微化工設備:連續式反應器
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需要耐壓力,那么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(如不銹鋼)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,反應終止后將產物洩料取出,清洗過后,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。
每種反應器類型都有其適合的用途,一般都根據各反應的需求,來選擇合用的類型進行研發或是生產。這裡,我們來看看一種新的反應器類型。
汶顥微反應器結構圖
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(直徑低于500 ?m)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,使物質溷合效率非常高,并且比表面積較大,可快速帶走熱。
像這樣的微反應器特別適用于怎麼樣的反應呢?
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。對于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。
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),對于昂貴的反應物,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。
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。
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,并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
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,并且因反應為流動性質,反應物的濃度會不斷降低,并且在特定時間后即離開反應器,可降低副反應的產生
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后,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,汶顥微流道連續式反應器,除了控溫系統以及進料用的注射泵,針對各種反應設計了多款、多層玻璃反應器晶片,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。