Ein Mikroreaktor ist ein sehr kleines Gerät, in dem chemische Reaktionen ablaufen können. Typischerweise misst es weniger als Zoll (2.54 cm) in der Länge und Breite und vielleicht weniger als ein Sechzehntel Zoll (1.56 mm) in der Dicke, obwohl die Abmessungen variieren. Es hat normalerweise Eingangs- und Ausgangsröhren mit winzigen Kanälen oder Kammern im Inneren, in denen die Reaktionen ablaufen. Normalerweise sind die Reaktionspartner und das Produkt Flüssigkeiten – Flüssigkeiten oder Gase –, die mit winzigen Pumpen oder Elektroosmose eingebracht werden können. Ab 2011 werden Mikroreaktoren nur noch für Versuchs- und Prototypenzwecke eingesetzt, es besteht jedoch eine reale Aussicht, sie in großer Zahl für die Massenproduktion von nützlichen Chemikalien einzusetzen.
Das Bauelement wird normalerweise durch Ätzen winziger Kanäle auf ein geeignetes Material ähnlich wie bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen aufgebaut. Sie können aus Siliziumwafern, Glas, Metall oder keramischen Materialien bestehen. Die Kanäle dürfen nicht breiter als ein menschliches Haar sein. Das Ätzen kann durch Laser, elektrische Entladung oder auf chemischem Wege erfolgen. Häufig besteht der Mikroreaktor aus zwei geätzten Platten, die sandwichartig miteinander verbunden sind.
Mikroreaktoren bieten einige bedeutende Vorteile gegenüber traditionelleren Mitteln in größerem Maßstab zur Durchführung chemischer Reaktionen. Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ermöglicht, dass Reaktionen schneller und oft bei einer niedrigeren Temperatur ablaufen, als dies in größeren Maßstäben möglich ist. Stark exotherme Reaktionen, die normalerweise potenziell gefährlich oder geräteschädigend wären, können sicher durchgeführt werden; Jegliche erzeugte Wärme wird aufgrund der viel kleineren Reaktandenvolumina schnell abgeführt. Ein Ausfall in einem Teil einer traditionellen Chemieanlage könnte zur Freisetzung großer Mengen gefährlicher Chemikalien oder zur vollständigen Einstellung der Produktion führen. Im Gegensatz dazu wäre eine Anlage, die aus einer Vielzahl von Mikroreaktoren besteht, vom Ausfall eines Teils nicht wesentlich betroffen.
Normalerweise arbeiten Mikroreaktoren mit einem kontinuierlichen Fluss von Reaktanten. Obwohl die Ausstoßleistung eines einzelnen Mikroreaktors offensichtlich sehr gering ist, kann er dennoch als winzige Fabrik betrachtet werden. Es besteht das Potenzial, sehr viele massenproduzierte Mikroreaktoren übereinandergestapelt zu verwenden, um Produkte in einem wirtschaftlich tragfähigen Maßstab bereitzustellen, und eine Reihe von Möglichkeiten wird derzeit untersucht.
Der Einsatz von Mikroreaktoren in der organischen Synthese ist ein vielversprechendes Gebiet. Sie bieten schnelles Mischen von Reaktanten, schnelle Reaktionszeiten, erhöhte Ausbeuten und sichere Handhabung von toxischen und explosiven Verbindungen. Die Hochskalierung von der Labor- auf die industrielle Produktion erfordert keine Änderung der Verfahren zur Erzielung optimaler Ausbeuten – es müssten lediglich weitere Mikroreaktoreinheiten hinzugefügt werden.
Eine weitere potenzielle kommerzielle Nutzung liegt in der Herstellung von Biodiesel, einer Alternative zu fossilen Brennstoffen. Derzeitige Herstellungsverfahren erfordern, dass die Hauptrohstoffe, Pflanzenöl und Methanol, mit einem Katalysator vermischt und mehrere Stunden lang stehen gelassen werden, um die Reaktion zu vervollständigen. In einem Biodiesel-Mikroreaktor erfolgt die Reaktion fast unmittelbar, und auch hier würde das Hochskalieren des Prozesses, um nützliche Mengen zu produzieren, einfach die Kombination einer großen Anzahl von Mikroreaktoren erfordern.
Es gibt jedoch eine Reihe von Problemen, die überwunden werden müssen, um eine wirtschaftliche Produktion von Chemikalien im großen Maßstab unter Verwendung von Mikroreaktoren zu erreichen. Einer davon ist der Wandeffekt: Edukte und Produkte neigen dazu, an den Wänden der Reaktionskammer zu haften. Dies ist im Allgemeinen für die traditionelle chemische Herstellung unter Verwendung großer Reaktionsgefäße unbedeutend, aber im Mikromaßstab kann ein erheblicher Teil der potentiellen Ausbeute verloren gehen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass es schwierig ist, Reaktionen mit Feststoffen, entweder als Reaktanten oder als Produkte, in einem Mikroreaktor durchzuführen, da diese dazu neigen, die Kanäle zu verstopfen.