Исследование механизмов естественной конвекции для смешивания жидкостей позволило команде ученых, в которую вошли специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета, предложить метод для разработки отечественной технологии создания сетей микрореакторов проточного типа для фармацевтического производства, 29 августа сообщает пресс-служба пермского политеха.

В команду исследователей вошли также ученые Института механики сплошных сред УрО РАН (Пермь) и Израильского технологического института — Технион (Хайфа). Результаты исследования разработчики представили в журнале Microgravity Science and Technology.

Микрожидкостные чипы в настоящее время нашли широкое применение в микробиологии, тонком органическом синтезе, фармацевтике, биомедицине и микроробототехнике. Микрореакторы таких систем имеют размеры менее 1 мм. Однако эффективность реакции часто требует быстрого смешивания реагентов, а стандартные способы из-за таких малых размеров реактора не работают.

Заведующий кафедрой прикладной физики пермского политеха, доктор физико-математических наук, доцент Дмитрий Брацун рассказал, что микрожидкостные устройства широко используются для изучения химико-технологических, физических и биологических процессов.

«Проточные микрореакторы, которые по размерам приближаются к микрожидкостным устройствам, стали значимым прорывом в химической инженерии последних лет», — сообщил ученый.

Он отметил, что в настоящее время для фармацевтической промышленности востребованной является возможность быстрой переналадки производства, а не увеличение выпуска стандартного продукта.

Используемые для сложных химических реакций, проточные микрореакторы представляют собой разветвленную сеть каналов. Тонкий органический синтез состоит из цепочки многокомпонентных и многостадийных реакций, требующих разных условий и протекающих с разной скоростью. Этот способ обеспечивает высокую производительность, стабильные условия реакции, эффективный контроль потребления реагентов и энергии.

Размер реакторов для такого синтеза продуктов в настоящее время находится в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне, что стало затруднять смешивание реагентов. Оно происходит обычно только за счет диффузии, которая идет медленно, соответственно, замедляя реакцию.

Для ускорения синтеза применяют активные и пассивные методы перемешивания. В первом случае на реагенты воздействуют или механически, или нагревом, или электромагнитным полем.

Второй метод использует внутреннюю энергию потока, например, применяя конвекцию, когда внутренняя энергия передается потоками самого вещества. Обычно с этой целью усложняют конструкцию каналов, что вызывает дополнительные затраты энергии.

Метод ученых пермского политехнического университета и их коллег использует механизмы естественной конвекции. В процессе его разработки они провели ряд экспериментов, изучая эффективность использования естественной конвекции для смешивания растворов.

Исследования велись с применением Y-образного микрореактора, являющегося типичным элементом микрожидкостной сети. Визуализация потоков осуществлялась оптическими методами, а флуоресцентный краситель помогал оценить степень смешивания веществ. Для оценки оптимальной длины канала, в котором растворы полностью смешиваются, было использовано 3D-моделирование.

Ученые установили, что при естественной конвекции смешивание происходило быстрее по сравнению с диффузией. Были определены минимальные размеры устройства, в котором механизмы конвекции будут работать. Они достигают 100 нм.

Разработчики считают, что в микрожидкостных устройствах проточного типа для определенных реакционных схем естественная конвекция может стать эффективным инструментом ускорения реакций.