Je leest:

Chemische reactor in miniformaat

Chemische reactor in miniformaat

Auteur: | 13 juli 2008

Toen Martijn Mies (1976) tijdens zijn studie chemische technologie aan de Technische Universiteit Eindhoven voor het eerst een microreactor zag, was hij meteen verkocht. Anders dan bij een normale chemische fabriek is er bij een microreactor geen bedrijfsterrein met duizenden pijpen, ketels en ventielen. In plaats daarvan is een volledig werkend laboratorium op een ruimte ondergebracht die zo groot is als een nagel van een duim.

Mies: “In een microreactor is alles zo klein, dat je de verschillende onderdelen met het blote oog niet eens kunt zien. Ik was enorm gefascineerd door deze techniek. Dat je een compleet laboratorium op een chip kon zetten, dat was toen ik begon nog bijna science fiction. Ik vroeg me ook af of je met zo’n kleine reactor ooit opbrengsten op industriële schaal kunt halen”.

dr.ir. Martijn Mies Foto: Ivar Pel

Mies leerde al snel dat dit inderdaad mogelijk is. Als je een heleboel van dezelfde microreactoren naast elkaar zet, kun je de omzet naar bijna ieder gewenst volume vergroten. Bovendien, zo ontdekte Mies, hebben microreactoren vele voordelen ten opzichte van grootschalige chemische installaties: aanzienlijk betere energie-efficiëntie, hogere reactiesnelheden, grotere veiligheid en betrouwbaarheid, en reactie – processen die veel nauwkeuriger te reguleren zijn.

Die voordelen ontstaan voornamelijk dankzij de kleine schaal. In een microreactor vinden chemische reacties doorgaans plaats in een volume kleiner dan een kubieke millimeter. In vergelijking tot een reactorvat waarin duizenden kubieke liters gaan, kunnen reacties heel precies worden aangestuurd. De vorm en het materiaal van de microreactor zijn daarbij bepalend. Precies op deze twee punten behaalde Mies zijn mooiste onderzoeksresultaten op microreactorgebied.

Foto: Ivar Pel

Reactorontwerp

Mies: “We wilden drie dingen in de microreactor nauwkeurig in de hand houden: de temperatuur, de snelheid waarmee gassen door de reactor lopen, en de druk.” Het begon allemaal met het constant houden van de temperatuur. “De keus voor het constructiemateriaal viel al snel op het metaal molybdeen”, vertelt Mies enthousiast. “Dat geleidt warmte uitermate goed. Bovendien heeft het een van de hoogste smeltpunten die bekend is bij metalen, zodat je er zeker van kan zijn dat het stabiel blijft bij temperaturen van zelfs boven de 1000 graden”.

De eerste anderhalf jaar van het onderzoek draaiden voornamelijk om het reactorontwerp. Dat werk betekende vooral veel computersimulaties uitvoeren. Tegelijkertijd concentreerde Mies zich op een praktisch probleem: “het materiaal van de microreactor moet worden beschermd met een coating die tegelijkertijd als katalysator voor de reactie optreedt. Zo’n coating wordt gemaakt van zeoliet, een kristal dat is opgebouwd uit silicium-, aluminium- en zuurstofatomen. Maar hoe laat je zo’n coating het beste groeien op een ondergrond van metaal?”

Foto: Ivar Pel

Wat het reactorontwerp betreft, was de belangrijkste vraag hoe je de doorstroomsnelheid en druk in de kanaaltjes van een bioreactor constant kunt houden. Mies: “In bestaande oplossingen reguleert men de druk van het gas voordat het in de kanaaltjes stroomt. Maar die methode heeft als belangrijkste nadeel dat het de doorstroomsnelheid beperkt en een grote drukval veroorzaakt. We hebben toen iets nieuws bedacht: voor de kanaaltjes heb ik een soort gaas gezet, een zogenoemde stromingsverdeler. Die zorgt ervoor dat er altijd precies evenveel gas, met een gelijkmatige drukval, in alle kanaaltjes stroomt.” Het idee leek te eenvoudig om te kunnen werken. Mies simuleerde met de computer allerlei vormen van de stromingsverdeler en stelde vast dat de modellen ook in de realiteit goed werkten. De beste resultaten werden experimenteel behaald als de spijlen van het raster loodrecht op de kanaaltjes van de microreactor kwamen te staan. Mies: “Normaal gesproken simuleer je iets op de computer, en dan blijkt het in de praktijk toch net even anders te zijn. Maar dit idee bleek ook echt te werken”.

Tanden stuk bijten

Toch had het testen van het oorspronkelijke idee nog veel voeten in de aarde. Ruim twee jaar had Mies nodig om een meetopstelling te vinden waarbij de sensoren voor het meten van de doorstroom snelheid en druk van het gas betrouwbare resultaten leverden. Mies: “Iets waar ik mijn tanden bijna op stuk heb gebeten was lekkage in de microreactor. Je praat dan over een gaatje van een paar honderd nanometer hè? Dus het heeft tijden geduurd, voordat ik dat lek gedicht had.”

Foto: Ivar Pel

Toch had het testen van het oorspronkelijke idee nog veel voeten in de aarde. Ruim twee jaar had Mies nodig om een meetopstelling te vinden waarbij de sensoren voor het meten van de doorstroom snelheid en druk van het gas betrouwbare resultaten leverden. Mies: “Iets waar ik mijn tanden bijna op stuk heb gebeten was lekkage in de micro – reactor. Je praat dan over een gaatje van een paar honderd nanometer hè? Dus het heeft tijden geduurd, voordat ik dat lek gedicht had.”

Mies: “Terugkijkend op het onderzoek ben ik het meest trots op het feit dat we erin zijn geslaagd een heel goed reactorontwerp te vinden en dat we een methode hebben weten te vinden voor het groeien van zeoliete coatings. Dat die onderzoekslijnen zo mooi in elkaar zijn gevallen, dat is gewoon perfect!”

Het onderzoek van Mies won de tweede plaats in de Simon Stevin Gezel Verkiezing 2007. Mies: “Het is prachtig te zien dat mensen begrijpen hoe je met microreactoren voor een revolutie in veel chemische processen kunt zorgen”.

Inmiddels werk Martijn Mies bij het bedrijf Albemarle Catalysts in Amsterdam.

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2007 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 juli 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.