Företag är angelägna om att använda kemiska miniatyrreaktorer för att tillverka läkemedel och finkemikalier, men är avskräckta av sin tendens att täppa till. Forskare vid KU Leuven, Belgien, har nu tagit fram ett elegant sätt att använda ljudvågor för att hålla kemikalierna flytande.

Den kemiska industrin tillverkar konventionellt i stora partier, men detta tillvägagångssätt har nackdelar. Ur miljösynpunkt, den använder mycket energi och producerar stora volymer avfallslösningsmedel när reaktorerna rengörs. Sedan är det kostnaden och besväret att lagra de kemikalier som produceras tills de behövs, eller transportera dem dit de ska användas.

Mindre reaktorer som producerar ett kontinuerligt flöde av den önskade kemiska produkten, när och var det behövs, ses som en mycket smartare lösning. Men dessa miniatyrreaktorer, med inre volymer från ett par mikroliter till ett par milliliter, har en tendens att täppas till om partiklar bildas i reaktionen, eller krävs som katalysatorer.

Detta är problemet som professor Simon Kuhn och doktor Zhengya Dong vid avdelningen för kemiteknik vid KU Leuven försökte lösa. Deras forskning, publicerad i tidskriften Royal Society of Chemistry Lab on a Chip , genomfördes i samarbete med University of Twente i Nederländerna.

Det var redan känt att ultraljud (ljudvågor med frekvenser för höga för att människor ska höra) kunde användas för att flytta partiklar runt i en vätska. Utmaningen var att hitta ett sätt att applicera ultraljudskraften inom de smala kanalerna i en mikroreaktor.

Deras första tanke var att använda lågfrekvent ultraljud för att skaka klumpar av partiklar isär. "Men det här är väldigt våldsamt, och värmer upp reaktorn, "Professor Kuhn förklarar." Du bildar dessa kavitationsbubblor-små vätskefria zoner-som förstör dina partiklar, men då förstör de också din reaktor. "

Deras nästa idé var att använda högre frekvenser, som, om rätt fokuserad, skulle skjuta bort partiklarna från reaktorkanalväggarna och sluta täppa till på det sättet. För att uppnå detta, reaktorn måste konstrueras mycket exakt, med bara en halv millimeter breda kanaler etsade in i ytan på en silikonplatta som kunde integreras med ultraljudskällan.

Forskarna testade prototypreaktorn med kalciumkarbonat och bariumsulfat, som reagerar mycket starkt och mycket snabbt för att bilda ett oorganiskt salt. Detta bildar snabbt stora partiklar. Även om det inte är användbart i sig, saltet ger det tuffaste testet möjligt för reaktorn. "Om du kan göra det med dessa partiklar, du kan göra det med allt annat. "

Inte bara gjorde ultraljudet att produkten flödade smidigt, att tvinga in partiklarna i mitten av kanalen hjälpte till att blanda dem, och så förbättrade reaktionens effektivitet.

Nästa steg är att skala upp processen, fast inte genom att göra reaktorerna större. "Om du kan producera ett par gram per sekund, det är redan ganska bra, "Professor Kuhn säger." Om du sedan kör ett par reaktorer parallellt eller i serie, du kan nå en produktivitetsnivå som är intressant för industrin."

Studien omfattas av ett grundforskningsbidrag från European Research Council (ERC). "Medan dessa projekt handlar om grundläggande, blå himmel forskning, vi gör inte bara forskning för sakens skull, "Professor Kuhn säger." Vi utvecklar en teknik som verkligen är relevant för industrin också. "