Folyamatos áramú reaktorok és a magas nyomású kémiai szintézisek kapcsolata

Az előző bejegyzésemben a folyamatos áramú szintézismódszerek technológia alapjait mutattam be, illetve a keveredés és hőátadás legfontosabb kérdéseit taglaltam. A most következő írásban az áramlásos reaktorok és a magas nyomás kapcsolatát fogom boncolgatni.

Magas nyomás alkalmazása számos kémiai reakció számára előnyös, sőt bizonyos esetekben nélkülözhetetlen. Először is, számos kémiai átalakulás tehető teljessé a nyomás növelésével, a Le Chatelier elv alapján, a reakció egyensúlynak a termék képződés irányába történő elmozdulásával. Tipikus példák erre az esetre a cikloaddíciók, Diels-Alder reakciók, addíciós és a kondenzációs reakciók. Másrészt, a magas nyomás alkalmazása heterogén katalitikus reakciók szemszögéből is jövedelmező lehet. A nyomás például hatékonyan elősegíti a porózus katalizátor mátrixon belüli transzportot, vagy például heterogén katalitikus hidrogénezések esetén növeli a H2 gáz oldhatóságát a folyadék fázisban, ezáltal növelve a reaktivitást.

Egy szó, mint száz, magas nyomást alkalmazni szerves szintézisek során nagyon bölcs dolog számos esetben. Magas nyomás elérhető hagyományos berendezésekben, ún. nagynyomású autoklávokban is. Azonban egy ilyen reaktor működtetése körülményes, veszélyes és nem is kimondottan olcsó. Folyamatos áramú reaktorok esetén egyszerűen alkalmazhatóak ún. nyomásszabályzó szelepek. Ezek alatt legtöbbször egyszerű és viszonylag olcsó mechanikus berendezéseket kell érteni, amelyek az áramlási csatorna keresztmetszetének szűkítésével alakítanak ki tetszőleges mértékű ellen nyomást.

Manapság a magas nyomású/magas hőmérsékletű reakciók az áramlásos kémia egyik legintenzívebben vizsgált területtévé váltak. Ilyen körülményeken az oldatfázisú kémiai szintézisek hagyományos korlátai gyakorlatilag megszűnnek: nagy nyomáson az oldószerek túlfűthetőek, így jóval az oldószer forráspontja felett is dolgozhatunk, sőt megfelelő berendezésekkel akár szuperkritikus körülmények is elérhetők. Itt érdemes kiemelni, hogy a szuperkritikus vizet és CO2-ot gyakran a jövő ’zöld’ oldószereinek tartják, ugyanis gyakorlatilag korlátlan mennyiségben rendelkezésre állnak, és nem toxikusak. Magas nyomás és hőmérséklet alkalmazásával a reakcióidők is jelentősen csökkenthetők, ugyanis klasszikus körülményeken elérhetetlen mennyiségű energiát tudunk a molekulákkal közölni.

Modern áramlásos reaktorok alkalmazásával tehát a kémiai paraméter tér jelentősen bővíthető, és olyan átalakulások vállnak elérhetővé, amelyek klasszikus módszerekkel csak kerülőutakon voltak eddig megvalósíthatók.

Ez itt a reklám helye: a Kutatói blogomban a magas nyomású és hőmérsékletű reakciókörülményeknek az áramlásos 1,3-dipoláris azid-alkin cikloaddícióra gyakorolt hatásáról volt legutóbb szó.

ö.s.

Áramlásos kémia - alapok, hőátadás és keveredés

A bemutatkozásomban már röviden említettem, hogy munkám során első sorban folyamatos áramú kémiai szintézisekkel foglalkozom. Ezért a most következő néhány bejegyzésben ennek a technikának az alapjaival és fontosabb elveivel szeretném megismertetni az olvasókat.

Hagyományosan gömblombikban, vagy más egyéb edényben mechanikusan kevertetve hajtunk végre kémiai reakciókat. Azonban, napjainkban a folyamatos áramú szintézismódszerek egyre növekvő népszerűségre tesznek szert. Az áramlásos kémia annyit tesz, hogy a kiindulási anyagok oldatát egy vezeték rendszeren folyamatosan áramoltatva, az átalakulások az áramlás közben valósulnak meg. Ez a kísérleti elrendezés számos előnnyel jár a hagyományos lombikos eljárásokhoz képest.

Persze mondhatnánk, hogy a nehézipar már évtizedek óta dolgozik folyamatos áramban, de az igazság az, hogy a finomvegyipar számára nem sokkal ezelőttig tabu volt ez a téma, köszönhetően az évszázados hagyományoknak a kémiai szintézisek terén. Manapság viszont már a gyógyszeriparban is egyre elterjedtebbek a különböző mérettartományban dolgozó áramlásos berendezések.

Alapvető különbségek jelentkeznek a szakaszos ás az áramlásos módszerek között. Először is egy klasszikus lombikos szintézisnél könnyedén definiálható a reakcióidő. Azonban áramlásos módszerek esetén sokkal inkább tartózkodási időről kell beszélnünk: az az idő intervallum amit egy reaktáns az aktív reaktor zónában tölt (ez lehet pl. a reaktor felfűtött vagy katalizátorral impregnált része), majd tovább halad. Az tartózkodási idő egyértelmű függvénye az áramlási sebességnek: minél kisebb az áramlás sebessége annál nagyobb a tartózkodási idő, és ez nyilvánvalóan összefügg konverzióval is. Így végeredményben az áramlási sebesség finomhangolásával könnyedén beállíthatók megfelelően magas konverzió értékek.

Kémiai reakciók során a sztöchiometria beállítása egy nagyon fontos feladat. Klasszikus lombikos szintéziseknél ez körülményes lehet. Azonban áramlásos rendszerek esetén, feltéve ha a kérdéses reaktánsokat külön ágon injektáljuk, ez könnyen elvégezhető az egyedi áramlási sebességek változtatásával.

Áramlásos reaktorok egyik legtöbbet emlegetett tulajdonsága a kiemelkedő hőátadás és keveredés, ami drasztikus csökkenést eredményezhet a klasszikus módszerekkel megfigyelt reakcióidőkben.

A lombikokban és autoklávokban alkalmazott hagyományos mechanikus keverési eljárások gyakran nem elég hatásosak. Azonban az áramlásos reaktoroknál alkalmazott kis belső átmérőjű csővezetékekben főleg lamináris karakterű áramlások dominálnak, így sokkal hatékonyabb keveredés valósulhat meg diffúzió által (1. ábra). Fick törvénye szerint a diffúzió sebessége pedig függ a csőátmérőtől, így minél keskenyebb a reaktor vezetékelése, annál hatékonyabb a keveredés.

1. Ábra: keveredés klasszikus szakaszos berendezésben (balról) és áramlásos reaktorban (jobbról).

Egy kémia reakció során a reaktorra számítható felület/térfogat arány kritikus lehet, ugyanis a hőcsere a reaktor felszínén, mint közvetítő közegen át történik meg. Áramlásos rendszereknél ez az érték több nagyságrenddel nagyobb, mint pl. egy hagyományos gömblombiknál. Ezáltal a hőközlés, hőelvonás sokkal gyorsabbá és egyenletesebbé válik, ami gyorsabb és szelektívebb szintéziseket eredményez (2. ábra). Nem utolsó sorban ez a tulajdonság fokozott biztonságot is jelent, pl. erőteljesen exoterm reakciók kezelése is elterjedt folyamatos áramban.

2. Ábra: hőátadás klasszikus szakaszos berendezésben (balról) és áramlásos reaktorban (jobbról).

 ö.s.

Bemutatkozás

Üdv mindenkinek! Ötvös Sándornak hívnak és ezen a felületen fog futni a Jedlik Ányos Doktorjelölt Ösztöndíj  pályázat során vállalt "ÍGY KUTATTUNK MI" blogom.

 

2009-ben végeztem a Szegedi Tudományegyetemen (SZTE) okleveles vegyészként. Diplomamunkámat a Fizikai Kémiai Tanszéken készítettem, négymagvú cink oxo-karboxiláto-komplexek szintézisével, illetve elméleti kémiai és spektroszkópiai vizsgálatával kapcsolatban.

 2009-ben felvételt nyertem az SZTE Gyógyszertudományok Doktori Iskolájába. PhD tanulmányaimat a Gyógyszerkémiai Intézetben végeztem Prof. Dr. Fülöp Ferenc témavezetésével. Jelenleg is az SZTE Gyógyszerkémiai Intézetben működök, tanársegédi minőségben. Ha minden jól megy, még 2013-ban megvédem a doktorit.

 Jelenlegi kutató munkám során első sorban folyamatos áramú szintézisekkel foglalkozom. Célom a kémiai tér szélesítése olyan modern katalitikus-áramlásos módszerekkel, amelyekkel gyógyszerkémiailag jelentős vegyületek, intermedierek vagy akár potenciálisan bioaktív anyagok előállítása egyszerűen, hatékonyan és biztonságosan megvalósítható.

 Ebben a blogban elsősorban a kutatás módszertanáról és a kutatási területhez kapcsolódó legfontosabb ismeretekről lesz szó. Kutatói blogomat a nemzetikiválóság.hu hasábjain vezetem, ott a kutatási témához kapcsolódó jelentősebb eredményekkel fogom megismertetni a nagyérdeműt.

Jó olvasgatást mindenkinek!

 ö.s.