1、流動化學的發展

幾個世紀以來，化學在我們的文明中發揮著不可或缺的作用，其重要性隨著時間的推移而增加。 任何化學分支的核心都是化學反應。 反應，無論是在實驗室還是工業規模，傳統上都是在試管、燒瓶、燒杯、罐和反應器中進行的。 在化學中，這種方法通常被稱為批處理化學、批處理反應或批處理。 然而，在 20 世紀初，情況開始發生變化。 第一個現代連續工藝可能是 Haber-Bosch 工藝，該工藝由固定化鐵催化劑催化的氫和氮工業生產氨 [Haber & Le Rossignol, 1913]。 由于通過規模經濟實現的生產成本大幅降低，石化行業也開始廣泛采用連續工藝。

然而，在連續方法（在實驗室中通常稱為流動化學）成為研究實驗室和其他行業的重要工具之前。首先在實驗室規模采用流動化學的是分析實驗室，其次是有機合成實驗室，后來是制藥行業。 事實上，連續流動反應器已在近十年前被報道為制藥公司用于藥物發現的工具，而流動化學已被證明是制藥行業藥物發現的寶貴工具 [Trojanowicz, 2020]。 流動化學幫助制藥公司 (i) 增加合成化合物的數量，(ii) 更快地評估生物活性，以及 (iii) 以工業規模生產 [Baraldi & Hessel, 2012]。

在醫療保健領域，連續流動制造不僅有可能降低醫療保健成本，而且還有助于在世界上醫療保健服務有限的地區獲得挽救生命的療法。 因此，流動化學被認為對醫療保健的未來至關重要 [Extance, 2017]。 例如，諾華公司以 6500 萬美元資助了麻省理工學院 (MIT) 的一項研究計劃，該計劃旨在開發基于流動合成的藥物生產新方法 [Richards，2007 年]。 流動化學可應用于藥物、疫苗 和以及檢測試劑盒的開發和合成，包括最近的 2019冠狀病毒病大流行。

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

除了制藥應用 [Gerardy et al., 2018] 和 [Baumann et al., 2020]，流動化學正在擴展到有機金屬化學 [Timothy, 2016]、精細化學品、聚合物 [Leibfarth et al., 2015]、肽 [Simon et al., 2014] 和納米材料合成 [Sebastian & Jensen, 2016] 和 [Marre & Jensen, 2010]，包括金屬和半導體納米粒子的連續生長 [Jensen, 2017]。 在綠色化學領域，流動化學有望更快地開發和應用更環保的催化劑和合成方法 [Rogers & Jensen, 2019]。 在流動中進行反應可以顯著減少實驗室和生產規模的環境影響。

近幾十年來，流動化學已經從基本的實驗室技術發展到復雜的多步驟過程。 今天，越來越多的行業采用流動化學，如圖 1 中的市場概覽所示。

圖 1. 2020 年按照應用全球流動化學市場份額（%）。 [來源：轉載自 Grand View Research，2022 年]。

流動化學被視為一種顛覆性創新 [Bruno, 2014]，它擴展了化學的視野并開辟了新的市場可能性。 流動化學將化學家和化學工程師聚集在一起，并正在創造具有廣泛應用的新研究領域。 在過去的十年里，流動化學已成為現代化學的一個重要領域。 這反映在報告的涉及流動化學應用的科學出版物和專利數量上，并且逐年穩步增長。 圖 2 對此進行了說明，該圖顯示了主題“連續流動化學”的 SciFinder? 搜索結果。

圖 2. 連續流動化學的被引出版物數量。 [來源：轉載自 Baumann 等人，2020 年。]

流動化學應用和研究的巨大擴展反映在市場價值上，估計約為 10 億美元，預計到 2028 年將達到 32 億美元 [GlobeNewswire, 2021]。 市場價值的增長是由合成、級聯催化和下一代工程的未來潛在應用推動的，其中包括新型單元操作、原位表征、固體處理、自動化和機器智能 [Hartman，2020]。 圖 3 描述了使用流動化學系統和機器人在合成過程中實現自動化的概念。

圖 3. 應用流動化學與自動化技術和人工智能相結合的未來概念圖示，通過使用最先進的機器人技術和可重構的反應平臺來徹底改變有機合成。 [資料來源：Coley，2019，? AAAS]

2、流動化學潛在好處

在連續流動中進行反應僅僅意味著反應在管道、管子、毛細管或微毛細管中進行，而不是在傳統的分批攪拌容器中進行。 連續流動化學描述了在狹窄通道內以連續方式進行反應的性能，利用其固有特性嚴格控制反應條件。

流動化學的引入是向前邁出的重要一步，因為與更傳統的批處理方法相比，它提供了幾個關鍵優勢。某些特定化學品和反應的危險性可能會限制或排除它們的使用，尤其是大規模使用。但是，如果可以安全使用這些化學品，通常可以提供更好的效率。尋找替代方案通常很昂貴，并且需要很長的反應序列。其中一些問題與高度放熱、極快的反應有關，并且具有積聚熱量和形成熱點的趨勢。這些反應通常涉及難以處理且具有潛在毒性或爆炸性的不穩定物質。這帶來了特定的安全問題，并可能導致反應失控、不希望的副產物或對反應裝置的意外爆炸損壞。此類過程的示例包括硝化、鹵化和基于有機金屬的反應，它們廣泛用于制藥行業、dynamite生產和精細化學品生產等幾個重要行業。

連續流動反應器與間歇反應器相比具有幾個獨特的優勢，并為上述問題提供了解決方案。反應器的特點是狹窄且定義明確的通道，內部尺寸在微米到毫米范圍內，內部體積從幾微升到毫升不等。連續流動化學的真正力量在于管理化學品通過這些狹窄通道的流動，利用它們的內在特性在嚴格控制的條件下處理化學品，并在沒有干預的情況下長時間連續運行。流動化學反應器的狹窄通道影響化學品流的流體動力學、傳熱和傳質。這導致即使在不混溶相的情況下也能有效混合、高效的熱量和壓力管理、對停留時間和局部化學計量的精確控制、固有的安全性、潛在的無縫可擴展性和按需生產。早在 2000 年，文獻就報道了化學微反應器的進展，包括對微通道混合和熱交換等元素操作的描述及其在氣相、液相和氣液精細化工中的首次應用合成。

盡管流動化學有希望，但有必要注意流動化學不是一個通用的解決方案，也不是對化學中的每個問題都有利。 由于幾個原因，間歇反應器在不久的將來仍將是首選。 它們更強大、更通用且更具成本效益。 批次是可追溯的，它們與氣體、液體和固體兼容，幾乎可以在每個化學實驗室中找到它們。 事實上，流動化學科學家需要解決的最大問題之一是反應器與固體的相容性。 其他挑戰包括專業知識的稀缺、高昂的啟動成本和產品的可追溯性。