用于化学工程的微流控反应器概述

什么是化学反应器？它是干什么用的？

化学反应器是发生化学反应的封闭室或容器。化学工程和化学中使用反应器的主要目的是控制温度和压力等反应条件。工业规模的反应室是生产药物、化学品或颗粒的重要工艺组件。

是否需要微流控反应器？

在过去的几十年里，微流体为分子和材料的化学合成提供了替代方法。近年来，微反应器已经从概念验证原型发展为制药和化学合成行业的商业产品。早期类型的微反应器，称为微分反应器，于 1960 年设计用于测量催化反应的动力学。初步调查结果表明，由于反应器体积小，差异反应器中的温度和浓度梯度可以忽略不计。与此相比，此功能允许更准确地测量反应动力学。常规反应堆。间歇反应器环境特性的固有梯度也会影响它们在实现目标分子结构方面的性能，例如在特定位置修饰的分子。此外，间歇反应器的低集成度和自动化程度严重阻碍了它们在合成、筛选和优化中的应用。因此，微流体提供了克服这些缺点的方法。

是什么让微流控反应器优于间歇反应器？

反应条件

进行化学反应微流控芯片受益于在指定的温度、压力和时间分配和混合试剂。此外，微流控装置由于它们的扩散路径短，因此特别适合小型传热或传质反应。例如，在制药和生物技术行业，酶和一些生物材料的生产量相对较小[2]. 微流控反应器能够连续生产少量化学品，同时保持一致的质量；与批量生产相关的常见问题。此外，微流体通道中的高表面与体积比导致表面效应优于体积效应，从而提高选择性和性能。最后，微流控平台提供了一些无与伦比的优势。例如，当必须在给患者开处方前不久制造放射性标记示踪剂时。由于其体积小，微流体系统为现场和按需药物生产提供了一个便携式平台。它们可用于快速替换和组合试剂以创建合成化学品库，并且此类技术可用于筛选药物和催化剂。

提高安全性

工业化学反应的安全管理对于避免人员和经济损失至关重要。许多工业过程涉及危险化学品，必须仔细监测和控制[3]. 微流体允许安全使用少量危险化学品。使用小尺寸安全管理温度和压力可避免爆炸微流体通道. 危险反应，包括过热或暴露于有害辐射，也可以更安全地进行。值得注意的是，微反应器中的连续合成可以防止储存可能非常不稳定或有毒的反应介质。因此，微流控反应器的连续性在安全考虑中起着至关重要的作用。

易于操作

如果化学反应需要流动传输，那么使用大容量泵对多种输入试剂的操作和控制可能会很繁琐。当一个人或系统在机器中操作超过三种试剂时，泵送系统变得复杂。微流体可以通过以下方式更轻松地操纵流动合成反应：(i) 通过插入热元件（如浴槽）进行温度控制，(ii) 使用可编程注射泵控制流速，(iii) 通过改变微反应器的几何形状来控制流动路径和 (iv)包含通过以精确间隔注射或通过在所需位置输入的材料转移。

微流控微反应器有什么用途？

对于以下应用，已证明微反应器优于传统的本体反应器。随着每天都有新的微流体设备出现，该列表正在增长。

无机物的液-液萃取

无机化学中具有挑战性的领域之一是液液萃取 (LLE)。例如，必须从流出物中去除重金属，或者当必须分离锕系元素或长寿命放射性核素时。通常，金属物质在螯合或形成离子对后从水中萃取到有机溶剂中。尽管 LLE 广泛用于将分子或离子物质从一个相传输到另一个相，但它的一些基本原理尚未完全理解。由于其固有的表面积与体积比优势，微流体可用于通过利用液体界面相互作用来优化这些过程。

酶促微反应器

酶促微反应器的分析应用可分为两类。第一组使用生物催化将不容易测量的分析转化为可测量的形式。这种微反应器旨在消化蛋白质以将其转化为更易于测量的肽。另一个例子是葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖，然后通过初始反应中形成的过氧化氢测量氧化的鲁米诺的发光化学。第二组微反应器旨在筛选底物、酶并研究它们在连续流体微流体系统中的动力学。

酶微反应器的开发旨在促进生化分析中的日常工作，也用于生物学研究[5]. 这些微型反应器通过将酶固定在微型反应器内来工作。然而，可固定在反应器床和壁中的酶数量有限是目前酶促微反应器的缺点。到目前为止，以下固定化酶已在工业规模上使用：葡萄糖异构酶、蔗糖变位酶、h-半乳糖苷酶、青霉素酶、二氨基酸氧化酶、戊二酰胺酶、嗜热菌蛋白酶、腈水解酶、氨酰化酶和乙内酰脲酶[6].

纳米粒子的合成

与传统的纳米粒子合成方法相比，微流体方法具有几个优点[7]. 首先，微型反应器的小固有体积允许使用昂贵或有毒的化学品，而无需大量库存和处理量。其次，由于高表面积体积比，这些反应器中的热传递很高[8]. 第三，一些在传统反应器中太快而无法控制的反应可以在微反应器中轻松进行。此外，有效混合是在微反应器中制备分散纳米颗粒的主要优势，而微流体装置为多阶段过程的自动化提供了潜力，例如微芯片中的分析、反应和纯化的组合。通过使用微流控微反应器，可以形成粒径确定、粒径分布均匀、结构理想的纳米颗粒。

光催化反应

光催化微反应器受到了广泛关注，因为与传统反应器相比，它们可以精确控制性能变量并在整个反应空间内实现更均匀的辐射行为[9]. 微反应器也越来越多地用于该领域，因为可以设计多次迭代，同时节省昂贵的催化剂材料[10]. 微反应器被证明使用紫外线 (UV-A) 与水和氧气结合作为氧化剂来强化光催化反应。[11].

需要集成微反应器

尽管有许多优点，但微流控微反应器在工业应用中的吞吐量较低。增加吞吐量的一种方法是通过微反应器的倍增和并行化。这种微流体系统仍然受益于高表面体积比和微流体系统的其他优点。

与实验室规模相比，微反应器的大规模生产[12]

并行化的一个缺点是当微流体系统变得过于复杂时。通过应用集成，该行业仍然可以在合理的系统复杂性下实现更高的吞吐量。这可以通过两种方式完成： (i) 内部集成以执行多个并行过程；(ii) 与自动化、在线/在线分析、反馈等其他功能模块的外部集成。这些概念激发了全集成和全自动化微系统的最新发展、材料筛选的令人兴奋的结果以及连续/离散响应变量的自我优化。微反应器的高效率/稳定性规模有助于弥合学术界与临床/工业转化之间的差距[13]。

使用 Curtius 重排反应从叠氮化物和有机酰氯开始的氨基甲酸酯的多步微流体化学合成。 [13]

参考文献和延伸阅读

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Y. Liu 和 X. Jiang，“为什么选择微流体？化学合成的优点和趋势，”芯片实验室，2017 年。

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“用于生化和化学反应的微流体”，微流体和纳米流体百科全书，马萨诸塞州波士顿，斯普林格，2008 年。

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C.-X. Zhao, L. He, SZ Qiao 和 APJMiddelberg，“微反应器中的纳米粒子合成”，化学工程科学，卷。第 66 页，第 1463-1479 年，2011 年。

MV Martin、ML Sa 和 OM Alfano，“铈掺杂 TiO2 薄膜：微反应器中辐射吸收特性和光催化反应效率的评估”，环境化学工程杂志，第一卷。2019 年 1 月 19 日。

SS Ahsan、A. Gumus 和 D. Erickson，“光流控微反应器中氧化还原介导的光催化水分解”，芯片实验室，卷。13，第 409-414 页，2013 年。

SR Pradhan、RF Colmenares-Quintero 和 JC Colmenares Quintero，“使用声化学设计用于光催化的微流反应器：系统综述文章”，分子，卷。2019 年 2 月 24 日。

HR Sahoo、JG Kralj 和 Klavs F，“涉及多个反应和分离的多步连续流微化学合成”，AngewandteChemie，卷。第 46 页，第 5704 – 5708, 2007。

原英文链接：https://www.ufluidix.com/microfluidics-research-reviews/microfluidic-microreactor-chemical-engineering/