與傳統(tǒng)的反應(yīng)器工藝相比，微反應(yīng)器技術(shù)具有傳質(zhì)傳熱效率高，反應(yīng)時(shí)間短，無(wú)放大效應(yīng)，安全可靠，集成度高，生產(chǎn)流程綠色化等諸多優(yōu)點(diǎn)。微型反應(yīng)器技術(shù)能顯著增強(qiáng)反應(yīng)過(guò)程，是化工領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新，為化工生產(chǎn)提供了高效、方便的平臺(tái)。微量反應(yīng)技術(shù)是21世紀(jì)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。闡述了微反應(yīng)器的主要應(yīng)用領(lǐng)域和面臨的挑戰(zhàn)。

微反應(yīng)器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1  精細(xì)化工和醫(yī)藥工業(yè)

在精細(xì)化工和制藥工業(yè)中，50%的反應(yīng)可從主要以微反應(yīng)器技術(shù)為基礎(chǔ)的連續(xù)過(guò)程中獲益，而微反應(yīng)器在精細(xì)化工和制藥工業(yè)中的應(yīng)用正日益普遍，其驅(qū)動(dòng)因素主要包括工藝發(fā)展要求、產(chǎn)品的可靠性、產(chǎn)品的產(chǎn)量、生產(chǎn)安全性以及操作簡(jiǎn)便等。

在精細(xì)化工領(lǐng)域中，許多反應(yīng)對(duì)溫度的要求非常苛刻，需要在數(shù)百度或零下幾十度的條件下進(jìn)行，這就要求對(duì)物料滴入反應(yīng)溫度進(jìn)行良好的控制。這種操作很難在常規(guī)反應(yīng)器中進(jìn)行，而微反應(yīng)器則依靠微尺度的特性來(lái)控制溫度和反應(yīng)時(shí)間，保證了反應(yīng)的順利進(jìn)行。

醫(yī)藥工業(yè)中，新藥研發(fā)是一個(gè)充滿活力、耗資巨大的過(guò)程，篩選出高質(zhì)量的先導(dǎo)化合物是藥物篩選的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，微反應(yīng)器技術(shù)可與基因分析設(shè)備相結(jié)合，內(nèi)部無(wú)湍流環(huán)境和高靈敏度的生物測(cè)定系統(tǒng)相結(jié)合，這些都為藥物篩選提供了強(qiáng)有力的條件，可以完成高通量的藥物篩選，在醫(yī)藥研究開發(fā)中應(yīng)用廣泛。

該技術(shù)還可降低先導(dǎo)化合物的篩選成本，提高優(yōu)化速度，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，降低試劑費(fèi)用。據(jù)報(bào)告，使用微反應(yīng)器生產(chǎn)選擇性氟化藥物產(chǎn)品，并在9個(gè)月內(nèi)完成了從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到500kg高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程，如BRAyE。報(bào)道了用PENNEMANN等微反應(yīng)器合成苯基硼酸，該反應(yīng)器采用高流動(dòng)速率的微混合物，其產(chǎn)率可達(dá)89%，產(chǎn)品苯基硼酸不受二苯代硼酸的污染，與傳統(tǒng)間歇生產(chǎn)工藝相比，產(chǎn)率提高20%，能耗降低20%。研究表明，MAURYA等研究表明，在連續(xù)的微反應(yīng)器中合成一種非常重要的精細(xì)化工和藥物中間體氮乙酸酯，其產(chǎn)率可達(dá)99%，而產(chǎn)生的有毒有害廢物幾乎可以忽略。實(shí)踐證明，連續(xù)流動(dòng)式微反應(yīng)器能使精細(xì)化工和醫(yī)藥工業(yè)向更經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)保方向發(fā)展。

2  生化

在遺傳工程領(lǐng)域，許多重要化合物的生物合成已被展示出來(lái)，但考慮到諸如復(fù)雜的生理系統(tǒng)等因素，產(chǎn)品的活性及其對(duì)反應(yīng)條件的控制受到限制，也顯示出對(duì)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的不適應(yīng)性。作為一種可選擇的途徑，微反應(yīng)器技術(shù)將消除這些缺陷，并適合于工業(yè)化生產(chǎn)。微生物反應(yīng)器技術(shù)已進(jìn)入生物催化領(lǐng)域，微生物反應(yīng)器技術(shù)與生物催化技術(shù)的結(jié)合將是一個(gè)重要的綠色工程，一些常用的酶微生物反應(yīng)器已在均相、非均相和多相系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

當(dāng)前酶類藥物如ELISA(ELISA)在診斷方面的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注。酶聯(lián)微反應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于分析檢測(cè)領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)是用量很小，在蛋白質(zhì)水解方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。微反應(yīng)器具有高比表面積的優(yōu)點(diǎn)，可將酶固載于固體載體或微通道的內(nèi)壁上，用于制備固定化酶微反應(yīng)器，是微反應(yīng)器技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用之一。對(duì)乙酰膽堿酯酶固定化微反應(yīng)器篩選天然提取物的抑制劑進(jìn)行了研究；IQBAL等報(bào)道了在固載酶微反應(yīng)器中使用毛細(xì)管電泳，結(jié)果表明該處理方法節(jié)省了樣品，降低了成本，縮短了時(shí)間。

近年來(lái)，在微反應(yīng)器中把酶固定化在納米材料上的研究已經(jīng)取得了很高的酶活性。在此基礎(chǔ)上，研究了利用微反應(yīng)器技術(shù)合成縮氨酸的方法。另外，微反應(yīng)器技術(shù)也方便了DNA分析。例如，在生物有機(jī)合成中，DNA片段經(jīng)常被放大成倍以備進(jìn)一步研究，也就是DNA擴(kuò)增技術(shù)。SCHAERLI等公司利用微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)，實(shí)現(xiàn)了DNA的快速擴(kuò)增。

微反應(yīng)器面臨的主要挑戰(zhàn)。

1  阻塞

微型反應(yīng)器技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代，至今仍屬一種新興技術(shù)，盡管其發(fā)展迅速，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。目前微反應(yīng)器面臨的主要問(wèn)題是微通道的阻塞。在反應(yīng)過(guò)程中有固體物質(zhì)(催化劑、試劑、產(chǎn)物和副產(chǎn)品)參與時(shí)，通道中的沉淀、生長(zhǎng)或架橋現(xiàn)象會(huì)限制微反應(yīng)器中液體的流動(dòng)速度，影響液體的混合，增加壓力，最終導(dǎo)致反應(yīng)失敗。

對(duì)于阻塞問(wèn)題，目前已有多種解決方案。SCHOENITZ等對(duì)微反應(yīng)器中各類污垢的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，包括結(jié)晶、顆粒、化學(xué)反應(yīng)、腐蝕、生物污染、氣泡等，并介紹了相應(yīng)的減緩或防止污垢形成的方法。微槽道管壁面設(shè)計(jì)得足夠光滑能有效地減少固體沿壁面沉積，如純氟表面。

使用多液-液流可限制固體粒子與管壁之間的相互作用，但這種方法需要使用額外的溶液，這可能會(huì)降低反應(yīng)效率，或?qū)е逻@種額外溶液與特定溶劑不相容。也可利用超聲輻射來(lái)緩解堵塞，這是因?yàn)槌暡ǖ恼駝?dòng)可使沉淀物的附著物和沉積物變得不那么粘稠；其他方法包括使用分散相液滴包裹顆粒，以減少顆粒和管壁之間的相互作用，以及使用鞘流技術(shù)來(lái)產(chǎn)生納米顆粒，以減少堵塞等。盡管對(duì)堵塞問(wèn)題已經(jīng)采取了許多措施，但仍缺乏一種有效的方法將不溶性物質(zhì)分離出來(lái)，從而限制了微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展。

2  催化負(fù)載。

由于微流道尺寸較小，在微流道中加載催化劑的方法也越來(lái)越多，因此微流道中加載催化劑的方法也越來(lái)越多。對(duì)催化劑進(jìn)行加載的方法主要有兩種：加載到微道內(nèi)壁或催化劑載體上。但催化劑涂覆于表面時(shí)，易發(fā)生觸點(diǎn)低、觸點(diǎn)易脫落、難更換、加工成本高等問(wèn)題，阻礙了微反應(yīng)器產(chǎn)品化開發(fā)進(jìn)程。

在催化劑載體與配位體的連接過(guò)程中，常會(huì)引起催化劑活性的下降，而常見(jiàn)的聚合物載體會(huì)產(chǎn)生膨脹，使微反應(yīng)器堵塞，因此催化劑的裝入方式很大程度上決定了產(chǎn)物的選擇性。催化劑用載體以多孔材料為主，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多孔材料作為催化劑載體的研究較多，但催化劑的粘附性和高效的裝料方式仍需進(jìn)一步優(yōu)化，均質(zhì)催化劑的固定仍是一大難題。

3  設(shè)計(jì)和制造微通道

微孔道的制作經(jīng)歷了幾個(gè)階段的發(fā)展，目前已經(jīng)能夠設(shè)計(jì)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)通道，如基于光刻母模板的軟孔道，其制作工藝已經(jīng)比較成熟，但其制作成本仍然很高，所以開發(fā)簡(jiǎn)化的制作工藝，降低制作成本是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。對(duì)高通量微流體系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，快速均勻分布非常重要。微通道的幾何構(gòu)造決定著流體的分布，最終影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，優(yōu)化微通道的幾何構(gòu)造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因此，發(fā)展高精度、低成本的微通道制造技術(shù)是一個(gè)亟待解決的難題。