Sistemi Microchimici e Microfisici

Prof. Attilio Citterio Dipartimento CMIC “Giulio Natta” http://iscamap.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/

Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione Corso 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

Attilio Citterio

Sistemi Microchimici: Opportunità e Limiti

resa

eff. energetica compattezza

Le reazioni ed altre operazioni unitarie miniaturizzate, hanno specifici vantaggi sui sistemi chimici convenzionali

Visione Semplificata!

Attilio Citterio

Tendenza Moderna in Chimica e Ingegneria Chimica che Superano i Confini delle Discipline

Micro fabbricazione

Microfluidica

Ingegneria dei micro processi

Catalisi e Scienza materiali

TECNOLOGIE ABILITANTI

SCIENZE FONDAMENTALI

Matematica Modellaz. e simulazione

Chimica e Ingegneria Chimica

Chimica verde / sostenibile

Processi su piccola scala conti-flusso

Intensificazione di processo

Nuovi mezzi di ingegneria chimica di processo

Attilio Citterio

Sistemi Microchimici – Scalabilità verso il Basso e verso l'Alto

MIT

~ 50 ml

~ 5 µ litro 25°C

~ flussi di 5 litri? temperatura?

Pilota

Produzione

~ 1 ml Non in scala

SCALA

DOWN

UP UP

OUT

Attilio Citterio

Impianto di Produzione a Microreattori per Chimica Fine

Micromesc. (1000 l/h)

Reattore a microtubi (100 l/h)

Micro scambiatore di calore (100 l/h)

Impianto di chimica fine con 10 apparecchiature di produzione microstrutturati: ACHEMA, May 15, 2006

IChemE Chemistry Innovation KTN/Impact Award Premio (Whitehall, London)

IMM Plant in NATURE Nature 442, 27 July 2006

Attilio Citterio

Miniaturizzazione di Processi Chimici

“Versione miniaturizzata degli oggetti normali.”

Stessa funzionalità per volume come i macro

La dimensione è il fattore distintivo

Portabilità spesso importante

Spesso altamente integrata

Piattaforme a scala micro per strutture/materiali a scala nano

Attilio Citterio

Cosa è la Microfluidica?

La Microfluidica consente il controllo preciso, la manipolazione e l’analisi di fluidi nell’intervallo da microlitro a picolitro. I dispositivi microfluidici sono fabbricati usando tecniche sviluppate nell’industria dei semiconduttori e sono spesso detti chips microfluidici. Oggi le aree di applicazione per la microfluidica includono:

Chimica – Ricerca e sviluppo Analisi del DNA e genomica Microreattori Sistemi a base di cellule

I benefici di uso dei dispositivi microfluidici per applicazioni di laboratorio sono: Riduzione del volume di campione e reagenti usati Miglioramento della risoluzione delle separazioni Abilità nel condurre reazioni ed analisi più velocemente Abilità nel condurre processi in parallelo Miglioramento del controllo del mescolamento e riscaldamento dei fluidi Rapido trasferimento di massa dovuto all’alto rapporto area superficiale/volume Migliorata integrazione delle fasi di processo, per es. reazioni e separazioni Sviluppo di nuovi e migliori metodi di rivelazione Dispositivi più semplici, più economici e smaltibili Accesso ad un ampio intervallo di geometrie fluidiche.

Microarrays Diagnostica clinica Cromatografia liquida Sensori per la Bio-difesa

Attilio Citterio

Letteratura di Microfluidica

Microchemical Journal

Nguyen, Wereley Microfluidics RC / 3.3 / 20 ~110€; 500 pages ISBN-1580533434. 2002

EH / 9.0 / 31

~80€; 260 pages ISBN-3527307338, 2004

Henrik Bruus: "Theoretical Microfluidics« (Oxford Master Series in Physics)

~40€; 346 pages; ISBN-10:0199235090. 2007

Attilio Citterio

Letteratura sui Microreattori

Attilio Citterio

Letteratura - Internet

Fluidi

Pressione

Energia cinetica

Energia potenziale

Equazione di Bernoulli

Diffusione Viscosità

Osmosi

Freni Idraulici

Esempi sangue

Altri Esempi

Press. idraulica

Pressione Fluido Statico

Principio di Pascal’

Galleggiab.

Principio di Archimede

Legge di Poiseuille

Effetti di Turbolenza

Fluidi non-Newtoniani

Trasporto membrana

Azione capillare

Tensione Superficiale

Legge di Laplace

Tensione di parete

Frizione nel Fluido

Energia Interna

sono caratterizzate da

e

as well as

riassunti in

porta a

e

e

e

hanno hanno In movim.

a riposo sono soggetti a

porta a porta

a

Attilio Citterio

A proposito di Microfluidica

• „Micro“ significa almeno una delle seguenti caratteristiche:

piccoli volumi (μl; nl; pl; fl) Piccola dimensione Basso consumo energetico effetti del micro-intorno

• Flusso laminare ...

• 1 fl – 1 μl: 10 ordini di grandezza • ma ancora lontano dal livello molecolare

1 mm

1 μl

1 nl

1 nl 1 fl

Science Magazine 2 July 1999

Attilio Citterio

Scale dei Reattori Chimici

Industria Laboratorio Microsistema

Volume 30 m3 10-3 m3 3 10-11 m3

Scale-down 1 1:3 10-5 1 10-12

Diametro 2 m 2 cm 20 µm

Superficie Volume

2

32 mm

2

3200 mm

2

3200 000 mm

Attilio Citterio

Vantaggi Chiave: Superficie anziché Volume

Volume costante

Raggio (µm) Are

a su

perfi

cial

e/Vo

lum

e (µ

m-1

)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0

A B C

V constante

SA crescente

Rapporto superficie/volume

• Gestione del Calore • Mescolamento efficiente • Reazioni su Superfici • Esplosione-Sicurezza • Minori dimensioni

Attilio Citterio

Scala Lunghezze e Tempi di Processi Chimici e Fisici

10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102

105

104

103

102

101

100

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

Sca

la te

mpo

rale

[s]

Micro strutturati

fluido dinamica e trasporto

catalizzatori / reazione chimica

Scala spaziale [m]

Attilio Citterio

Tipiche Scale Temporali e Lunghezze di Reattori Chimici

10 m 1 m 100 mm 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1 µm

10-2

10-1

100

101

102

103

104

lunghezza

Tem

po m

edio

di r

esid

enza

[s]

apparato micro-strutturato

apparato milli-strutturato

reattore multi-tubolare

reattore tubolare

reattore ad agitazione

Attilio Citterio

Sono Disponibili Componenti Micro-strutturati

Micro reattori Combinazione di µHE e

µmescolatori

Micro mescolatori Mescolano da

pochi ml/h a 30 l/h

Micro scambiatori di calore Massimo valore 700 W/m2K

A un flusso d'aria di 75 l/min.

IMM: Micro-mescolatore

interdigitale

Microvetreria Microreattore

Heatric: Scambiatore di Calore a flusso

incrociato

Attilio Citterio

• Strutture ingegnerizzate con migliorato trasferimento di calore e massa

• Superfici auto-assemblanti • Strutture nano-fabbricate • Enzimi biologici come catalizzatori

altamente funzionali

SISTEMI MICRO CHIMICI E TERMICI CONSIDERATI COME “PIATTAFORME” PER LE NANOTECNOLOGIE

Attilio Citterio

Reattori Multicanale Micro-strutturati (2)

Condizioni di flusso per fluidi tipici, Volume: VR = 5 cm3; L = 5 cm

diametro canale, d [m]

Caduta di pressione, ∆p=1 bar num

ero

di R

eyno

lds,

Re

[-]

gas (aria)

liquido (acqua)

diametro canale, d [m]

Caduta di pressione, ∆p=1 bar te

mpo

di c

onta

tto, τ

[s]

gas (aria)

liquido (acqua)

Attilio Citterio

Superficie/Volume: Trasferimento Efficace

Esempio: Coefficiente complessivo di trasferimento di calore

Tipo Hx U (W·m-2·K-1) Tubolare 150-1200 Spirale 700-2500 Laminare 1000-4000

Micro-canale: 3800-6800 W ·m-2·K-1)

(Canali da 500×500 µm2×1.5 cm)

Attilio Citterio

Proprietà di Micro-dispositivi

• Comportamento dei fluidi a questa scala Dominano gli effetti parete

• Superfici e interfasi Sporcamenti Flusso multi-fase Energia superficiale, tensione, bagnabilità Dinamiche -- avvio

• Strumentazione Misure di proprietà di stato - P, T, fase, qualità, composizione Densità, conducibilità termica, conducibilità elettrica Controlli – richiedono di essere integrati Flusso e distribuzione del fluido Omogeneità del sistema

Attilio Citterio

A proposito di Microfluidica - peculiarità

• „Micro“ significa almeno una delle seguenti caratteristiche:

piccoli volumi (μL; nL; pL; fL) Piccola dimensione Basso consumo energetico effetti del micro-intorno

• Flusso laminare • Tensione superficiale

Attilio Citterio

Flusso Elettrosmotico

• „Micro“ significa almeno una delle seguenti caratteristiche:

piccoli volumi (μl; nl; pl; fl) Piccola dimensione Basso consumo energetico effetti del micro-intorno

• Flusso laminare • Tensione superficiale • Cariche elettriche superf. • diffusione

Flusso Elettrosmotico

EOF Flusso Laminare

P

Flusso mosso dalla pressione

u LRe ρη

=

Numero di Reynolds < 2300

velocità u, densità ρ, lunghezza percorsa L, e viscosità η del fluido.

Attilio Citterio

Mercato per la Microfluidica

Stampa Automazione Industriale

Sensori di flusso per condizionamento (HSG-IMIT) 50.000 unità nel 2005

Erogatori Industriali Ingegneria Processi Chimici / Alimentatori

Attilio Citterio

Mercato per la Microfluidica (2)

Scienze della vita!!!! • Elettroforesi Capillare

• Lab on chip

• Erogazione farmaci

• Analisi cliniche

DNA

sezione di reazione

riserva ingresso campione di sangue zona di trasporto

finestra di lettura contenitore in plastica

sezione di separazione zona di rivelazione per i marker A, B & C Sezione di comando

Attilio Citterio

Sensori di Flusso

Principio di Funzionamento Principi termici Riscaldanti & sensori di temperatura

• Anemometri • Calorimetri • Tempo di volo

Specifiche Intervallo: 15 μm/s – 1500 μm/s Potenza: < 15 mW Tempo di risposta: < 1 ms Applicazioni specifiche a canali a

flusso possibile

Attilio Citterio

Lab-on-a-Chip: Disco a Emulsione

• Generazione controllata di gocce su disco rotante

• Il flusso d’acqua è focalizzato da due flussi d’olio √0

• Produzione di gocce d’acqua in olio (emulsione W/O) Volumi: 5…22 nL Velocità: 0…300 gocce / s

• Alta Riproducibilità Diametro gocce: CV < 2%

Attilio Citterio

Stampa di Microarray per Analisi del DNA

Microarray

Macchie, allineate in un matrice Segnale fluorescente di una macchia

Attilio Citterio

Principio del Getto d’Inchiostro

• Erogazione per deflessione diretta del volume Tube di polimero Pistone piezo-attuato Spostamento rapido per

l’espulsione del getto Breve plateau Lento rilascio per richiamo

capillare

• Aspetto peculiare del principio Erogazione fluido senza contatti La più semplice possibile

geometria fluidica Facile confezionamento

(bloccaggio meccanico)

Attilio Citterio

Dosaggi nL e pL : NanoJet

• Volume di dosaggio: 5 nL - 1.000 nL • Velocità dosaggio: 1.000 nL/s • Intervallo viscosità: 1 – 100 mPas • Precisione: > 5 %

Attilio Citterio

Nuova Classe di Tecnologia di Processo

1 Å 1 nm 1 µm 1 mm 1 m 1 km

Smog

Molecole Gas

Virus

Batteri

Capello Umano Raggio di Molte Cellule

Polvere Atmosferica

Fumi di Tabacco Sabbia

Uomo

Singolo Transistor su IC IC Chip Personal Computer

Pompe e Valvole Convenzionali Reattori e scambiatori di

Calore Convenzionali

Impianti Termici e Chimici Convenzionali

Rotori per Micromotori

Tipica Ampiezza dei Microcanali Micro Pompe e Valvole

Reattori Microcanali e Scambiatori di calore

Sistemi MicroTermici e Chimici

Attilio Citterio

Caratteristiche di un Sistema Continuo a Microreattori

1. Preciso controllo della temperatura – facilmente impostata e variata - nessun gradiente di temperatura

2. Preciso controllo del tempo - facilmente impostato e variato – veloci reazioni esotermiche con consistenti dimensioni di particelle

3. Preciso controllo dell’alimentazione/stechiometria – indagini rapide di stechiometria variando le velocità di alimentazione

4. Mescola consistente e rapida – assicura nucleazione non precipitazione

Tice, J.D. et al. Langmuir 2003 19, 9127-8133

5. Nessuna limitazione di scala – piccola scala per l’ottimizzazione; o “continuo” per fare kilogrammi al giorno (100 g/h raggiungibile facil.)

6. Riproducibile – stessa temperatura, stesso mescolamento, stesso tempo di reazione, ogni volta

7. Immediata lavorazione con acqua – semplice dispositivi di trattamento

Attilio Citterio

Sistemi Micro Chimici e Termici

Scambiatori di Calore a Microcanali, Reattori e Unità di Separazione

Miniaturizzazione: Alte capacità Sistemi Leggeri Produzione di Massa Costosi ma versatili

MEMS, Macchine Mesoscopiche Sistemi Micro/Nano Microcats

Attilio Citterio

Micro-Reattori

• Nuovi formati di reattori che offrono alta capacità ed alta produttività

• I micro reattori sono più versatili e meno dipendenti dagli operatori chimici-ingegneristici Forniscono quantità

usabili di prodotti Sono di uso facile

Attilio Citterio

Reattori Multicanale Micro-strutturati

Volume: VR = 5 cm3

Caduta di pressione: Δp = 1 bar

Lunghezza: L= 5. cm Diametro: d= 100. μm Numero di canali: N= 12,740. Superficie specifica: a= 40,000. m2/m3

Velocità di flusso : u= 0.63 m/s (acqua) 35. m/s (aria) Flusso massivo: Qm= 225. kg/h (acqua) 15. kg/h (aria)

Attilio Citterio

Micromiscelatori

Schema di un micromescolatore con iniezione di microgetti multipli in una camera di miscelazione

1. L'elemento centrale del miscelatore è una struttura a rete con un gran numero di buchi regolari.

2. Nel corso delle operazioni, il miscelatore è riempito con un liquido, e l'altro liquido è iniettato nel volume di miscelazione tramite molti microbuchi.

3. Si generano numerosi microgetti e aumenta la superficie di contatto tra i due liquidi.

4. I buchi sono posizionati in file distanti 10-100 μm, che provoca una limitata diffusione tra i getti.

5. Le velocità di flusso tipiche sono dell'ordine del μL/s, i diametri dei buchi sono di 10 μm, e l'altezza della camera di miscelazione è di circa 100 μm.

Source: Quak Foo Lee

Iniezione di Microgetti Multipli

Fluido 1

Fluido 1

Fluido 2

Miscela

Microgetto

Attilio Citterio

Micromiscelatori

1. Applicazione: sensore chimico industriale

2. Flusso: 0.01 – 0.1 μL/s 3. Flusso molto viscoso con un Re < 1 4. Il sistema è composto due sezioni

silicio/vetro accoppiati a sandwich connessi per incollaggio anodico.

5. Si ricava una struttura a canale nel vetro e l'altra nel silicio.

6. Nella regione dove i canali si sovrappongono, essi sono separati da un piatto strutturato definito da uno strato.

7. Ampiezza max. = 300 μm profondità max. = 30 μm

8. Lo spessore del piatto strutturato per separare i canali nel vetro e nel wafer di silicio è di 5 μm e l'ampiezza delle fessure sono di 15 μm.

Separatori di flusso multipli e Ricombinazione

Unità di mescolamento di un micromiscelatore statico con iniezioni multiple a forma di fessura

Source: Quak Foo Lee

Miscela

Miscela

Fluido 1

Fluido 2

Attilio Citterio

Micromescolatori

1. I fluidi da mescolare sono introdotti negli elementi di miscelazione in contro-flusso in canali interdigitati con pareti corrugate.

2. Ampiezza tipica dei canali = 25 o 40 μm 3. La configurazione dei canali porta ad

una disposizione periodica di flusso lamellare dei due fluidi.

4. Il flusso lamellare lascia il dispositivo perpendicolarmente alla direzione dei flussi alimentati e, a seguito dello spessore della lamelle, si realizza una veloce miscelazione per diffusione.

5. Le pareti dei canali corrugati aumentano la superficie di contatto delle correnti lamellari e migliorano la stabilità meccanica o delle pareti separanti.

Multilaminazione di strati di Fluidi

Multilaminazione di correnti nei canali con pareti corrugate, portano a miscelazione veloce per diffusione

Micrografia SEM di un elemento di miscelazione basata sulla multilaminazione di strati sottili di fluidi. Il dispositivo consiste di 2 × 15 microcanali interdigitati con pareti corrugate.

Source: Quak Foo Lee

Miscela

Fluido 1 Fluido 2

Fessura

Microcanali

Ampiezza dei microcanali: 40 µm

Elementi di mescolamento con 2 x 15 microcanali

Attilio Citterio

Vaporizzatore di Benzina

• Capacità 50 kWe: 4 celle ciascuna di reattori a microcanali e scambiatori di calore

• Volume: 0.3 L • Processi/combust. 1400

SLPM

1999 - Premio R&D

Attilio Citterio

Micro Scambiatori di Calore

Diametro canale : ~50 – 500 μm Lunghezza canale : 20 – 100 mm N° di canali : 200 – 1000 Superficie specifica: 104–105 m2/m3

Micro scambiatore di calore con connessioni per fluido (fonte: Forschungszentrum Karlsruhe)

Uscita fluido 1

Ingresso fluido 2

Strato 1

Strato 2

Uscita fluido 2

Ingresso fluido 1

Apertura per perno di fissaggio

Scambiatore di Calore a Controflusso in Dispositivo a Piatti Sovrapposti

Scambiatore di Calore a Flusso Incrociato in Dispositivo a Piatti Sovrapposti

Attilio Citterio

• Flussi di calore: 100 µwatt·cm-2 • Basse cadute di pressione: 1-2 psi • Alti coefficienti di trasferimento di

calore convettivo Fase liquida: 10,000 - 15,000

W·m-2·K-1 Fase evaporante: 30,000 - 35,000

W·m-2·K-1

Vantaggi: Veloce Trasporto di Calore e Massa

Attilio Citterio

Microseparatori

Schema di scambio di soluto tra fluidi immiscibili in microcanali parzialmente sovrapposti (a sinistra) e micrografia SEM della sezione dei microcanali (a destra).

Scambi tra Fluidi Immiscibili

Scambi tra Fluidi Miscibili

Micrografia SEM (a sinistra) e schema (a destra) di una unità di estrazione a canali adiacenti per due fluidi con fessure, oblique alla direzione del flusso, per lo scambio tra le due fasi.

Acquoso

Acquoso

Organico

Organico

Area interfacciale tra due liquidi immiscibili

Attilio Citterio

Microseparatori

Filtrazione, Diffusione e Separazione Aerodinamica

Micrografia SEM di una sezione di filtro composta da lamelle disposte a un angolo di attacco alla direzione del flusso.

• In ambito macroscopico, la filtrazione e le strutture setaccianti sono spesso attentamente progettate in merito a forma e posizione delle aperture.

• In ambito microscopio normalmente si usano materiali porosi a disposizione irregolare. • I metodi di microfabbricazione consentono la produzione di microfiltri completamente

isoporosi (dimensioni pori dell'ordine di micrometri) da un'ampia varietà di materiali, e nel contempo si possono progettare dimensione, forma e posizioni di ogni poro.

• Configurazioni speciali per filtri a flusso incrociato per concentrare particelle sospese. • Nel caso di unità a membrana, i dispositivi microfabbricati sono utili come strutture di

trasporto con ingressi e uscite integrate per fluidi.

Attilio Citterio

Sistema Tradizionale Sistema NeSSI

UOP LLC

Miniaturizzazione di Sistemi Analitici

Attilio Citterio

Supporti al Meccanismo

LAMIMS MRX Atm. TSR TEOM

TAP MRX Pulsata

Test di Reattività

ZLC

Calorimetria Marcatura Isotopica

SSITKA

Modello di Processo

Meccanismo di Rxn

Calore Ads. Calore Spec.

Numero di Intermedi Emivita Diffusione

Caratterizzazione UOP LLC

Attilio Citterio

CPM – Produzione H2

150 µm

Sensore di Temperatura

ingresso uscita

flusso collettore uscita schiuma

ingressi uscita

Miscelatore Zona catalitica

Attilio Citterio

Sintesi di Paal Knorr via Microreattori

FutureChemistry’s FlowSyn su Microreattori Micronit Microfluidics

Dichetone

Ammina

Agente di Quenching

Microreattore

Prodotto Controllo di temperature

Raccolta e analisi off-line

P2

P3

P1

M

M

RI

Attilio Citterio

Miniaturizzazione di Reazioni Chimiche: Sintesi di Carbammati

Hemantkumar R. Sahoo, Jason G. Kralj, and Klavs F. Jensen, Angew. Chem., 2007, 46, 5704-5708.

microreattore

monofase µR3

µS2 µR2

µS1

microsepaatore

Reflui aq.

Alcol

Carbammato

N2

isocianato

Sodio azide (aq)

gas-liquido-solido

Separazione gas-liquido

Separazione liquido-liquido

Acil cloruro

Configurazione sperimentale per la sintesi di carbammati,

mR1, micro-reattore per conversione dell'acil cloruro ad azide organica;

mS1, separazione quantitativa delle correnti organiche e acquose;

mR2, microreattore caricato con catalizzatore acido solido per la conversione di azidi organiche ad isocianato;

mS2, separazione quantitativa di N2 gassoso dal liquido;

mR3, microreattore per la reazione dell'isocianato con l'alcol a carbammato.

Sintesi di carbammati via azidi organiche

+CCl

R

ONaN3

Acyl chloride

Sodiumazide

CN

R

O

N+N-

Heat

- N2

NC

R

O

Organicazide

Acyl isocyanate

R'OHN

CR

O

H

OR'

Carbamate

Attilio Citterio

Microreattori in Vetro della Corning

Calo di pressione 1 millimetro

Mescolamento300 micron

Strato scambio calore

Strato scambio calore Reagenti

Fluido per scambio termico

Reagenti

Attilio Citterio

Moduli Fluidici: Concetto e Libreria

Microstrutture tipo SJ

Microstrutture tipo DT

Microstrutture tipo MF

Microstrutture tipo MJ

Ingresso - Processo

Uscita - Processo

Ingresso e Uscita – Scambiatore calore

Attilio Citterio

Componenti del Reattore Ingegnerizzato

Tenute O-ring

Connettori

Interfacce

Intelaiatura

Moduli Fluidici

Connettori Standard

Tubi

Sensori

Strumentazione (valvola riduz. pressione …) Aggiungibile

Marcatura (isolamento…)

Attilio Citterio

Sintesi Kolbe-Schmitt del Fluoroglucinolo in Microreattori

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300

Res

a (%

)

Temperatura (°C)

OH

OHOH

OH

OHOH

COOH

OH

OHOHKHCO3 (aq) ∆, t

Attilio Citterio

Sintesi Kolbe-Schmitt : Lavorazione ad Alte p,T

V. Hessel, C. Hofmann, P. Löb, J. Löhndorf, H. Löwe, A. Ziogas Org. Proc. Res. Dev. 9, 4(2005) 479-489

• Pressione: 40-70 bar • Temperatura: 100-220°C • Tempo Reazione : 4 –390 s Riduzione del tempo di

reazione di ~2000 Aumento nella resa

spazio-temporale di un fattore 440

Aumento in produttività di un fattore 4

Alte p,T

Velocità di flusso totale [ml/h]

Res

a [%

]

OH

OH

OH

OH

COOH

KHCO3 (aq)

Attilio Citterio

Studio di Modellizzazione della Polimerizzazione in Soluzione dello Stirene

V. Hessel, C. Serra, H. Löwe, G.Hadziioannou, Chem. Ing. Techn.77, 11 (2005) 39-59,

Constanti cinetiche Dipendenti dalla temperatura

Convezione

Micro mescolatore

tubolare Reattore

Fenomeno Termico convezione/conduzione

Idrodinamica equazioni di Navier-Stokes

Reazione, convezione e diffusione dei composti chimici

Calore rilasciato dalla polimerizzazione

Viscosità influenzata Dalla resa di reazione

Convezione Viscosità influenzata dalla temperatura di reazione

(Velocità di Polimerizzazione)

Attilio Citterio

Reattore Microstrutturato per Epossidazione

Reazione (microstrutturato)

Mescolamento (microstrutturato)

evaporazione H2O2 (microstrutturato)

Sintesi Modello :

Caratteristiche:

• Modulare (operazioni unitarie, capacità)

• Multi-uso (catalizzatore e reazione)

• Reazioni sotto pressione • Reazioni in regime

esplosivo Degussa

CH CH2

O

CH3

CH CH2CH3

+H2O2( vap) / -H2O

TS-1

Attilio Citterio

Polimerizzazione Radicalica

Impianto operante nel sito industriale di Idemitsu Kosan

Attilio Citterio

Dove Applicare la Tecnologia Microchimica?

Approcci diretti da sistemi pericolosi Processi con concentrazioni elevate o anche senza solvente Processi a temperature e/o pressioni elevate Processi che implica il mescolamento dei reagenti ‘tutti in un colpo’ Processi che coinvolgono intermedi instabili Processi in regime esplosivo o di reazioni fuggitive Processi che implicano l'assenza di catalizzatori e agenti ausiliari

SVILUPPO DI REATTORI PER PERMETTERE LA CHIMICA PIUTTOSTO CHE SOTTOMETTERE LA CHIMICA ALLE ESIGENZE DEL REATTORE

V. Hessel, P. Löb, H. Löwe, Curr. Org. Chem. 9, 8 (2005) 765-787 Jähnisch, K.; Hessel, V. et al.; Angew. Chem. Intern. Ed. 43, 4 (2004) 406-446

Attilio Citterio

Guide Scientifiche e Tecnologiche alle Applicazioni di Nano–Superfici

DISCIPLINE SCIENTIFICHE

PROMOTORI TECNOLOGICI com

ples

sità

tempo fisica

chimica

Scienza dei materiali

Fisica applicata

Ingegnera meccanica

Ingegneria chimica

Ingegneria elettrica

Scienze ambientali

biochimica

biologia

medicina

informatica

superfici

interfacce

clusters

film sottili

rivestimenti

super-reticoli

nano-strutture

bio-nano

transistor/elettronica aerospaziale

catalisi interconnessioni

magnetismo elettrochimica/corrosione

tribologia (frizione/adesione) tensioattivi

optoelettronica fotochimica

ambiente polimeri

infragilimento sensori/attuatori

elettronica molecolare spintronica

biocompatibilità membrane

quantum dots/nanotubi Nano-meccanica

biosensori/bioelettronica/…

Dalla SUPERFICE al NANO

Attilio Citterio

Fenomeni e Tecniche nelle Applicazioni di Nano-Superfici

TECNICHE

FENOMENI

Dalla SUPERFICE al NANO co

mpl

essi

tà

tempo Vuoto ultra-alto

strumentazione

caratterizzazione

Teoria predittiva

Teoria analitica

sintesi: MBE, …

Radiazione sincrotrone

Imaging: STM, HREM, …

Manipolazione atomica

non-UHV

tomografia

superfici

interfacce

clusters

Film sottili

rivestimenti

Super-reticoli

Nano-strutture

Bio-nano

termodinamica Struttura geometrica

Struttura elettronica Struttura magnetica

adsorbimento Reazioni chimiche

meccanismi

Proprietà ottiche

vibrazioni dinamica

crescita

optomagnetismo soft matter

auto-organizzazione multifunzionalità

Attilio Citterio

Letteratura sui Microreattori e Sistemi Microchimici

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