Teknik Reaksi Kimia 2 - TUGAS JURNAL REVIEW MICROREACTOR

TEKNIK REAKSI KIMIA 2 JURNAL REVIEW MICRORACTOR APPLICATION OF MICROREACTORS IN MEDICINE AND BIOMEDICINE

Anggota Kelompok: Ervandy Haryoprawironoto(1306370461) Muhamad Madani

(1306405755)

Rayhan Hafidz Ibrahim

(1306409362)

Rioneli Ghaudenson

(1306413712)

Seva Juneva

(1206241552)

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK, MARET 2016

JURNAL REVIEW MICRORACTOR - APPLICATION OF MICROREACTORS IN MEDICINE AND BIOMEDICINE

BAB I MICROREACTORS Pada makalah ini Microreactor akan dipelajari melalui review jurnal yang berjudul Application of microreactors in medicine and biomedicine (Anita Salic, Ana Tusek, Bruno Zelic).

Gambar 1. Halaman depan jurnal Application of microreactors in medicine and biomedicine.

Microreactor didefinisikan sebagai sistem miniatur reaktor. Sistem dibuat

dengan

menggunakan

metode

microtechnology

dan

presisi

engineering (Ehrfeld et al. 2005). Istilah "Microreactor" adalah nama yang umumnya digunakan untuk menggambarkan sejumlah besar perangkat yang memiliki dimensi yang kecil. Reaktor jenis ini cocok digunakan untuk reaksi-reaksi yang sangat eksothermis/endothermis dan atau dibatasi oleh perpindahan masa yang bertujuan tercapainya selektivitas yang tinggi pada konversi reaksi yang tinggi, serta keamanan dalam proses. Nama lain yang jarang digunakan adalah nano, milisi dan minireaktor. Sebagian besar saat ini digunakan perangkat microreaction terstruktur

memanfaatkan

memungkinkan memastikan

2

dari

penggunaan

tinggi

efisiensi

Teknik Reaksi Kimia 2 2016

mikrofluida

volume serta

mikro

dan

nanofluidics,

dan

pengulangan

nanolitre

biocatalytic

yang yang proses

Departemen Teknik Kimia, Universitas Indonesia


(Perkotaan et al. 2006). Microreactors, dalam bentuk yang paling sederhana, terdiri dari jaringan saluran mikro (Gbr.1), di kisaran 10 μm sampai 500 μm dalam substrat padat. Microreactor dapat dibuat dari bahan yang berbeda termasuk

kaca,

silikon,

kuarsa,

logam

dan

polimer

seperti

polydimethylsiloxene (PDMS). Yang paling umum digunakan bahan kaca karenainert dan transparan yang memungkinkan pemeriksaan visual microchannels (McCreedy 2000). Perangkat logam digunakan untuk reaksi yang sangat eksotermik, reaksi katalis heterogen dan berbagai metode pemisahan. Teknik fabrikasi yang berbeda juga termasuk dalam produksi microchannel. Photolithographyhot embossing, powder blasting, Injection molding, teknologi ultrasonik dan laser microformation hanya beberapa dari mereka. Pemilihan teknik memiliki dampak yang besar pada aliran dalam microchannel dimana permukaan kasar dapat memiliki efek negatif pada pergerakan fluida (yaitu pada aliran stabilitas) sehingga perlu untuk memilih teknik produksi yang tepat. Microchannel, jika perangkat terdiri dari

beberapa

saluran,

yang

terhubung

ke

serangkaian

reservoir

mengandung reagen oleh konektor menyatu. Reagen dapat dibawa, dicampur, dan dibiarkan bereaksi selama waktu tertentu dalam keadaan yang dikendalikan.

Gambar 2. Tiga Konfigurasi Channel pada Microreactor

3




Konfigurasi yang paling baik dalam hal pressure drop paling kecil adalah konfigurasi straight. keunggulan kinerja jika dibandingkan dengan macroreactors

setara.

Dimensi

yang

kecil

dari

Microreactors

memungkinkan penggunaan minimal jumlah reagen dalam keadaan yang mudah

dikontrol

dan

memungkinkan

kondisi

reaksi

cepat

serta

meningkatkan keamanan proses secara keseluruhan (Gerey et al. 2006). Selain itu, perpindahan massa dan perpindahan panas sangat baik, waktu tinggal pendek, jumlah yang lebih kecil dari reagen, ringan dan desain sistem yang compact, aliran laminar, pencampuran yang efektif, kontrol proses yang lebih baik dan konsumsi energi yang kecil hanya beberapa keuntungan dari Microreactor (Ehrfeld et al. 2005). Untuk penggunaan teknologi Microreactor adalah keuntungan dalam hasil dan aspek keamanan. salah satu sifat yang paling penting dari Microreactor adalah besarnya rasio luas permukaan dan volume. Karena itu, pada mikro itu adalah mungkin untuk melakukan reaksi yang sangat cepat dans sangat eksotermik. Hal ini juga membuat jarak perpindahan massa menjadi rendah.

Parameter

Surface-to-

Shell and Tube

Compact Heat

Microchannel

Heat

Exchanger

Heat

Exchanger 50-100

850-1500

Exchanger >1500

5000

3000-7000

>7000

20-100

50-300

400-2000

20

10

<10

turbulent

Turbulent

laminer

volume-ratio [m2/m3] Heat Transfer Coefficient (liquid) [W/m2K] Heat Transfer Coefficient (gas) [W/m2K] Approach Temperature [oC] Flow Regime

Tabel 1. Perbandingan Parameter Microreaktor dan Makroreaktor

4




Scale up merupakan salah satu prediksi besar pada Microreactors manfaat yang dibuat di perintis dan kemudian menjadi topik mendalam industri dalam analisis proses intensifikasi (Schenk et al. 2004). Menghubungkan Microreactors untuk beroperasi secara paralel atau seri (Lowe et al. 2002, Carpentier 2005). Salah satu keuntungan terbesar dari scaling up adalah bahwa operasi continous tidak terganggu jika salah satu dari unit gagal, karena dengan mudah dapat diganti tanpa mempengaruhi unit operasi lainnya. keuntungan lain adalah bahwa makna pembangunan unit operasi jangka waktu yang diperlukan untuk setup, pengujian dan turnaround jauh lebih kecil daripada menggunakan makroreaktor scale up. Setelah proses dijelaskan dalam satu chip, dengan menggabungkan sama unit kita bisa meningkatkan kapasitas. Kelemahan yang sering dikutip dari Microreactors adalah biaya fabrikasi tinggi, dam tidak cocok dengan padatan biaya scale up yang tinggi

sehingga

akan

berdampak

pada

biaya

penerimaan

industri

(Westermann 2009). Salah satu masalah terbesar dimensi kecil dari microchannels adalah penyumbatan (Poe et al. 2006) ketika bekerja padatan (untuk dispersi misalnya enzim) dalam Microreactor atau dengan pelarut yang sangat kental penyumbatan dapat terjadi. Hal ini juga penting untuk menyebutkan bahwa ketika bekerja dengan Microreactors yang waktu tinggalnya sangat singkat memerlukan reaksi cepat. Reaksi cepat juga membutuhkan katalis sangat aktif yang stabil di Microreactor tersebut. Jadi Microreactors masih, tidak dapat digunakan sebagai pengganti untuk semua proses tradisional.

5




Gambar 3. Perbandingan Scale Up Makroreaktor dengan Microreactor

Sebagian besar tulisan yang telah dipublikasikan pada penerapan microreactors tidak hanya di bidang Penelitian laboratorium dasar, tetapi juga

di

bidang

kedokteran

dan

biomedis.

Microreactor

telah

dikembangkan untuk memfasilitasi produksi dan analisis dari sudut pandang obat-obatan dan biomedis, perangkat diagnostik klinis condong ke arah benar-benar terintegrasi, multiple canggih analisis biokimia (PCR amplifikasi, lisis sel, pemisahan dan deteksi) semua pada satu platform dan secara real time. Kemampuan untuk miniaturirasi seluruh sistem biomedis

memiliki

potensi

untuk

mengurangi

biaya

manajemen

kesehatan. Ada juga khusus perhatian dibayar untuk penggunaan mikrodevice

dalam

jaringan

rekayasa

dan

pengembangan

microengineering. Di sisi lain, pengembangan microengineering saraf mengambil di keuntungan dari semua properti mikrofluida untuk mencapai interaksi yang lebih baik antara sel target. Peneliti berharap bahwa penelitian ini akan memberikan yang lebih baik dan wawasan yang tepat dari sistem saraf, membentuk neurogenesis dan migrasi neuronal untuk aksonal jalan-temuan

dan

sinaps

membentuk

(Gomez

2000).

Penyaringan

throughput yang tinggi (HTS). Salah satu aplikasi yang paling penting dari Sistem Microreactor 6




terutama

LOC

adalah

penyaringan

throughput

tinggi

(HTS)

untuk

kombinatorial kimia, gen dan analisis protein dll, polymerase chain reaction

(PCR)

microchip

mikrodivais,

bersama

dengan

kapiler

elektroforesis (CE) microchip dan hibridisasi microchip dipelajari dengan cepat. Mereka dapat digunakan untuk replikasi DNA cepat, deteksi mikroba, agen biologis dan penyakit diagnostik termasuk penyakit menular

seperti

human

immunodeficiency

virus

(HIV),

human

papillomavirus (HPV), yang virus hepatitis dan lainnya (Zhang et al. 2006). Untuk memungkinkan teknologi ini berfungsi, berbeda berkembang teknologi

seperti

microlithography,

micro-electromechanical-

sistem

(MEMS) teknologi, mikrofluida dan nanoteknologi sedang dikembangkan di parallel (Zhang et al. 2006). Perangkat

yang

digunakan

untuk

pemisahan

di

microreactor

teknologi didasarkan pada ekstraksi, filtrasi dan proses difusi. Biasanya mereka dirancang sebagai bagian dari sistem analisis yang berbeda dan bukan sebagai tunggal instrumen. Dalam bioteknologi dan kimia, ekstraksi molekul target dari cairan primer dan konsentrasi molekulmolekul dalam cairan sekunder adalah proses operasi penting dilakukan sebelum

analisis

lebih

lanjut.

Proses

ekstraksi,

dilakukan

dalam

microextractors, didasarkan pada kontak dua cairan bercampur (biasanya kombinasi organik dan cairan anorganik) dan zat terlarut yang dihasilkan antara dua tahap. Mikrofiltrasi dilakukan oleh micromembranes dan microfilters yang biasanya digunakan untuk menghapus partikel dalam kisaran 0,1-10 m dari suspensi. Tindakan ini biasanya diambil sebelum suspensi dipompa ke

mikro.

Alasannya

adalah

bahwa

microreactors

inheren

dapat

tersumbat jika solusi partikel bekerja atau dihasilkan. Sebuah langkah penyaringan

sederhana

di

reaksi

awal

dapat

membantu

untuk

memperpanjang umur operasional microreactor. Proses yang berbeda berdasarkan difusi dikembangkan pada mikro. Mereka terutama digunakan dalam bioteknologi dan biologi sistem. Beberapa dari mereka adalah elektroforesis kapiler, ultra-tipis lapisan gel elektroforesis, kromatografi cair kolom mikro. kapiler elektroforesis 7




didasarkan pada perbedaan mobilitas analit di bidang listrik. Setelah pengembangan

non-gel

pemisahan

berdasarkan

kapiler

zona

elektroforesis dan setelah mengatasi masalah seperti mencuci kapiler dan mengisi gel, metodologi ini menjadi penting untuk Sekuensing DNA.

BAB II APLIKASI MICROREACTOR

8




Gambar 4. Continuous Flow Glass Microreactor

Peninjauan aplikasi Microreactor pada makalah ini didasarkan dari jurnal ilmiah MICROEACTOR EYED FOR INDUSTRIAL USE: Hands-on experience with microreactors convinces Sigma-Aldrich of their utility. Pembahasan yang dimuat dalam jurnal tersebut berisikan tentang beberapa keunggulan pemanfaatan Microreactor dalam meningkatkan atau mengintensifikasi proses kimia dalam proses produksi bahan kimia. Pemanfaatan Microreactor dapat memungkinkan diterapkan dalam perusahaan

Sigma-Aldrich

dikarenakan

mayoritas

produk

katalog

perusahaan tersebut dioperasikan dalam keadaan lab standar, dan 800 dari 2000 lebih senyawa dapat diproduksi dalam Microreactor dengan sedikit modifikasi. Dengan demikian, pemanfaatan Microreactor memang merupakan opsi yang terbaik bagi perusahaan tersebut dikarenakan akan mengurangi waktu reaksi dan biaya operasi. Keunggulan Microreactor yang pertama dapat dilihat dari waktu tinggal yang dibutuhkan ketika dibandingkan dengan reaktor batch. Pada reaksi

kondensasi

cloroformate

untuk

2-trimethylsilyethanol menghasilkan

dengan

2-(trimethyl)silyethyl

p-nitrophenyl 4-nitrophenyl

carbonate membutuhkan waktu 14 jam untuk melakukan set up secara konvensional. Ketika dibandingkan dengan Microreactor, waktu yang 9




dibutuhkan hanya waktu selama 18.4 menit saja. Hal ini disebabkan karena waktu tinggal dalam Microreactor sangat singkat sehingga laju pembentukan produk samping akan menjadi sangat rendah. Microreactor juga sangat aplikatif terhadap reaksi kimia yang dijalankan dalam kondisi yang sangat eksotermis, menghasilkan senyawa yang tidak stabil, atau menghasilkan produk samping yang susah untuk diseparasi. Contoh permasalahan yang diterapkan pada Microreactor adalah reaksi hidrolisis ester untuk menghasilkan senyawa alkohol yang mudah menurun. Perusahaan Sigma-Aldrich tidak dapat memenuhi kebutuhan pasar akan alkohol dikarenakan yield reaksi cenderung menurun ketika proses di-scale up: 70% pada volume 5L, 35% pada 20 L, dan 10% pada 100L. Hal ini tentu tidak menjadi masalah bagi Microreactor dikarenakan volume reaktor yang memang sangat kecil dan untuk scale-up akan jauh lebih efektif dibandingkan reaktor yang konvensional. Permasalahan lain yang diuji pada Microreactor adalah preparasi dari

methylenecyclopentane.

Kondisi

reaksi

yang

terjadi

sangat

eksotermis. Selain itu, reaksi hanya menghasilkan yield sebesar 30% terhadap produk yang lebih stabil secara termodinamik yaitu, 1methylcyclopentane yang sangat sulit untuk diseparasi. Berdasarkan kondisi

tersebut,

perusahaan

tidak

melanjutkan

produksi

dari

methylenecyclopentane. Ketika reaksi dijalankan dalam Microreactor, hasil yang diperoleh adalah konversi yang mencapai 70%, tidak ada produk samping, dan output mencapai 300 gram/jam. Konversi sebesar 70% tanpa produk samping merupakan hasil yang jauh lebih baik dikarenakan proses separasi yang jauh lebih mudah, tidak perlu menginvestasi banyak pada unit separasi.

10



Teknik Reaksi Kimia 2 - TUGAS JURNAL REVIEW MICROREACTOR

Recommend Documents