Micro reactor
Ngày nay, mỗi khi nhắc đến ngành công nghệ hóa chất, có lẽ đa
số người đọc đều liên tưởng ngay đến những khu công nghiệp
náo nhiệt, những thiết bị phản ứng và dây chuyền sản xuất trên
quy mô lớn, những ống khói cao vút, những kho bãi rộng lớn, và
còn cả những lượng chất thải khổng lồ thải ra sông ngòi kênh
rạch! Kéo theo đó là những hệ quả nghiêm trọng về vấn đề sức
khỏe và an toàn cho người lao động, những nguy cơ tiềm ẩn về
cháy nổ, những mối hiểm họa to lớn cho môi trường sinh thái
cũng như hiểm họa cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên vốn
không phải là vô tận. Trong bối cảnh đó, sự xuất hiện của micro
reactor đã được đánh giá là một cuộc cách mạng của ngành công
nghệ hóa chất nói chung.
Ngược dòng thời gian trở lại những thập niên cuối cùng của thế
kỷ 20, ý tưởng về micro reactor xuất hiện đầu tiên vào năm 1986
ở Đức, tuy nhiên vẫn chỉ mới dừng lại ở những ý tưởng trên
giấy. Khoảng hơn ba năm sau đó, cũng tại Đức, nhà sản xuất
Forschungszentrum Karlsruhe đã cho xuất hiện lần đầu tiên
trong lịch sử một micro reactor, tuy nhiên họ chỉ tập trung
nghiên cứu về vấn đề truyền nhiệt và năng lượng nói chung. Mãi
đến năm 1995, ứng dụng của các hệ thống micro reactor trong
công nghệ hóa học và cả công nghệ sinh học mới được đưa ra
thảo luận ở Mainz (Đức), và đây được xem là điểm khởi đầu cho
sự phát triển thực sự của các hệ thống micro reactor. Hai năm
sau đó, hội nghị quốc tế đầu tiên về công nghệ micro và micro
reactor đã được tổ chức, và sau đó trở thành hội nghị thường
niên của lĩnh vực này, tổ chức hàng năm ở Châu Âu hoặc Hoa
Kỳ.
Ở dạng đơn giản nhất và nhỏ nhất, micro reactor bao gồm một
hệ thống các rãnh nhỏ có kích thước từ 10 đến 300 µm, được
khắc vào một bề mặt rắn làm bằng thủy tinh, vật liệu silicat, hợp
chất cao phân tử, hay bằng các lọai hợp kim khác nhau. Các
rãnh nhỏ này được kết nối với một hệ thống các bình chứa nhỏ,
là nơi chứa nguyên liệu và sản phẩm cho quá trình. Toàn bộ hệ
thống các rãnh và bình chứa này có kích thước tổng cộng
khoảng vài cm, thường được gọi là một con ‘chip’. Xúc tác rắn
cho quá trình (nếu cần thiết) sẽ được nạp vào các rãnh nhỏ này.
Hóa chất được di chuyển trong micro reactor dưới tác động của
hiện tượng điện thẩm, điện di, hoặc bằng các bơm thủy lực có
kích thước micro. Các hệ thống gia nhiệt hay làm lạnh cũng sẽ
được kết nối với hệ thống phản ứng, dĩ nhiên cũng ở kích thước
micro. Các phản ứng hóa học trong micro reactor có thể xãy ra
trong pha lỏng, hoặc lỏng-hơi, hoặc là hoàn toàn ở pha hơi, tùy
vào từng quá trình cụ thể.
Các quá trình hóa học thực hiện trong micro reactor có nhiều
điểm thuận lợi vượt bậc so với các quá trình trong các thiết bị
phản ứng thông thường, chẳng hạn về tốc độ phản ứng và thời
gian phản ứng. Một ví dụ tiêu biểu là công bố từ nhóm nghiên
cứu của Giáo sư Haswell ở Trường đại học Hull của Anh Quốc,
một trong những nhóm nghiên cứu hàng đầu thế giới về công
nghệ micro reactor, đã thực hiện phản ứng ghép đôi Kumada
giữa 4-bromoanisole với phenylmagnesium bromide trên xúc tác
nikel trong micro reactor và cả trong bình phản ứng thông
thường. Kết quả cho thấy tốc độ phản ứng trong micro reactor
đã tăng một cách ngoạn mục, lớn hơn 3400 lần so với phản ứng
thông thường. Bên cạnh đó, thời gian phản ứng từ 24 h trong
bình phản ứng thông thường đã giảm một cách đáng kể xuống
chỉ còn vài phút trong micro reactor! Tương tự như vậy, khi
phản ứng tổng hợp dipeptide được thực hiện trong micro reactor,
100% hiệu suất đạt được chỉ sau 20 phút, trong khi đó phản ứng
chỉ đạt 50% hiệu suất sau 24 h khi thực hiện theo quy trình
thông thường. Hàng lọat ví dụ khác có thể được tìm thấy trên tạp
chí Lab on a Chip của Hội hóa học Hoàng gia Anh – nơi dành
riêng cho các công trình về micro reactor, hoặc trên các tạp chí
quốc tế có tên tuổi khác như Analytical Chemistry của Hội hóa
học Hoa Kỳ hay Green Chemistry của Hội hóa học Hoàng gia
Anh…
Như đã nói ở trên, phản ứng trong micro reactor có khả năng
cho sản phẩm với hiệu suất cũng như độ tinh khiết cao hơn trong
một khoảng thời gian ngắn hơn so với phản ứng trong bình phản
ứng thông thường, do đó một số lượng lớn các hóa chất mới có
thể được tổng hợp ra trong một thời gian ngắn với một khối
lượng vừa đủ để tiến hành các phân tích cần thiết cũng như thử
họat tính sinh học. Hơn nữa, sự kết hợp nhiều micro reactor
khác nhau có thể làm tăng thêm số lượng các hóa chất mới một
cách đáng kể trong cùng một khoảng thời gian. Chính vì vậy,
micro reactor được đánh giá là có khả năng làm một cuộc cách
mạng trong công nghiệp tổng hợp hóa dược, nơi mà số lượng
các hóa chất mới có khả năng có họat tính sinh học cần được
tổng hợp ra ngày một nhiều và trong một khoảng thời gian ngắn
nhất có thể. Thực tế, công nghệ micro reactor là một phần không
thể thiếu trong chiến lược nghiên cứu và phát triển của tập đoàn
dược phẩm danh tiếng GlaxoSmithKline, nơi mà hiện tại trung
bình mổi giờ đồng hồ, 300 ngàn bảng Anh (tương đương trên
550 ngàn đô la Mỹ) đã được chi ra cho việc nghiên cứu tìm ra
các lọai thuốc mới