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Dispositivos diminutos con enormes posibilidades

Tecnología de microrreacción

Redacción Interempresas19/07/2011

19 de julio de 2011

Al demostrar reducciones radicales de peso y tamaño y una mejor transferencia del calor, transferencia de masa y otras ventajas de funcionamiento con respecto a los sistemas tradicionales, los microrreactores, los dispositivos microfluídicos y los componentes microtorneados tienen potencial para revolucionar el análisis químico, la síntesis química, la automatización industrial, la seguridad en las fábricas, la detección de gas y las aplicaciones médicas y biomédicas.

En circunstancias normales, los diseñadores de procesos concentran sus esfuerzos de ingeniería en ampliar conceptos técnicos prometedores a partir de la escala de I+D hasta su comprobación y plantas piloto para llegar por último a las instalaciones a escala comercial. Pero en un rincón del universo de la ingeniería química, los investigadores están trabajando en la dirección opuesta: desarrollar diversos dispositivos que, a escala natural, se pueden colocar cómodamente sobre la yema de los dedos de sus inventores.

La microtecnología implica la fabricación de los denominados sistemas micro-electro-mecánicos (Mems) —tales como microrreactores, dispositivos microfluídicos y máquinas microtorneadas— cuyas dimensiones externas se miden en milímetros o centímetros y cuyas superficies internas están configuradas con poros o canales cuyas dimensiones se miden en micrómetros (un micrómetro es una millonésima de metro).

Debido a su relación intrínsecamente alta entre área de la superficie y volumen, estos diminutos componentes mecánicos demuestran mejoras en orden de magnitud en los índices de transferencia de calor y masa, permitiendo la creación de dispositivos altamente eficientes, compactos y rentables que realicen las reacciones químicas y térmicas con mayor seguridad y también con mayor selectividad e índices de conversión, un rendimiento superior y mejora en la calidad del producto.

Las posibilidades son infinitas

Desde que surgió por primera vez la tecnología del microrreactor como disciplina científica, ha pasado casi una década en la que ha habido un incremento constante en el número de reacciones químicas y cambios físicos que se han realizado con éxito en estos dispositivos en miniatura.

Un número creciente de empresas químicas y farmacéuticas líderes mundiales han publicado en revistas especializadas informes sobre su éxito al utilizar microrreactores y dispositivos microfluídicos tanto en demostraciones a escala de prueba piloto como en aplicaciones a escala comercial. Entre ellas se encuentran:

En los últimos años han aparecido avances muy prometedores relacionados con el diseño, desarrollo, fabricación y comercialización de dispositivos mecánicos a microescala tan distintos entre sí como cambiadores de calor, bombas, mezcladores, absorbentes o adsorbentes de gases, extractores líquido-líquido, reactores químicos, biorreactores, combustores, reactores catalíticos, reactores enzimáticos, procesadores de combustible. Además, también se han desarrollado con éxito microsensores y microaccionadores para bombas, válvulas, compresores y otros componentes, y se han probado componentes a microescala para el desarrollo de medicamentos (los dispositivos denominados “laboratorio en un chip”) y como herramientas de diagnóstico con fines médicos.

También está en marcha un trabajo considerable para desarrollar dispositivos microfluídicos. Este subconjunto de la microtecnología incluye el diseño, modelación, manufactura y fabricación en masa de diminutos sistemas que manejan fluidos (gases, vapores o líquidos) en volúmenes que pueden llegar a ser tan pequeños como nano o picolitros.

Los dispositivos microfluídicos se basan en una serie de microestructuras activas y pasivas que controlan el flujo y la mezcla de fluidos para producir las reacciones físicas, químicas y microbiológicas deseadas de forma rápida y rentable. Como sucede con otros dispositivos microtorneados, la enorme proporción entre área de la superficie y volumen dentro de un dispositivo microfluídico proporciona atractivas ventajas de transferencia de masa y de calor.

Gracias a sus esfuerzos en el diseño y la fabricación —a menudo con la ayuda de simulaciones y modelación del caudal por ordenador— los pioneros de la microtecnología de hoy (véase el recuadro) siguen descifrando la forma en que fluyen los fluidos a través de microcanales y capilares lisos y texturados, y determinando cómo afectan las modificaciones en las superficies y configuraciones de los canales a las características de flujo y mezclado. Los investigadores de una gran variedad de disciplinas de ingeniería siguen explorando también formas eficaces de contrarrestar los efectos de la resistencia y fricción viscosa para obtener suficiente espacio libre entre los elementos dinámicos y las paredes de las cavidades de la bomba y sellar las cavidades de la bomba desde el exterior.

Los dispositivos a microescala de hoy, ligeros de peso, compactos y de altas prestaciones, tienen importantes implicaciones para el proceso químico y las aplicaciones biotecnológicas, médicas y de automoción, además de las relacionadas con la fabricación, el medioambiente, el consumidor y el espacio. El interés en esta nueva frontera es global y los investigadores industriales, gubernamentales y académicos de EE UU, Europa, Japón y Australia anuncian constantemente avances prometedores.

Técnicas de ampliación y microfabricación

Hay tres opciones generales para el uso de los microrreactores y dispositivos microfluídicos: como laboratorios analíticos en miniatura, como unidades de producción para sustancias químicas o para una mayor comprensión de los procesos químicos. Para alcanzar la capacidad necesaria para la producción a escala comercial se unen en paralelo numerosas unidades a microescala. Los diseñadores de procesos aún siguen trabajando para diseñar estrategias de multiplicación adecuadas para lograr esto.

Dado que la mayoría de los sistemas primitivos eran esencialmente onerosos prototipos hechos a mano, la capacidad de hacer que este equipamiento sea asequible para la producción comercial dependerá en último término de la capacidad para ampliar y perfeccionar las técnicas de producción en masa necesarias para estos dispositivos a microescala. Son enormes los requisitos exactos de fabricación necesarios para producir dispositivos complejos que no son más grandes que una uña o un botón de camisa.

Las diminutas estructuras tridimensionales del interior de los microrreactores y dispositivos microfluídicos suelen fabricarse grabando o microtorneando canales y patrones sobre una gran variedad de sustratos. Los materiales que se utilizan van desde el acero inoxidable, aleaciones a alta temperatura y metales no ferrosos (tales como el cobre o el aluminio) al vidrio borosilicato, cerámica, polímeros de ingeniería y silicio.

Se montan múltiples capas modeladas para crear así estructuras tridimensionales más complejas, cuyos canales y receptáculos internos permiten la mezcla de fluidos o mantienen flujos separados de fluidos con el uso de flujo laminar que imposibilita la mezcla.

Hoy día se utiliza una multitud de técnicas de fabricación de vanguardia —muchas de estas técnicas son las que han permitido a la industria electrónica almacenar más y más memoria en chips semiconductores cada vez más pequeños— para fijar diseños y eliminar trozos selectivamente para crear los canales y patrones deseados. Entre estas técnicas se incluyen: fotolitografía, grabado por iones no reactivos, grabado químico, labrado láser y electroquímico a máquina, fotoablación con láser excimer, deposición química de vapor, deposición de película fina y enchapado selectivo.

La fabricación de unas microestructuras tan diminutas requiere suma precisión y resolución dado que los canales grabados suelen tener una profundidad relativamente grande pero poca anchura (es decir, relaciones muy altas de aspectos). Los diseñadores están de acuerdo en que sigue siendo un reto lograr alta resolución, repetibilidad y fiabilidad mientras se desarrollan técnicas de producción en masa de bajo coste.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han desarrollado técnicas que les permiten alinear con gran exactitud los sustratos (afirmando haber logrado una precisión de alineamiento de 1-2 micrómetros). Después se crean las uniones vidrio a vidrio, sílice a vidrio y sílice a sílice, usando una serie de procesos de recocido de vanguardia.

Mikroglas chemtech GmbH (Alemania) está especializada en la fabricación de productos microfluídicos de vidrio. Están utilizando un vidrio especial fotoestructurable con el que pueden fabricarse estructuras muy pequeñas con una alta relación de aspecto. Con la unión por difusión de hasta 20 placas de vidrio con diferentes funciones, es posible fabricar distintos microrreactores de encargo, especialmente para la manipulación de productos químicos agresivos.

Mientras tanto, usando un método de montaje modular, un equipo de investigadores de Illinois (Urbana-Champaign) y la Northwestern University ha desarrollado un novedoso método para simplificar la fabricación de dispositivos microfluídicos. Primero, se separan los aspectos opuestos de un diseño dado —tales como los componentes microfluídicos pasivos (como los canales y los depósitos de reacción) frente a las estructuras activas de control electromecánico (tales como sensores, activadores, bombas y válvulas diminutos)— y después se fabrican por separado. Los componentes que pertenecen a cada una de las categorías se construyen entonces en capas aparte o incluso como si fueran dos dispositivos distintos. Las distintas capas, o dispositivos separados, se conectan entonces a través de canales comunes de escala nanométrica. Se dice que este método simplifica tanto el diseño como la construcción del dispositivo integrado una vez acabado y permite la personalización simplemente usando un componente microfluídico distinto y reprogramando el sensor y el circuito del activador superpuestos.

Diseñar estrategias sofisticadas de empaquetado es otro reto ya que las técnicas de producción en masa se han desarrollado para microrreactores, piezas microtorneadas y dispositivos microfluídicos. Un empaquetado eficaz no sólo tiene que embalar el componente microfabricado (para protegerlo de su entorno de funcionamiento) sino que también tiene que estar diseñado de forma que permita el alineamiento preciso con otros componentes a microescala, ventanas ópticas de visualización y también debe permitir una adecuada gestión de la temperatura.

Avances en curso

Pese a los retos, todos los días se anuncian nuevas y prometedoras aplicaciones basadas en la microtecnología. A continuación resumimos algunos de los avances más representativos con gran variedad de aplicaciones.

Máquinas a microescala

Uno se queda helado ante la escala de los inventos basados en la microtecnología. Por ejemplo, unos ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) están desarrollando un motor de turbina a gas que cabría sin problema sobre una moneda de diez céntimos. Se espera que todo el dispositivo —que se completa con un generador eléctrico integrado— tenga unas dimensiones de tan sólo 2 centímetros de diámetro por 2 milímetros de espesor y que pese solamente 1 gramo. Los investigadores del MIT ya han fabricado con silicio una rueda de turbina de insumo radial de 4 milímetros de diámetro usando grabado profundo por iones reactivos. Los cálculos sugieren que las últimas versiones del sistema completo de generador y turbina a gas hechas con carburo de silicio resistente al calor —con un volumen de menos de 1 centímetro cúbico— podrían proporcionar hasta 100 vatios de electricidad usando hidrocarburos como combustible. Los investigadores imaginan que estas máquinas diminutas podrían utilizarse como generadores portátiles de electricidad. General Electric también está trabajando para desarrollar tecnología de microturbinas de alta eficiencia.

Mientras tanto, Ehrfeld Mikrotechnik BTS está ofreciendo el micromezclador LH 1000, que está diseñado para manejar caudales de varios miles de litros a la hora con una pérdida de presión de menos de 1 bar a 1.000 L/h. La mezcla se realiza en el interior de la unidad de 100 por 100 por 80 milímetros cúbicos por multilaminación. La unidad contiene sólo dos láminas microestructuradas (para facilitar el mantenimiento) con más de 12.000 microrranuras, cada una con un ancho de 50 μm, para cortar las dos corrientes de entrada en un gran número de microcapas alternadas para mezclar los dos componentes con extraordinaria rapidez.

También el Instituto de Microtecnología Mainz GmbH (IMM) ha desarrollado un micromezclador, denominado Star-Laminator, que es capaz de manejar caudales de hasta 300 L/h con una pérdida de presión de 12 bares. La unidad completa, con unas dimensiones de sólo 45 por 25 por 30 milímetros cúbicos, está compuesta por una pila de finas láminas (entre 320 y 1.600), todas ellas con microcanales con distintos patrones.

Síntesis química

En el área de la síntesis química la investigación del microrreactor sigue dos caminos paralelos: se están realizando esfuerzos para mejorar la selectividad, los índices de conversión y el rendimiento de reacciones bien conocidas y para encontrar formas de realizar reacciones problemáticas (como las altamente exotérmicas) de forma más segura y rentable.

La promesa inicial de la microtecnología en este área es la producción de aplicaciones de bajo volumen y gran valor, como algunas costosas especialidades químicas y farmacéuticas, pero otros diseñadores han puesto su mirada también en aplicaciones a mayor escala.

El aumento de la seguridad que va asociado al uso de microrreactores para realizar reacciones altamente exotérmicas proviene de diversos factores. Primero, cuando las reacciones altamente exotérmicas se producen en reactores de tamaño convencional se corre el riesgo de reacciones descontroladas que podrían producir fuego o explosiones. La gran proporción entre el volumen del material que está dentro del reactor y el área de las paredes de la cámara hace difícil extraer el calor generado durante la reacción.

En cambio, cuando las reacciones químicas exotérmicas se producen en los volúmenes extremadamente pequeños del interior de los microcanales del reactor, la extraordinaria proporción entre el área de las paredes y el volumen del material favorece una disipación del calor muy eficaz, lo que reduce enormemente el riesgo de una fuga térmica e inhibe la indeseada fase gaseosa al extinguir química o térmicamente los radicales libres.

De forma similar, los tanques de reacción convencionales a menudo experimentan gradientes de temperatura dentro de los materiales que entran en reacción, por lo que los materiales que están cerca de las paredes pueden experimentar temperaturas distintas de las del centro del contenedor, lo que no sólo perjudica a la reacción sino que también puede tener como resultado la formación de subproductos no deseables (y peligrosos), así como materiales de desecho. Sin embargo, cuando la superficie de las paredes interiores del reactor aumenta drásticamente con respecto al volumen de material que hay dentro del reactor (por medio de una reducción significativa del tamaño del reactor), la temperatura se puede controlar con mayor precisión, eliminando así los gradientes de temperatura y mejorando radicalmente el resultado y la seguridad del proceso.

Por esta razón, son muchos los investigadores que están estudiando el uso de microrreactores para reacciones potencialmente explosivas. La capacidad de llevar a cabo la reacción directa y controlada (en vez de explosiva) del oxígeno y el hidrógeno para formar peróxido de hidrógeno es una oportunidad en la que los microrreactores pueden ofrecer una vía más segura, más eficaz y menos costosa que el método tradicional. Uno de los primeros ejemplos se llevó a cabo en el Instituto Fraunhofer de Tecnología Química (ICT) de Alemania: investigaron reacciones de nitración altamente exotérmicas usando microrreactores de vidrio de Mikroglas. Pudieron demostrar que, por ejemplo, la nitración de la naftalina era posible con productos químicos muy agresivos en unas condiciones que normalmente habrían conducido a explosiones, logrando además una selectividad y rendimiento muy altos.

De forma similar, investigadores del Instituto de Microtecnología Mainz GmbH (IMM) y del Instituto de Tecnología de Massachusetts están desarrollando un microrreactor que puede realizar la fluorización directa de compuestos aromáticos. En las primeras pruebas la fluorización del tolueno con fluoruro elemental se realizó en un microrreactor que incluía canales de reacción y estructuras cambiadoras de calor en estrecha proximidad. Debido a su naturaleza potencialmente explosiva, esta reacción sólo se podía realizar en equipos convencionales a -70 °C, con mucho cuidado y en condiciones de escala de laboratorio. Sin embargo, al utilizar un reactor de película descendente diseñado por el Instituto de Microtecnología Mainz GmbH (IMM) —un reactor cuya placa de reacción microestructurada maximiza la superficie interna para mejorar la distribución del líquido— el mecanismo de reacción se puede cambiar de una reacción del tipo cadena radical (que es incontrolable y no selectiva) a otra de sustitución electrofílica (que es segura y más selectiva), incluso a -10 °C.

El Instituto Leibniz para la Catálisis (antes ACA, Institut für Angewandte Chemie Berlin-Adlershof/Alemania) combina una dilatada experiencia en el campo de los procesos catalíticos con exhaustivas experiencias en la aplicación de la tecnología del microrreactor. Utiliza una gran variedad de componentes microestructurados, tales como microrreactores de película descendente, microcolumnas de burbujas, microrreactores a chorro, reactores microestructurados con paredes catalíticamente activas y micromezcladores digitales para reacciones en la fase líquida. La antigua ACA ha aplicado la técnica del microrreactor a las reacciones fotoquímicas, como, por ejemplo, la cloración de una cadena lateral de compuestos alcalinos aromáticos, fluorización con fluoruro elemental, fotooxigenación usando oxígeno singlete generado in situ y sulfonación de compuestos aromáticos usando SO3 gaseoso. El Instituto Leibniz para la Catálisis de laUniversidad Rostock nació de la fusión de ACA e IfOK el 1 de enero de 2006.

IMM también ha establecido un acuerdo de cooperación a largo plazo con el Grupo Industrial Químico Xi’an Huian para desarrollar aplicaciones de la tecnología de microrreactores para la fabricación de productos químicos finos y especializados. Xi’an Huian ha empezado a fabricar nitroglicerina —un compuesto venenoso y explosivo que requiere el uso de reactantes extremadamente ácidos durante su fabricación— a un ritmo de 15 kilogramos/hora usando la tecnología de microrreactor de IMM.

El Centro de Investigación Karlsruhe y DSM Fine Chemicals GmbH de Linz, Austria, han demostrado la producción de más de 300 toneladas de un producto polímero en una campaña de fabricación de 10 semanas. El microrreactor de alto rendimiento utilizado, desarrollado en el Centro de Investigación Karlsruhe, permite la fabricación de 1.700 kilos/hora de productos químicos líquidos.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven han descubierto también que un microrreactor que propicie una distribución irregular del flujo para una mejor refrigeración del fluido puede mejorar la oxidación del amoniaco, catalizada con platino, para producir óxido nitroso. Para esta reacción altamente exotérmica es esencial una refrigeración adecuada que evite puntos calientes y reduzca el gradiente de temperatura a través del catalizador, pues ambas cosas reducen la selectividad para óxido nitroso.

En otras aplicaciones de síntesis química, Global Hydrogen (una empresa conjunta de Velocys y ConocoPhillips) está trabajando para procesos a microescala para convertir gas natural “no explotado” en hidrógeno puro o combustible diésel sintético líquido en el campo.

DuPont Co. ha desarrollado un microrreactor versátil del tamaño de un disco de hockey sobre hielo que está fabricado con capas discos semejantes a barquillos hechos de cerámica, vidrio, polímeros, compuestos y metales, en cuyos precisos canales interiores —que miden entre 10 y 5.000 micrómetros de ancho y están conectados a los puertos de entrada y de salida— se producen las reacciones.

También desempeñan un papel importante en el desarrollo de nuevos productos y procesos las cajas de herramientas de microrreacción para síntesis química, como la de Ehrfeld Mikrotechnik BTS, Mikroglas o el Instituto Fraunhofer de Tecnología Química (ICT) de Alemania. Las cajas de herramientas están basadas en una gran variedad de módulos y cada módulo ha sido diseñado para desempeñar un proceso, incluyendo mezclado, intercambio de calor, catálisis, separaciones y análisis, y control de las reacciones que implican gases, líquidos y fluidos multifase. Incluso las reacciones de precipitación se pueden realizar dentro de estas cajas de herramientas. En combinación con un sistema de automatización de procesos son una herramienta poderosa para el desarrollo y la pequeña producción.

Mientras tanto, para mejorar las reacciones químicas, la tecnología del microrreactor también se muestra prometedora en cuanto a mejorar ciertas reacciones físicas. Por ejemplo, investigadores japoneses del Instituto Nacional de Investigación de Alimentos, la Universidad de Tsukuba y la Universidad de Tokio han desarrollado una alternativa a microescala a los mezcladores para hacer emulsiones que consumen gran cantidad de energía. Los investigadores han podido hacer dispersiones monodispersas de aceite en agua simplemente obligando a aceite de soja a pasar a través de un dispositivo de silicio perforado con microcanales —la red está configurada como un bizcocho de 10 centímetros de diámetro con 10.000 canales, cada uno de ellos de 200 micrómetros de longitud y 20 micrómetros de diámetro— hacia una fase acuosa de flujo continuo. De estos canales emergen microesferas de aceite a una presión superior a los 1,8 kPa para formar la emulsión. Un único dispositivo puede producir 6,5 mL/h de emulsión estable.

Celdas de combustible

Se está luchando mucho por lograr avances en celdas de combustible ya que presentan un gran potencial de utilización, como plantas de producción de electricidad estáticas, como generadoras de electricidad para vehículos y como generadores portátiles para dispositivos electrónicos. Por tanto, no es sorprendente que las celdas de combustible representen otra área en la que la microtecnología está aportando algunas notables ventajas de rendimiento.

En un proyecto financiado por el Departamento de Energía de EE UU  (DOE, Washington D.C.), investigadores del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste (PNNL) están usando técnicas de microfabricación para desarrollar microrreactores compactos que utilizarán oxidación parcial y reformación con vapor para convertir hidrocarburos líquidos, como el metano, en hidrógeno (que no se puede transportar ni almacenar con facilidad) en el punto de uso, para alimentar celdas de combustible. Las celdas de combustible convertirán entonces el hidrógeno en electricidad para su uso en aplicaciones de automoción. Los investigadores del PNNL dicen que su prototipo de sistema de procesamiento de combustible celda/combustible en miniatura podría pesar sólo un kilogramo y proporcionar continuamente durante una semana 5 vatios de carga base eléctrica, con 10 vatios de potencia pico.

De forma similar, investigadores de la Universidad de Tecnología de Eindhoven en los Países Bajos están desarrollando diminutos procesadores de combustible con microcanales que funcionan como plantas productoras de hidrógeno para su uso con celdas de combustible. En las primeras pruebas el diseño del microrreactor funcionó mejor que los diseños convencionales de lecho fijo.

Al mismo tiempo, investigadores del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste han construido lo que creen que es el procesador de combustible más pequeño del mundo, aproximadamente del tamaño de un arándano, que se ha desarrollado para su uso en equipamiento portátil inalámbrico y sensores para el ejército de EE UU.

En otro proyecto relacionado con las células de combustible, investigadores de la Universidad de Illinois (Urbana-Champaign), trabajando en colaboración con INI Power Systems, Inc., han diseñado una celda de combustible microfluídica que funciona sin necesidad de una membrana sólida que separe el combustible y el oxidante. Se espera que al eliminar la membrana se reduzcan los costes de la celda de combustible (porque la membrana suele suponer entre el 20 y el 30% del coste de una celda de combustible) y este avance hará posible que la celda funcione tanto con química ácida como alcalina, dicen los investigadores.

La celda microfluídica está compuesta por un canal en forma de Y (aproximadamente de 1 milímetro de altura y de ancho) en el que dos corrientes de líquido que contienen combustible y oxidante se unen sin mezclarse, gracias a las condiciones laminares en estas pequeñas dimensiones) en el tallo de aproximadamente 3 centímetros de longitud. Se está trabajando para incrementar la salida de potencia conectando múltiples celdas una sobre otra.

Sensores industriales y dispositivos analíticos

Muchos dispositivos basados en esta tecnología, incluidos sensores de presión y acelerómetros para airbags de automóviles, tienen ya uso comercial a gran escala. Sensirion AG ha comercializado recientemente un circuito integrado que contiene un sensor térmico de flujo de masa en miniatura con toda la electrónica necesaria para el procesamiento de señales (amplificación, conversión analógica-digital, integración, linearización y compensación de temperatura) en un solo microchip. Según la empresa, la combinación de dimensiones más pequeñas y un condicionamiento de señal integrada permite al chip controlar diez veces más rápidamente el flujo de masa (150 microsegundos) y con mayor precisión (0,8% del valor medido) que los dispositivos convencionales que utilizan espirales en torno a un capilar de acero.

Para los elementos sensores es importante que el volumen interno no sea mayor que el volumen interno del microrreactor utilizado. Se utilizarán con productos químicos muy agresivos por lo que es esencial elegir bien los materiales. La compañía alemana Bürkert desarrolló junto con Mikroglas un “bloque sensor” disponible comercialmente para sistemas de microrreacción que incluye sensores de presión y temperatura así como una válvula de alivio de presión y una válvula antirretorno. Solamente se utilizan materiales químicamente inertes, como el vidrio, el PTFE o la cerámica.

La analítica en línea es importante para las reacciones químicas en una planta que esté constantemente en funcionamiento y para la fabricación con microrreacción. Por ejemplo, los servicios tecnológicos de Bayer junto con Ehrfeld Mikrotechnik BTS demostraron el uso de espectroscopia NIR en una planta de microrreacción usando un flujo óptico a través de la celda.

Al mismo tiempo, investigadores de CRC for Microtechnology de Australia están trabajando para desarrollar y comercializar ensayos de diagnóstico rentables basados en dispositivos microfluídicos que usan tecnología de reacción en cadena de polimerasa, lo que permitirá la rápida detección de patógenos comunes de los alimentos (tales como Salmonella, Campylobacter y E. coli) directamente en muestras de comida.

Biocatálisis

Durante la biocatálisis ciertas enzimas requieren la presencia de coenzimas para poder funcionar adecuadamente como catalizadores. Dado que las coenzimas son caras, suele ser necesario regenerarlas in situ para hacer las biotransformaciones más rentables para la producción industrial de productos químicos finos. El año pasado, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Université Paul Sabatier fueron los pioneros de un dispositivo electroquímico microfluídico que regenera coenzimas al tiempo que evita las reacciones colaterales indeseadas que han plagado los métodos alternativos. El microrreactor está hecho a partir de una placa polímera con un canal en forma de “Y” hecho con microtorneado o modelado de réplica. Las paredes opuestas del tallo de 3 centímetros de longitud llevan un revestimiento de oro que las hace servir como electrodos. Dos corrientes de líquido —una que contiene un fosfato intermediario y otra con todos los reactantes (sustrato, enzima, coenzima, mediador)— se bombean a través de los canales en “Y” y se unen sin mezclarse en el tallo. Debido a las condiciones de flujo laminar, la corriente que contiene todos los reactantes se puede situar cerca del cátodo, evitando que se produzca la reacción inversa —cosa que ocurre en los reactores de gran volumen— equilibrando así en la dirección deseada. Con un caudal total de 0,01 cm3/min, el microrreactor demostró una eficiencia de regeneración de cerca del 31%. El grupo está desarrollando ahora series de microrreactores de corriente múltiple y flujo laminar (con recirculación) para incrementar la eficiencia de regeneración y aumentar la producción.

Sumario

La tecnología del microrreactor promete revolucionar las industrias de procesos químicos de la misma forma en que la microelectrónica ha revolucionado el procesamiento de la información en las últimas décadas. Los dispositivos y reactores en miniatura ofrecen ventajas técnicas para un gran número de aplicaciones.

Entre las muchas ventajas que ofrecen los microrreactores, la seguridad es una de las más importantes, especialmente cuando se trata de productos químicos que son peligrosos de fabricar, manipular, transportar o almacenar por lo que estas sustancias deben fabricarse con frecuencia en pequeñas cantidades e in situ, en función de las necesidades. Los reactores a microescala abren la puerta a la producción en pequeña escala, en el punto de utilización y a demanda, de sustancias extremadamente dañinas y tóxicas, con un coste menor y con un riesgo reducido en comparación con el de los métodos convencionales.