микрореакторы – открытие новых путей для интенсификации

Краткое сообщение
УДК 66.023.2
Е.С. Боровинская1, В.П. Решетиловский2
МИКРОРЕАКТОРЫ – ОТКРЫТИЕ
НОВЫХ ПУТЕЙ ДЛЯ
ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Санкт-Петербургский государственный
технологический институт (технический университет)
190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26
Приводится краткий обзор современного развития и достижений
микрореакционной техники на примере гетерогенных реакционных
систем, различающихся по своей природе и проводимых в различных
типах микрореакторов: катализ с межфазным переносом, биокатализ
и синтез наночастиц. Особенное внимание уделяется аспектам
интенсификации рассматриваемых процессов, так как именно
возможность интенсификации делает микрореакционную технику
привлекательной для промышленности.
Ключевые слова: микрореактор, интенсификация процессов,
биокатализ, гетерогенные процессы, наночастицы, энергосбережение.
В последние десятилетия микроструктурные реакторы
(микрореакторы) стали одним из наиболее активно изучаемых объектов реакционной техники с ударением на интенсификацию химических процессов и повышение их безопасности. Благодаря миниатюрным размерам микроструктур, которые не превышают 2 мм, микрореакторы способствуют экономии материала при их изготовлении, а также
сырья и энергии в процессе эксплуатации. Более того,
вследствие ускорения тепло- и массопереноса производительность установок с микрореакторами в ряде случаев
значительно выше применяемых в промышленности классических реакторов периодического действия.
Как уже было показано многими авторами [1-3], наибольшей интенсификации процессов с использованием микрореакционной техники удается достичь для жидкофазных реакций или для гетерогенных многофазных систем.
Поскольку основная часть научно-исследовательской
работы в области микрореакционной техники направлена
на дальнейшее повышение интенсификации и безопасности процессов и связанной с этим экономической и экологической выгодой для промышленности, то в настоящее
время большой интерес применения микрореакторов вызывают многофазные процессы. В этой связи является целесообразным рассмотреть последние достижения микрореакционной техники, в частности для интенсивного ведения гетерогенных процессов, разных по своей природе:
жидкофазные реакции, протекающие на границе раздела
фаз, биохимические реакции и реакции осаждения.
Жидкофазные реакции,
протекающие на границе раздела фаз
Реакции такого типа исследовались на начальном этапе развития микрореакционной техники, когда главной целью было показать ее основные достоинства и доказать
возможность проведения химические реакции в новых
устройствах [4].
Многими авторами уже было показано превосходство
микрореакционной техники для реакций, протекающих на
границе раздела фаз. Наиболее успешных результатов
удалось добиться при проведении следующих химических
реакций: реакции окисления кетонов водным раствором
перекиси водорода, реакции нитрования, реакции диазотирования, реакции бензилирования, реакции алкилирования фенилацетонитрила и др.
Биохимические процессы
Биохимические процессы, как правило, протекают достаточно медленно и не всегда дают высокий выход целевого продукта, поэтому даже небольшая интенсификация
таких процессов с применением микрореакционной техники принесет промышленности многомилионную прибыль.
Кроме того, в настоящее время такие химические
компании, как Dow Chemicals, DuPont, Evonik Industries и
др. проявляют большую заинтересованность в развитии
альтернативных биохимических процессов для получения
основных продуктов органического синтеза из возобновляемого сырья. Если на основе органического природного
сырья удастся разработать эффективные процессы,
способные конкурировать с процессами в нефтехимии, то
очень вероятно, что они будут и в экологическом, и в экономическом отношении более привлекательными для промышленности [5].
Микрореакционная техника обладает огромным потенциалом для интенсификации биохимических реакций, так
как она позволяет не только уменьшить количество используемых ферментов, но и добиться увеличения поверхности раздела фаз, стимулируя процессы тепло- и массопереноса. К сожалению, не смотря на эти достоинства, существует еще очень мало примеров применения микрореакционной техники для ферментативных реакций.
Примером интенсификации биопроцессов с применением микрореакционной техники стала работа Клише и др.
[6], которые исследовали реакцию биокаталитического
восстановления этилового эфира циклогексанонкарбоновой кислоты в этиловый эфир (1R,2S)-цис-2-гидроксициклогексанкарбоновой кислоты в присутствии Saccharomyces
cerevisiae.
Реакции осаждения
с получением наночастиц
Одним из бурно развивающихся направлений химической технологии является нанотехнология. На данный мо-
1
Боровинская Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, ст. преп. кафедры математического моделирования и оптимизации химико-технологических
процессов, e-mail: [email protected]
2
Решетиловский Владимир Петрович, д-р хим. наук, профессор, директор Института технической химии Технического университета г. Дрездена
(Германия), e-mail: [email protected]
мент существует большое количество способов получения
наночастиц, которые в основном отличаются хорошей воспроизводимостью, но часто, могут быть реализованы только в системах периодического действия.
Как показали Рюфер и др. [7] в своей работе по осаждению труднорастворимого сульфата бария, в микрореакторе можно получать наночастицы непрерывным путем.
При этом размеры наночастиц сульфата бария во всех полученных образцах находились в пределах от 25 до 65 нм,
что на порядок меньше, чем в реакторе смешения.
Заключение
В настоящее время во всем мире ведутся разработки в
области микрореакционной техники, и появляется все
больше и больше примеров ее промышленного внедрения.
Интенсивность всех этих разработок продиктована в первую очередь тем, что применение микрореакционной техники соответствует требованиям ресурсосберегающих технологий. Именно экологические и экономические превосходства микрореакционной техники в сравнении с классическими реакторами создают широкие возможности для их
практического использования в химической промышленности.
Обзорная статья, посвященная интенсификации гетерогенных каталитических процессов с применением микрореакторов выйдет в конце 2010 года в специальном
выпуске Российского химического журнала, посвященном
микрореакционной технике.
Литература
1. Jähnisch K., Hessel V., Löwe H., Baerns M.
Chemistry in Microstructured Reactors // Angew. Chem.
Int. Ed. 2004. v. 43. № 4. pp. 406-446.
2. Kashid M.N., Kimi-Minsker L. Microstructured
Reactors for Multiphase Reactions: State of the Art // Ind.
Eng. Chem. Res. 2009. v. 48. № 14. pp. 6465-6485.
3.
Боровинская
Е.С.,
Решетиловский
В.П.
Микроструктурные реакторы – концепции, развитие и
применение // Химическая промышленность. 2008. Т.
85. № 5. с. 1-31.
4. Watts P. Chemical Synthesis in Micro Reactors //
Chem. Ing. Tech. 2004. v. 76. № 5. pp. 555-600.
5. Vasic-Racki D. History of industrial
Biotransformations – Dreams and Realities. A Series of
Monographs. Eds.: A. Liese, K.Seelbach, C. Wandrey.
Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006.
556 р.
6. Kliche S., Räuchle K., Bertau M., Reschetilowski W.
Ganzzell-Biokatalyse mittels Saccharomyces cerevisiae im
Mikroreaktor// Chem. Ing. Tech. 2009. v. 81. № 3. pp.
343-347.
7. Rüfer A., Räuchle K., Krahl F., Reschetilowski W. Kontinuierliche Darstellung von Bariumsulfat-Nanopartikeln im MicroJet-Reaktor // Chem. Ing. Tech. 2009. v. 81. № 12. pp.
1949-1954.