Miniaturização das plantas químicas – Parte 2: Microfluídica

Microdispositivo/evaporador desenvolvido para evaporação de álcool em excesso no biodiesel.

Na semana passada, nós começamos a entender como as atuais plantas químicas poderão ser reduzidas em tamanho, consumir menos energia, além de gerar menos resíduos, mas mantendo sua capacidade de produção. Se você não leu ainda, corre lá ou clique aqui, kkkk, para lembrar ou aprender o que é intensificação de processos e o que isso tem a haver com a redução do tamanho de equipamentos.

Nós vimos que a primeira definição de intensificação de processos (PI), definia esse conceito como uma estratégia de redução no tamanho de uma planta química de modo a atingir um determinado objetivo de produção. Segundo essa definição,  a redução no tamanho poderia ocorrer pela diminuição do tamanho das peças individuais ou pela redução no número de unidades envolvidas, sendo essa redução de volume na ordem de 100 ou mais.

Na época dessa definição, uma redução de volume na ordem de 100 ou mais era extremamente dificil de ser alcançar. Porém, microdispositivos estão bem mais comuns nos nossos dias e nos tem possibilitado alcançar ou mesmo ultrapassar essa ordem de redução. Então, nessa publicação, nós vamos ver alguns exemplos de aplicações de microdispositivos em intensificação de processos.

Intensificação de processos através de microdispositivos na engenharia química

Microrreator com 13 canais de 1500 µm de largura, 200 µm de altura e um comprimento longitudinal de 411 mm, fabricados em PDMS para síntese de biodiesel.

Recentemente, nosso grupo de pesquisa demonstrou como microdispositivos podem ser mais eficientes do que os equipamentos convencionais para a síntese e purificação de biodiesel. Em um estudo publicado na Chemical Engineering Journal [1] nós comparamos a reação de síntese de biodiesel nos sistemas batelada e em microrreatores, i.e., dispositivos compostos por microcanais interligados, em que pequenas quantidades de reagentes são manipuladas, reagindo por um tempo determinado (para mais informações sobre microrreatores clique aqui).

As maiores porcentagens de ésteres etílicos (quantidade de biodiesel) obtidas para o reator batelada e para o microrreator foram de 94,1% e 95,8%, respectivamente. Apesar dos valores obtidos nos dois sistemas serem próximos, o tempo reacional do sistema batelada foi de 180 min contra 1 min do sistema de microrreator. E se analisarmos os volumes do sistema, a redução é ainda maior. O volume do reator batelada era de 2 x 10-3 m3, enquanto o volume aproximado do microrreator era de 1.2 x 10-7 m3, o que significa uma redução de aproximadamente 17000 vezes!

Nós também exploramos a utilização de microdispositivos na remoção do excesso de álcool do biodiesel, normalmente realizada em rotaevaporadores em laboratório e em colunas de destilação na escala industrial. Nessas colunas, a mistura álcool/biodiesel, introduzida em um ponto definido na coluna, é submetida a aquecimento e o álcool vaporizado saí pela extremidade superior, retornando à fase líquida por resfriamento, na forma de refluxo. O que nós demonstramos, tanto experimentalmente [2] quanto numericamente [3] é que esse processo poder ser realizado, com alta eficiência, com o emprego de microtrocadores de calor. Os estudos foram publicados na Chemical Engineering Research and Design e na Chemical Engineering Transactions.

O microdispositivo utilizado nos experimentos possuiu 30 mm de comprimento longitudinal, com uma altura de 210 µm. O número dos canais foram iguais a 15 e a largura de cada canal foi de 0,5 mm, com uma separação entre eles de 0,5 mm. O comprimento de cada canal foi de 20 mm. Os microdispositivos foram fabricados em Polidimetilsiloxano (PDMS). Os resultados experimentais mostraram uma eficiência de 82% quando a mistura de etanol/biodiesel é bombeada a uma taxa de 0,6 ml min-1, temperatura de 100 °C e uma razão molar de 2 com uma única passagem através do microdispositivo, isto é, não há refluxo de qualquer dos componentes nos microcanais. Quando o trabalho foi publicado, o pessoal do jornal da UNICAMP fez uma matéria bem legal sobre o microdispositivo. Você pode ler esse texto clicando aqui.

Você também pode entrar em mais detalhes sobre aplicação de microrreatores em PI lendo o trabalho de Pohar e Plazl de 2009 [4].

Intensificação de processos através de microdispositivos na área farmacêutica

Aqui no blog nós temos várias postagens sobre o uso de microdispositivos na medicina e áreas afins. Por isso, vamos falar um pouco de PI através de microdispositivos nessas áreas. Escolhi dois exemplos bastante interessantes.

Diagrama esquemático do trabalho de Wu et al. (a) e a imagem (b) do dispositivo de eletropray coaxial estático micromixer. Diagramas esquemáticos do micromisturador estático (c) e a película divisória (d) (unidade: mm). Reprinted with permission from Wu et al. Copyright. 2012 American Chemical Society

Wu et al. [5] desenvolveram uma técnica chamada micromisturador estático- eletrospray coaxial para sintetizar um sistema nanoterapêutico integrado com capacidade de imagem diagnóstica e funções terapêuticas, os theranostic lipoplexes, os quais são utilizados para melhorar os atuais tratamentos contra o câncer.

Entretanto a produção desses sistemas uniformes com múltiplos componentes de forma reprodutível é uma tarefa desafiadora. Métodos na escala convencional não conseguem atingir esse objetivo devido à sua natureza intrínseca e aleatória.

Utilizando microdispositivos fabricados com PMMA (Polimetil-metacrilato) e otimizados por simulações numéricas realizadas com o software ANSYS CFX, os pesquisadores produziram theranostic lipoplexes carregados com ponto quântico (QD605) e oligodesoxinucleótidos anti-sentido marcados com Cy5 (Cy5-G3139) de forma bem controlada.

Qin et al. [6] investigaram a síntese do composto Ginkgolide B (utilizado no tratamento da doença de Alzheimer entre outras doenças) em um microrreator catalítico.  No processo convencional (reator batelada), os autores do estudo obtiveram um rendimento de 46,2%. Quando a reação foi realizada no microrreator o rendimento foi de 94,1% em um tempo de reação de 3 min. Os autores atribuíram essa significativa melhora à melhor mistura, maior transferência de massa e calor no sistema miniaturizado.

Síntese do Ginkgolide B em um microrreator catalítico. Crédito: Qin et al., 2016.

Eu também indico o trabalho de Marques e Fernandes de 2011 [7] que forneceram uma visão geral de aplicações de dispositivos microfluídicos para a intensificação do processo em biotecnologia.

Desses exemplos, observamos como a microfluídica pode ser utilizada na intensificação de processos e alcançar elevadas reduções de volume nos equipamentos em engenharia química.

Claro que o volume produzido de um composto ou substância por um microdispositivo é muito reduzido. Por isso, vários pesquisadores vem trabalhando no scale-up ou aumento de escala desses microdispositivos, que em teoria resolveria esse problema. Mais isso é assunto para um outro post!

Até a próxima querido leitor!

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[1] S. Santana, D.S. Tortola, E.M. Reis, J.L. Silva and O.P. Taranto. Transesterification reaction of sunflower oil and etanol for biodiesel synthesis in microchannel reactor: Experimental and simulation studies. Chemical Engineering Journal, v. 302, p. 752-762, 2016.

[2] S. Santana, G.B. Sanchez and O.P.Taranto. Evaporation of excess alcohol in biodiesel in a microchannel heat exchanger with Peltier module. Chemical Engineering Research & Design, v. 124, p. 20-28, 2017.

[3] L. Silva Jr., H.S. Santana, G.B. Sanchez and O.P. Taranto. Numerical Simulation of Excess Ethanol Evaporation from Biodiesel in a Micro Heat-Exchanger. Chemical Engineering Transactions, v.57, p.1123-1128, 2017.

[4] Pohar and I. Plazl. Process intensification through microreactor application. Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, v. 23, p.537-544, 2009.

[5] Qin, Y. et al. Continuous synthesis of ginkgolide B derivatives in a micro-flow system. Tetrahedron Letters, 57, 1243–1246, 2016.

[6] Wu, Y. et al. Static Micromixer–Coaxial Electrospray Synthesis of Theranostic Lipoplexes. ACS Nano, 6 (3), 2245–2252, 2012.

[7] Marques, M. P. C. e Fernandes, P. Microfluidic Devices: Useful Tools for Bioprocess Intensification. Molecules, 2011, 16.

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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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