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新型反應器── Microreactor (微反應器、微流道反應器、微流體反應器)

一般反應器通常會是以玻璃、或是金屬製成的容器,若是需要具有低反應性的而又不會需要耐壓力,那麼就會是以玻璃製成居多;然而,若是會有氣體、需要耐相對高壓的反應,就會傾向使用金屬(如不鏽鋼)製成的反應器。

除了材質的差異以外,反應器也依其設計而有不同的類型。最通用的就是所謂的「批式反應器」( Batch Reactor ),一次加入特定量的反應物,進行一個批次的反應,反應終止後將產物洩料取出,清洗過後,再重新加入下一批次的反應物進行反應。

另一種反應器為「連續式攪拌槽反應器」 ( Continuously Stirred Tank Reactor, CSTR ),廣泛的用在化工生產業中,主要不同的地方在於進料與出料都是連續性的。若是串聯多個CSTR,可以階段式的降低基質濃度,或是在每個階段中進行條件的微調,以符合製程需求。


反應快速篩選及新型反應的應用 - 微反應器 ( Microreactor ,又稱為微流道反應器、微流體反應器)

什麼是微反應器呢?顧名思義,是一種微小的連續式反應器,通常是藉由特殊的微小通道(直徑低於500 µm)作為其反應空間,當反應物流進通道就進行反應,流出即終止反應。藉由反應器的通道設計,使物質混合效率非常高,並且比表面積較大,可快速帶走熱。

 

適用於怎麼樣的反應呢?

  1. 高放熱反應
    因比表面積大,熱交換效率高,可迅速帶走產生之熱能。對於放熱快的反應可以提高其安全性、避免化學品產生爆炸,甚至進行批次式反應器因考量到安全性而無法進行的反應。

  2. 反應物昂貴或毒性高
    反應物用量相當低,基本上可達到毫克等級(或更低,視濃度而定),對於昂貴的反應物,可以節省反應條件篩選時的用量。若是有毒性或會造成污染之反應物,亦可降低產生之污染。另外,因為此反應器的高熱交換效率特性,在某些反應可以嘗試較濃的反應物,進而降低使用之溶劑量。

  3. 進行一些新反應的開發
    針對某些原本無法在批式反應器中進行的反應進行嘗試,開發新的做法。

  4. 快速篩選反應的需求
    使用微反應器,反應物需求量極小、反應速度快,可以快速進行多組反應,並且搭配靈敏的分析儀器,可以在短時間內作反應條件的篩選及優化

  5. 需要穩定性及低副產物的產出
    以流速精準控制當量比和反應時間,容易控制壓力,並且因反應為流動性質,反應物的濃度會不斷降低,並且在特定時間後即離開反應器,可降低副反應的產生

  6. 反應規模放大之需求
    微反應器系統可以在篩選到最適反應條件後,馬上放大製程,此種反應器在放大時所遭遇的質傳、熱傳、壓降等變化因素相對較低,放大時相對不需要再從頭嘗試新的條件。除了可以在微反應器的體積上增大外,也可在反應器的數量上增大。如一個反應器架,可加上多片反應器晶片,平行進行反應等。

微反應器已成為新一代化學反應快速篩選的選項之一,從十多年前就已經在此領域耕耘的CHEMTRIX,開發了一套Labtrix微流道連續式反應器,除了控溫系統以及進料用的注射幫浦,針對各種反應設計了多款玻璃反應器晶片,可依據反應的速度以及混合方式選擇相對應的晶片使用,僅需要極微量的反應物即可進行反應篩選。

除此之外,最重要的特點是,CHEMTRIX同時也推出了放大的版本:

  • 公斤級連續式反應器系統 - KiloFlow
  • 噸級連續式反應器系統 - Plantrix

*註 : 可在Labtrix篩選反應後,一步放大至KiloFlow試量產、並且用Plantrix系統進行生產。


現在已經有產業開始採用此類型的反應器進行生產,例如:DSM,可想而知,此類型的反應器的確有其特點及優勢。

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