Flow Lab（流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗室）--硬科技的Lab

流動(dòng)化學(xué)技術(shù)是基于微反應器等連續反應器技術(shù)而產(chǎn)生的新的合成工藝技術(shù)，在原料藥合成及精細化工等于制藥、原料藥、化工、精細化工、石化等領(lǐng)域領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，在少部分合成過(guò)程已經(jīng)得到了應用，被認為是改變制藥過(guò)程的下一代綠色技術(shù)之一。但是相比于傳統的釜式合成過(guò)程，流動(dòng)化學(xué)技術(shù)具有過(guò)程控制和設備精度要求高的特點(diǎn)，傳統的化學(xué)實(shí)驗室設備均不能滿(mǎn)足要求，一般實(shí)驗室想開(kāi)展流動(dòng)化學(xué)相關(guān)研究十分困難。而國外進(jìn)口成套流動(dòng)化學(xué)設備動(dòng)輒上百萬(wàn)，且靈活性較差，無(wú)法靈活改變模塊，適用不同體系研發(fā)要求。針對這些問(wèn)題，具有多年連續輸送泵和分析儀器生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的歐世盛公司跟國內微反應器研究的清華大學(xué)微化工課題組流動(dòng)化學(xué)方向的研究老師通力合作，隆重推出Flow Lab（Flow Chemistry Lab，即流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗室）系列產(chǎn)品，為相關(guān)大學(xué)和企業(yè)開(kāi)展流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗室研究提供更強有力的工具。

一 微反應器的選擇

流動(dòng)化學(xué)中連續反應器的設計時(shí)實(shí)現其功能的核心。但是連續反應器它是根據不同的反應類(lèi)型和需求來(lái)定制化的產(chǎn)品，不是商品化的產(chǎn)品，在摸索工藝之前要搞清楚連續反應的工藝原理，要在溫度、壓力、物料流速、反應停留時(shí)間等幾個(gè)維度上進(jìn)行條件摸索，后定型一個(gè)適合自己的反應器。建議用戶(hù)跟相關(guān)微反應器研究和生產(chǎn)的廠(chǎng)家或者大學(xué)進(jìn)行合作，購買(mǎi)或者定制合適的連續反應器。

二 輸液泵的選擇

在相應的流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗中，連續穩定的物料流動(dòng)是實(shí)現流動(dòng)化學(xué)特性的基礎，而在實(shí)際實(shí)驗中由于化學(xué)物料的復雜性，經(jīng)常容易出現泵進(jìn)料流量不準，得到的數據結果也無(wú)法使用。目前，用戶(hù)供料用的泵絕大多數用的都是液相高壓平流泵，這種泵由于前段的機械單向閥的微小間隙通道限制，導致供液過(guò)程中的固體沉積堆積在寶石球周?chē)?，出現間歇供液或停止供液的現象，粘性或帶有懸浮顆粒的物料更容易出現這種情況，從而導致不能準確進(jìn)料，也就無(wú)法做準確的條件摸索，強酸濃酸等溶液更是無(wú)法供液，因此業(yè)界才有了“輸液泵限制了流動(dòng)化學(xué)發(fā)展”的說(shuō)法。因此，做流動(dòng)化學(xué)急需一臺泵，能平穩無(wú)脈動(dòng)、大流量、耐壓、耐腐蝕、耐高溫、耐粘稠顆粒的輸液泵。針對這個(gè)問(wèn)題，北京歐世盛公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)公司）在2018年開(kāi)始了研發(fā)工作，經(jīng)過(guò)一年的研發(fā)攻關(guān)，公司在2019年3月份成功研發(fā)出了核心部件---切換閥，基于該部件公司推出了這款雙注射器注射泵（圖2），從而實(shí)現了一臺泵可以輸供絕大部分所有物料的世界性難題。

圖2 無(wú)閥雙注射高壓恒流泵

三 背壓閥的選擇

解決了泵的問(wèn)題，若想實(shí)現反應器中的恒流恒壓還需要解決反應器后端的背壓閥問(wèn)題，目前用戶(hù)所用的背壓閥基本為手動(dòng)背壓閥，手動(dòng)調節反應器中的微小壓力變化數值費時(shí)費力，因調節滯后而造成條件不準和物料浪費。針對這個(gè)問(wèn)題，公司在2018年8月份成功開(kāi)發(fā)出全自動(dòng)背壓調節器（圖3），可與供料泵實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，保證反應器中的恒流恒壓環(huán)境，使條件摸索的準確度和效率大幅提高。

圖3 全自動(dòng)背壓閥

四 合成物料的檢測驗證

在實(shí)際操作流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗過(guò)程中，在合成物料流出背壓閥的時(shí)候，需要取樣采用液相色譜儀、氣相色譜儀等進(jìn)行檢測分析，至少需要1-2個(gè)小時(shí)才能看到檢測結果，導致條件摸索的過(guò)程繁瑣而漫長(cháng)，。而如果在背壓閥后端串聯(lián)一臺在線(xiàn)檢測器，對每次更換條件的結果做在線(xiàn)監測，則可以讓實(shí)驗效率大大提高，據此，公司與清華相關(guān)老師團隊充分交流后，根據不同反應中的官能團特性，開(kāi)發(fā)出了在線(xiàn)紫外可見(jiàn)檢測器（圖4），在線(xiàn)傅里葉近紅外檢測器和在線(xiàn)拉曼檢測器，從而使條件摸索的效率大幅提高。

圖4 在線(xiàn)紫外可見(jiàn)檢測器

在現實(shí)的實(shí)驗中，經(jīng)過(guò)在線(xiàn)檢測器的分析檢測后，需要保留一些有價(jià)值樣本做氣相或液相檢測，通常這種情況都需要人工值守接樣，經(jīng)常需要值守數個(gè)小時(shí)，操作繁瑣。根據這個(gè)需求，公司開(kāi)發(fā)了100位進(jìn)樣瓶的全自動(dòng)在線(xiàn)樣品收集系統（圖5），除了能夠根據時(shí)間和數量的維度收集外，還有在線(xiàn)稀釋、分瓶等功能，待收集工作結束后直接放在氣相或液相的自動(dòng)進(jìn)樣器中檢測。至此，一個(gè)完整的連續流實(shí)驗結束了。

圖5 全自動(dòng)在線(xiàn)樣品收集器

五 實(shí)驗過(guò)程分析與方法建立

用戶(hù)在做連續流工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程時(shí)，是需要做大量的條件摸索實(shí)驗的，其中產(chǎn)生了大量的實(shí)驗結果，每次實(shí)驗還需要調節各個(gè)設備模塊的參數，這樣，有一套智能管理軟件，來(lái)實(shí)時(shí)顯示所有硬件模塊的工作狀態(tài)并進(jìn)行遠程管理，對實(shí)驗數據進(jìn)行智能分析，篩選出條件或經(jīng)驗數據，從而建立工藝方案。公司的研發(fā)團隊將公司的所有產(chǎn)品都做了網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議和接口設置，并研發(fā)出一套流動(dòng)化學(xué)實(shí)驗管理平臺軟件（圖6），滿(mǎn)足上述所有需求。

圖6 管理軟件

以上幾個(gè)模塊的組成即構成了一個(gè)完整的Flow Lab（圖7），用戶(hù)可以根據自己的反應類(lèi)型將物料輸入進(jìn)行微反應實(shí)驗了，由于解決了供料泵的瓶頸和自動(dòng)化流程操控的問(wèn)題，將使用戶(hù)的條件摸索變得快速準確，更好的完成工藝開(kāi)發(fā)等研發(fā)工作。

圖7 完整Flow Lab組成模塊圖

六 流動(dòng)技術(shù)的增值解決方案

在流動(dòng)化學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，利用流動(dòng)化學(xué)技術(shù)將特定的危險反應或慢反應轉化為自動(dòng)化、儀器化裝備，同時(shí)利用流動(dòng)化學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)新型的分析檢測平臺成了科學(xué)家們的下一個(gè)目標。加氫反應是原料藥、染料和農藥等行業(yè)普遍需要進(jìn)行的反應過(guò)程。該反應過(guò)程通常采用高壓加氫釜，具有操作繁瑣、過(guò)程危險性高和收率低等問(wèn)題。清華大學(xué)化工系針對加氫過(guò)程開(kāi)展了深入的研究，其具有的微反應加氫技術(shù)18年已在原料藥合成行業(yè)獲得成功應用，其微反應器加氫技術(shù)已能達到單套500噸/年的產(chǎn)能。針對這些反應過(guò)程，公司獲得清華大學(xué)微反應加氫技術(shù)實(shí)驗室設備許可，與清華合作推出了戰略合作成果---全自動(dòng)加氫反應儀！它是業(yè)界*工藝可放大的全自動(dòng)加氫反應儀（圖8），具有液體和氣體自動(dòng)輸送和監控，壓力自動(dòng)調節，可連接在線(xiàn)分析模塊、全程軟件控制等功能，可以實(shí)現實(shí)驗內加氫工藝條件和催化劑的快速篩選。同時(shí)，該儀器的放大版可以實(shí)現通風(fēng)櫥內的加氫產(chǎn)品公斤級定制生產(chǎn)，讓加氫反應從此變得安全、、節能。

圖8 全自動(dòng)加氫反應儀

公司后續將繼續與清華大學(xué)化工系流動(dòng)化學(xué)團隊密切合作，陸續推出基于流動(dòng)化學(xué)技術(shù)而衍生出的多種儀器化解決方案，讓此類(lèi)儀器成為Flow Lab的重要組成部分，通過(guò)硬科技的手段讓用戶(hù)的化學(xué)實(shí)驗更、更安全！讓Flow Lab成為合成工藝的中心實(shí)驗室。