馬慶明/徐建鴻綜述：面向碳中和的微化工綠色微流控體系

根據(jù)中國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年計劃綱要草案（2021-2025年），我國承諾到2060年實現(xiàn)碳中和。作為天然原料和下游終端消費(fèi)品之間的重要紐帶，化學(xué)工程行業(yè)貢獻(xiàn)了中國工業(yè)碳排放總量的16.7%和能源碳排放總量的6%，年排放量接近15億噸/年。因此，“碳中和”概念的提出對化學(xué)工程領(lǐng)域提出了巨大的挑戰(zhàn)，也為推動創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展、實現(xiàn)碳抵消和減少排放帶來了巨大機(jī)遇。微化工（Microchemical Engineering）作為新興的化學(xué)工程學(xué)科關(guān)鍵技術(shù)已被公認(rèn)為化學(xué)工程中實現(xiàn)節(jié)能減排的最經(jīng)濟(jì)可行的策略之一。微化工技術(shù)利用集成和小型化微通道設(shè)備作為核心，通過在微通道中微米級的混合和分散，可以強(qiáng)化熱和質(zhì)量傳輸及反應(yīng)，實現(xiàn)具有高可控性、提高產(chǎn)率、抑制副產(chǎn)物形成和降低能耗的產(chǎn)品生成，具有高效、安全和節(jié)能的內(nèi)在屬性，是化工過程強(qiáng)化向碳中和方向發(fā)展的一種很有前景的方法。

其中，可在微通道中精準(zhǔn)操縱和處理微體積多相流的微流控技術(shù)（Microfluidics）作為微化工的核心之一，為實現(xiàn)高效可控的微化工過程提供了可能。微流控的應(yīng)用已經(jīng)從分析化學(xué)和噴墨打印的早期使用擴(kuò)展到精細(xì)化學(xué)品和新材料的合成、高通量分析以及細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)系統(tǒng)的模擬等前沿新興領(lǐng)域。但目前微化工中微流控技術(shù)面向碳中和方向的發(fā)展還處于初級階段，任重道遠(yuǎn)。值得注意的是，包括微流控裝置和流體系統(tǒng)構(gòu)建在內(nèi)的現(xiàn)有的相關(guān)應(yīng)用都不足以完全滿足碳中和的要求。因此，面向碳中和方向發(fā)展高效、低成本、環(huán)保的微流控技術(shù)迫在眉睫。這種“綠色微流控體系”將大大有助于減少原材料來源的碳排放，促進(jìn)可控和強(qiáng)化的微化工過程，實現(xiàn)碳抵消和減少碳排放，為化學(xué)工程行業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供新的動力。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，青島大學(xué)馬慶明特聘教授和清華大學(xué)徐建鴻教授結(jié)合自身在微化工及微流控領(lǐng)域的研究經(jīng)驗，對面向碳中和的微化工領(lǐng)域的綠色微流控體系的最新研究現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以“Green microfluidics in microchemical engineering for carbon neutrality”為題，于近期在中國化工學(xué)會會刊Chinese Journal of Chemical Engineering上發(fā)表了面向碳中和的微化工及微流控領(lǐng)域的首篇前瞻性綜述，并當(dāng)選為當(dāng)期雜志的封面文章。

面向碳中和的微化工領(lǐng)域中綠色微流控體系的關(guān)鍵點概述

文章首先對微化工領(lǐng)域中綠色微流控體系的發(fā)展進(jìn)行了分類和評述，包括通過使用生物基基底材料和低碳制造方法構(gòu)建微流控裝置，以及使用更具生物相容性和非破壞性的流體系統(tǒng)，如雙水相系統(tǒng)（ATPS）等構(gòu)建微流控多相流體系。

使用生物基材料構(gòu)建低碳微流控裝置

利用雙水相系統(tǒng)（ATPS）構(gòu)建綠色微流控多相流體系

在此基礎(chǔ)上，該綜述全面總結(jié)了面向碳中和的綠色微流控體系的應(yīng)用，包括生物分子的分離和純化、化學(xué)品和藥物的高通量篩選、快速和經(jīng)濟(jì)高效的檢測以及精細(xì)化學(xué)品和新材料的合成等。

利用綠色微流控體系實現(xiàn)生物分子的分離純化

利用綠色微流控體系實現(xiàn)精細(xì)化學(xué)品和新材料的合成

最后，該綜述提出并討論了在碳中和的大背景下于微化工中進(jìn)一步發(fā)展綠色微流控體系的挑戰(zhàn)和前景：（1）目前適合綠色微流控體系的襯底材料種類有限，因而需要進(jìn)一步拓寬襯底材料來源。與合成聚合物相比，蛋白質(zhì)和天然聚合物等天然來源的材料由于其對石化資源的獨(dú)立性、生物相容性和在自然界中的可獲得性而更有前景，因此該文章提出未來的研究應(yīng)更多地注意驗證天然原材料作為基底材料的潛力。（2）碳中和目標(biāo)的達(dá)成需要具有特殊設(shè)計的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的新型碳捕獲材料，因而利用綠色微流控技術(shù)制備這些新型材料，以更有效的方式捕獲二氧化碳，是非常值得系統(tǒng)研究的方向。（3）建立一個一體化、小型化的實驗室一直是化學(xué)工程界的夢想。然而，微流控的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成，大多數(shù)實驗還沒有建立一個集成的、小型化的系統(tǒng)，而是將一個小型的微流控裝置與復(fù)雜的儀器連接起來，或者與宏觀尺度的控制架構(gòu)進(jìn)行接口。因此，未來亟需架構(gòu)真正集成化和小型化的綠色微流控系統(tǒng)，并最終實現(xiàn)其商業(yè)化。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.cjche.2022.01.014

審核編輯 ：李倩