Micro reactor Cuộc cách mạng trong Công nghệ Hóa học

Từ Thư viện Khoa học VLOS
Bước tới: chuyển hướng, tìm kiếm

Ngày nay, mỗi khi nhắc đến ngành công nghệ hóa chất, có lẽ đa số người đọc đều liên tưởng ngay đến những khu công nghiệp náo nhiệt, những thiết bị phản ứng và dây chuyền sản xuất trên quy mô lớn, những ống khói cao vút, những kho bãi rộng lớn, và còn cả những lượng chất thải khổng lồ thải ra sông ngòi kênh rạch! Kéo theo đó là những hệ quả nghiêm trọng về vấn đề sức khỏe và an toàn cho người lao động, những nguy cơ tiềm ẩn về cháy nổ, những mối hiểm họa to lớn cho môi trường sinh thái cũng như hiểm họa cạn kiệt nguồn tài nguyên thiên nhiên vốn không phải là vô tận. Trong bối cảnh đó, sự xuất hiện của micro reactor đã được đánh giá là một cuộc cách mạng của ngành công nghệ hóa chất nói chung.

Ngược dòng thời gian trở lại những thập niên cuối cùng của thế kỷ 20, ý tưởng về micro reactor xuất hiện đầu tiên vào năm 1986 ở Đức, tuy nhiên vẫn chỉ mới dừng lại ở những ý tưởng trên giấy. Khoảng hơn ba năm sau đó, cũng tại Đức, nhà sản xuất Forschungszentrum Karlsruhe đã cho xuất hiện lần đầu tiên trong lịch sử một micro reactor, tuy nhiên họ chỉ tập trung nghiên cứu về vấn đề truyền nhiệt và năng lượng nói chung. Mãi đến năm 1995, ứng dụng của các hệ thống micro reactor trong công nghệ hóa học và cả công nghệ sinh học mới được đưa ra thảo luận ở Mainz (Đức), và đây được xem là điểm khởi đầu cho sự phát triển thực sự của các hệ thống micro reactor. Hai năm sau đó, hội nghị quốc tế đầu tiên về công nghệ micro và micro reactor đã được tổ chức, và sau đó trở thành hội nghị thường niên của lĩnh vực này, tổ chức hàng năm ở Châu Âu hoặc Hoa Kỳ.

Ở dạng đơn giản nhất và nhỏ nhất, micro reactor bao gồm một hệ thống các rãnh nhỏ có kích thước từ 10 đến 300 µm, được khắc vào một bề mặt rắn làm bằng thủy tinh, vật liệu silicat, hợp chất cao phân tử, hay bằng các lọai hợp kim khác nhau. Các rãnh nhỏ này được kết nối với một hệ thống các bình chứa nhỏ, là nơi chứa nguyên liệu và sản phẩm cho quá trình. Toàn bộ hệ thống các rãnh và bình chứa này có kích thước tổng cộng khoảng vài cm, thường được gọi là một con ‘chip’. Xúc tác rắn cho quá trình (nếu cần thiết) sẽ được nạp vào các rãnh nhỏ này. Hóa chất được di chuyển trong micro reactor dưới tác động của hiện tượng điện thẩm, điện di, hoặc bằng các bơm thủy lực có kích thước micro. Các hệ thống gia nhiệt hay làm lạnh cũng sẽ được kết nối với hệ thống phản ứng, dĩ nhiên cũng ở kích thước micro. Các phản ứng hóa học trong micro reactor có thể xãy ra trong pha lỏng, hoặc lỏng-hơi, hoặc là hoàn toàn ở pha hơi, tùy vào từng quá trình cụ thể.

Hình ảnh một micro reactor thủy tinh (ảnh nhỏ) và hệ thống nghiên cứu dòng chảy trong micro reactor (ảnh lớn) tại Khoa Kỹ thuật & Quá trình Hóa học, Trường đại học Sheffield, Anh Quốc

Các quá trình hóa học thực hiện trong micro reactor có nhiều điểm thuận lợi vượt bậc so với các quá trình trong các thiết bị phản ứng thông thường, chẳng hạn về tốc độ phản ứng và thời gian phản ứng. Một ví dụ tiêu biểu là công bố từ nhóm nghiên cứu của Giáo sư Haswell ở Trường đại học Hull của Anh Quốc, một trong những nhóm nghiên cứu hàng đầu thế giới về công nghệ micro reactor, đã thực hiện phản ứng ghép đôi Kumada giữa 4-bromoanisole với phenylmagnesium bromide trên xúc tác nikel trong micro reactor và cả trong bình phản ứng thông thường. Kết quả cho thấy tốc độ phản ứng trong micro reactor đã tăng một cách ngoạn mục, lớn hơn 3400 lần so với phản ứng thông thường. Bên cạnh đó, thời gian phản ứng từ 24 h trong bình phản ứng thông thường đã giảm một cách đáng kể xuống chỉ còn vài phút trong micro reactor! Tương tự như vậy, khi phản ứng tổng hợp dipeptide được thực hiện trong micro reactor, 100% hiệu suất đạt được chỉ sau 20 phút, trong khi đó phản ứng chỉ đạt 50% hiệu suất sau 24 h khi thực hiện theo quy trình thông thường. Hàng lọat ví dụ khác có thể được tìm thấy trên tạp chí Lab on a Chip của Hội hóa học Hoàng gia Anh – nơi dành riêng cho các công trình về micro reactor, hoặc trên các tạp chí quốc tế có tên tuổi khác như Analytical Chemistry của Hội hóa học Hoa Kỳ hay Green Chemistry của Hội hóa học Hoàng gia Anh...

Như đã nói ở trên, phản ứng trong micro reactor có khả năng cho sản phẩm với hiệu suất cũng như độ tinh khiết cao hơn trong một khoảng thời gian ngắn hơn so với phản ứng trong bình phản ứng thông thường, do đó một số lượng lớn các hóa chất mới có thể được tổng hợp ra trong một thời gian ngắn với một khối lượng vừa đủ để tiến hành các phân tích cần thiết cũng như thử họat tính sinh học. Hơn nữa, sự kết hợp nhiều micro reactor khác nhau có thể làm tăng thêm số lượng các hóa chất mới một cách đáng kể trong cùng một khoảng thời gian. Chính vì vậy, micro reactor được đánh giá là có khả năng làm một cuộc cách mạng trong công nghiệp tổng hợp hóa dược, nơi mà số lượng các hóa chất mới có khả năng có họat tính sinh học cần được tổng hợp ra ngày một nhiều và trong một khoảng thời gian ngắn nhất có thể. Thực tế, công nghệ micro reactor là một phần không thể thiếu trong chiến lược nghiên cứu và phát triển của tập đoàn dược phẩm danh tiếng GlaxoSmithKline, nơi mà hiện tại trung bình mổi giờ đồng hồ, 300 ngàn bảng Anh (tương đương trên 550 ngàn đô la Mỹ) đã được chi ra cho việc nghiên cứu tìm ra các lọai thuốc mới.

Đến đây, sẽ có người đặt câu hỏi là với kích thước micro như vậy, nếu dùng hệ thống micro reactor thì phải mất bao lâu để sản xuất được một lượng hóa chất đáng kể? Trong công nghệ hóa học thông thường, sau khi thử nghiệm thành công ở quy mô phòng thí nghiệm, hệ thống thiết bị sẽ được khuyếch đại (scale-up) lên quy mô lớn. Nhược điểm đáng kể của quá trình này là ở mổi giai đoạn khuếch đại, đều phải điều chỉnh lại thiết kế của thiết bị, cũng như đều phải tối ưu hóa lại quá trình. Trong công nghệ micro reactor, scale-up được thay thế bằng quá trình gọi là scale-out. Nghĩa là quá trình chỉ cần được tối ưu hóa một lần duy nhất trong phòng thí nghiệm với một micro reactor, sau đó chỉ cần tăng số lượng micro reactor lên để được lượng sản phẩm cần thiết, mà không thay đổi kích thước của micro reactor. Thực tế, công ty Siemens-Axiva (Đức) đã chứng minh rằng bằng cách sử dụng quá trình scale-out số lượng micro reactor, có thể sản xuất được polyacrylate trên quy mô công nghiệp. Hoặc là công ty Clariant (Thụy Sỹ) có thể sản xuất được 10 tấn phẩm màu diazo mỗi năm bằng hệ thống micro reactor. Không những thế, sản phẩm của hệ thống micro reactor có độ màu cao hơn 20-40% so với màu diazo sản xuất theo quy trình thông thường. Tập đoàn hóa chất Merck (Đức) cũng đã bắt đầu sản xuất một số hóa chất tinh khiết bằng các hệ thống micro reactor trên quy mô công nghiệp kể từ năm 1998. Tương tự như vậy, hệ thống micro reactor chuyên dụng của trung tâm nghiên cứu Karlsruhe (Áo Quốc) cũng đã có thể đạt năng suất 1700 kg hóa chất/h.

Một ưu điểm hết sức hiển nhiên của micro reactor là vấn đề an toàn cháy nổ cũng như an toàn sức khỏe cho người lao động được khống chế dễ dàng, khi mà các quá trình đều được thực hiện trong thiết bị chỉ với kích thước micro. Sự tiếp xúc của người lao động, nhất là các cán bộ nghiên cứu, với các hóa chất độc hại được giảm đến mức tối thiểu ở quy mô micro. Không những thế, nhóm nghiên cứu của Jensen và cộng sự đã chứng tỏ rằng bằng cách sử dụng micro reactor, các hợp chất peroxide hữu cơ có thể được tổng hợp ra từ acid chloride và hydrogen peroxide với nồng độ vượt qua giới hạn gây nổ (explosion limit) mà các quá trình thông thường không thể đạt được. Nguyên nhân của điều này là do quá trình truyền nhiệt ở khu vực phản ứng đạt hiệu quả cao ở kích thước micro do tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích đã được tăng đến mức tối đa, ngăn ngừa được nguy cơ cháy nổ. Một ví dụ khác là Viện công nghệ hóa học Fraunhofer (Đức) đã thực hiện thành công quá trình nitration của naphtalin với hiệu suất và độ chọn lọc cao, ở điều kiện mà nếu thực hiện trong các thiết bị phản ứng thông thường sẽ chắc chắn gây ra cháy nổ. Tuơng tự như vậy, nhóm nghiên cứu ở Viện công nghệ MIT (Hoa Kỳ) đã có thể thực hiện thành công phản ứng fluorination của toluene trực tiếp bằng fluorine trong micro reactor ở -10 độ C, trong khi nếu tiến hành quá trình thông thường thì nhiệt độ cần được khống chế ở -70 độ C để tránh nguy cơ cháy nổ.

Chính vì phản ứng trong micro reactor đạt hiệu quả cao hơn so với các quá trình thông thường nên lượng tác chất ban đầu cần sử dụng cũng sẽ được giảm đi, cũng như lượng chất thải độc hại cũng sẽ giảm đến mức tối thiểu. Bên cạnh đó, khối lượng sản phẩm cần thiết có thể được điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi số lượng micro reactor, vì vậy quá trình chỉ sản xuất ra vừa đủ lượng hóa chất cần thiết cho nhu cầu tại thời điểm đó. Giảm đến mức tối thiểu nhu cầu vận chuyển cũng như tích trữ các hóa chất độc hại, vốn thường kéo theo các nguy cơ về cháy nổ hay độc hại cho môi trường xung quanh. Theo Giáo sư Haswell của trường đại học Hull, Anh Quốc, hiện tại đây là đóng góp quan trọng nhất của micro reactor cho hóa học xanh (green chemistry) – ngành hóa học trong đó việc sử dụng hoặc tạo ra các hóa chất độc hại được giảm đến mức thấp nhất có thể hoặc được lọai bỏ hoàn toàn.

Công nghệ micro reactor chỉ mới phát trỉển khoảng một thập kỷ nay, nhất là vào những năm đầu của thế kỷ 21, và vẫn còn đang ở giai đoạn khởi đầu của tiến trình phát triển. Vì vậy vẫn còn quá sớm để đưa ra những kết luận sau cùng về những tiến bộ của công nghệ micro reactor. Tuy nhiên kết quả của những nghiên cứu về micro reactor trong những năm vừa qua đã chứng tỏ được nhiều hứa hẹn và triển vọng của nó trong công nghệ hóa học nói chung. Giáo sư Seeberger của Viện Công nghệ Thụy Sỹ đã cho rằng công nghệ micro reactor ở thế kỷ 21 sẽ gắn bó vô cùng mật thiết với các nhà hóa học (nguyên văn: Micro reactor technology – the chemist’s round bottom flasks of the 21st century). Cùng một quan điểm như vậy, Tiến sĩ Wahl, giám đốc bộ phận Nghiên cứu và Phát triển của tập đoàn hóa chất lừng danh số một thế giới Sigma-Aldrich cũng cho rằng công nghệ micro reactor là một cuộc cách mạng trong phòng thí nghiệm (nguyên văn: Micro reactor technology – the revolution in the lab).

Ở Việt Nam, khái niệm về micro reactor nói riêng cũng như hóa học trên quy mô nhỏ (SSC: small scale chemistry) nói chung vẫn còn khá mới, nhất là trong điều kiện các hóa chất cao cấp đều phải nhập từ nước ngoài. Tuy nhiên, theo quan điểm của người viết, việc đưa micro reactor và SSC vào các phòng thí nghiệm hóa học ở các trường đại học hay viện nghiên cứu là khả thi và cần thiết. Qua thực tế áp dụng ở một số trường đại học ở Hoa Kỳ, ví dụ ở trường đại học Colorado State năm vừa qua, so với phương pháp cổ điển thông thường, chi phí hóa chất dành cho một lớp học 25 sinh viên giảm từ 2731 đô la xuống chỉ còn 101 đô la, chi phí dành cho thiết bị dụng cụ giảm từ 26 573 đô la xuống chỉ còn 1056 đô la, đặc biệt lượng chất thải ra được lọai bỏ hầu như hoàn toàn, chỉ chiếm 0.001% trên tổng số lượng chất thải toàn trường! Trong điều kiện kinh phí cho phòng thí nghiệm còn hạn hẹp, các biện pháp bảo hộ sinh viên của chúng ta trước sự tiếp xúc với các hóa chất độc hại trong các phòng thí nghiệm hầu như chưa được quan tâm đúng mức, ý thức về bảo vệ môi trường chưa được coi trọng cũng như hóa chất thải ra từ các phòng thí nghiệm ở các trường đại học chưa được xử lý thích hợp, thì micro reactor và SSC là một lựa chọn cần thiết. Tuy nhiên, điều này cần sự phối hợp giữa cơ quan quản lý giáo dục với các trường liên quan, cũng như đội ngũ giảng viên liên quan cần phải làm quen với lĩnh vực này.

Phan Thanh Sơn Nam

• Micro reactor có thể tạm dịch là thiết bị phản ứng ở quy mô micro. Tuy nhiên ở các nước, micro reactor vẫn được dùng theo tiếng anh.

Tài liệu tham khảo:

1. K. Jahnisch, V. Hessel, H. Loeve, M. Baerns, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 406.

2. P. Watts and S. J. Haswell, Current Opinion in Chem. Bio., 2003, 7, 380.

3. P. Watts and S. J. Haswell, Green Chem., 2003, 5, 240.

4. P. H. Seeberger, F. Wahl, Sigma-Aldrich Chemfiles, 2005, 5, 1.

5. P. W. Miller, N. J. Long, A. J. de Mello, A. Gee, J. Passchier, R. Vilar, Chem. Commun., 2006, 546.

6. S. V. Gokhale, V. K. Jayaraman, R. K. Tayal, B. D. Kulkarni, Intl. J. Chem. React. Eng, 2005, 3, 1.

7. Số liệu của National Small-scale Chemistry Center, Trường đại học Colorado State, Hoa kỳ, 2006.

8. Số liệu của tập đoàn GlaxoSmithKline, Anh Quốc, 2006.

9. C. Hirche, Trend Report No. 17: Microtech. 2006, 1.

10. C. Wiles, P. Watts, S. J. Haswell, Org. Proc. Res. Development, 2004, 8, 28.

11. M. Brivio, W. Verboom, D. N. Reinhoudt, Lab Chip, 2006, 6, 329.

12. Thông tin từ Viện Công nghệ Nano, Trường đại học Twente, Hà Lan, 2006.



Bản quyền

TS Phan Thanh Sơn Nam