李尚銳

摘 要 微反應(yīng)器是微型化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生裝置，可以具有隔熱和進(jìn)行快速傳輸?shù)淖饔?，能夠?yán)格控制化學(xué)反應(yīng)的方式和反應(yīng)的時(shí)間，可以快速的對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行放大，因此具備很強(qiáng)的安全性特征，微反應(yīng)器具有安全性能高的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)裝置相比，可以大大縮短化學(xué)反應(yīng)的處理時(shí)間，提高化學(xué)反應(yīng)的效率，提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。但是微反應(yīng)器也容易出現(xiàn)堵塞的問(wèn)題，在催化劑的裝載和化學(xué)反應(yīng)通道的設(shè)計(jì)方面具備較高難度。

關(guān)鍵詞 微反應(yīng)器 反應(yīng)通道 化學(xué)化工

微反應(yīng)器又被稱作為微通道反應(yīng)器，是集合了微反應(yīng)器、換熱器、微萃取器等化學(xué)分析容器的微型化學(xué)設(shè)備，微反應(yīng)器產(chǎn)生于微流控致技術(shù)，由于微尺度的衡量標(biāo)準(zhǔn)不同，微反應(yīng)器與傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)器具相比具有較大優(yōu)勢(shì)，提高了化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)含量，提升了化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，受到了相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注。

1微反應(yīng)器的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1.1可以精確的控制反應(yīng)的時(shí)間

微反應(yīng)器可以對(duì)反應(yīng)的時(shí)間進(jìn)行精確的控制，通過(guò)改變反應(yīng)器的反應(yīng)通道控制化學(xué)反應(yīng)的流速，控制化學(xué)反應(yīng)可能產(chǎn)生的中間物質(zhì)，在化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生之前將物質(zhì)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)反應(yīng)區(qū)間，因此該技術(shù)的產(chǎn)生不會(huì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如果遇到多相體系，也能通過(guò)控制流速而改變物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的時(shí)間，通過(guò)改變流體的類型，可以對(duì)整體反映效果達(dá)到控制的目的。如果應(yīng)用微反應(yīng)器，通過(guò)控制反應(yīng)停留的時(shí)間，會(huì)取得更加明顯的效果，控制恒定的流速是保證化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵。

1.2集成化程度較高

我國(guó)目前的微加工技術(shù)已經(jīng)比較進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)以及微分離等操作步驟，一些微反應(yīng)單元的操作可以集成到固定的反應(yīng)芯片之中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)，這樣的反應(yīng)效果可以提升反應(yīng)的效率，節(jié)省產(chǎn)品生產(chǎn)的成本，如果材料混合之后反應(yīng)還有停留時(shí)間，則需要及時(shí)更換反應(yīng)的速度，將反應(yīng)安排在同一個(gè)區(qū)域。通過(guò)多種形式的反應(yīng)控制模式，可以實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的重復(fù)性，對(duì)平行試驗(yàn)方式的實(shí)現(xiàn)較為有利。

1.3混合效率和熱轉(zhuǎn)換效率均有所提升

微反應(yīng)容器的熱轉(zhuǎn)換效率可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)通道得以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉磻?yīng)通道的尺寸只有幾百微米，通道因此雷諾數(shù)比較低，因?yàn)閷恿鲾U(kuò)散有可能會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生的混合物的種類產(chǎn)生影響，具體而言會(huì)產(chǎn)生二次混流的效果，微反應(yīng)器的尺度可能因?yàn)榉磻?yīng)擴(kuò)散的問(wèn)題而變得時(shí)間更短，混合的效率還有可能加快。在一定的優(yōu)勢(shì)條件下，反應(yīng)器的內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)條件的影響而有所加強(qiáng)，為了擴(kuò)大反應(yīng)的通道數(shù)量，提升反應(yīng)的條件和質(zhì)量，熱傳播系數(shù)需要和通道的尺寸成正相關(guān)關(guān)系，微反應(yīng)的效率如果可以達(dá)到每平米一萬(wàn)瓦以上，則可以起到縮小表面積的效果傳統(tǒng)的攪拌設(shè)備只能達(dá)到一千瓦左右。

2微反應(yīng)裝置在化學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用

2.1減少反應(yīng)的時(shí)間

微反應(yīng)器可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)高效率的完成，大量減少反應(yīng)的處理時(shí)間，最主要的原因是因?yàn)楦鶕?jù)專項(xiàng)熱系數(shù)的比值計(jì)算，可以高效的實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，在醇醛等物質(zhì)化合反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)生四丁基氟化銨的實(shí)驗(yàn)中，兩種物質(zhì)互相化合的速率明顯加快，而且發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化的比例明顯提升，通過(guò)甲硅烷基烯醇和溴苯甲烷的融合，可以使得目標(biāo)物質(zhì)的生成達(dá)到百分之百的轉(zhuǎn)化，大大降低反應(yīng)的時(shí)間，只用簡(jiǎn)單的二十分鐘就可以完成所有的轉(zhuǎn)化要求，這樣的反應(yīng)效率是傳統(tǒng)的化學(xué)容器所達(dá)不到的，根據(jù)相關(guān)資料可得出如下結(jié)論，傳統(tǒng)的容器進(jìn)行上述化學(xué)反應(yīng)至少需要二十個(gè)小時(shí)左右。

2.2提高轉(zhuǎn)化的效率

化學(xué)反應(yīng)在微反應(yīng)容器當(dāng)中進(jìn)行的時(shí)候，首先進(jìn)行的是?；磻?yīng)，比較傳統(tǒng)的容積是乙酸酐和醋酸鉀，也有使用醋酸鈉的情況，這些鹽溶劑的溶解性比較差，有可能造成反應(yīng)容器的堵塞等問(wèn)題，在此種情況下，可以采用三乙胺替代的反應(yīng)方式，這樣可以提升反應(yīng)的效率，但是微反應(yīng)容器當(dāng)中，事先就可以將各種溶劑進(jìn)行混合，隨著溶劑反應(yīng)速率的加快，溫度設(shè)置會(huì)達(dá)到一百三十度左右，溶劑的反應(yīng)速率會(huì)達(dá)到一百以上。釜式反應(yīng)器的速率有可能達(dá)到百分之八十左右，二羥基化合物的氟化反應(yīng)速率則一般能達(dá)到百分之十五，如果嘗試了微反應(yīng)容器則直接達(dá)到了百分之九十以上。

2.3進(jìn)行高溫高壓的反應(yīng)

在控制壓強(qiáng)和反應(yīng)溫度的時(shí)候，一般可以讓反應(yīng)溫度達(dá)到250℃之上，壓強(qiáng)則可以控制到1.3Mpa，反應(yīng)的時(shí)間則可以控制在一到兩個(gè)小時(shí)左右。如果反應(yīng)的時(shí)候采用甲苯作為反應(yīng)間質(zhì)，則經(jīng)過(guò)反應(yīng)條件優(yōu)化之后，可以加將溫度控制在240℃左右，在壓強(qiáng)10倍大氣壓的條件下反應(yīng)，效率不僅會(huì)提升，之后得出的最終產(chǎn)物也會(huì)更純，廢棄物的回收效率也會(huì)提升，副產(chǎn)品的比例甚至?xí)陀?%左右，根據(jù)上述結(jié)論的得出，溫度變化會(huì)對(duì)重排反應(yīng)產(chǎn)生重大影響，在小于230℃的條件下，轉(zhuǎn)化的安全性不高，也不會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)中副產(chǎn)品的產(chǎn)生，因此盡量不采用控制反應(yīng)時(shí)間的方式改變反應(yīng)效率。

3微反應(yīng)技術(shù)可以應(yīng)用的化工領(lǐng)域

3.1制藥行業(yè)和精細(xì)化工領(lǐng)域

在制藥行業(yè)當(dāng)中，很多化學(xué)反應(yīng)都可以通過(guò)微反應(yīng)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)連續(xù)工藝流程可以使得微反應(yīng)技術(shù)在制藥工業(yè)和精細(xì)化工當(dāng)中進(jìn)行普遍應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)工藝發(fā)展的動(dòng)力主要是產(chǎn)品使用效率和產(chǎn)品使用質(zhì)量的更高要求。只有安全生產(chǎn)和公眾對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求提升，安全操作才有辦法可尋。在精細(xì)化工領(lǐng)域，很多反應(yīng)對(duì)溫度的要求異?？量蹋蛘咝枰趲装俣鹊母邷貤l件下進(jìn)行，或者需要在幾十度的低溫條件下進(jìn)行，因此對(duì)加工物質(zhì)的材料就有高度的溫度控制問(wèn)題，微反應(yīng)器的尺度可以很好地把握反應(yīng)的特性，可以對(duì)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行精確控制，保證反應(yīng)能夠順著化學(xué)流程正常進(jìn)行下去。在制藥行業(yè)領(lǐng)域，新藥的研發(fā)也需要耗費(fèi)大量的流程，篩選出合適的化合物是制藥技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，微反應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基因分析設(shè)備的集成應(yīng)用，通過(guò)內(nèi)部反應(yīng)處理技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，微反應(yīng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)基因分步，內(nèi)部環(huán)境和具有生物敏感性的技術(shù)可以為集成藥物的創(chuàng)造提供良好條件。通過(guò)藥物篩選技術(shù)，可以使得化工領(lǐng)域當(dāng)中實(shí)現(xiàn)微反應(yīng)容器的高效利用，提高藥物產(chǎn)生和提取的效率，降低試劑消耗以及降低反應(yīng)裝置的成本。利用微反應(yīng)容器可以產(chǎn)生大量的氟化物質(zhì)，并且完成的生產(chǎn)流程效率較高。

3.2生物化學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用

多種重要的化合物除了可以利用基因工程進(jìn)行生產(chǎn)的同時(shí)，在基因工程之外還可以利用化學(xué)合成的方法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，但是生理系統(tǒng)比較復(fù)雜，很多因素都會(huì)限制醫(yī)療有效物質(zhì)的提取效率，因此控制反應(yīng)的時(shí)間和反應(yīng)的步驟就顯得格外重要，大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用具有一定不適應(yīng)性，微反應(yīng)容器作為合理應(yīng)用的操作程序的一種，也會(huì)有一些替代途徑方面的缺陷，造成化工領(lǐng)域應(yīng)用的不適應(yīng)性。目前化工領(lǐng)域催化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)可以進(jìn)行微反應(yīng)，生物催化技術(shù)與之結(jié)合之后將誕生更加綠色的新技術(shù)。一些常見(jiàn)的需要利用反應(yīng)酶的化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)可以利用微反應(yīng)容器實(shí)現(xiàn)多相所需要的性能。目前，科技前沿當(dāng)中的酶聯(lián)免疫實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得成功。催化酶參與微反應(yīng)容器已經(jīng)可以在多領(lǐng)域進(jìn)行具體應(yīng)用，由于酶的種類和用量都是有限度的，也可以采用蛋白質(zhì)水解的方法生成。將酶作為一種載體固定在微通道的內(nèi)壁之上，形成微小的酶反應(yīng)容器。

4微反應(yīng)容器的應(yīng)用有可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)

微反應(yīng)容器自產(chǎn)生之后雖然發(fā)展迅速，但是很快就產(chǎn)生了問(wèn)題與挑戰(zhàn)。例如微通道容易產(chǎn)生堵塞，一些化學(xué)物品參與反應(yīng)之后，會(huì)影響到通道內(nèi)流體的速率，長(zhǎng)期之后會(huì)產(chǎn)生沉積問(wèn)題，影響之后液體通過(guò)的效率，最終還有可能導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)失敗。同時(shí)由于涉及到了負(fù)載效應(yīng)，微通道由于尺寸過(guò)小，對(duì)催化的裝載能力有限，因此對(duì)催化劑的效用要求較高，催化劑的負(fù)載主要是在內(nèi)壁之上，如果被涂抹到表面，則容易出現(xiàn)附著性問(wèn)題，會(huì)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程產(chǎn)生阻礙。

5結(jié)語(yǔ)

微反應(yīng)技術(shù)能夠在改變化工領(lǐng)域反應(yīng)效率的同時(shí)改變反應(yīng)過(guò)程，該技術(shù)的應(yīng)用是化工行業(yè)技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵，化工領(lǐng)域如果可以高效的應(yīng)用微反應(yīng)平臺(tái)，將能夠極大的提升反應(yīng)效率，但是我國(guó)的微反應(yīng)技術(shù)還處在研究的起始階段，在將來(lái)進(jìn)行深入的化工領(lǐng)域研究之后，微反應(yīng)的研究還將會(huì)有更大的應(yīng)用空間，未來(lái)前景仍然非常廣闊，在科研技術(shù)人員的努力之下，未來(lái)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的成就一定會(huì)獲得突破，微反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)有更廣闊的前景。

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