流动化学和微反应技术特点

微反应器是微加工或其他结构化的设备，至少有一个（特性）尺寸小于 1 毫米。通常使用的最小结构是几十微米，但也有尺寸更小的例外。微反应技术利用微反应器进行化学反应工程。流动化学是一种由化学动机（例如，新的合成方案）驱动的相关方法。

微反应器和流动化学的机会及其与可持续性的相关性

传质

微反应器的混合速度比传统混合器快得多，可达到毫秒级。单相或两相之间的质量传递同样得到加强。可持续性成果是减少浪费、降低能耗、提高产量；与成本和 LCA（循环性）相关。示例：开发了一种微反应器，用于HCl催化果糖脱水，在短反应时间和高温下生产 HMF。通过粒子图像测速监测确定混合时间为 0.03 至 4.8 秒。盘绕微通道产生 Dean 涡流，实现高级对流混合。HMF 产率为 50%，是文献中报道的最佳结果之一。

传热

微反应器即使在热失控或爆炸情况下也能传热，并从强（绝热）热释放转变为可控的等温操作。

可持续性成果是减少浪费、降低能耗、提高产量；与成本和 LCA（循环性）相关。

示例：微设备设计对于良好的传热至关重要，常见的设计是堆叠中的板排列，交替的板由反应器和热微通道组成。使用这种交替堆叠的商用微反应器，微通道的蛇形形状会强制对流，从而支持传热（和传质）；尤其是在研究的雷诺数非常高（从 400 到 2000）的情况下。银导热膏被证明可有效增强板之间的传导传热；最高可达 70%，传热系数最高可达 2200 W m−2 K−1。温度控制已证明适用于高度放热的反应，即二甲草酸酯和乙基氯化镁形成 2-氧代丁酸甲酯，从而避免形成局部热点。

完全控制热传递（无热过冲、无热点）通常与同时完全控制质量传递有关。微反应器的泰勒流模式，常规气液段塞，通过这两种途径，能够研究在相对高温下异丁烷氧化为叔丁基过氧化氢 (TBHP) 过程中元素反应的微妙相互作用。TBHP 作为过氧化物是一种热敏感材料，容易分解。TBHP 具有双重功能：引发反应和作为一种自催化剂。另一种常见的引发剂二叔丁基过氧化物 (DTBP) 会在所用的高温下分解，从而降低 TBHP 的产量。只有通过微反应器提供的卓越传热控制，才能区分这些复杂的效应。

停留时间

微反应器可以大大缩短反应时间，从几天和几小时缩短到几分钟甚至更短反应在尽可能短的（固有）时间尺度上发生的可能性被称为闪速化学。最快的反应在几毫秒内完成。

可持续性的结果是减少浪费和提高产量；与成本和 LCA（循环性）相关。

例如：有机锂反应只能在几毫秒内发生，这是传统混合难以应对的时间尺度。在如此短的时间间隔内混合效率低下会促进有机反应物中官能团（例如酮基）的副反应，迫使它们在反应条件下受到保护（这会产生废物）。微反应器可以更快地混合，而基于芳基碘化物与间三甲苯基锂的碘-锂交换的有机锂反应可直接生成芳基锂产物，这是多酚生物活性产物 pauciflorol F 的前体。由于主反应占主导地位且不存在副反应，因此可以使用无保护化学反应。

与间歇技术相比，聚醚多元醇的混合辅助微反应器操作可显著缩短反应时间。在异常高的反应温度下，不到1分钟即可实现 95% 的转化率。

生产力

更快的反应时间、在以前的爆炸状态下运行和/或更高的产量使流动化学能够提高生产率。挑战在于在扩大规模时保持高生产率。生产率主要可以通过减少反应时间或增加转化率（或两者兼而有之）来提高。

可持续性的结果是减少浪费和提高产量；与成本和 LCA（循环性）相关。

示例：生物柴油在工业水平上量产良好，是作为新兴技术的微反应器的良好基准。与目前依赖强酸或强碱的传统方法相比，酶催化酯交换法生产生物柴油提高了可持续性，但速度较慢，阻碍了高生产率的实现。使用可回收的纳米磁性固定化酶 Candida rugosa 脂肪酶，统计分析（使用响应面法 - Box-Behnken 设计）提高了生产率。在优化的一组工艺条件下确定了 93% 的最高固定化效率，并且固定化酶在相关工艺条件下是稳定的。微反应器酯交换提高了芝麻饼油转化为生物柴油的效率，最高转化率可达97%，生产的生物柴油符合工业标准（ASTM D6751）。

安全性

微反应器可以在工艺条件下实现安全运行，否则在常规条件下可能会导致热失控或爆炸。微流操作可以将爆炸范围移出典型操作条件。危险反应通常是阻碍传统反应器扩大规模的障碍，而微反应器已被证明可以安全地处理使用不稳定中间体或危险试剂的反应以及用于千克级合成的高放热反应。这使得更多实验室化学创新能够过渡到中试和生产规模。

图、通过在流动化学中使用减小的体积来减轻主要批次的安全风险

多反应网络/产品复杂性

微反应器可以在有限的空间和短时间内整合多种反应，最大限度地减少浪费。它们能够连续合成复杂的产品；通常无需分离或中断反应。

可持续性的结果是降低能耗、提高产量和生产出更好的产品；与成本、LCA 和循环性相关。

示例：在微流中，在温和的反应条件下，有机锂中间体与胺化试剂的亲电胺化可轻松形成 C-N 键；无需催化剂或分离。24 在 5 分钟内，进行了 3 步集成单流合成，包括芳基锂的中间体合成、胺化试剂及其与产品的反应。通过 4 步集成单流合成，完成了环己醇的 Swern-Moffatt 氧化；停留时间最短为 10 毫秒，适宜温度范围为 -20 至 20 °C，明显高于传统间歇合成（-50 °C）

图、流动化学应用于连续多步骤 Swern-Moffatt 型氧化

新型工艺窗口

微反应器需要专用工艺（协议），而最佳工艺通常与常规做法相去甚远。这些不寻常的（新型）工艺窗口不适合传统设备，使微反应器和流动化学能够胜过同类产品。探索新型工艺窗口 (NPW) 可以提高微反应器和流动化学的性能。

可持续性的结果是减少浪费、降低能源消耗、提高产量和提供更好的产品;与成本、生命周期评估和循环性相关。

示例：由于其爆炸性，过氧化物合成对于传统加工具有挑战性。然而，使用非常快的动力学可以使任何反应都非常高效。那么，如何才能以安全的方式利用这一点呢？过氧特戊酸叔丁酯的两阶段合成在两种流态下进行，即分段流和分散流。利用非常快的动力学的挑战是应对反应的显着热释放（126 kJ mol−1).即使在工艺温度升高的情况下（表示NPW），分散流态也为安全的过氧化物生产提供了较大的界面面积，从而大大提高了生产率;注意到过氧化物合成通常在室温下或在冷却下进行。与工业专利的比较表明，微反应器的时空产量要高出几个数量级。

回收

在循环时代，回收已成为所有加工过程（包括流动化学加工）中必不可少的部分。流动分离是回收的一部分，尽管经过了二十年的研究，但仍然缺乏与流动化学反应的整合。

可持续性成果包括减少浪费和能源消耗；与成本、LCA 以及最显著的循环性和 ESG 相关。

示例：通过回收，使用水/离子液体双相系统在连续流脱酯化中实现了酶的再利用。批量处理由于剧烈搅拌产生的剪切力而产生泡沫，这意味着回收所需的分离需要花费不可接受的时间。微流处理及其“软对流搅拌”不会引起泡沫，从而导致快速而完全的相分离。演示了三个回收阶段，每个阶段都显示酶活性逐渐下降，但这对于原理验证来说是可以容忍的。

在膜分散微反应器中，聚乙烯醇和正丁醛的缩聚反应证明了工艺成分 HCl、水和正丁醛的回收。该反应生成聚乙烯醇丁醛，一种用于夹层汽车玻璃的化学品。选择这些成分是因为它们能够使缩聚反应达到所需的超高转化率。正丁醛转化率达到 99%，回收有效减少了 86% 的 HCl 使用量。

设计溶剂

设计溶剂能够设计出超出普通溶剂能力的溶剂，因此也被称为“主溶剂”。微反应器通常体积较小，适合使用昂贵的设计溶剂，并且要求溶剂性能达到最高标准。微反应器和主溶剂的联合使用在实验室规模上取得了重大成就

图、流动化学中使用的设计溶剂的分类

可持续性的结果是减少浪费和降低能源成本；与成本、LCA 以及最显著的循环性相关。

示例：开发了一种用于酶生物转化的双相设计溶剂系统，以展示通过回收实现的自动纯化和酶再利用。测试了三种离子液体 (IL) 对 4-硝基苯乙酸酯的脂肪酶催化水解；所有离子液体都含有 1-丁基-3-甲基咪唑阳离子，阴离子不同，即四氟硼酸盐、双（三氟甲基磺酰基）酰亚胺和六氟磷酸盐。在相同的反应时间和使用水/IL 双相系统的情况下，流动反应器在相同的纯化程度（97%）下获得了更高的产量（最多 90%）。使用 IL 的另一个好处是大大提高了酶的可回收性。

自动化/模块化

小型、紧凑型反应器（如微反应器）有利于模块化，作为一种“工艺模块乐高”。要达到近乎理想的工艺条件，需要用计算智能来取代人工操作；这是流动化学“工艺自动化”的本质。自动化流动化学使按需药物生产成为可能，该系统可在可重构的模块化系统中进行，能够在一个流程中完成一个伸缩合成。它支持许多不同的反应或通过一个共同的构建块合成许多分子。使用流动的优势包括可扩展性、安全性、速度和可重复性。自动化流动合成集成了自动设计、API 合成和生物测定筛选平台。

图、过程自动化示例，包括泵站、反应器、过程条件（即温度和压力）和在线分析仪

可持续性成果涵盖上述类别；与 ESG 相关，有助于实现工业标准。

示例：通过高斯过程回归，机器学习用于指导电化学微反应器处理，以优化苯甲醛到氰醇的无添加剂氰基硅烷化反应。参数反应研究确定了产生高产量的反应条件。这避免了通常应用的大量实验参数筛选，从而减少了实验次数。通过优化电气（电流）和化学工程（流速）设置之间的相互作用，计算无需人类专业知识即可最大限度地提高生产力。传感器对于流程自动化至关重要，因为它们执行基本的计量和过程控制功能。开发了一种反应时间快的非侵入式传感器，用于监测单相和多相微流中的相和浓度变化。此外，还需要先进的在线检测方法。采用全内反射瞬态吸收显微镜 (TIRTAM) 检测流动中的激发态动力学。最后，需要先进的过程监控来检测和诊断堵塞的微反应器。对于五个微反应器中并联运行的 Suzuki-Miyaura 耦合，使用分离重组型流量分配器 (SRFD) 进行堵塞检测。通过压降隔间模型调整 SRFD 中的通道阻力和传感器位置。

规模化/可预测性

微反应器是可复制的反应器系统，理想情况下只是“编号”，类似于自然界的细胞。虽然微反应器的规模化现实与理想情况有一定差异，但微反应器的规模化确实比传统的间歇式反应器设置更快、更轻松。几位将微反应器推向生产规模的工业研究人员也持这种观点。

可持续性成果是加快上市时间、降低成本和增加现金流；与 TEA 相关，尤其是 ESG。

示例：通过编号3D打印和层压金属微反应器来扩大亚秒级微流合成的规模。最初的单流反应器合成扩展到一个整体模块，带有4个编号的 3D 打印金属微反应器 (4N-PMR)。作为下一步也是最后的放大步骤，16个微反应器 (16N-PMR) 在运行10分钟内输送了20克三种药物支架产品。这是通过堆叠四个 4N-PMR 模块实现的。通过统计方法，特别是 Box-Behnken 实验设计，系统地改变工艺参数，开发了微反应器中 2-乙基己基硝酸酯的千克级合成。实验设计针对四个因素和三个水平进行了研究。确定关键影响因素（硫酸、温度）并使用计算流体动力学优化液液接触，从而实现了放大的微反应器设计，能够生产 16 kg h-2 乙基己基硝酸酯。

供应链和商业模式

微反应器是一种紧凑的模块化装置，易于安装/拆卸，具有快速启动/关闭功能，可带来新的商业模式，包括分散的小规模生产，并加强多产品商业模式，如批量生产。

可持续发展成果包括新产品服务、减少运输对环境的影响、产品个性化以及提高产品交付可靠性（弹性）；与 LCA 相关，尤其是 ESG。

示例：新型化学生产工厂（所谓的“未来工厂”）可以提供新的业务窗口。集装箱式移动工厂有望缩短上市时间（“50% 创意”），从而带来更高的现金流。这主要是由于其模块化结构以及嵌入了微反应器等智能规模处理技术。已经对配备微反应器的集装箱工厂（Evonik Company 的 Evotrainer 生产平台）进行了资本支出和运营支出分析。微反应器在化工市场领域有三种应用：大宗化学品、精细化学品和制药。与传统技术相比，集装箱化工厂的投资回报更快，收益更高，特别是对于制药行业等高价值化学品而言。微反应器设备提高了经济效益。

来源：

Sustainability of flow chemistry and microreaction technology

DOI ：https://doi.org/10.1039/D4GC01882F