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)時間短，無放大效應(yīng)，安全可靠，集成度高，生產(chǎn)流程綠色化等諸多優(yōu)點。微型反應(yīng)器技術(shù)能顯著增強反應(yīng)過程，是化工領(lǐng)域的一項創(chuàng)新，為化工生產(chǎn)提供了高效、方便的平臺。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  精細化工和醫(yī)藥工業(yè)

在精細化工和制藥工業(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)過程中獲益，而微反應(yīng)器在精細化工和制藥工業(yè)中的應(yīng)用正日益普遍，其驅(qū)動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)安全性以及操作簡便等。

在精細化工領(lǐng)域中，許多反應(yīng)對溫度的要求非?？量?，需要在數(shù)百度或零下幾十度的條件下進行，這就要求對物料滴入反應(yīng)溫度進行良好的控制。這種操作很難在常規(guī)反應(yīng)器中進行，而微反應(yīng)器則依靠微尺度的特性來控制溫度和反應(yīng)時間，保證了反應(yīng)的順利進行。

醫(yī)藥工業(yè)中，新藥研發(fā)是一個充滿活力、耗資巨大的過程，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)部無湍流環(huán)境和高靈敏度的生物測定系統(tǒng)相結(jié)合，這些都為藥物篩選提供了強有力的條件，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，減少實驗次數(shù)，降低試劑費用。據(jù)報告，使用微反應(yīng)器生產(chǎn)選擇性氟化藥物產(chǎn)品，并在9個月內(nèi)完成了從實驗室規(guī)模到500kg高質(zhì)量產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，如BRAyE。報道了用PENNEMANN等微反應(yīng)器合成苯基硼酸，該反應(yīng)器采用高流動速率的微混合物，其產(chǎn)率可達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化工和藥物中間體氮乙酸酯，其產(chǎn)率可達99%，而產(chǎn)生的有毒有害廢物幾乎可以忽略。實踐證明，連續(xù)流動式微反應(yīng)器能使精細化工和醫(yī)藥工業(yè)向更經(jīng)濟、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，但考慮到諸如復(fù)雜的生理系統(tǒng)等因素，產(chǎn)品的活性及其對反應(yīng)條件的控制受到限制，也顯示出對大規(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)用于分析檢測領(lǐng)域，其優(yōu)點是用量很小，在蛋白質(zhì)水解方面具有明顯優(yōu)勢。微反應(yīng)器具有高比表面積的優(yōu)點，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行了研究；IQBAL等報道了在固載酶微反應(yīng)器中使用毛細管電泳，結(jié)果表明該處理方法節(jié)省了樣品，降低了成本，縮短了時間。

近年來，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，在生物有機合成中，DNA片段經(jīng)常被放大成倍以備進一步研究，也就是DNA擴增技術(shù)。SCHAERLI等公司利用微反應(yīng)器實現(xiàn)了聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)，實現(xiàn)了DNA的快速擴增。

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)器面臨的主要問題是微通道的阻塞。在反應(yīng)過程中有固體物質(zhì)(催化劑、試劑、產(chǎn)物和副產(chǎn)品)參與時，通道中的沉淀、生長或架橋現(xiàn)象會限制微反應(yīng)器中液體的流動速度，影響液體的混合，增加壓力，最終導(dǎo)致反應(yīng)失敗。

對于阻塞問題，目前已有多種解決方案。SCHOENITZ等對微反應(yīng)器中各類污垢的研究現(xiàn)狀進行了綜述，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緩解堵塞，這是因為超聲波的振動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)來產(chǎn)生納米顆粒，以減少堵塞等。盡管對堵塞問題已經(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，從而限制了微反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展。

2  催化負載。

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越多，因此微流道中加載催化劑的方法也越來越多。對催化劑進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，易發(fā)生觸點低、觸點易脫落、難更換、加工成本高等問題，阻礙了微反應(yīng)器產(chǎn)品化開發(fā)進程。

在催化劑載體與配位體的連接過程中，常會引起催化劑活性的下降，而常見的聚合物載體會產(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，目前國內(nèi)外對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一步優(yōu)化，均質(zhì)催化劑的固定仍是一大難題。

3  設(shè)計和制造微通道

微孔道的制作經(jīng)歷了幾個階段的發(fā)展，目前已經(jīng)能夠設(shè)計出復(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)簡化的制作工藝，降低制作成本是一項艱巨的任務(wù)。對高通量微流體系統(tǒng)來說，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)造是一個復(fù)雜的過程，同時也是一個很大的挑戰(zhàn)，因此，發(fā)展高精度、低成本的微通道制造技術(shù)是一個亟待解決的難題。