Je leest:

De buisjes waarin het gebeurt

De buisjes waarin het gebeurt

Can Aran en het sleutelen aan een microreactor

Auteurs: en | 16 november 2012

Het onderzoek van Can Aran (geboren in 1982 te Istanbul) voegt aan de vele al bestaande manieren om scheikundige reacties uit te voeren een bijzondere toe: een vloeistof stroomt door een buisje, een gas dringt van buiten door de poreuze wand van dat buisje heen, op het binnenoppervlak zit een vaste stof, een katalysator, die ze helpt met elkaar te reageren. Een microreactor heet zoiets, omdat de binnendoorsnede van het kanaal nog geen millimeter is.

Can Aran.
Ivar Pel, Utrecht

Microkanalen maken. Dat was de opdracht die Can Aran kreeg toen hij, na een studie chemische technologie in Istanbul en Aken, als promovendus begon aan de Universiteit Twente. “Het nieuwe was, dat we met een anorganisch poreus kanaal werkten: membraantechnologie. Tot dan toe waren er wel microreactoren, maar die werkten doorgaans volgens een ‘gesloten kanaal’-systeem: vloeistof en gas stroomden samen door het kanaal. En er werden wel reactoren met poreuze wanden gemaakt, maar die waren dan weer veel groter, zeven of tien millimeter diameter.”

Zowel de poreuze wand als de verkleining van de reactor dragen bij aan de efficiëntie waarmee je twee stoffen in contact brengt. “Bij een buis van een millimeter doorsnee in plaats van tien millimeter is er voor een zekere hoeveelheid vloeistof naar verhouding veel meer oppervlakte ter beschikking voor de reactie. Wat ook prettig is aan zulke kleine reactoren, is dat ze weinig ruimte innemen. Een onderzoeker die ze in een laboratorium gebruikt, heeft weinig plaats nodig en weinig chemicaliën.”

Ivar Pel, Utrecht

Toch kun je microreactoren ook voor de productie van grotere hoeveelheden chemicaliën gebruiken: door grote aantallen parallel te zetten. Dat is misschien niet altijd de efficiëntste methode, maar het ‘opschalen’ vereist geen nieuw onderzoek – je hoeft alleen het aantal microreactoren te verhogen, en klaar ben je. Een samenstel van microreactoren is ook veiliger dan een grote installatie: als een gebruikte stof of reactieproduct explodeert in zo’n poreus buisje, dan is het maar een heel klein, ongevaarlijk plofje.

Recept voor een microreactor

Het recept voor een microreactor is als volgt, legt Aran uit: “We nemen een anorganische, poreuze buis. We brengen een vloeistof op de binnenkant aan en doen hem in de oven. Na een dag hebben we dan een keramische coating aan de binnenkant, met microscopisch kleine kanaaltjes waardoor het gas binnen kan stromen en bij gebruik over een heel grote oppervlakte in contact kan komen met de vloeistof. Dan brengen we een vloeistof in waarin de katalysator zit, en gaat hij weer in de oven, een halve dag.”

Ivar Pel, Utrecht

Dat soort buisjes was al eerder gemaakt, maar er was een probleem: gas wilde best door de poreuze buis en door de keramische coating naar binnen stromen, maar de vloeistof drong ook gemakkelijk de poreuze wand in, en versperde het gas de weg. De gebruikelijke oplossingen hadden allemaal zo hun nadelen: kleinere kanaaltjes blokkeerden de vloeistof, maar dan wilde het gas er ook maar moeizaam door. Hoge gasdruk zorgde ervoor dat de vloeistof de kanaaltjes uit werd gedrukt, maar dat vroeg weer extra apparatuur: pompen om voor die druk te zorgen en sensors om de druk te meten en constant te houden.

In plaats daarvan paste Aran een extra bereidingsstap toe: de binnenkant van het buisje, met zijn poreuze coating, kreeg een extra laagje dat waterafstotend was. Dat dwingt de vloeistof om in het buisje te blijven, terwijl die vloeistof toch via de vele kanaaltjes waar hij vlakbij stroomt in contact kan komen met de katalysator en het gas.

Praktische problemen

Een ander onderdeel van Arans onderzoek betrof eveneens microreactoren in de vorm van buisjes, maar dan met holle vezels van roestvrij staal. “Toen we die gingen testen, vonden we iets bijzonders: alleen al de aanwezigheid van het ijzer op die vezels bevorderde sommige chemische reacties, nog zonder dat we een katalysator hadden aangebracht.” Daar rolde een interessante publicatie uit, maar het is nog onduidelijk welke praktische toepassingen de ontdekking zou kunnen hebben.

Ivar Pel, Utrecht

Hetzelfde geldt voor werk aan een ander soort microreactoren: niet in buisjes, maar in een plat vlak. “Het voordeel daarvan is, dat je erbij kunt. Je kunt er bijvoorbeeld licht op laten schijnen. En je kunt in dat platte vlak verschillende kanalen maken waarin vloeistoffen stromen die je op een bepaald moment in het proces samen laat komen. Dat is veel moeilijker bij buisjes.”

Ivar Pel, Utrecht

Maar bij de platte microreactoren kwamen nogal wat praktische problemen kijken. “Dan deed je de laatste stap, het bakken in de oven op meer dan duizend graden, en dan kwamen ze er gebogen uit – het waren net aardappelchips. Dus in de praktijk bleek die techniek niet zo bruikbaar.”

Die platte reactoren vormen het laatste hoofdstuk in het proefschrift, maar eigenlijk was dat waar Arans onderzoek mee begon. Dat maakte zijn eerste jaar niet gemakkelijk. Nu kan hij erom lachen: “Aan het eind van mijn eerste jaar had ik niets dat ik kon gebruiken. Dat was natuurlijk een bittere pil. Maar iedereen zegt dat het erbij hoort.”

Aan het eind van het project probeerde hij het toch nog een keer met de platte microreactoren. “Ik wilde een wat ingewikkelder reactie doen met membraantechnologie, gekatalyseerd door licht. Dat had nog nooit iemand gedaan op onze manier. En door een andere ondergrond te nemen, kreeg ik het dit keer voor elkaar.”

“Ik weet niet of ik in de wetenschap wil blijven; ik vind het praktische van het bedrijfsleven ook fijn.”

Na het afronden van het onderzoek bleef Aran in Twente, waar hij werkt aan een project over waterzuivering. “Ik zit nog steeds in de keramische materialen, maar nu met een andere toepassing. Dat verbreedt de blik, daar ben ik blij mee. Ook omdat het een multinationaal project is, Europees gefinancierd, met veel partners. Dus er zit ook wat management bij, ik vind het goed dat ik daar dan ook weer wat ervaring mee op kan doen.”

Met die ervaring wil hij over niet al te lange tijd verder kijken. “Ik weet niet of ik altijd in de wetenschap wil blijven, ik vind het praktische van het bedrijfsleven ook fijn.”

Dit artikel is een publicatie van Technologiestichting STW.
© Technologiestichting STW, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 16 november 2012

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.