什么是化學(xué)反應(yīng)器？它是干什么用的？

化學(xué)反應(yīng)器是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的封閉室或容器?；瘜W(xué)工程和化學(xué)中使用反應(yīng)器的主要目的是控制溫度和壓力等反應(yīng)條件。工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)室是生產(chǎn)藥物、化學(xué)品或顆粒的重要工藝組件。

是否需要微流控反應(yīng)器？

在過去的幾十年里，微流體為分子和材料的化學(xué)合成提供了替代方法。近年來，微反應(yīng)器已經(jīng)從概念驗(yàn)證原型發(fā)展為制藥和化學(xué)合成行業(yè)的商業(yè)產(chǎn)品。早期類型的微反應(yīng)器，稱為微分反應(yīng)器，于 1960 年設(shè)計(jì)用于測(cè)量催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。初步調(diào)查結(jié)果表明，由于反應(yīng)器體積小，差異反應(yīng)器中的溫度和濃度梯度可以忽略不計(jì)。與此相比，此功能允許更準(zhǔn)確地測(cè)量反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。常規(guī)反應(yīng)堆。間歇反應(yīng)器環(huán)境特性的固有梯度也會(huì)影響它們?cè)趯?shí)現(xiàn)目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)方面的性能，例如在特定位置修飾的分子。此外，間歇反應(yīng)器的低集成度和自動(dòng)化程度嚴(yán)重阻礙了它們?cè)诤铣?、篩選和優(yōu)化中的應(yīng)用。因此，微流體提供了克服這些缺點(diǎn)的方法。

是什么讓微流控反應(yīng)器優(yōu)于間歇反應(yīng)器？

反應(yīng)條件

進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)微流控芯片受益于在指定的溫度、壓力和時(shí)間分配和混合試劑。此外，微流控裝置由于它們的擴(kuò)散路徑短，因此特別適合小型傳熱或傳質(zhì)反應(yīng)。例如，在制藥和生物技術(shù)行業(yè)，酶和一些生物材料的生產(chǎn)量相對(duì)較小[2]. 微流控反應(yīng)器能夠連續(xù)生產(chǎn)少量化學(xué)品，同時(shí)保持一致的質(zhì)量；與批量生產(chǎn)相關(guān)的常見問題。此外，微流體通道中的高表面與體積比導(dǎo)致表面效應(yīng)優(yōu)于體積效應(yīng)，從而提高選擇性和性能。最后，微流控平臺(tái)提供了一些無與倫比的優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)必須在給患者開處方前不久制造放射性標(biāo)記示蹤劑時(shí)。由于其體積小，微流體系統(tǒng)為現(xiàn)場(chǎng)和按需藥物生產(chǎn)提供了一個(gè)便攜式平臺(tái)。它們可用于快速替換和組合試劑以創(chuàng)建合成化學(xué)品庫(kù)，并且此類技術(shù)可用于篩選藥物和催化劑。

提高安全性

工業(yè)化學(xué)反應(yīng)的安全管理對(duì)于避免人員和經(jīng)濟(jì)損失至關(guān)重要。許多工業(yè)過程涉及危險(xiǎn)化學(xué)品，必須仔細(xì)監(jiān)測(cè)和控制[3]. 微流體允許安全使用少量危險(xiǎn)化學(xué)品。使用小尺寸安全管理溫度和壓力可避免爆炸微流體通道. 危險(xiǎn)反應(yīng)，包括過熱或暴露于有害輻射，也可以更安全地進(jìn)行。值得注意的是，微反應(yīng)器中的連續(xù)合成可以防止儲(chǔ)存可能非常不穩(wěn)定或有毒的反應(yīng)介質(zhì)。因此，微流控反應(yīng)器的連續(xù)性在安全考慮中起著至關(guān)重要的作用。

易于操作

如果化學(xué)反應(yīng)需要流動(dòng)傳輸，那么使用大容量泵對(duì)多種輸入試劑的操作和控制可能會(huì)很繁瑣。當(dāng)一個(gè)人或系統(tǒng)在機(jī)器中操作超過三種試劑時(shí)，泵送系統(tǒng)變得復(fù)雜。微流體可以通過以下方式更輕松地操縱流動(dòng)合成反應(yīng)：(i) 通過插入熱元件（如浴槽）進(jìn)行溫度控制，(ii) 使用可編程注射泵控制流速，(iii) 通過改變微反應(yīng)器的幾何形狀來控制流動(dòng)路徑和 (iv)包含通過以精確間隔注射或通過在所需位置輸入的材料轉(zhuǎn)移。

微流控微反應(yīng)器有什么用途？

對(duì)于以下應(yīng)用，已證明微反應(yīng)器優(yōu)于傳統(tǒng)的本體反應(yīng)器。隨著每天都有新的微流體設(shè)備出現(xiàn)，該列表正在增長(zhǎng)。

無機(jī)物的液-液萃取

無機(jī)化學(xué)中具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一是液液萃取 (LLE)。例如，必須從流出物中去除重金屬，或者當(dāng)必須分離錒系元素或長(zhǎng)壽命放射性核素時(shí)。通常，金屬物質(zhì)在螯合或形成離子對(duì)后從水中萃取到有機(jī)溶劑中。盡管 LLE 廣泛用于將分子或離子物質(zhì)從一個(gè)相傳輸?shù)搅硪粋€(gè)相，但它的一些基本原理尚未完全理解。由于其固有的表面積與體積比優(yōu)勢(shì)，微流體可用于通過利用液體界面相互作用來優(yōu)化這些過程。

酶促微反應(yīng)器

酶促微反應(yīng)器的分析應(yīng)用可分為兩類。第一組使用生物催化將不容易測(cè)量的分析轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的形式。這種微反應(yīng)器旨在消化蛋白質(zhì)以將其轉(zhuǎn)化為更易于測(cè)量的肽。另一個(gè)例子是葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖，然后通過初始反應(yīng)中形成的過氧化氫測(cè)量氧化的魯米諾的發(fā)光化學(xué)。第二組微反應(yīng)器旨在篩選底物、酶并研究它們?cè)谶B續(xù)流體微流體系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)。

酶微反應(yīng)器的開發(fā)旨在促進(jìn)生化分析中的日常工作，也用于生物學(xué)研究[5]. 這些微型反應(yīng)器通過將酶固定在微型反應(yīng)器內(nèi)來工作。然而，可固定在反應(yīng)器床和壁中的酶數(shù)量有限是目前酶促微反應(yīng)器的缺點(diǎn)。到目前為止，以下固定化酶已在工業(yè)規(guī)模上使用：葡萄糖異構(gòu)酶、蔗糖變位酶、h-半乳糖苷酶、青霉素酶、二氨基酸氧化酶、戊二酰胺酶、嗜熱菌蛋白酶、腈水解酶、氨?；负鸵覂?nèi)酰脲酶[6].

納米粒子的合成

與傳統(tǒng)的納米粒子合成方法相比，微流體方法具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[7]. 首先，微型反應(yīng)器的小固有體積允許使用昂貴或有毒的化學(xué)品，而無需大量庫(kù)存和處理量。其次，由于高表面積體積比，這些反應(yīng)器中的熱傳遞很高[8]. 第三，一些在傳統(tǒng)反應(yīng)器中太快而無法控制的反應(yīng)可以在微反應(yīng)器中輕松進(jìn)行。此外，有效混合是在微反應(yīng)器中制備分散納米顆粒的主要優(yōu)勢(shì)，而微流體裝置為多階段過程的自動(dòng)化提供了潛力，例如微芯片中的分析、反應(yīng)和純化的組合。通過使用微流控微反應(yīng)器，可以形成粒徑確定、粒徑分布均勻、結(jié)構(gòu)理想的納米顆粒。

光催化反應(yīng)

光催化微反應(yīng)器受到了廣泛關(guān)注，因?yàn)榕c傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，它們可以精確控制性能變量并在整個(gè)反應(yīng)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更均勻的輻射行為[9]. 微反應(yīng)器也越來越多地用于該領(lǐng)域，因?yàn)榭梢栽O(shè)計(jì)多次迭代，同時(shí)節(jié)省昂貴的催化劑材料[10]. 微反應(yīng)器被證明使用紫外線 (UV-A) 與水和氧氣結(jié)合作為氧化劑來強(qiáng)化光催化反應(yīng)。[11].

需要集成微反應(yīng)器

盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但微流控微反應(yīng)器在工業(yè)應(yīng)用中的吞吐量較低。增加吞吐量的一種方法是通過微反應(yīng)器的倍增和并行化。這種微流體系統(tǒng)仍然受益于高表面體積比和微流體系統(tǒng)的其他優(yōu)點(diǎn)。

與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模相比，微反應(yīng)器的大規(guī)模生產(chǎn)[12]

并行化的一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)微流體系統(tǒng)變得過于復(fù)雜時(shí)。通過應(yīng)用集成，該行業(yè)仍然可以在合理的系統(tǒng)復(fù)雜性下實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量。這可以通過兩種方式完成： (i) 內(nèi)部集成以執(zhí)行多個(gè)并行過程；(ii) 與自動(dòng)化、在線/在線分析、反饋等其他功能模塊的外部集成。這些概念激發(fā)了全集成和全自動(dòng)化微系統(tǒng)的最新發(fā)展、材料篩選的令人興奮的結(jié)果以及連續(xù)/離散響應(yīng)變量的自我優(yōu)化。微反應(yīng)器的高效率/穩(wěn)定性規(guī)模有助于彌合學(xué)術(shù)界與臨床/工業(yè)轉(zhuǎn)化之間的差距[13]。

使用 Curtius 重排反應(yīng)從疊氮化物和有機(jī)酰氯開始的氨基甲酸酯的多步微流體化學(xué)合成。 [13]

參考文獻(xiàn)和延伸閱讀

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