流动化学的发展和潜在好处

1、流动化学的发展

几个世纪以来，化学在我们的文明中发挥着不可或缺的作用，其重要性随着时间的推移而增加。 任何化学分支的核心都是化学反应。 反应，无论是在实验室还是工业规模，传统上都是在试管、烧瓶、烧杯、罐和反应器中进行的。 在化学中，这种方法通常被称为批处理化学、批处理反应或批处理。 然而，在 20 世纪初，情况开始发生变化。 第一个现代连续工艺可能是 Haber-Bosch 工艺，该工艺由固定化铁催化剂催化的氢和氮工业生产氨 [Haber & Le Rossignol, 1913]。 由于通过规模经济实现的生产成本大幅降低，石化行业也开始广泛采用连续工艺。

然而，在连续方法（在实验室中通常称为流动化学）成为研究实验室和其他行业的重要工具之前。首先在实验室规模采用流动化学的是分析实验室，其次是有机合成实验室，后来是制药行业。 事实上，连续流动反应器已在近十年前被报道为制药公司用于药物发现的工具，而流动化学已被证明是制药行业药物发现的宝贵工具 [Trojanowicz, 2020]。 流动化学帮助制药公司 (i) 增加合成化合物的数量，(ii) 更快地评估生物活性，以及 (iii) 以工业规模生产 [Baraldi & Hessel, 2012]。

在医疗保健领域，连续流动制造不仅有可能降低医疗保健成本，而且还有助于在世界上医疗保健服务有限的地区获得挽救生命的疗法。 因此，流动化学被认为对医疗保健的未来至关重要 [Extance, 2017]。 例如，诺华公司以 6500 万美元资助了麻省理工学院 (MIT) 的一项研究计划，该计划旨在开发基于流动合成的药物生产新方法 [Richards，2007 年]。 流动化学可应用于药物、疫苗 和以及检测试剂盒的开发和合成，包括最近的 2019冠状病毒病大流行。

In addition to pharmaceutical applications [Gerardy et al., 2018] &

除了制药应用 [Gerardy et al., 2018] 和 [Baumann et al., 2020]，流动化学正在扩展到有机金属化学 [Timothy, 2016]、精细化学品、聚合物 [Leibfarth et al., 2015]、肽 [Simon et al., 2014] 和纳米材料合成 [Sebastian & Jensen, 2016] 和 [Marre & Jensen, 2010]，包括金属和半导体纳米粒子的连续生长 [Jensen, 2017]。 在绿色化学领域，流动化学有望更快地开发和应用更环保的催化剂和合成方法 [Rogers & Jensen, 2019]。 在流动中进行反应可以显着减少实验室和生产规模的环境影响。

近几十年来，流动化学已经从基本的实验室技术发展到复杂的多步骤过程。 今天，越来越多的行业采用流动化学，如图 1 中的市场概览所示。

图 1. 2020 年按照应用全球流动化学市场份额（%）。 [来源：转载自 Grand View Research，2022 年]。

流动化学被视为一种颠覆性创新 [Bruno, 2014]，它扩展了化学的视野并开辟了新的市场可能性。 流动化学将化学家和化学工程师聚集在一起，并正在创造具有广泛应用的新研究领域。 在过去的十年里，流动化学已成为现代化学的一个重要领域。 这反映在报告的涉及流动化学应用的科学出版物和专利数量上，并且逐年稳步增长。 图 2 对此进行了说明，该图显示了主题“连续流动化学”的 SciFinder® 搜索结果。

图 2. 连续流动化学的被引出版物数量。 [来源：转载自 Baumann 等人，2020 年。]

流动化学应用和研究的巨大扩展反映在市场价值上，估计约为 10 亿美元，预计到 2028 年将达到 32 亿美元 [GlobeNewswire, 2021]。 市场价值的增长是由合成、级联催化和下一代工程的未来潜在应用推动的，其中包括新型单元操作、原位表征、固体处理、自动化和机器智能 [Hartman，2020]。 图 3 描述了使用流动化学系统和机器人在合成过程中实现自动化的概念。

图 3. 应用流动化学与自动化技术和人工智能相结合的未来概念图示，通过使用最先进的机器人技术和可重构的反应平台来彻底改变有机合成。 [资料来源：Coley，2019，© AAAS]

2、流动化学潜在好处

在连续流动中进行反应仅仅意味着反应在管道、管子、毛细管或微毛细管中进行，而不是在传统的分批搅拌容器中进行。 连续流动化学描述了在狭窄通道内以连续方式进行反应的性能，利用其固有特性严格控制反应条件。

流动化学的引入是向前迈出的重要一步，因为与更传统的批处理方法相比，它提供了几个关键优势。某些特定化学品和反应的危险性可能会限制或排除它们的使用，尤其是大规模使用。但是，如果可以安全使用这些化学品，通常可以提供更好的效率。寻找替代方案通常很昂贵，并且需要很长的反应序列。其中一些问题与高度放热、极快的反应有关，并且具有积聚热量和形成热点的趋势。这些反应通常涉及难以处理且具有潜在毒性或爆炸性的不稳定物质。这带来了特定的安全问题，并可能导致反应失控、不希望的副产物或对反应装置的意外爆炸损坏。此类过程的示例包括硝化、卤化和基于有机金属的反应，它们广泛用于制药行业、dynamite生产和精细化学品生产等几个重要行业。

连续流动反应器与间歇反应器相比具有几个独特的优势，并为上述问题提供了解决方案。反应器的特点是狭窄且定义明确的通道，内部尺寸在微米到毫米范围内，内部体积从几微升到毫升不等。连续流动化学的真正力量在于管理化学品通过这些狭窄通道的流动，利用它们的内在特性在严格控制的条件下处理化学品，并在没有干预的情况下长时间连续运行。流动化学反应器的狭窄通道影响化学品流的流体动力学、传热和传质。这导致即使在不混溶相的情况下也能有效混合、高效的热量和压力管理、对停留时间和局部化学计量的精确控制、固有的安全性、潜在的无缝可扩展性和按需生产。早在 2000 年，文献就报道了化学微反应器的进展，包括对微通道混合和热交换等元素操作的描述及其在气相、液相和气液精细化工中的首次应用合成。

尽管流动化学有希望，但有必要注意流动化学不是一个通用的解决方案，也不是对化学中的每个问题都有利。 由于几个原因，间歇反应器在不久的将来仍将是首选。 它们更强大、更通用且更具成本效益。 批次是可追溯的，它们与气体、液体和固体兼容，几乎可以在每个化学实验室中找到它们。 事实上，流动化学科学家需要解决的最大问题之一是反应器与固体的相容性。 其他挑战包括专业知识的稀缺、高昂的启动成本和产品的可追溯性。