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
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 mini-reaktor. Sebagian besar saat ini digunakan perangkat microreaction terstruktur memanfaatkan dari mikrofluida dan nanofluidics, yang memungkinkan penggunaan volume mikro dan nanolitre yang
(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.
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 Shell and Tube Heat Exchanger Compact Heat Exchanger Microchannel Heat Exchanger Surface-to-volume-ratio [m2/m3] 50-100 850-1500 >1500 Heat Transfer Coefficient (liquid) [W/m2K] 5000 3000-7000 >7000 Heat Transfer Coefficient (gas) [W/m2K] 20-100 50-300 400-2000 Approach Temperature [oC] 20 10 <10
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.
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).
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 molekul-molekul 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
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
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 2-trimethylsilyethanol dengan p-nitrophenyl cloroformate untuk menghasilkan 2-(trimethyl)silyethyl 4-nitrophenyl carbonate membutuhkan waktu 14 jam untuk melakukan set up secara konvensional. Ketika dibandingkan dengan Microreactor, waktu yang
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, 1-methylcyclopentane 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.
