PL223432B1 - Reaktor mikroprzepływowy zwłaszcza do prowadzenia reakcji chemicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor mikroprzepływowy, zwłaszcza do prowadzenia reakcji chemicznych. W szczególności reaktor mikroprzepływowy jest przeznaczony do syntez organicznych oraz metaloorganicznych, gdzie wykorzystuje się agresywne rozpuszczalniki organiczne. Reaktor ten obejmuje co najmniej dwie płytki zbudowane z politetrafluoroetylenu i/lub jego pochodnych, połączone ze sobą mechanicznie. W jednej z płytek wyfrezowane są kanały o rozmiarach w skali mikrometrów w taki sposób, by po mechanicznym złączeniu części reaktora powstały kanały mikroprzepływowe.

Stan techniki

Klasyczna synteza organiczna charakteryzuje się między innymi dużą ilością rozpuszczalników wykorzystywanych w trakcie syntez. W ostatnich latach wraz z rozwojem mikrofluidyki oraz technik mikrofabrykacji, coraz częściej stosowane są one w syntezie organicznej i metaloorganicznej. Zalety stosowania tych technik to: doskonała kontrola nad parametrami reakcji (tj. przepływem reagentów, mieszaniem, temperaturą), bardzo małe zużycie rozpuszczalników organicznych (rzędu pojedynczych mililitrów), możliwość szybkiego przesiewania różnych parametrów reakcji (high throughtput screening), bezpieczeństwo (w przypadku niekontrolowanej reakcji szkody są znacznie mniejsze w przypadku kilku ml) oraz inne. Reaktory takie zazwyczaj mają postać dwóch płytek: na powierzchni jednej lub dwóch wykonane są kanały. Po scaleniu płytek razem (poprzez sklejanie czy zgrzewanie) powstaje mikroreaktor.

Ze względu na typowe warunki reakcji (agresywne rozpuszczalniki organiczne, często podwyższona temperatura), materiałom wykorzystywanym do wytwarzania układów mikroprzepływowych stawiane są wysokie wymagania jeśli chodzi o odporność na w/w warunki. Najczęściej stosowany materiał to szkło (P. D. I. Fletcher, S. J. Haswell, E. Pombo-Villar, B. H. Warrington, P. Watts, S. Y. F. Wong and X. L. Zhang, Tetrahedron, 2002, 58, 4735; Y. Kikutani, T. Horiuchi, K. Uchiyama, H. Hisamoto, M. Tokeshi and T. Kitamori, Lab Chipp, 2003, 3, 51), metal (K. Jahnisch, V. Hessel, H. Lowe and M. Baerns, Angew. Chem.-Int.Ed., 2004, 43, 406), krzem (J.R. Goodell, J.P. McMullen, N. Zaborenko, J.R. Maloney, Ch.-X. Ho, K.F. Jensen, J.A. Porco Jr., A.B. Beeler, J. Org. Chem. 2009, 74, 6169; K. F. Jensen, Chem. Eng. Sci., 2001, 56, 293) czy ceramika (R. Knitter, D. Gohring, P. Risthaus and J. Hausselt, Microsyst.Technol., 2001, 7, 85). Wykonywanie urządzeń w tych materiałach jest kosztowne (się. poprzez konieczność stosowania fotolitografii, wykorzystywania pomieszczeń „czystych czy unikalnych urządzeń) oraz wymaga użycia bardzo agresywnych odczynników (trawienie szkła przy pomocy kwasu fluorowodorowego). Ponadto reaktory metalowe są podatne na korozje w zetknięciu z reagentami, przez co trzeba je wykonywać ze stali o podwyższonej odporności, zatem droższej. Próby wykorzystania polimerów lub tworzyw sztucznych ograniczały się do tej pory do PFPE (T. J. A. Renckens, D. Janeliunas, H. van Vliet, J. H. van Esch, G. Muląc, M. T. Kreutzer, Lab Chip, 2011, 11, 2035) oraz politioenu (Z. T. Cygan, J. T. Cabrai, K. L. Beers, E. J. Amis, Langmuir, 2005, 21, 3629; D. Bartolo, G. Degre, P. Nghe, V. Studer, Lab Chip, 2008, 8, 274; L.-H. Hung, R. Lin, A. P. Lee, Lab Chip, 2008, 8, 983).

Polimery posiadają niezaprzeczalne zalety w przypadku stosowania ich jako materiał wyjściowy do wytwarzania układów mikroprzepływowych. Są to materiały łatwe w obróbce (poprzez wtrysk, frezowanie, wytłaczanie), obróbka ta nie wymaga wyspecjalizowanych pomieszczeń (typu clean room), względnie łatwo modyfikować chemicznie ich powierzchnię, szeroki wybór polimerów i ich pochodnych umożliwia dobranie takich parametrów, które są dla nas interesujące. Niestety, spośród znanych nam polimerów i tworzyw sztucznych tylko teflon i jego pochodne są w stanie znieść ciężkie warunki pracy narzucane przez reżim syntez organicznych tj. kontakt z agresywnymi rozpuszczalnikami, często w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu. Dotychczasowe zastosowania PTFE do tych celów prezentowali:

Kangning Ren, Wen Dai, Jianhua Zhou, Jing Su, and Hongkai Wu, PNAS, May 17, 2011, 108, 20, Simon Kuhn,Timothy Noel, Lei Gu, Patrick L. Heider and Klavs F. Jensen, Lab Chip, 2011, 11, 2488 Hui Zheng, Weizhi Wang, Xiaojun Li, Zihua Wang, Leroy Hood, Christopher Lausted and Zhiyuan Hu, Lab Chip, 2013, 13, 3347 oraz Thomas W. de Haas, Hossein Fadaei and David Sinton, Lab Chip, 2012, 12, 4236-4239. Autorzy łącząc PFTE stosowali śruby bądź też specjalne obejmy w celu zachowania szczelności układu. Ponadto poza PTFE stosowali także pochodne teflonu takie jak PFA czy FEP, które mimo że transparentne, są droższe od zwykłego teflonu stosowanego powszechnie w przemyśle.

Teflon jako materiał na reaktor mikrofluidyczny przedstawia sobą wielce korzystne właściwości:

PL 223 432 B1

i) jest całkowicie inertny chemicznie: nie reaguje oraz w niczym się nie rozpuszcza. Umożliwia to przeprowadzanie syntez w dowolnym rozpuszczalniku oraz ich mieszaninach oraz bardzo łatwe mycie reaktora przy pomocy kwasów czy zasad, ii) jest materiałem łatwym w obróbce poprzez frezowanie. W prosty sposób można powierzchnię teflonu wygładzać i polerować, iii) jest nietopliwy w zakresie typowych temperatur stosowanych w chemii organicznej i metaloorganicznej (temperatura topnienia to 327°C), iv) jest hydrofobowy, co jest korzystne w przypadku przeprowadzania syntez w kropelkach (droplet microfluidics)

v) jest powszechnie dostępny i stosunkowo niedrogi.

Brak szerokiego wykorzystania PTFE w wytwarzaniu mikroreaktorów spowodowany jest jego całkowitą inertnością i wysoką temperaturą topnienia: nie sposób połączyć ze sobą obu części reakt ora w sposób chemiczny czy też poprzez stosowanie ciśnienia i wysokiej temperatury.

Istota wynalazku

Opracowany przez nas sposób łączenia materiałów o wysokim module Younga (patrz zgłoszenie patentowe: „Sposób łączenia płytek z materiałów polimerowych o wysokim module Younga oraz układ mikroprzepływowy wykonany tym sposobem” o nr P-405650 umożliwia połączenia dwóch części reaktora wyłączenie poprzez specjalne złącze wciskowe.

Celem wynalazku jest zaproponowanie reaktora mikrofluidycznego do syntez organicznych wykonanego w całości z teflonu (PTFE) lub jego pochodnych, obejmującego dwie części połączone ze sobą za pomocą złącza wciskowego.

Zgodnie z wynalazkiem, reaktor mikroprzepływowy, zwłaszcza do prowadzenia reakcji chemicznych, obejmujący połączone ze sobą co najmniej dwie płytki wykonane z politetrafluoroetylenu i/lub jego pochodnych, charakteryzuje się tym, że zawiera wyfrezowany wypust na jednej płytce („męskiej”) oraz komplementarny kanał (rowek) na drugiej płytce („żeńskiej”), które są połączone poprzez złącze wciskowe, a ponadto jedna z płytek zawiera wyfrezowany co najmniej jeden dodatkowy kanał, który po złożeniu obu płytek razem, staje się kanałem mikroprzepływowym.

Reaktor według wynalazku jest wykonany z pochodnych politetrafluoroetylenu (PTFE) wybranych spośród kopolimeru tetrafluoroetylenu i perfluoropropylowinyloeteru (PFA) i fluoryzowanego etylopropylenu (FEP).

Korzystnie, wspomniany co najmniej jeden dodatkowy kanał jest częścią kanału (rowka) na drugiej płytce („żeńskiej”).

Korzystnie, prostopadle do płaszczyzny reaktora znajdują się otwory przechodzące na wylot przez kanały mikroprzepływowe do dostarczania reagentów, odbierania produktów i/lub monitorowania przebiegu reakcji, korzystnie za pomocą światłowodów oraz spektrofotometrii UV/Vis.

Korzystnie, płytka „męska” ma wyfrezowany wypust ponad powierzchnię struktury o przekroju kwadratu lub prostokąta.

Korzystnie, wypust znajduje się wokół kanału mikroprzepływowego i ma szerokość od 1 mm do 15 mm, korzystnie od 3 mm do 7 mm, a najkorzystniej 5 mm, a jego wysokość mieści się w zakresie od 1 mm do 10 mm, korzystnie od 2 mm do 6 mm, a najkorzystniej 4 mm.

Korzystnie, płytka ze złączem „żeńskim” posiada wyfrezowany komplementarny kanał (rowek) mający przekrój kwadratu lub prostokąta, a sam kanał ma kształt okręgu, owalu lub prostokąta.

Korzystnie, szerokość wypustu jest większa niż komplementarnego kanału w płytce „żeńskiej” (w_m > wf) od 0 do 100 μm, korzystniej między 20 a 150 μm, a najkorzystniej 100 μm.

Korzystnie, zewnętrzna część układu jest wyfrezowana o 0.5-1 mm głębiej niż część wewnętrz^{na (h}me ^{— h}mi).

Korzystnie, płytka ze złączem „żeńskim” posiada komplementarny kanał (rowek) pasujący kształtem i wymiarami do wypustu z płytki ze złączem „męskim”.

Wynalazek zostanie bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia zasadę działania złącza wciskowego między płytkami tworzywa sztucznego. Fig. 1a demonstruje przekrój płytki „męskiej” z widocznym wypustem oraz wyfrezowanym kanałem mikroprzepływowym. Fig. 1 b demonstruje przekrój płytki „żeńskiej” z komplementarnym kanałem, który razem z wypustem stanowi złącze wciskowe. Rysunek jest przykładem złożonego urządzenia mikrofluidycznego, w którym pomiędzy płaszczyzną górnej i dolnej płytki tworzy się kanał mikro4

PL 223 432 B1 fluidyczny o głębokości c_d i szerokości c«, a oprócz tego mogą powstać kanały wzdłuż złączy wciskowych.

Fig. 2 przedstawia schemat ideowy części reaktora (płytki „męskiej)” wraz z kanałem do syntezy organicznej oraz naniesionymi typowymi wymiarami płytki.

Fig. 3 ilustruje schematycznie złącze wciskowe: pokazuje płytkę „męską” z widocznym wypustem i kanałem mikroprzepływowym oraz płytkę „żeńską” z widocznym kanałem pasującym kształtem i wymiarami do wpustu.

Fig. 4 przestawia wyfrezowany reaktor mikroprzepływowy wykonany z teflonu, tj. płytkę z „męską” oraz z widocznymi kanałami (fig. 3a), płytkę „żeńską” (fig. 3b) oraz złożony reaktor gotowy do syntezy organicznej (fig. 3c).

Fig. 5 przedstawia syntezę organiczną, przeprowadzoną przy pomocy reaktora mikrofluidycznego wykonanego według wynalazku. Reagenty są podawane do reaktora wykonanego według wyn alazku poprzez pompy strzykawkowe sterowane z komputera. Produkt jest odbierany do fiolki umieszczonej w zlewce, w której panuje atmosfera ochronna z argonu.

Fig. 6 przedstawia schemat reakcji chlorku metylomagnezowego z benzofenonem oraz wyniki uzyskane z analizy HPLC pokazujące spadek ilości substratu (wydajność reakcji) w zależności od prędkości przepływu reagentów.

Korzystny przykład realizacji wynalazku

Zgodnie z wynalazkiem wykonano z teflonu reaktor mikroprzepływowy do prowadzenia reakcji chemicznej, w oparciu o sposób wykonania znany ze zgłoszenia P-405650, wymienionego wyżej, przedstawiony na fig. 4.

Według wynalazku proces wytwarzania części składowych reaktora składa się z dwóch etapów: frezowania złącza oraz frezowania kanałów mikroprzepływowych. Etapy te można szczegółowo podzielić na:

i) zaprojektowanie układu w programie typu CAD (fig. 2), optymalizacja jego geometrii a następnie wyznaczenie ścieżek narzędzie w programie CAM, ii) wyfrezowanie obu części reaktora przy pomocy frezarki sterowanej numerycznie. Korzystnie, jeśli w trakcie frezowania najpierw frezuje się złącze wciskowe a następnie kanał mikrofluidyczny. Na końcu wiercone są otwory dolotowe do podawania reagentów i odprowadzania produktu, iii) układ jest czyszczony strumieniem wody, następnie płytka ze złączem „żeńskim” jest wygładzana i polerowana.

iv) płytki są składane razem i ściskane (optymalnie przy pomocy urządzenia zapewniającego równomierny docisk na całej ich powierzchni, prasy mechanicznej).

Twórcy niniejszego wynalazku zademonstrowali, że teflon z wyfrezowanymi kanałami oraz złączem wciskowym może zostać wykorzystany do produkcji reaktorów mikrofluidycznych i służyć do prowadzenia w nim syntez chemicznych z użyciem rozpuszczalników organicznych. Jako przykład przedstawiono reaktor, w którym przeprowadzono syntezę z THF jako rozpuszczalnikiem. Zastosowano przepływy od 1 do 6 ml/h. Produkt przebadano przy pomocy HPLC.

Reakcję przeprowadzono w reaktorze mikrofluidycznym przedstawionym na fig. 2 z kanałami o przekroju 400 x 400 ąm i długość 77 cm. Chlorek metylomagnezowy (1.5M roztwór w THF) oraz benzofenon (0.75M roztwór w THF) zostały umieszczone w strzykawkach (10 ml), które zostały za pomocą wężyka polietylenowego połączone z dwoma wejściami mikroreaktora. Trzecie wyjście zost ało zamknięte. Strzykawki zostały umieszczone na pompie strzykawkowej i reagenty wprowadzano do reaktora z prędkością: 6, 5, 4, 2 i 1 ml/h. Mieszanina reakcyjna po wyjściu z reaktora została poprzez wężyk polietylenowy wprowadzana do fiolki zawierającej wodę w celu zakończenia reakcji (rozkład nadmiaru związku magnezoorganicznego). Stopień przereagowania benzofenonu kontrolowano poprzez analizę HPLC (kolumna: 250 x 4.6 mm, Kromasil 100-C18/5 ąm, acetonitryl:woda - 50:50). Stwierdzono, że dla przepływów mniejszych niż 6 ml/h (3 ml/h dla każdego z reagentów) następuje całkowite przereagowanie substratu.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Reaktor mikroprzepływowy, zwłaszcza do prowadzenia reakcji chemicznych, obejmujący połączone ze sobą co najmniej dwie płytki wykonane z politetrafluoroetylenu i/lub jego pochodnych, znamienny tym, że zawiera wyfrezowany wypust na jednej płytce („męskiej”) oraz komplementarny

   PL 223 432 B1 kanał (rowek) na drugiej płytce („żeńskiej”), które są połączone poprzez złącze wciskowe, a ponadto jedna z płytek zawiera wyfrezowany co najmniej jeden dodatkowy kanał, który po złożeniu obu płytek razem, staje się kanałem mikroprzepływowym.
2. 2. Reaktor według zastrz. 1, znamienny tym, że jest wykonany z pochodnych politetrafluoroetylenu (PTFE) wybranych spośród kopolimeru tetrafluoroetylenu i perfluoropropylowinyloeteru (PFA) i fluoryzowanego etylopropylenu (FEP).
3. 3. Reaktor według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wspomniany co najmniej jeden dodatkowy kanał jest częścią kanału (rowka) na drugiej płytce („żeńskiej”).
4. 4. Reaktor według zastrz. 1,2 albo 3, znamienny tym, że prostopadle do płaszczyzny reaktora znajdują się otwory przechodzące na wylot przez kanały mikroprzepływowe do dostarczania reagentów, odbierania produktów i/lub monitorowania przebiegu reakcji, korzystnie za pomocą światłowodów oraz spektrofotometrii UV/Vis.
5. 5. Reaktor według któregokolwiek z zastrz. 1 do 4, znamienny tym, że płytka „męska” ma, wyfrezowany wypust ponad powierzchnię struktury o przekroju kwadratu lub prostokąta.
6. 6. Reaktor według któregokolwiek z zastrz. 1 do 5, znamienny tym, że wypust znajduje się wokół kanału mikroprzepływowego i ma szerokość od 1 mm do 15 mm, korzystnie od 3 mm do 7 mm, a najkorzystniej 5 mm, a jego wysokość mieści się w zakresie od 1 mm do 10 mm, korzystnie od 2 mm do 6 mm, a najkorzystniej 4 mm.
7. 7. Reaktor według któregokolwiek z zastrz. 1 do 6, znamienny tym, że płytka ze złączem „żeńskim” posiada wyfrezowany komplementarny kanał (rowek) mający przekrój kwadratu lub prostokąta, a sam kanał ma kształt okręgu, owalu lub prostokąta.
8. 8. Reaktor według któregokolwiek z zastrz. 1 do 7, znamienny tym, że szerokość wypustu jest większa niż komplementarnego kanału w płytce „żeńskiej” (w_m > wf) od 0 do 100 ąm, korzystniej między 20 a 150 ąm, a najkorzystniej 100 ąm.
9. 9. Reaktor według któregokolwiek z zastrz. 1 do 8, znamienny tym, że zewnętrzna część układu jest wyfrezowana o 0.5 - 1 mm głębiej niż część wewnętrzna (h_me - h_m).
10. 10. Reaktor według któregokolwiek z zastrz. 1 do 9, znamienny tym, że płytka ze złączem „żeńskim” posiada komplementarny kanał (rowek) pasujący kształtem i wymiarami do wypustu z płytki ze złączem „męskim”.