Výzkumná skupina mikroreaktorů

Zaměřujeme se na vývoj, testování a charakterizaci vysoce funkčních tenkých vrstev na bázi grafitického nitridu uhlíku (g-C₃N₄) pro degradaci polutantů a štěpení vody indukovanou viditelnou oblastí slunečního spektra. Cílem je získat vysoce aktivní a odolné fotokatalytické filmy s vlastnostmi přizpůsobenými dané aplikaci, jako je tloušťka, pórovitost a fotokatalytická aktivita. Zkoumáme ekonomicky efektivní a reprodukovatelné metody syntézy vysoce aktivního g-C₃N₄. Fotoaktivita připravených filmů je testována pomocí unikátního fotomikroreaktoru s úzkou štěrbinou umístěném na optické lavici na řadě obtížně odstranitelných polutantů vyskytujících se v odpadních vodách např. rezidua antibiotik.

Návrh technologie pro přechod ze vsádkové výroby na kontinuální studujeme konkrétně na případu N-alkylačních reakcí pro syntézu léčiv. Tato případová studie N-alkylace derivátů kyseliny lysergové představuje rychlou exotermickou reakci probíhající na rozhraní mezi vodnou a organickou fází. Rychlá reakce na fázovém rozhraní je umožněna díky přítomnosti tzv. katalyzátoru fázového přenosu. Současný stav přípravy zahrnuje vsádkový proces s výtěžky pouze kolem 80 % a použití toxických alkylačních činidel. Intenzifikace této reakce, která je limitována přenosem hmoty na fázovém rozhraní má potenciál pro zvýšení výtěžku i pro nahrazení toxického alkylačního činidla ekologičtější, ale méně aktivní alternativou, např. methylkarbonátem.

S rozvojem aditivních výrobních technologií (3D tisku) se periodické otevřené struktury (POCS) jeví  jako vhodná alternativa k náhodně sypaným vrstvám částic, které představují nejpoužívanější náplně katalytických zkrápěných reaktorů. Optimalizací geometrie POCS struktury mají vysoký potenciál pro zlepšení transportních charakteristik, jako je tlaková ztráta, parametry přenosu hmoty a tepla. Navrhujeme proto parametrické sady POCS struktur, tiskneme na 3D tiskárně a experimentálně zkoumáme jejich chování z hlediska charakteristik dvoufázového proudění. Výsledky porovnáváme s výsledky výpočetní mechaniky tekutin (CFD), aby bylo možné pochopit a popsat vliv geometrie a topologie na výsledný charakter dvoufázového proudění.

Vyvinuli jsme nový způsob přípravy sloučeniny pocházející z námele, která se využívá při výrobě léku nicergolinu pro léčbu demence a Alzheimerovy choroby. Reakce probíhá v systému dvou nemísitelných kapalin za použití katalýzy fázovým přenosem (PTC). K urychlení procesu byl nasazen ultrazvuk, který zlepšuje míchání a přenos látek mezi kapalinami. Byla otestována čtyři různá průtočná reaktorová uspořádání, včetně mikročipových a kapilárních systémů, z nichž některé byly sonikovány v celém reakčním objemu. Optimalizovaná metoda dosáhla vysoké selektivity (95 %) a produkce až 23 g/h v reaktoru o objemu pouze 3 ml. Ukázalo se také, že použití ultrazvuku dokáže zdvojnásobit výtěžek na jednotku objemu reaktoru, aniž by utrpěla účinnost reakce či čistota produktu. Tyto výsledky potvrzují, že průtočná syntéza s využitím mikrofluidních aparátů v kombinaci s ultrazvukem může významně zlepšit přípravu farmaceuticky důležitých látek.

• Jaklova N., Stavarek P., Vychodilova H., Malikova S., Kluson P., Holas T.: Phase transfer catalysis of N-alkylation of a lysergic acid derivative in microfluidic systems. Eng. J. 2025, 523 (1 Nov) 167999. DOI

Grafitický nitrid uhlíku (g-C3N4) je popisován jako světlocitlivý materiál s významnou rolí ve fotokatalýze. Interpretace kinetických dat při oxidačně-redukčních fotokatalytických reakcích však není jednoduchá, protože jemná porézní struktura sice zvyšuje aktivní povrch, ale není vždy dostupná pro fotony. Ty po dopadu na povrch vytvářejí reaktivní částice, které difundují do hloubky katalyzátoru, a proces se pak více řídí přenosem hmoty než kinetikou reakce. Tomuto omezení lze předejít využitím tenkých filmů, jejichž povrch je dostatečně vyvinutý, ale zároveň přímo přístupný fotonům. V práci je popsán takový typ tenkovrstvého katalyzátoru, připraveného s využitím porogenního kafru pro vytvoření vhodné morfologie a porozity. Experimentálně byl ověřen vliv obsahu kafru i následné plazmové úpravy. Všechny povlaky byly detailně charakterizovány z hlediska jejich struktury a morfologie a následně testovány při oxidaci tetracyklinu ve štěrbinovém mikro-fotoreaktoru. Jejich účinnost byla porovnána se strukturami připravenými bez porogenní složky či bez plazmové úpravy. Transformace tetracyklinu zde slouží jako modelová reakce i jako proces prakticky významný pro dekontaminaci odpadních vod obsahujících léčiva.

• Schimon D., Patakyová S., Stavárek P., Dzik P., Homola T., Zažímal F., Klusoň P.: Visible-light-sensitive coatings of graphitic carbon nitride with inherent porosity induced by camphor. J. Photochem. Photobiol. A-Chem. 2025, 468(1 Nov) 116507. DOI

Polyamidy (např. nylon) se obvykle vyrábějí z aminokyselin, ale novou alternativou jsou tzv. aminoestery, které lze získat z obnovitelných zdrojů, například z rostlinných olejů. Tyto látky se mohou použít k výrobě speciálních plastů s vysokou hodnotou, jako je například Rilsan® (polyamid 11). Výroba však není jednoduchá. Při přeměně meziproduktů obsahujících nitrilové skupiny na aminy (hydrogenaci) je potřeba dosáhnout velmi čistého produktu, aby se monomery hodily pro další zpracování. Proto jsme zkoumali, jak různé katalyzátory, teplota, tlak vodíku nebo přídavek amoniaku ovlivňují průběh reakce a výslednou kvalitu produktu. Tato práce formou kapitoly v knize nejen shrnuje dosavadní literární poznatky v oblasti hydrogenace nitrilů, ale zejména je doplňuje vlastními experimenty, výpočty a modelováním, aby bylo možné lépe porozumět reakčnímu mechanismu a určit optimální podmínky přípravy aminů z nitril esterů mastných kyselin pro průmyslovou výrobu polyamidů z obnovitelných zdrojů.

• Stavárek P., Lali F., Dubois J.-L.: 894 Fatty nitrile esters for biosourced polyamide polymers, in: K. Serge, D. Jean-Luc (Eds.), Industrial Green Chemistry 2^nd Ed., De Gruyter 2025, pp. 89-128. DOI

Uvolňování léčiv a jejich metabolitů do životního prostředí představuje riziko pro faunu a flóru, jehož závažnost a důsledky nejsou zcela známy. Fotokatalytický rozklad těchto látek pomocí grafitického nitridu uhlíku (g-C₃N₄) využívajícího sluneční světlo by mohl potenciálně přispět ke snížení těchto rizik. V této práci byl ve dvou různých formách zkoumán g-C₃N₄ pro rozklad tří vybraných antibiotik: tetracyklinu, trimethoprimu a sulfametoxazolu. Důraz byl kladen na zkoumání popisu degradačních cest, modelování mechanismu a porovnání dvou fotoreaktorových systémů. g-C₃N₄ ve formě prášku byl studován ve vsádkovém fotoreaktoru, zatímco g-C₃N₄ ve formě fotokatalytického filmu byl studován ve fotomikroreaktoru se štěrbinovou geometrií. Bylo zjištěno, že během fotooxidačních procesů převažují v reakční směsi především oxidační produkty výchozího materiálu, zatímco degradační produkty o menší molekulové hmotnosti jsou přímo mineralizovány. Srovnání vsádkového fotoreaktoru a mikroreaktoru s vyvinutým fotokatalytickým filmem ukázalo, že fotomikroreaktor dokázal efektivněji využít dopadající záření k rozkladu zkoumaných látek. Tato studie vznikla v rámci spolupráce Výzkumné skupiny mikroreaktorů s Fakultou chemickou na Vysokém učení technickém v Brně a Přírodovědeckou fakultou Masarykovy univerzity v Brně.

• Schimon D., Smítková K., Stavárek P.*, Jaklová N., Vanluchene A., Dzik P., Homola T., Zažímal F., Klusoň P.: A complex study of photocatalytic oxidation pathways of antibiotics with graphitic carbon nitride–The way towards continuous flow conditions. J. Environ. Chem. Eng. 2024, 12(6), 114801. DOI

Úspěšně jsme připravili a otestovali tenké vrstvy na bázi grafitického nitridu uhlíku v mikroreaktoru se štěrbinovou geometrií. Filmy byly připraveny ze směsi rozemletého práškového fotokatalyzátoru a pojiva. Byl studován vliv následného žíhání a aplikace plazmatu. Fotoaktivita byla testována na degradaci rhodaminu B a antibiotika tetracyklinu jako nežádoucího polutantu v odpadních vodách. Tenkovrstvá forma fotokatalyzátoru v mikroreaktoru měla asi 50x vyšší specifickou aktivitu ve srovnání s formou suspenze.

• Dolai S., Vanluchene A., Stavárek P., Dzik P., Fajgar R., Soukup K., Klusoň P., Graphitic carbon nitride thin films for light-induced photocatalysis in a slit geometry microreactor, J. Environ. Chem. Eng. 10(6), 108790, 2022. DOI

Navrhli jsme reverzibilní dvoufázový systém pro praktické použití při asymetrické hydrogenaci prováděné v mikrofluidním čipovém reaktoru. Jako modelová reakce byla zvolena hydrogenace methylacetoacetátu (MAA), jež byl transformován na (R)-methylhydroxybutyrát na opticky čistém katalyzátoru (R)-Ru-BINAP. Reakční směs je za reakčních podmínek homogenní, zatímco po ochlazení vznikají dvě fáze. Methanolová fáze obsahuje požadovaný produkt, zatímco fáze iontové kapaliny obsahuje iontovou kapalinu s katalyzátorem, kterou lze jednoduše oddělit a znovu použít v reakci.

• Klusoň P., Stavárek P., Pěnkavová V., Vychodilová H., Hejda S., Bendová M., Došek M., Design of the reversible biphasic arrangement in the microfluidic chip reactor for asymmetric hydrogenation reactions. Chem. Eng. Res. Des. 153, 537-546, 2020. DOI

Výhodné vlastnosti mikro- a mili-reaktorů, jako je vysoký poměr vnitřního povrchu k objemu a dobrá kontrola reakčních podmínek (teplota, tlak), se uplatňují při studiu katalytických selektivních oxidací pro výrobu speciálních chemikálií. Vyvinuli jsme, navrhli a vyrobili katalytický reaktor s dlouhou reakční dráhou, který umožňuje studovat proces selektivní oxidace na katalyzátoru za průmyslově relevantních podmínek (tvar katalyzátoru, teplota, tlak, podmínky proudění).

Aparatura se dvěma mili-reaktory pro studium selektivních oxidací v plynné fázi za podmínek odpovídající průmyslovému reaktoru

• Stavárek P., Jaklová N., Večeř M., Zelenka L., Bernat S., Armada S., Alnes Ø.: The Current State of Environmentally Acceptable Lubricants in Stern Tube Lubrication: A Review. J. Tribol. 147(10), 100801, 2025. DOI
• Zažímal F., Plasienka D., Atri S., Vrána L., Monfort O., Stavárek P., Klusoň P., Sob M., Homola T.: Unveiling the effect of the polymerization degree of graphitic carbon nitride on the surface functionalization by low-temperature plasma: Insights from XPS and DFT study. Appl. Surf. Sci. 699(1 Aug), 163073, 2025. DOI
• Reháčková M., Veith M., Stavárek P., Zedniková M., Orvalho S., Pěnkavová V., Jaklová N., Maliková S., Klusoň P.: Chemical Engineering View on the Silicone Oil Utilization in the Treatment of Retinal Detachment. ChemBioEng Rev. 11(6), e202400090, 2024. DOI
• Vesely M., Dzik P., Ettler K., Wertzova V., Kubac L., Kluson P.: Disposable indicator card for personal monitoring of solar exposure, J. Photochem. Photobiol. A-Chem. 454(1 Sep) 115741, 2024. DOI
• Večeř M., Stavárek P., Krčková S., Zelenka L., Armada S.: Environmentally Acceptable Lubricants for Stern Tube Application: Shear Stability and Friction Factor. Lubricants 12(9), 323, 2024. DOI
• Bernat S., Di Bartolomeo F., Armada S., Valaker E., Bonturi N., Koseto D., Haugen T., Kvernbråten A.K., Stavárek P., Vecer M., Zelenka L.: Exploring the potential of microbial biomass and microbial extracted oils in tribology: a sustainable frontier for environmentally acceptable lubricants. Green Chem. Lett. Rev. 17(1), 2330644, 2024. DOI
• Bourassi M., Lafaye G., Gombert B., Klusoň P., Barbier J.: Catalytic wet air oxidation of sulfamethoxazole and tetracycline using platinum-based catalysts at eco-operating conditions. J. Clean. Prod. 429(1 Dec), 139453, 2023. DOI
• Dolai S., Bhunia S.K., Kluson P., Stavarek P., Pittermannova A., Solvent-Assisted Synthesis of Supramolecular-Assembled Graphitic Carbon Nitride for Visible Light Induced Hydrogen Evolution – A Review, ChemCatChem 14(4), e202101299, 2022. DOI