마이크로리액터

right|frame|LLNL에서 개발된 마이크로리액터 기술은 마이크로 머시닝 기술을 사용하여 원자로 설계를 소형화한다. 적용 분야에는 수소 생성을 위한 연료 처리기, 화학 합성 및 생체 반응 연구가 포함된다.

마이크로리액터(microreactor) 또는 미세구조 반응기(microstructured reactor) 또는 마이크로채널 반응기(microchannel reactor)는 전형적인 횡방향 치수가 1 mm 미만인 밀폐된 공간에서 화학 반응이 일어나는 장치이다. 마이크로반응기, 마이크로원자로, 초소형원자로 등으로도 번역된다. 가장 전형적인 형태의 이러한 밀폐는 마이크로채널이다. 마이크로리액터는 물리적 공정이 발생하는 다른 장치들(예: 마이크로 열교환기)과 함께 마이크로 공정 공학 분야에서 연구된다. 마이크로리액터는 일반적으로 연속 흐름 반응기이다 (회분식 반응기와는 대조적이다). 마이크로리액터는 기존 규모의 반응기에 비해 에너지 효율, 반응 속도 및 수율, 안전성, 신뢰성, 확장성, 현장/주문형 생산, 그리고 훨씬 더 미세한 공정 제어 등 많은 이점을 제공할 수 있다.

역사
기체상 마이크로리액터는 오랜 역사를 가지고 있지만 액체를 포함하는 것은 1990년대 후반에 나타나기 시작했다. 분할 및 재결합 구조의 정적 마이크로 믹서는 마이크로 반응 기술에 특히 중요해졌다. PCR용 칩 기반 흐름 열순환기는 액체 공정을 위한 초기 열 마이크로리액터의 예였다. 다른 예로는 마이크로 흐름 칩 열량계가 있다. 내장형 고성능 열교환기를 갖춘 최초의 마이크로리액터 중 하나는 1990년대 초 독일의 카를스루에 연구센터의 중앙 실험 부서(Hauptabteilung Versuchstechnik, HVT)에서 제작되었다. 우라늄 핵 농축을 위한 분리 노즐 제조의 부산물이었던 기계적 미세 가공 기술을 사용했다. 독일에서 핵 기술 연구가 크게 줄어들면서 미세 구조 열교환기는 고발열성 및 위험한 화학 반응을 처리하는 데 적용하기 위해 연구되었다. 마이크로반응 기술 또는 마이크로 공정 공학이라는 이름으로 알려진 이 새로운 개념은 다양한 연구 기관에서 더욱 발전되었다. 1997년의 초기 사례는 채널 깊이가 90 마이크로미터이고 너비가 190 마이크로미터인 파이렉스 반응기에서 아조 커플링을 포함했다.

장점
마이크로리액터를 사용하는 것은 유리 용기를 사용하는 것과는 다소 다르다. 이 반응기는 숙련된 화학자나 반응 공학자의 손에 귀중한 도구가 될 수 있다.

 마이크로리액터는 일반적으로 열 전달 계수가 입방미터당 켈빈당 최소 1메가와트이며 최대 500 MW m−3 K−1 (기존 유리 제품의 경우 몇 킬로와트, 1리터 플라스크 ~10 kW m−3 K−1)이다. 따라서 마이크로리액터는 용기보다 훨씬 효율적으로 열을 제거할 수 있으며 나이트로화 반응과 같은 중요한 반응도 고온에서 안전하게 수행할 수 있다. 발열성으로 인한 핫스팟 온도와 고온 노출 시간이 현저히 감소한다. 따라서 마이크로리액터는 반응 속도에 영향을 미치는 국부적인 온도 기울기가 어떤 회분식 용기보다 훨씬 작기 때문에 더 나은 동역학 조사를 가능하게 할 수 있다. 마이크로리액터를 가열하고 냉각하는 것도 훨씬 빠르고 작동 온도는 -100 °C까지 낮을 수 있다. 우수한 열 전달의 결과로 반응 온도는 기존의 회분식 반응기보다 훨씬 높을 수 있다. 유기 금속 화학과 같은 많은 저온 반응은 실험실 유리 장비에서 -50 °C에서 -78 °C 대신 -10 °C의 온도에서 마이크로리액터에서 수행될 수 있다.
 마이크로리액터는 일반적으로 지속적으로 작동된다. 이는 불안정한 중간 생성물의 후속 처리를 가능하게 하고 일반적인 회분식 작업 지연을 피한다. 특히 밀리초에서 초 범위의 반응 시간을 가진 저온 화학은 시약 투여가 완료되고 다음 반응 단계가 수행될 때까지 몇 시간 동안 저장되지 않는다. 이 빠른 작업은 귀중한 중간 생성물의 부패를 방지하고 종종 더 나은 선택성을 허용한다.
 연속 작동 및 혼합은 회분식 공정과 비교할 때 매우 다른 농도 프로파일을 유발한다. 회분식에서는 시약 A가 채워지고 시약 B가 천천히 추가된다. 따라서 B는 처음에 A의 높은 과량과 마주친다. 마이크로리액터에서는 A와 B가 거의 즉시 혼합되고 B는 A의 큰 과량에 노출되지 않는다. 이는 반응 과정에 따라 장점 또는 단점이 될 수 있으며, 이러한 다른 농도 프로파일을 인식하는 것이 중요하다.
 벤치톱 마이크로리액터는 소량의 화학 물질만 합성할 수 있지만, 산업용량으로 확장하는 것은 단순히 마이크로채널 수를 늘리는 과정이다. 대조적으로, 회분식 공정은 R&D 벤치톱 수준에서는 너무 잘 작동하지만 회분식 파일럿 플랜트 수준에서는 실패하는 경우가 많다.
 마이크로리액터(및 관련 부품) 내 물질의 가압은 일반적으로 전통적인 회분식 반응기보다 쉽다. 이를 통해 온도를 용매의 끓는점 이상으로 높여 반응 속도를 높일 수 있다. 이것은 전형적인 아레니우스 거동이지만, 마이크로리액터에서 더 쉽게 촉진되며 핵심적인 장점으로 간주되어야 한다. 가압은 또한 흐름 스트림 내에서 반응 가스를 용해시키는 것을 가능하게 할 수 있다.

과제
 입자를 처리하기 위해 만들어진 반응기들도 있지만, 마이크로리액터는 일반적으로 입자를 잘 견디지 못하고 종종 막힌다. 막힘은 여러 연구자들에 의해 마이크로리액터가 회분식 반응기에 대한 유익한 대안으로 널리 받아들여지는 데 가장 큰 장애물로 확인되었다. 지금까지는 소위 마이크로젯 반응기가 침전되는 제품으로 인한 막힘이 없다. 발생된 가스는 반응 중에 부피가 일정하지 않기 때문에 시약의 체류 시간을 단축시킬 수도 있다. 이는 압력을 가하여 방지할 수 있다.
 기계식 펌핑은 불리할 수 있는 맥동 흐름을 생성할 수 있다. 맥동이 적은 펌프 개발에 많은 노력이 기울여졌다. 연속 흐름 솔루션은 전기삼투 흐름 (EOF)이다.
 물류 문제 및 마이크로리액터 전반의 압력 강하 증가는 대규모 생산 단위에서의 적용 가능성을 제한한다. 그러나 깨끗한 용액은 마이크로리액터에서 잘 처리된다.
 마이크로리액터의 경우 생산율 확장 및 누출이 상당히 어렵다. 최근에는 마이크로리액터와 관련된 물류 및 확장 문제를 해결하기 위해 소위 나노입자 고정형 반응기가 개발되었다.
 일반적으로 마이크로리액터에서 매우 잘 작동하는 반응은 용기에서, 특히 스케일업 시 많은 문제에 직면한다. 종종 높은 면적 대 부피비와 균일한 체류 시간은 쉽게 확장될 수 없다.
 부식은 면적 대 부피비가 높기 때문에 마이크로리액터에서 더 큰 문제를 야기한다. 몇 μm의 열화는 기존 용기에서는 눈에 띄지 않을 수 있다. 채널의 일반적인 내부 치수가 동일한 크기 순서이므로 특성이 크게 변경될 수 있다.

T형 반응기
가장 간단한 형태의 마이크로리액터 중 하나는 'T'형 반응기이다. 'T'자형은 깊이가 40 마이크로미터이고 폭이 100 마이크로미터인 판에 식각된다. 식각된 경로는 식각된 홈 위에 평판을 밀봉하여 튜브로 변환된다. 덮개 판에는 'T'자의 왼쪽 상단, 오른쪽 상단 및 하단에 정렬되는 세 개의 구멍이 있어 유체를 추가하고 제거할 수 있다. 시약 'A' 용액은 'T'자의 왼쪽 상단으로 펌핑되고 시약 'B' 용액은 'T'자의 오른쪽 상단으로 펌핑된다. 펌핑 속도가 같으면 구성 요소는 'T'자의 수직 부분 상단에서 만나 'T'자의 몸통을 따라 내려가면서 혼합 및 반응하기 시작한다. 제품 용액은 'T'자의 바닥에서 제거된다.

응용 분야
합성
마이크로리액터는 현재의 회분식 기술보다 재료를 더 효과적으로 합성하는 데 사용될 수 있다. 여기에서의 이점은 주로 물질 이동, 열역학 및 높은 표면적 대 부피비 환경뿐만 아니라 불안정한 중간 생성물 처리의 공학적 이점에 의해 가능해진다. 마이크로리액터는 광화학, 전기합성, 다성분 반응 및 중합 (예: 아크릴산 부틸의 중합)과 함께 적용된다. 액체-액체 시스템뿐만 아니라 예를 들어 채널 벽이 불균일 촉매로 코팅된 고체-액체 시스템도 포함할 수 있다. 합성은 제품의 온라인 정제와도 결합된다. 녹색 화학 원칙에 따라 마이크로리액터는 원자층 증착 및 화학기상증착 응용 분야를 위한 매우 반응성이 높은 유기금속 화합물을 합성하고 정제하는 데 사용될 수 있으며, 작업 안전성이 향상되고 더 높은 순도의 제품을 얻을 수 있다.

마이크로리액터 연구에서는 크뇌베나겔 축합 반응이 수행되었는데, 채널은 제올라이트 촉매층으로 코팅되어 반응에서 생성된 물을 제거하는 역할도 했다. 동일한 반응이 폴리머 브러시로 덮인 마이크로리액터에서 수행되었다.

400px|크뇌베나겔 축합 반응 응용
스즈키-미야우라 반응은 또 다른 연구에서 계면 중합에 의해 형성된 폴리아크릴아미드의 고분자 망상 구조와 트라이아릴포스핀에 갇힌 팔라듐 촉매로 조사되었다.

400px|스즈키 반응 응용

프로페인의 연소는 백금 / 몰리브데넘 촉매가 코팅된 산화 알루미늄 격자로 채워진 마이크로채널 설정에서 300 °C의 낮은 온도에서도 발생함이 입증되었다.

400px|프로페인 연소 응용

 효소 촉매 고분자 합성 
고체 지지체에 고정된 효소는 더 친환경적이고 지속 가능한 화학 변환 공정에 점점 더 많이 사용되고 있다. > 유기 매체에서 연속 모드로, 고온에서 불균일 반응을 수행할 수 있다. 마이크로리액터를 사용하면 회분식 반응기를 사용하는 것보다 더 빠른 중합과 더 높은 분자량을 얻을 수 있다. 유사한 마이크로리액터 기반 플랫폼이 새로운 효소의 고처리량 스크리닝 및 연속 흐름 모드가 선호되는 새로운 공정의 정밀 측정과 같은 다른 효소 기반 시스템으로 쉽게 확장될 수 있음이 분명하다. 이것은 연속 모드에서 고체 지지체 효소 촉매 중합 반응의 첫 번째 보고된 시연이다.

분석
마이크로리액터는 또한 현재 회분식 생산에서 가능한 것보다 훨씬 낮은 규모와 훨씬 높은 실험 속도로 실험을 수행할 수 있게 해주며, 물리적 실험 결과는 수집하지 않는다. 여기서의 이점은 주로 낮은 작동 규모와 실험에 대한 고품질 이해를 가능하게 하는 데 필요한 센서 기술의 통합에서 비롯된다. 필요한 합성, 정제 및 분석 기능의 통합은 미세유체 환경 밖에서 작동할 경우 비실용적이다.

NMR

네이메헌 랏바우트 대학교와 트웬테 대학교의 연구원들은 마이크로유체 고해상도 NMR 흐름 프로브를 개발했다. 그들은 모델 반응이 실시간으로 추적되는 것을 보여주었다. 타협 없는 (서브-Hz) 해상도와 낮은 샘플 볼륨의 조합은 흐름 화학을 위한 귀중한 도구가 될 수 있다.

적외선 분광학

메틀러 톨레도와 브루커 옵틱스는 마이크로반응 설정에서 감쇠 전반사 분광법(ATR 분광법)으로 모니터링하기 위한 전용 장비를 제공한다. 전자는 반응 모니터링에 사용된 것으로 입증되었다. 후자는 반응 모니터링 및 마이크로리액터의 분산 특성 결정에 성공적으로 사용되었다.

학술 연구
마이크로리액터, 그리고 더 일반적으로 마이크로 공정 공학은 전 세계 학술 연구의 주제이다. 유명한 정기 회의는 마이크로반응 기술 국제 회의인 IMRET이다. 마이크로리액터 및 마이크로 공정 공학은 미국화학공학회 (AIChE) 연례 회의 또는 화학 반응 공학 국제 심포지엄 (ISCRE)과 같은 다른 회의의 전용 세션에도 등장했다. 현재 전 세계의 다양한 학술 기관에서 연구가 수행되고 있다. 예를 들어, 미국 매사추세츠주 케임브리지의 MIT, 일리노이 대학교 어배너-섐페인, 오리건주 코르발리스의 오리건 주립 대학교, 캘리포니아주 버클리의 캘리포니아 대학교 버클리, 스위스 로잔의 EPFL, 에인트호번의 에인트호번 공과대학교, 네덜란드 네이메헌의 네이메헌 랏바우트 대학교, 프랑스 스트라스부르의 스트라스부르 대학교 LIPHT, 리옹 대학교 LGPC, 리옹 CPE, 벨기에 뢰번 가톨릭 대학교 등에서 연구가 이루어지고 있다.

시장 구조

섬네일|흐름 반응기 시스템의 예
마이크로리액터 시장은 고객의 목표에 따라 턴키, 모듈형, 맞춤형 시스템으로 세분화될 수 있다.

턴키(즉시 실행 가능) 시스템은 새로운 화학 합성 방식, 하루 약 10-100회 실험(반응 시간에 따라 다름)까지의 향상된 조사 처리량 및 반응 서브시스템, 그리고 실험당 10 밀리그램에서 연간 세 자릿수 톤(반응기 배터리의 연속 작동)에 이르는 규모의 실제 합성 수행에서 응용 환경이 이점을 얻을 수 있는 곳에 사용된다.

모듈형(개방형) 시스템은 표준화된 장비 사용에 비해 화학 공학자들이 측정 가능한 공정 이점을 기대하는 연속 공정 엔지니어링 레이아웃에 대한 조사의 틈새 시장을 담당한다. 여러 공정 레이아웃을 신속하게 조립할 수 있으며, 하루에 적당한 수의 실험(3-15회)으로 실험당 수 그램에서 약 100 kg에 이르는 규모에서 화학 공정 결과를 얻을 수 있다. 그런 다음 플랜트 엔지니어링 작업(스케일 아웃)의 맥락에서 엔지니어링 결과의 2차 전송은 일반적으로 단일 제품 전용 플랜트의 목표 용량을 제공한다. 이는 석유화학 공정 산업을 위한 엔지니어링 계약자의 성공을 모방한다.

전용 개발을 통해 미세 구조 구성 요소 제조업체는 주로 새로운 합성 기술을 찾는 과학자들의 상업적 개발 파트너이다. 이러한 개발 파트너는 일반적으로 원하는 접촉 패턴 또는 물질의 공간적 배열을 모델링하기 위해 포괄적인 조사 및 공급 계획을 설정하는 데 탁월하다. 이를 위해 그들은 주로 계산 유체 역학과 열역학적 모델링을 결합한 독점적인 통합 모델링 시스템의 정보를 제공한다. 또한, 일반적으로 이러한 개발 파트너는 중요한 초기 가설을 검증하고 추가로 제한할 수 있는 지점까지 전체 응용 분석을 확립한다.

 각주 

분류:화학 반응기