijski prokapni reaktor. Dobivene vrijednosti u slučaju mikroreaktora iznosile su 5-15 s -1 te su uvelike nadmašile vrijednosti zabilježene za laboratorijski reaktor, koje su se kretale od 0,01-0,08 s -1. Dessimoz i suradnici su usporedili prijenos tvari u reakciji neutralizacije trikloracetata i natrijeva hidroksida u staklenim mikroreaktorima s T i Y - spojnicama. Rezultirajući je tok u obje izvedbe mikroreaktora bio identičan te je ovisno o brzini strujanja varirao od paralelnog toka do čepolikog strujanja. Ostvareni koeficijent prijenosa tvari nije pokazao ovisnost o tipu spojnica i vrsti strujanja te je iznosio k= m s -1. Provedene su simulacije za laminarno i za čepoliko strujanje, a u oba je slučaja uočena promjena smjera strujanja na bočnim i na donjoj stjenci reaktora kada je temperatura tih stjenci viša od temperature plina koji se unosi u reaktor (Slika 12). 18

24 3. Strujanje u mikrokanalima Slika 12. Shematski prikaz smjera toka topline (strelice) kroz stjenke mikrokanala pri različitim temperatura Zbog vrlo malih dimenzija u mikroreaktorima je moguće ostvariti velike brzine prijenosa topline, što rezultira učinkovitom kontrolom raspodjele temperature. U slučaju da se radi o fluidima najčešće dominira konvektivni prijenos topline, dok je difuzijski u većini slučajeva moguće zanemariti. U slučaju prijenosa topline kroz čvrstu stjenku ne postoji konvektivni prijenos, iz čega slijedi da se prijenos topline odvija isključivo kondukcijom. Za uspješan dizajn mikroizmjenjivača topline nužno je detaljno razumijevanje procesa na mikrorazini. Da bi se razvili učinkoviti i pouzdani sustavi, potrebna su detaljna mjerenja, predviđanja lokalnih temperatura i gustoće toka topline. 1 19

25 4. Primjena mikroreaktora 4. Primjena mikroreaktora U mikroreaktoru je moguće provesti procese koji se odvijaju u jednofaznim, dvofaznim ili trofaznim sustavima. To se odnosi na jednofazne sustave plin i kapljevina, dvofazne sustave plin kapljevina, kapljevina kapljevina, kapljevina krutina, i trofazne sustave plin kapljevina krutina i plin plin krutina. U višefaznim je sustavima najvažnije ostvariti dobro miješanje i difuziju, jer je brzina prijenosa između faza često ograničavajući faktor pri postizanju maksimalne brzine kemijske reakcije Dvofazni sustavi plin-kapljevina U dvofaznom sustavu plin kapljevina cilj je što učinkovitije raspršiti plinoviti reaktant u kapljevitom, da bi se što više povećala kontaktna međufazna površina i održao jednolik protok plina kroz cijeli sustav, odnosno uzduž mikrokanala i po njegovom poprečnom presjeku te kako bi se reakcija uz željenu konverziju odvila u prihvatljivom vremenskom periodu. Plin i kapljevinu je moguće uvesti u sustav protustrujno, pomoću T spojnice, pri čemu se na mjestu kontakta dviju faza pojavljuju mjehurići plina koji se prenose dalje kroz kapljevinu u zajednički kanal mikroreaktora. U obrnutom slučaju kapljevina se pomoću T spojnice uvodi u struju plina koja se kontinuirano dovodi u sustav (Slika 13). Slika 13. Prikaz načina uvođenja plina u kapljevinu pomoću T -spojnice Proces adicije fluora na toluen, upotrebom elementarnog fluora, proveden je u mikroreaktoru s padajućim filmom u sustavu plin - kapljevina. Formiranjem tankog sloja 20

26 4. Primjena mikroreaktora kapljevine na stjenkama mikrokanala postignuta je vrlo velika međufazna površina od m 2 m -3 što je nekoliko tisuća puta veće od površina u dotad korištenim makroskopskim sustavima. Iskorištenje na monofluoriranim orto- i para- produktima od 28 % i konverzija toluena od 76 %, podudaraju se s vrijednostima koje se dobivaju u industriji, ali usporedbom troškova i jednostavnosti tehničke izvedbe tih dvaju sustava do izražaja dolaze sve prednosti mikroreaktora od kojih je najizrazitija nekoliko redova veličine veća volumna produktivnost u odnosu na vrijednosti postignute u makroskopskom cijevnom reaktoru Dvofazni sustavi kapljevina-kapljevina Dvije se kapljevine uvode u kanal primjenom pumpi koje se nalaze izvan samog mikroreaktora i prolaze kroz Y spojnicu (cijev) te se miješaju (Slika 14a). Slika 14. Prikaz načina uvođenja kapljevine u kapljevinu pomoću a) Y -spojnice i b) T - spojnice Uz pretpostavku da obje kapljevine struje linearno i da su njihovi tokovi paralelni duž cijelog mikrokanala (Slika 15) između faza se odvija difuzija obiju komponenata u smjeru koncentracijskog gradijenta i dolazi do kemijske reakcije

27 4. Primjena mikroreaktora Slika 15. Mikroskopski pogled na strujanje u mikrokanalu prilikom protjecanja dvaju vodenih procesnih struja (vode i obojene vode) u uvjetima laminarnog strujanja Postoji i drugi način provedbe istog procesa, upotrebom T umjesto Y spojnice (Slika 14b). U tom se slučaju difuzija i kemijska reakcija pospješuju dodavanjem ionskih čestica, čime se mijenjaju lipofilna svojstva nepolarnih kapljevina u procesu, formiranjem micelija ili stvaranjem mikroemulzija tipa ulje u vodi pomoću odgovarajućih površinski aktivnih tvari. Wörz i suradnici su u reakciji heksana s koncentriranom sumpornom kiselinom provedenoj u mikroreaktoru pri temperaturi 50 C i uz vrijeme zadržavanja od 4 sekunde postigli konverziju od 80 do 85 %. To je znatno bolji rezultat u odnosu na konvencionalne laboratorijske reaktore u kojima je pri istim procesnim uvjetima konverzija od 25 % postignuta uz vrijeme zadržavanja od 2 minute. Kada je ova reakcija provedena u mikroreaktoru pri temperaturi 20 C, uz istu početnu koncentraciju reaktanata, konverzija od 90 do 95 % je postignuta za vrijeme zadržavanja od 30 sekundi uz istovremeno smanjenje količine nastalih nusprodukata čak 10 % Dvofazni sustavi kapljevina-krutina Provedba kemijskih reakcija koje sadrže reaktante, produkte i/ili međuprodukte u krutom agregatnom stanju nije pogodna za mikroreaktore. Postoji realna mogućnost da dođe do začepljenja mikrokanala i prekida toka, što dovodi do neuspješnog ishoda procesa i velikih gubitaka u sustavu. Da bi se to spriječilo, pri provedbi reakcija u višefaznim sustavima 22

28 4. Primjena mikroreaktora kapljevina krutina, kruta se faza najčešće koristi kao katalizator. Vrlo je praktično rješenje oblaganje unutrašnjih stjenci mikrokanala katalitički aktivnim metalima u slučajevima kada je to izvedivo. U staklenom mikroreaktoru s imobiliziranim slojem katalizatora, Wilson i McCreed su proveli reakciju dehidratacije heksan-1-ola u heks-1-en. Sulfonirani cirkonij kao katalizator je nanesen na staklene pločice, na kojima su mikrokanali izrezani procesom fotolitografije, a trenutkom povezivanja pločica došlo je do imobilizacije katalizatora na površinu mikrokanala. Konverzija heksan-1-ola u heks-1-en iznosila je %, a osim što je značajno veća u odnosu na industrijski proces proveden u makroskopskom reaktoru, nije bilo ni nastajanja sporednih produkata Trofazni sustavi plin-kapljevina-krutina Disperzija plina u kapljevitoj fazi, održavanje jednolikog režima disperzije duž cijele dužine reaktora za dulji vremenski period zadržavanja i nanošenje krute faze u mikrokanal na način da osigura što veću kontaktnu površinu za reaktante, osnovni su praktični problemi pri provedbi reakcija u mikrokanalima za višefazne sustave plin kapljevina krutina. Najčešće se u praksi upotrebljavaju monolitni mikroreaktori u kojima je kruta faza, u funkciji katalizatora, u tankom sloju nanesena na unutrašnje stjenke mikrokanala i čini jednoliku poroznu membranu. Često se koriste i prokapni mikroreaktori za provođenje reakcija hidrogeniranja. Upotrebom mikroreaktora s kanalima obloženim paladijem, Kobayashi i suradnici su reducirali benzilnu grupu te dvostruku i trostruku vezu različitih organskih spojeva u višefaznom sustavu plin kapljevina krutina. Produkti su dobiveni već nakon 2 minute provedbe reakcije za različite supstrate uz stupanj konverzije do čak 97 %. Aktivna površina za provedbu reakcije korištena u pokusima provedenim u mikroreaktoru je bila više od 100 puta veća u odnosu na klasične makrorektorske sustave, a postignuta volumna produktivnost bila je puta veća od one zabilježene u pokusima provedenim u konvencionalnom laboratorijskom reaktoru. Plin plin krutina sustavi, kao i plin kapljevina krutina sustavi, za integraciju krute faze u sustav koriste monolite ili prokapni sloj katalizatora, dok je miješanje plinskih faza u potpunosti postignuto T spojnicama. 23

29 4. Primjena mikroreaktora Dietzsch i suradnici su upotrebom mikroreaktora s mikrokanalima izrađenim od smjese olova i cinka i paralelnim oksidacijskim i redukcijskim ciklusima, uz dodatak ugljik(iv)dioksida u tragovima, postigli gotovo idealnu konverziju od 99,9 % i selektivnost od 98 % u procesu hidriranja 1,5 - ciklooktadiena u ciklooktan. 1 24

30 5. Zaključak 5. Zaključak Zahvaljujući brzom napretku suvremene tehnologije, provedba kemijskih i biokemijskih reakcija postala je mnogo jednostavnija i učinkovitija. Za to je između ostalog zaslužna i primjena mikroreaktorskih sustava, koji su svojim dimenzijama i izvedbom omogućili približavanje stvarnih procesnih uvjeta idealnim. Svakim danom su zahtjevi za sigurnosnim standardima u laboratorijima, industriji i istraživanju sve veći, ali i u tom su pogledu mikroreaktori daleko ispred svih tipova konvencionalnih uređaja. Primjenjivi su za jednofazne i višefazne sustave te vrlo egzotermne i endotermne reakcije. Do danas su razvijeni mikroreaktori u kojima je moguće provođenje nekoliko istovremenih reakcija, separacija i analiza cjelokupnog procesa u jednom reakcijskom kanalu. Iz toga proizlazi da mikroreaktor može predstavljati jedno cijelo minijaturno postrojenje sa svim njegovim funkcijama. Potrebne su vrlo male količine reaktanata i katalizatora za provedbu procesa, a minijaturni su sustavi vrlo praktični i zato što ih je moguće smjestiti ili ugraditi na teško dostupna mjesta, na primjer u ljudski organizam (pod kožu, kako bi detektirali količinu masnoće u krvi), ali po potrebi se veličina sustava može mijenjati. Moguće je uvećati sustav povezivanjem pojedinih ćelija mikroreaktora u serijski ili paralelan spoj. Time su uklonjeni gotovo svi potencijalni problemi pri upotrebi mikroreaktora te je vrlo izgledno da je samo pitanje vremena kada će se njihova primjena proširiti na znanstvene discipline u kojima je to dosad bilo nezamislivo. 25

31 6. Literatura 6. Literatura 1. A. Šalić, A. Tušek, Ž. Kurtanjek, B. Zelić, Mikroreaktori. Kem. Ind. 59 (2010) K. Koch, R. J. F. van den Berg, P. J. Nieuwland, R. Wijtmans, M. G. Wubbolts, H. E. Schoemaker, F. P. J. T. Rutjes, J. C.M. van Hest, Enzymatic synthesis of optically pure cyanohydrins in microchannels using a crude cell lysate. Chem. Eng. J. 135S (2008) S89- S92 3. J. Yoshida, A. Nagaki, T. Iwasaki, S. Suga, Enhancement of chemical selectivity by microreactors. Wiley-VCH, Weinheim, O. Wörz, K. P. Jäckel, T. Richter, A. Wolf, Chemical engineering technology. Wiley- VCH, Weinheim, W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Löwe, Microreactors: New technology for modern chemistry. Wiley-VCH, Weinheim, X. Wang, Y. Nie, J. L.C. Lee, S. Jaenicke, Evaluation of multiphase microreactors for the direct formation of hydrogen peroxide. Appl. Catal. A 317 (2007) K. F. Jensen, Microreaction engineering - is small better? Chem. Eng. Sci. 56 (2001) A. Glasnović, Mehanika fluida. interna skripta, Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije 9. A. Glasnović, Mehanika fluida. interna skripta, Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije 10. M. T. Kreutzer, F. Kapteijn, J. A. Moulijn, J. J. Heiszwolf, Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels. Chem. Eng. Sci. 60 (2005) M. Tišma, B. Zelić, Đ. Vasić-Rački, P. Žnidaršič-Plazl, Igor Plazl, Modelling of laccase-catalyzed l-dopa oxidation in a microreactor. Chem. Eng. J. 149 (2009)

32 7. Popis simbola 7. Popis simbola d - promjer kanala, m g - gravitacija, m s -2 L - duljina mikrokanala, m p - tlak, Pa (kg m -1 s -2 ) Q - količina prenesene topline, kj t - vrijeme, s u i - komponenta brzine toka u smjeru i, m s -1 X - karakteristična linearna dimenzija sustava, m 7.1. Grčki simboli α - koeficijent prijelaza topline, W m -2 K -1 δ ij - Kroneckerov simbol - dinamička viskoznost, kg m -1 s -1 ρ - gustoća fluida (plina), kg m Indeksi i, j, k - komponente jediničnog vektora 27

33 ŽIVOTOPIS Martina Warde je rođena u Zagrebu 4. studenog Osnovnu školu Stjepana Kefelje i opću gimnaziju Tina Ujevića završila je u Kutini. Tijekom srednjoškolskog obrazovanja osvojila je u trećem razredu treće mjesto na županijskom natjecanju iz biologije, a u četvrtom razredu drugo mjesto iz biologije i treće mjesto iz kemije, također na županijskim natjecanjima. Akademske godine 2007/2008. je upisala studij Kemijskog inženjerstva na Fakultetu kemijskog inženjerstva i tehnologije Sveučilišta u Zagrebu.