高效能自動化微反應器系統開發
相對於傳統的反應工程技術，微反應器具有高速混合、高熱傳與質傳效率、反應物停留時間的窄分布、重複性好、系統回應迅速而便於操控、幾乎無放大效應以及線上的化學品量少，從而達到的高安全性能等優勢，已經成為現階段各大化學與製藥工業研究重點。工研院所設計的先進型微反應器系統，其混合效率為傳統微反應器的3~8倍，可以在有限空間內達到最大程度的混合；而所測試的反應系統為醫藥中間體Tadalafil，證實使用微反應器技術，可以提高反應效率達60倍、降低反應副產物達3倍以上，顯示所設計的微反應器系統具有相當的商業化潛力。
我國現有化學產業多使用傳統批次生產之技術，除了無法精準生產，也具有耗能、工安及環保等問題。微反應器技術(MRT)可精準控制溫度及壓力，亦具彈性生產之優勢，從而提升化學反應之效率、降低副產物之產生、改善產物品質，可提高化學及製藥產業之生產效能及降低生產成本和汙染，利於小分子藥試量產。
微化工技術思想源自於常規尺度的質傳與熱傳機制。對於圓管內層流流動，管壁溫度維持恒定時，管徑越小，傳熱係數越大；對於圓管內層流流動，組成在管壁處的濃度維持恒定時，傳質係數kc與管徑成反比，即管徑越小，傳質係數越大。由於微通道內流動多屬層流流動，主要依靠分子擴散實現流體間混合，混合時間t與通道尺度平方成正比。通道特徵尺寸減小不僅能大大提高比表面積，而且能大大強化過程的傳遞特性。
微反應器優勢
微反應器主要的優勢為在極小的空間內達到指定的反應轉化率，其主要的原理即為相對極高的混合效率以及熱傳與質傳效率。圖一為微反應器與攪拌槽反應器的混合效率，可以看出微流道反應器在注入不同化學物質後隨即均勻混合，傳統攪拌槽反應器則仍有±20%的濃度分布。
就熱傳效率而言，表一為微型熱交換器的換熱係數及換熱面積與傳統熱交換器比較，可以看出微型熱交換器的比表面積為管殼式熱交換器的15~30倍，為密集型熱交換器的2倍，而液相換熱係數也較傳統熱交換器高1~2倍，氣相換熱係數更是傳統熱交換器的20倍以上。
微型反應器模擬設計
應用流體力學原理，進行微反應器通道計算，主要目的為設計出一種新穎的微型流道混合機制，可以在微小的空間與相對較短的流道內，達成不同的流體，包括互溶與不互溶的液相、液相與氣相的高度混合效果，達到增加反應流體間反應分子的碰撞機率，提高反應速率常數中的頻率因子(Frequency Factor)，因而提高微反應器的反應效率。
作者：楊慕震、金志龍／工研院材化所；賴聘三／工研院生醫所
本文節錄自「工業材料雜誌」389期，更多資料請見下方網址
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- 「工業材料雜誌」389期
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