流動化學和微反應技術特點1

微反應器是微加工或其他結構化的設備，至少有一個(特性)尺寸小于1毫米。通常使用的最小結構是幾十微米，但也有尺寸更小的例外。微反應技術利用微反應器進行化學反應工程。流動化學是一種由化學動機(例如，新的合成方案)驅動的相關方法。
微反應器和流動化學的機會及其與可持續(xù)性的相關性
傳質
微反應器的混合速度比傳統(tǒng)混合器快得多，可達到毫秒級。單相或兩相之間的質量傳遞同樣得到加強?？沙掷m(xù)性成果是減少浪費、降低能耗、提高產量;與成本和 LCA(循環(huán)性)相關。示例:開發(fā)了一種微反應器，用于HCI催化果糖脫水，在短反應時間和高溫下生產HMF。通過粒子圖像測速監(jiān)測確定混合時間為0.03 至4.8秒。盤繞微通道產生Dean 渦流，實現(xiàn)高級對流混合。HMF產率為 50%，是文獻中報道的最佳結果之一。
傳熱
微反應器即使在熱失控或爆炸情況下也能傳熱，并從強(絕熱)熱釋放轉變?yōu)榭煽氐牡葴夭僮鳌?br /> 可持續(xù)性成果是減少浪費、降低能耗、提高產量;與成本和LCA(循環(huán)性)相關。
示例:微設備設計對于良好的傳熱至關重要，常見的設計是堆疊中的板排列，交替的板由反應器和熱微通道組成。使用這種交替堆疊的商用微反應器，微通道的蛇形形狀會強制對流，從而支持傳熱(和傳質);尤其是在研究的雷諾數(shù)非常高(從400到2000)的情況下。銀導熱膏被證明可有效增強板之間的傳導傳熱;最高可達70%，傳熱系數(shù)最高可達2200Wm-2K-1。溫度控制已證明適用于高度放熱的反應，即二甲草酸酯和乙基氯化鎂形成2-氧代丁酸甲酯，從而避免形成局部熱點。
完全控制熱傳遞(無熱過沖，無熱點)通常與同時完全控制質量傳遞有關。微反應器的泰勒流模式，常規(guī)氣液段塞，通過這兩種途徑，能夠研究在相對高溫下異丁烷氧化為叔丁基過氧化氫(TBHP)過程中元素反應的微妙相互作用。TBHP作為過氧化物是一種熱敏感材料，容易分解。TBHP具有雙重功能:引發(fā)反應和作為一種自催化劑。另一種常見的引發(fā)劑二叔丁基過氧化物(DTBP)會在所用的高溫下分解，從而降低TBHP 的產量。只有通過微反應器提供的卓越傳熱控制，才能區(qū)分這些復雜的效應。
停留時間
微反應器可以大大縮短反應時間，從幾天和幾小時縮短到幾分鐘甚至更短反應在盡可能短的(固有)時間尺度上發(fā)生的可能性被稱為閃速化學。最快的反應在幾毫秒內完成可持續(xù)性的結果是減少浪費和提高產量;與成本和LCA(循環(huán)性)相關。
例如:有機鋰反應只能在幾毫秒內發(fā)生，這是傳統(tǒng)混合難以應對的時間尺度。在如此短的時間間隔內混合效率低下會促進有機反應物中官能團(例如酮基)的副反應，迫使它們在反應條件下受到保護(這會產生廢物)。微反應器可以更快地混合，而基于芳基碘化物與間三甲苯基鋰的碘-鋰交換的有機鋰反應可直接生成芳基鋰產物，這是多酚生物活性產物pauciflorol F的前體。由于主反應占主導地位且不存在副反應，因此可以使用無保護化學反應。
與間歇技術相比，聚醚多元醇的混合輔助微反應器操作可顯著縮短反應時間。在異常高的反應溫度下，不到1分鐘即可實現(xiàn)95%的轉化率。
生產力
更快的反應時間、在以前的爆炸狀態(tài)下運行和/或更高的產量使流動化學能夠提高生產率。挑戰(zhàn)在于在擴大規(guī)模時保持高生產率。生產率主要可以通過減少反應時間或增加轉化率(或兩者兼而有之)來提高?？沙掷m(xù)性的結果是減少浪費和提高產量;與成本和LCA(循環(huán)性)相關。
示例:生物柴油在工業(yè)水平上量產良好，是作為新興技術的微反應器的良好基準。與目前依賴強酸或強堿的傳統(tǒng)方法相比，酶催化酯交換法生產生物柴油提高了可持續(xù)性，但速度較慢，阻礙了高生產率的實現(xiàn)。使用可回收的納米磁性固定化酶Candida rugosa脂肪酶，統(tǒng)計分析(使用響應面法-Box-Behnken 設計)提高了生產率。在優(yōu)化的一組工藝條件下確定了93%的最高固定化效率，并且固定化酶在相關工藝條件下是穩(wěn)定的。微反應器酯交換提高了芝麻餅油轉化為生物柴油的效率，最高轉化率可達97%，生產的生物柴油符合工業(yè)標準(ASTM D6751)。
安全性
微反應器可以在工藝條件下實現(xiàn)安全運行，否則在常規(guī)條件下可能會導致熱失控或爆炸。微流操作可以將爆炸范圍移出典型操作條件。危險反應通常是阻礙傳統(tǒng)反應器擴大規(guī)模的障礙，而微反應器已被證明可以安全地處理使用不穩(wěn)定中間體或危險試劑的反應以及用于千克級合成的高放熱反應。這使得更多實驗室化學創(chuàng)新能夠過渡到中試和生產規(guī)模。
多反應網(wǎng)絡/產品復雜性
微反應器可以在有限的空間和短時間內整合多種反應，最大限度地減少浪費。它們能夠連續(xù)合成復雜的產品;通常無需分離或中斷反應。
可持續(xù)性的結果是降低能耗、提高產量和生產出更好的產品;與成本、LCA和循環(huán)性相關。
示例:在微流中，在溫和的反應條件下，有機鋰中間體與胺化試劑的親電胺化可輕松形成C-N鍵;無需催化劑或分離。24在5分鐘內，進行了3步集成單流合成，包括芳基鋰的中間體合成、胺化試劑及其與產品的反應。通過4步集成單流合成，完成了環(huán)己醇的Swern-Moffatt氧化;停留時間最短為10毫秒，適宜溫度范圍為-20 至20℃，明顯高于傳統(tǒng)間歇合成(-50°C)。
新型工藝窗口
微反應器需要專用工藝(協(xié)議)，而最佳工藝通常與常規(guī)做法相去甚遠。這些不尋常的(新型)工藝窗口不適合傳統(tǒng)設備，使微反應器和流動化學能夠勝過同類產品。探索新型工藝窗口(NPW)可以提高微反應器和流動化學的性能。
可持續(xù)性的結果是減少浪費、降低能源消耗，提高產量和提供更好的產品;與成本，生命周期評估和循環(huán)性相關。
示例:由于其爆炸性，過氧化物合成對于傳統(tǒng)加工具有挑戰(zhàn)性。然而，使用非常快的動力學可以使任何反應都非常高效。那么，如何才能以安全的方式利用這一點呢?過氧特戊酸叔丁酯的兩階段合成在兩種流態(tài)下進行，即分段流和分散流。利用非?？斓膭恿W的挑戰(zhàn)是應對反應的顯著熱釋放(126kJmol-1).即使在工藝溫度升高的情況下(表示NPW)，分散流態(tài)也為安全的過氧化物生產提供了較大的界面面積，從而大大提高了生產率;注意到過氧化物合成通常在室溫下或在冷卻下進行。與工業(yè)專利的比較表明，微反應器的時空產量要高出幾個數(shù)量級。
回收
在循環(huán)時代，回收已成為所有加工過程(包括流動化學加工)中必不可少的部分。流動分離是回收的一部分，盡管經過了二十年的研究，但仍然缺乏與流動化學反應的整合。可持續(xù)性成果包括減少浪費和能源消耗;與成本、LCA以及最顯著的循環(huán)性和ESG 相關。
示例:通過回收，使用水/離子液體雙相系統(tǒng)在連續(xù)流脫酯化中實現(xiàn)了酶的再利用。批量處理由于劇烈攪拌產生的剪切力而產生泡沫，這意味著回收所需的分離需要花費不可接受的時間。微流處理及其“軟對流攪拌”不會引起泡沫，從而導致快速而完全的相分離。演示了三個回收階段，每個階段都顯示酶活性逐漸下降，但這對于原理驗證來說是可以容忍的。
在膜分散微反應器中，聚乙烯醇和正丁醛的縮聚反應證明了工藝成分HCI、水和正丁醛的回收。該反應生成聚乙烯醇丁醛，一種用于夾層汽車玻璃的化學品。選擇這些成分是因為它們能夠使縮聚反應達到所需的超高轉化率。正丁醛轉化率達到99%，回收有效減少了86% 的HCI使用量。
設計溶劑
設計溶劑能夠設計出超出普通溶劑能力的溶劑，因此也被稱為“主溶劑”，微反應器通常體積較小，適合使用昂貴的設計溶劑，并且要求溶劑性能達到最高標準。微反應器和主溶劑的聯(lián)合使用在實驗室規(guī)模上取得了重大成就.
可持續(xù)性的結果是減少浪費和降低能源成本;與成本、LCA以及最顯著的循環(huán)性相關。
示例:開發(fā)了一種用于酶生物轉化的雙相設計溶劑系統(tǒng)，以展示通過回收實現(xiàn)的自動純化和酶再利用。測試了三種離子液體(IL)對4-硝基苯乙酸酯的脂肪酶催化水解;所有離子液體都含有1-丁基-3-甲基咪唑陽離子，陰離子不同，即四氟硼酸鹽、雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺和六氟磷酸鹽。在相同的反應時間和使用水/IL雙相系統(tǒng)的情況下，流動反應器在相同的純化程度(97%)下獲得了更高的產量(最多90%)。使用IL的另一個好處是大大提高了酶的可回收性。
自動化/模塊化
小型、緊湊型反應器(如微反應器)有利于模塊化，作為一種“工藝模塊樂高”。要達到近乎理想的工藝條件，需要用計算智能來取代人工操作;這是流動化學“工藝自動化”的本質。自動化流動化學使按需藥物生產成為可能，該系統(tǒng)可在可重構的模塊化系統(tǒng)中進行，能夠在一個流程中完成一個伸縮合成。它支持許多不同的反應或通過一個共同的構建塊合成許多分子。使用流動的優(yōu)勢包括可擴展性、安全性、速度和可重復性。自動化流動合成集成了自動設計、API合成和生物測定篩選平臺。
可持續(xù)性成果涵蓋上述類別;與ESG 相關，有助于實現(xiàn)工業(yè)標準。
示例:通過高斯過程回歸，機器學習用于指導電化學微反應器處理，以優(yōu)化苯甲醛到氰醇的無添加劑氰基硅烷化反應。參數(shù)反應研究確定了產生高產量的反應條件。這避免了通常應用的大量實驗參數(shù)篩選，從而減少了實驗次數(shù)。通過優(yōu)化電氣(電流)和化學工程(流速)設置之間的相互作用，計算無需人類專業(yè)知識即可最大限度地提高生產力。傳感器對于流程自動化至關重要，因為它們執(zhí)行基本的計量和過程控制功能。開發(fā)了一種反應時間快的非侵入式傳感器，用于監(jiān)測單相和多相微流中的相和濃度變化。此外，還需要先進的在線檢測方法。采用全內反射瞬態(tài)吸收顯微鏡(TIRTAM)檢測流動中的激發(fā)態(tài)動力學。最后，需要先進的過程監(jiān)控來檢測和診斷堵塞的微反應器。對于五個微反應器中并聯(lián)運行的Suzuki-Miyaura 耦合，使用分離重組型流量分配器(SRFD)進行堵塞檢測。通過壓降隔間模型調整 SRFD 中的通道阻力和傳感器位置。
規(guī)?；?可預測性
微反應器是可復制的反應器系統(tǒng)，理想情況下只是“編號”，類似于自然界的細胞。雖然微反應器的規(guī)?；F(xiàn)實與理想情況有一定差異，但微反應器的規(guī)?；_實比傳統(tǒng)的間歇式反應器設置更快、更輕松。幾位將微反應器推向生產規(guī)模的工業(yè)研究人員也持這種觀點。
可持續(xù)性成果是加快上市時間、降低成本和增加現(xiàn)金流;與TEA相關，尤其是ESG。
示例:通過編號3D打印和層壓金屬微反應器來擴大亞秒級微流合成的規(guī)模。最初的單流反應器合成擴展到一個整體模塊，帶有4個編號的3D打印金屬微反應器(4N-PMR)。作為下一步也是最后的放大步驟，16個微反應器(16N-PMR)在運行10分鐘內輸送了20克三種藥物支架產品。這是通過堆疊四個4N-PMR 模塊實現(xiàn)的。通過統(tǒng)計方法，特別是Box-Behnken 實驗設計，系統(tǒng)地改變工藝參數(shù)，開發(fā)了微反應器中2-乙基己基硝酸酯的千克級合成。實驗設計針對四個因素和三個水平進行了研究。確定關鍵影響因素(硫酸、溫度)并使用計算流體動力學優(yōu)化液液接觸，從而實現(xiàn)了放大的微反應器設計，能夠生產16 kg h-2乙基己基硝酸酯。
供應鏈和商業(yè)模式
微反應器是一種緊湊的模塊化裝置，易于安裝/拆卸，具有快速啟動/關閉功能，可帶來新的商業(yè)模式，包括分散的小規(guī)模生產，并加強多產品商業(yè)模式，如批量生產。
可持續(xù)發(fā)展成果包括新產品服務、減少運輸對環(huán)境的影響、產品個性化以及提高產品交付可靠性(彈性);與LCA相關，尤其是ESG。
示例:新型化學生產工廠(所謂的“未來工廠”)可以提供新的業(yè)務窗口。集裝箱式移動工廠有望縮短上市時間(“50%創(chuàng)意”)，從而帶來更高的現(xiàn)金流。這主要是由于其模塊化結構以及嵌入了微反應器等智能規(guī)模處理技術。已經對配備微反應器的集裝箱工廠(Evonik Company的 Evotrainer生產平臺)進行了資本支出和運營支出分析。微反應器在化工市場領域有三種應用:大宗化學品、精細化學品和制藥。與傳統(tǒng)技術相比，集裝箱化工廠的投資回報更快，收益更高，特別是對于制藥行業(yè)等高價值化學品而言。微反應器設備提高了經濟效益。
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審核編輯 黃宇