微反应器的主要应用领域及面临的挑战

与传统的反应器工艺相比，微反应器技术具有传质传热效率高，反应时间短，无放大效应，安全可靠，集成度高，生产流程绿色化等诸多优点。微型反应器技术能显著增强反应过程，是化工领域的一项创新，为化工生产提供了高效、方便的平台。微量反应技术是21世纪化学工业发展的一个重要方向。阐述了微反应器的主要应用领域和面临的挑战。

微反应器的主要应用领域

1  精细化工和医药工业

在精细化工和制药工业中，50%的反应可从主要以微反应器技术为基础的连续过程中获益，而微反应器在精细化工和制药工业中的应用正日益普遍，其驱动因素主要包括工艺发展要求、产品的可靠性、产品的产量、生产安全性以及操作简便等。

在精细化工领域中，许多反应对温度的要求非常苛刻，需要在数百度或零下几十度的条件下进行，这就要求对物料滴入反应温度进行良好的控制。这种操作很难在常规反应器中进行，而微反应器则依靠微尺度的特性来控制温度和反应时间，保证了反应的顺利进行。

医药工业中，新药研发是一个充满活力、耗资巨大的过程，筛选出高质量的先导化合物是药物筛选的关键环节，微反应器技术可与基因分析设备相结合，内部无湍流环境和高灵敏度的生物测定系统相结合，这些都为药物筛选提供了强有力的条件，可以完成高通量的药物筛选，在医药研究开发中应用广泛。

该技术还可降低先导化合物的筛选成本，提高优化速度，减少实验次数，降低试剂费用。据报告，使用微反应器生产选择性氟化药物产品，并在9个月内完成了从实验室规模到500kg高质量产品的生产过程，如BRAyE。报道了用PENNEMANN等微反应器合成苯基硼酸，该反应器采用高流动速率的微混合物，其产率可达89%，产品苯基硼酸不受二苯代硼酸的污染，与传统间歇生产工艺相比，产率提高20%，能耗降低20%。研究表明，MAURYA等研究表明，在连续的微反应器中合成一种非常重要的精细化工和药物中间体氮乙酸酯，其产率可达99%，而产生的有毒有害废物几乎可以忽略。实践证明，连续流动式微反应器能使精细化工和医药工业向更经济、优质、安全、环保方向发展。

2  生化

在遗传工程领域，许多重要化合物的生物合成已被展示出来，但考虑到诸如复杂的生理系统等因素，产品的活性及其对反应条件的控制受到限制，也显示出对大规模工业生产的不适应性。作为一种可选择的途径，微反应器技术将消除这些缺陷，并适合于工业化生产。微生物反应器技术已进入生物催化领域，微生物反应器技术与生物催化技术的结合将是一个重要的绿色工程，一些常用的酶微生物反应器已在均相、非均相和多相系统中表现出优异的性能。

当前酶类药物如ELISA(ELISA)在诊断方面的应用受到了极大的关注。酶联微反应器已广泛应用于分析检测领域，其优点是用量很小，在蛋白质水解方面具有明显优势。微反应器具有高比表面积的优点，可将酶固载于固体载体或微通道的内壁上，用于制备固定化酶微反应器，是微反应器技术在生物学领域中的重要应用之一。对乙酰胆碱酯酶固定化微反应器筛选天然提取物的抑制剂进行了研究；IQBAL等报道了在固载酶微反应器中使用毛细管电泳，结果表明该处理方法节省了样品，降低了成本，缩短了时间。

近年来，在微反应器中把酶固定化在纳米材料上的研究已经取得了很高的酶活性。在此基础上，研究了利用微反应器技术合成缩氨酸的方法。另外，微反应器技术也方便了DNA分析。例如，在生物有机合成中，DNA片段经常被放大成倍以备进一步研究，也就是DNA扩增技术。SCHAERLI等公司利用微反应器实现了聚合酶链反应(PCR)，实现了DNA的快速扩增。

微反应器面临的主要挑战。

1  阻塞

微型反应器技术起源于20世纪90年代，至今仍属一种新兴技术，尽管其发展迅速，但仍面临一些挑战。目前微反应器面临的主要问题是微通道的阻塞。在反应过程中有固体物质(催化剂、试剂、产物和副产品)参与时，通道中的沉淀、生长或架桥现象会限制微反应器中液体的流动速度，影响液体的混合，增加压力，最终导致反应失败。

对于阻塞问题，目前已有多种解决方案。SCHOENITZ等对微反应器中各类污垢的研究现状进行了综述，包括结晶、颗粒、化学反应、腐蚀、生物污染、气泡等，并介绍了相应的减缓或防止污垢形成的方法。微槽道管壁面设计得足够光滑能有效地减少固体沿壁面沉积，如纯氟表面。

使用多液-液流可限制固体粒子与管壁之间的相互作用，但这种方法需要使用额外的溶液，这可能会降低反应效率，或导致这种额外溶液与特定溶剂不相容。也可利用超声辐射来缓解堵塞，这是因为超声波的振动可使沉淀物的附着物和沉积物变得不那么粘稠；其他方法包括使用分散相液滴包裹颗粒，以减少颗粒和管壁之间的相互作用，以及使用鞘流技术来产生纳米颗粒，以减少堵塞等。尽管对堵塞问题已经采取了许多措施，但仍缺乏一种有效的方法将不溶性物质分离出来，从而限制了微反应器技术的发展。

2  催化负载。

由于微流道尺寸较小，在微流道中加载催化剂的方法也越来越多，因此微流道中加载催化剂的方法也越来越多。对催化剂进行加载的方法主要有两种：加载到微道内壁或催化剂载体上。但催化剂涂覆于表面时，易发生触点低、触点易脱落、难更换、加工成本高等问题，阻碍了微反应器产品化开发进程。

在催化剂载体与配位体的连接过程中，常会引起催化剂活性的下降，而常见的聚合物载体会产生膨胀，使微反应器堵塞，因此催化剂的装入方式很大程度上决定了产物的选择性。催化剂用载体以多孔材料为主，目前国内外对多孔材料作为催化剂载体的研究较多，但催化剂的粘附性和高效的装料方式仍需进一步优化，均质催化剂的固定仍是一大难题。

3  设计和制造微通道

微孔道的制作经历了几个阶段的发展，目前已经能够设计出复杂的结构通道，如基于光刻母模板的软孔道，其制作工艺已经比较成熟，但其制作成本仍然很高，所以开发简化的制作工艺，降低制作成本是一项艰巨的任务。对高通量微流体系统来说，快速均匀分布非常重要。微通道的几何构造决定着流体的分布，最终影响着产品的质量，优化微通道的几何构造是一个复杂的过程，同时也是一个很大的挑战，因此，发展高精度、低成本的微通道制造技术是一个亟待解决的难题。