Χημικές αντιδράσεις συνεχούς ροής

Στις χημικές αντιδράσεις συνεχούς ροής, μια αντίδραση εκτελείται σε συνεχή ροή και όχι σε παρτίδες (batch). Με άλλα λόγια, αντλίες διατηρούν τα αντιδρώντα σε κίνηση στο εσωτερικό ενός σωλήνα, και όπου οι σωλήνες συνδέονται, τα υγρά αντιδρώντα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους. Αν αυτά τα υγρά είναι σε θέση να αντιδράσουν μεταξύ τους, τότε λαμβάνει χώρα μια αντίδραση. H χημεία συνεχούς ροής είναι μια καθιερωμένη τεχνική για χρήση σε μεγάλη κλίμακα, όταν επιθυμούμε την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ενός συγκεκριμένου υλικού. Ωστόσο, ο όρος επινοήθηκε μόλις πρόσφατα για την εφαρμογή σε εργαστηριακή κλίμακα. Συχνά χρησιμοποιούνται μικροαντιδραστήρες.

 Σύγκριση παραμέτρων σε διαλείπουσα έναντι συνεχούς ροής: Στοιχειομετρία της αντίδρασης. Στην διαλείπουσα παραγωγή αυτή ορίζεται από τη συγκέντρωση των χημικών αντιδραστηρίων και την ογκομετρική αναλογία. Στη συνεχή ροή αυτή καθορίζεται από την συγκέντρωση των αντιδραστηρίων και την αναλογία του ρυθμού ροής τους. Χρόνος παραμονής. Στην διαλείπουσα παραγωγή αυτό καθορίζεται από το χρονικό διάστημα που ένα δοχείο διατηρείται σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Στη συνεχή ροή του ογκομετρικός χρόνος παραμονής δίνεται από την αναλογία του όγκου του αντιδραστήρα και του συνολικού ρυθμού ροής, όπως πιο συχνά, χρησιμοποιούνται οι αντιδραστήρες εμβολικής ροής. Η επιλογή της εκτέλεσης μιας χημικής αντίδρασης, χρησιμοποιώντας διεργασία συνεχούς ροής, είτε σε μικροαντιδραστήρα ή άλλη συσκευή ανάμειξης προσφέρει μια ποικιλία από πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Η θερμοκρασία της αντίδρασης μπορεί να ανέρθει πάνω από το σημείο ζέσεως του διαλύτη καθώς οι όγκοι των εργαστηριακών συσκευών είναι συνήθως μικροί. Συνήθως χρησιμοποιούνται ασυμπίεστα ρευστά χωρίς αέριο όγκο, έτσι ώστε ο συντελεστής διόγκωσης σαν συνάρτηση της πίεσης να είναι μικρός. Η ανάμειξη σε μικρές κλίμακες στις χημικές διεργασίες συνεχούς ροής επιτυγχάνεται εντός δευτερολέπτων. Η μεταφορά θερμότητας γίνεται πιο εντατική. Κυρίως, επειδή η αναλογία επιφάνειας/όγκου είναι μεγάλη. Επομένως, ενδόθερμες και εξώθερμες αντιδράσεις μπορούν να θερμοστατηθούν. Το θερμοκρασιακό βήμα μπορεί να είναι απότομο, επιτρέποντας ικανό έλεγχο στον χρόνο αντίδρασης. Αυξάνεται η ασφάλεια: Η θερμική μάζα του συστήματος συγκρατείται από τη συσκευή γεγονός που αποτρέπει τις διαρροές θερμότητας. Ο μικρότερος όγκος αντιδρώντων θεωρείται επίσης όφελος ως προς την ασφάλεια. Ο αντιδραστήρας λειτουργί κάτω από μόνιμες steady-state συνθήκες. Οι αντιδράσεις συνεχούς ροής μπορούν να αυτοματοποιηθούν με πολύ λιγότερη προσπάθεια από αυτές της διαλείπουσας (ασυνεχούς) λειτουργίας. Αυτό επιτρέπει τη μη επιτηρούμενη λειτουργία και τον πειραματικό σχεδιασμό. Συνδέοντας την έξοδο του αντιδραστήρα με ένα σύστημα ελέγχου, είναι δυνατό να γίνει ένα περαιτέρω βήμα προς τη δημιουργία ενός αυτοματοποιημένου συστήματος που θα διερευνεί διαδοχικά ένα πλήθος πιθανών παραμέτρων της αντίδρασης (μεταβαλλόμενη στοιχειομετρία, χρόνος παραμονής και θερμοκρασία) και επομένως να ερευνηθούν οι παράμετροι της αντίδρασης με μικρή ή καθόλου παρέμβαση.Συνήθως αυτό γίνεται επιδιώκοντας υψηλότερους συντελεστές απόδοσης/εκλεκτικότητες, λιγότερο απαιτούμενο ανθρώπινο δυναμικό ή υψηλότερα επίπεδα ασφαλείας. Οι πολυσταδιακές αντιδράσεις μπορούν να τοποθετηθούν σε σειρά. Αυτό μπορεί να είναι ιδιαίτερα επωφελές εάν τα ενδιάμεσα προϊόντα είναι ασταθή, τοξικά ή ευαίσθητα στον αέρα,εάν σχηματίζονται μόνο στιγμιαία και σε πολύ μικρές ποσότητες. Η θέση κατά μήκος του ρεύματος ροής και το σημείο του χρόνου αντίδρασης σχετίζονται άμεσα μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι είναι δυνατή η διάταξη του συστήματος έτσι ώστε τα αντιδραστήρια που θα προστεθούν στη συνέχεια στο ρέον σύστημα των αντιδρώντων να εισαχθούν ακριβώς στο επιθυμητό χρονικό σημείο της αντίδρασης. Είναι δυνατή η διάταξη του συστήματος έτσι ώστε να γίνεται ο διαχωρισμός/εμπλουτισμός μαζί με την αντίδραση. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται κυρίως τρεις τεχνικές: Καθαρισμός στερεής φάσης Χρωματογραφικός διαχωρισμός Εκχύλιση υγρού/υγρού Μπορούν να χειριστούν εύκολα αντιδράσεις οι οποίες περιλαμβάνουν αντιδραστήρια που περιέχουν διαλυμένα αέρια, ενώ σε ασυνεχείς συνθήκες θα απαιτούνταν ένας αντιδραστήρας υπό πίεση με τη μορφή "βόμβας". Οι πολυσταδιακές αντιδράσεις υγρών (π.χ. κατάλυση μεταφοράς φάσης) μπορούν να πραγματοποιηθούν με άμεσο τρόπο, με υψηλή αναπαραγωγιμότητα για ένα μεγάλο εύρος συνθηκών και κλίμακας. Η κλιμάκωση μιας αντίδρασης που έχει μελετηθεί μπορεί να επιτευχθεί ταχέως με λίγη ή καθόλου μελέτη ανάπτυξης της διεργασίας, είτε με την αλλαγή του όγκου του αντιδραστήρα ή λειτουργώντας μερικούς αντιδραστήρες παράλληλα, δεδομένου ότι τα ρεύματα θα επανυπολογιστούν ώστε να επιτευψθούν οι ίδιοι χρόνοι παραμονής. Απαιτείται ειδικός εξοπλισμός για συνεχή ακριβή δοσολογία των αντιδραστηρίων (π.χ. αντλίες), συνδέσεις, κτλ. Πρέπει να καθοριστούν διαδικασίες εκκίνησης και τερματισμού. Η κλιμάκωση των μικροσυνθηκών όπως η υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο δεν είναι δυνατή και η οικονομία της κλίμακας μπορεί να μην είναι εφαρμόσιμη. Συνήθως, η κλιμάκωση οδηγεί σε εξειδικευμένη εγκατάσταση. Τα θέματα ασφαλείας της αποθήκευσης των αντιδρώντων παραμένουν.Τα μειονεκτήματα συζητήθηκαν με στόχο τη δημιουργία μικρής κλίμακας συνεχείς διεργασίες παραγωγής από τους Pashkova και Greiner. Οι αντιδραστήρες συνεχούς ροής είναι συνήθως σωληνωτοί και κατασκευάζονται από αδρανή υλικά όπως το ανοξείδωτο ατσάλι, το γυαλί και τα πολυμερή. Οι μέθοδοι ανάμιξης περιλαμβάνουν μόνο διάχυση (αν η διάμετρος του αντιδραστήρα είναι μικρή π.χ. <1 mm, όπως στους μικροαντιδραστήρες) και σταθερούς αναδευτήρες. Οι αντιδραστήρες συνεχούς ροής επιτρέπουν τον καλό έλεγχο των συνθηκών αντίδρασης συμπεριλαμβανομένων και της μεταφοράς θερμότητας, του χρόνου και της ανάμιξης. Ο χρόνος παραμονής των αντιδραστηρίων στον αντιδραστήρα (δλδ. το διάστημα του χρόνου που η αντίδραση θερμαίνεται ή ψύχεται) υπολογίζεται από τον όγκο του αντιδραστήρα και το ρυθμό ροής μέσω αυτού: Χρόνος παραμονής = Ογκος αντιδραστήρα / Ρυθμός ΡοήςΩς εκ τούτου, για να επιτευχθεί ένας μεγαλύτερος χρόνος παραμονής, τα αντιδραστήρια μπορούν να αντλούνται πιο αργά και/ή να χρησιμοποιηθεί ένας αντιδραστήρας μεγαλύτερου όγκου. Ο ρυθμός παραγωγής μπορεί να διαφέρει από νανο λίτρα έως λίτρα ανά λεπτό. Μερικά παραδείγματα της αντιδραστήρων συνεχούς ροής είναι οι αντιδραστήρες περιστρεφόμενου δίσκου (Colin Ramshaw), περιστρεφόμενου σωλήνα, πολυσταδιακοί συνεχούς ροής, ταλαντούμενης ροής αντιδραστήρων, μικροαντιδραστήρες; αντιδραστήρες/εναλλάκτες θερμότητας (HEX), και "αντιδραστήρες αναρρόφησης". Σε έναν αντιδραστήρα αναρρόφησης η αντλία προωθεί ένα αντιδραστήριο, το οποίο προκαλεί την αναρρόφηση ενός άλλου αντιδραστηρίου. Αυτός ο τύπος αντιδραστήρα κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας γύρω από το 1941 από την εταιρεία για την παραγωγή της νιτρογλυκερίνης. Η μικρότερη κλίμακα των μικροαντιδραστήρων συνεχούς ροής τους κάνει ιδανικούς για πειράματα ανάπτυξης διεργασιών. Αν και είναι δυνατό να λειτουργήσει κανείς διεργασίες ροής σε κλίμακα τόνων, η αποτελεσματική σύνθεση οφελείται από τη βελτιωμένημεταφοράς μάζας και θερμότητας. Οι αντιδραστήρες συνεχούς ροής εργαστηριακής κλίμακας είναι ιδανικά συστήματα για τη χρήση αερίων, ειδικότερα αυτών που είναι τοξικά ή που σχετίζονται με άλλους κινδύνους. Οι αέριες αντιδράσεις που έχουν προσαρμοστεί με επιτυχία σε ροή είναι η υδρογόνωση και η καρβονυλίωση, αν και έχει εφαρμοστεί επίσης στη χρήση άλλων αερίων, όπως το αιθυλένιο και το όζον.Οι λόγοι για την καταλληλότητα των συστημάτων συνεχούς ροής για το χειρισμό επικίνδυνων αερίων είναι: Τα συστήματα επιτρέπουν τη χρήση καταλύτη σταθερής κλίνης. Σε συνδυασμό με διαλύματα χαμηλής συγκέντρωσης, επιτυγχάνεται η προσρόφηση όλων των συστατικών στον καταλύτη παρουσία του αερίου Συγκριτικά είναι μικρές οι ποσότητες αερίων που απομακρύνονται συνεχώς από το σύστημα, εξαλείφοντας την ανάγκη για πολλές από τις ειδικές προφυλάξεις που απαιτούνται συνήθως για το χειρισμό τοξικών και/ή εύφλεκτων αερίων Με την προσθήκη της πίεσης, σημαίνει ότι ένα πολύ μεγαλύτερο ποσοστό του αερίου θα βρίσκεται σε διάλυση κατά τη διάρκεια της αντίδρασης απ' ότι συμβατικά Η σημαντικά ενισχυμένη ανάμιξη των στερεών, υγρών και αέριων φάσεων επιτρέπει στον ερευνητή να εκμεταλλευτεί τα κινητικά οφέλη των υψηλών θερμοκρασιών, χωρίς να ανησυχεί για την εκτόπιση των αερίων από το διάλυμα Η φωτοχημεία συνεχούς ροής προσφέρει πολλαπλά πλεονεκτήματα σε σχέση με την ασυνεχή φωτοχημεία. Οι φωτοχημικές αντιδράσεις προωθούνται από τον αριθμό των φωτονίων που είναι σε θέση να ενεργοποιήσουν τα μόρια που προκαλούν την επιθυμητή αντίδραση. Η μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς τον όγκο ενός μικροαντιδραστήρα μεγιστοποιεί το φωτισμό, και την ίδια στιγμή επιτρέπει την αποδοτική ψύξη, η οποία μειώνει τα θερμικά παραπροϊόντα. Η ηλεκτροχημεία συνεχούς ροής, όπως η φωτοχημεία συνεχούς ροής, προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα έναντι των αναλογικών ασυνεχών συνθηκών. Η ηλεκτροχημεία, όπως οι φωτοχημικές αντιδράσεις, μπορεί να θεωρηθεί ως αντίδραση "χωρίς-αντιδραστήρια". Σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση, η αντίδραση διευκολύνεται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων που είναι σε θέση να ενεργοποιήσουν τα μόρια που προκαλούν την επιθυμητή αντίδραση. Η συσκευές ηλεκτροχημείας συνεχούς ροής μειώνουν την απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται για να επιτρέπουν τον καλύτερο έλεγχο του αριθμού των ηλεκτρονίων που μεταφέρονται στα αντιδρώντα μέσα, επιτρέποντας τον καλύτερο έλεγχο και την εκλεκτικότητα. Οι πρόσφατες εξελίξεις στα συστήματα ηλεκτροχημικής ροής επέτρεψε το συνδυασμό ηλεκτροχημικών συστημάτων συνεχούς ροής προσανατολισμένων στην αντίδραση με φασματοσκοπία εστιασμένη στα είδη, η οποία προσφέρει πλήρη ανάλυση των αντιδράσεων που αφορούν πολλαπλά βήματα μεταφοράς ηλεκτρονίων, καθώς και ασταθή ενδιάμεσα. Αυτά τα συστήματα που αναφέρονται ως φασματοηλεκτροχημικά(SEC, spectroelectrochemistry) συστήματα μπορούν να επιτρέψούν τη χρήση του UV-vis , καθώς και πιο πολύπλοκων μεθόδων όπως electrochemiluminescence(ECL). Η ανάπτυξη της διεργασίας αλλάζει από μια προσέγγιση σε σειρά σε μία παράλληλη προσέγγιση. Σε ασυνεχείς διεργασίες ο χημικός εργάζεται πρώτος και ακολουθείται από τον χημικό μηχανικό. Στη χημεία συνεχούς ροής αυτό αλλάζει σε μια εκ παραλλήλου προσέγγιση, όπου ο χημικός και ο χημικός μηχανικός εργάζονται διαδραστικά. Συνήθως, υπάρχει μια εργαστηριακή μονάδα, στην οποία δουλεύουν και οι δύο. Αυτή η μονάδα μπορεί να είναι εμπορική ή όχι. Η κλίμακα ανάπτυξης μπορεί να είναι μικρή (ml/hour) για την επιβεβαίωση της αρχικής ιδέας με χρήση ενός συστήματος chip και στο εύρος μερικών λίτρων της ώρα για κλιμακούμενα συστήματα, όπως η τεχνολογία flow miniplant. Τα συστήματα chip χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές υγρού-υγρού, ενώ τα συστήματα flow miniplant μπορούν να επεξεργαστούν στερεά ή ρευστοστερεά υλικά. Οι αντιδράσεις μικροκυμάτων χρησιμοποιούνται συχνά σε μικρής κλίμακας ασυνεχείς διεργασίες. Ωστόσο, λόγω των ακραίων θερμοκρασιών και πιέσεων στους κλιβάνους μικροκυμάτων, είναι συχνά δύσκολο να μεταφερθούν αυτές οι αντιδράσεις σε συμβατικές συσκευές χωρίς μικροκύματα για την περαιτέρω ανάπτυξή τους, οδηγώντας σε δυσκολίες κατά την μελέτη της κλιμάκωση μεγέθους. Ενας αντιδραστήρας συνεχούς ροής ικανός να λειτουργήσει σε κατάλληλες υψηλές θερμοκρασίες, και με ικανοποιητικό έλεγχο της πίεσης μπορεί άμεσα και με ακρίβεια να μιμηθεί τις συνθήκες που δημιουργούνται σε έναν αντιδραστήρα μικροκυμάτων. Αυτό ευκολύνει την σύνθεση μεγαλύτερων ποσοτήτων επεκτείνοντας τον χρόνο αντίδρασης. Τα συστήματα συνεχούς ροής μπορούν να κλιμακωθούν σε κλίμακα τόνων ανά ώρα. Plant redesign (από ασυνεχή σε συνεχή για μια υπάρχουσα εγκατάσταση), Unit Operation (αλλάζοντας μόνο ένα βήμα της αντίδρασης) και Modular Multi-purpose (κόβοντας μια συνεχή εγκατάσταση σε τμηματικές μονάδες) είναι συνήθεις λύσεις υλοποίησης για τις διεργασίες ροής. Είναι δυνατό να τρέξουν πειράματα συνεχούς ροής με πιο περίπλοκες τεχνικές, όπως χημεία στερεής φάσης. Τα αντιδραστήρια στερεής φάσης, οι καταλύτες ή scavengers μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάλυμα και να αντληθούν μέσω γυάλινων στηλών, για παράδειγμα, στη σύνθεση του φυσικού αλκαλοειδούς προϊόντος oxomaritidine με χρήση χημείας στερεής φάσης.Υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον στον πολυμερισμό, σαν μια διεργασία συνεχούς ροής. Για παράδειγμα, ο πολυμερισμός Αναστρέψιμης Προσθήκης-Διάσπασης μεταφοράς αλύσου ή RAFT.Οι τεχνικές συνεχούς ροής έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για την ελεγχόμενη παραγωγή νανοσωματιδίων. Η πολύ ταχεία ανάμιξη και ο άριστος έλεγχος θερμοκρασίας των μικροαντιδραστήρων είναι σε θέση να δώσουν ομοιόμορφα και με μικρή κατανομή μεγέθους νανοσωματίδια. Οπως αναφέρθηκε πιο πάνω, η διεξαγωγή πειραμάτων σε συστήματα συνεχούς ροής είναι δύσκολη, ειδικά όταν κανείς αναπτύσσει νέες χημικές αντιδράσεις, οι οποίες απαιτούν παρακολούθηση πολλών παραμέτρων, μεταβαλλόμενη στοιχειομετρία, θερμοκρασία και χρόνο παραμονής. Στη συνεχή ροή, τα πειράματα διεξάγονται σειριακά, που σημαίνει ότι μία πειραματική συνθήκη μπορεί να ελεγχθεί. Η πειραματική απόδοση είναι άκρως μεταβλητή και συνήθως απαιτείται πενταπλάσιος του χρόνου παραμονής για της επίτευξη μόνιμων συνθηκών. Για τη μεταβολή της θερμοκρασίας πρέπει να ληφθούν υπόψη η θερμική μάζα του αντιδραστήρα καθώς και των περιφερειακών, όπως τα υδατόλουτρα. Πολύ συχνά, πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο χρόνος ανάλυσης. Η τμηματική ροή είναι μια προσέγγιση που βελτιώνει την ταχύτητα με την οποία μπορούν να διεξαχθούν ο ελέγχος διαλογής, η βελτιστοποίηση και οι βιβλιοθήκες στη χημεία συνεχούς ροής. Η τμηματική ροή χρησιμοποιεί μια προσέγγιση "Εμβολικής Ροής", όπου δημιουργούνται ειδικά ογκομετρικά πειραματικά μείγματα που στη συνέχεια εγχέονται σε έναν αντιδραστήρα συνεχούς ροής υψηλής πίεσης. Η διάχυση ενός τμήματος (του αντιδρώντος μείγματος) ελαχιστοποιείται με τη χρήση μη αναμίξιμου διαλύτη στο εμπρός και πίσω άκρο του τμήματος. Ενα από τα αρχικά οφέλη της τετμημένης ροής είναι η δυνατότητα εκτέλεσης πειραμάτων σε σειριακό/παράλληλο τρόπο, όπου τα πειράματα που μοιράζονται τον ίδιο χρόνο παραμονής και θερμοκρασία μπορούν επανειλημμένα να δημιουργηθούν και να εγχυθούν. Επιπλέον, ο όγκος κάθε πειράματος είναι ανεξάρτητος από αυτόν του όγκου του σωλήνα ροής εξοικονομώντας έτσι σημαντική ποσότητα του αντιδρώντος συστατικού ανά πείραμα. Κατά την εκτέλεση διαλογής αντιδράσεων και βιβλιοθηκών, η τμηματική σύνθεση συνήθως διαφέρει ως προς τη σύνθεση της ύλης. Κατά την βελτιστοποίηση αντιδράσεων, τα τμήματα διαφέρουν ως προς στοιχειομετρία. Η τετμημένη ροή χρησιμοποιείται επίσης με online LCMS, τόσο αναλυτική όσο και προπαρασκευαστική όπου τα τμήματα ανιχνεύονται κατά την έξοδο από τον αντιδραστήρα με χρήση UV και στη συνέχεια αραιώνονται για την αναλυτική LCMS ή εγχέονται απευθείας για προπαρασκευαστική LCMS. Χημική αντίδραση Μικρορευστομηχανική Μικροαντιδραστήρας Οργανική χημεία Αντιδραστήρας εμβολικής ροής Continuous flow multi-step organic synthesis - a Chemical Science Μικρή Ανασκόπηση από τους Damien Webb και Timothy F. Jamison σχετικά με τις τρέχουσες current state of the art, επισημαίνοντας την πρόσφατη πρόοδο και τις τρέχουσες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η αναδυόμενη ερευνητική περιοχή των τεχνικών συνεχούς ροής για την πολυσταδιακή σύνθεση. Δημοσίευση από Royal Society of Chemistry Continuous flow reactors: a perspective Ανασκόπηση από τους Paul Watts και Charlotte Wiles. Δημοσίευση από Royal Society of Chemistry Flow Chemistry: Continuous Synthesis and Purification of Pharmaceuticals and Fine Chemicals Μικρό μάθημα στο MIT από τους Καθηγητές Timothy Jamison και Klavs Jensen]