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高效能自動化微反應器系統開發

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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
https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=37990
 

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