Akış kimyası - Flow chemistry

Gelen akış kimya , bir kimyasal reaksiyon sürekli olarak akan akımı içinde yerine çalıştırılır toplu üretim . Başka bir deyişle, pompalar sıvıyı bir borunun içine taşır ve boruların birleştiği yerde sıvılar birbirine temas eder. Bu sıvılar reaktif ise, bir reaksiyon meydana gelir. Akış kimyası, belirli bir malzemeden büyük miktarlarda üretilirken büyük ölçekte kullanım için iyi kurulmuş bir tekniktir . Bununla birlikte, terim yalnızca son zamanlarda laboratuvar ölçeğinde uygulanması için oluşturulmuştur . Genellikle mikroreaktörler kullanılır.

Parti ve akış

Parti ve Akış'ta parametre tanımlarını karşılaştırma

Çalışan akış reaksiyonları

Akış kimyasını kullanarak bir mikroreaktörde veya başka bir karıştırma cihazında bir kimyasal reaksiyon yürütmeyi seçmek, çeşitli avantajlar ve dezavantajlar sunar.

Avantajlar

  • Laboratuvar cihazlarının hacmi tipik olarak küçük olduğundan, reaksiyon sıcaklığı çözücünün kaynama noktasının üzerine yükseltilebilir . Tipik olarak, sıkıştırılamayan akışkanlar, basıncın bir fonksiyonu olarak genleşme faktörünün küçük olması için gaz hacmi olmadan kullanılır .
  • Akış kimyasında kullanılan daha küçük ölçeklerde karıştırma işlemi saniyeler içinde gerçekleştirilebilir.
  • Isı transferi yoğunlaşır. Çoğunlukla, çünkü alan-hacim oranı büyüktür. Sonuç olarak, endotermik ve ekzotermik reaksiyonlar kolayca ve tutarlı bir şekilde termostatlanabilir. Sıcaklık gradyanı dik olabilir, bu da reaksiyon süresi üzerinde etkin kontrol sağlar.
  • Güvenlik artırıldı:
    • Sistemin termal kütlesi, termal kaçakları olası kılan aparat tarafından yönetilir.
    • Daha küçük reaksiyon hacmi de bir güvenlik avantajı olarak kabul edilir.
    • Reaktör, kararlı durum koşulları altında çalışır .
  • Akış reaksiyonları, kesikli reaksiyonlardan çok daha az çabayla otomatikleştirilebilir. Bu, gözetimsiz çalışma ve deneysel planlamaya izin verir. Reaktörün çıkışını bir dedektör sistemine bağlayarak, daha ileri gitmek ve bir dizi olası reaksiyon parametresini (değişken stokiyometri , kalma süresi ve sıcaklık) sırayla araştırabilen ve bu nedenle reaksiyon parametrelerini çok az veya az ile keşfedebilen otomatik bir sistem oluşturmak mümkündür. müdahale yok.

Tipik sürücüler, daha yüksek verim/seçicilik, daha az ihtiyaç duyulan insan gücü veya daha yüksek bir güvenlik seviyesidir.

  • Çok adımlı reaksiyonlar sürekli bir sırayla düzenlenebilir. Bu, ara bileşikler kararsız, toksik veya havaya duyarlıysa özellikle yararlı olabilir, çünkü bunlar yalnızca anlık olarak ve çok küçük miktarlarda bulunurlar.
  • Akan akım boyunca konum ve reaksiyon zaman noktası birbiriyle doğrudan ilişkilidir. Bu, sistemin, istenen kesin bir zaman noktasında akan reaksiyon akışına başka reaktiflerin eklenebileceği şekilde düzenlenmesinin mümkün olduğu anlamına gelir.
  • Arıtmanın reaksiyonla birleştirileceği şekilde akıcı bir sistem düzenlemek mümkündür. Kullanılan üç temel teknik vardır:
    • Katı faz süpürme
    • kromatografik ayırma
    • Sıvı/Sıvı Ekstraksiyonu
  • Çözünmüş gazlar içeren reaktifleri içeren reaksiyonlar kolaylıkla işlenirken, yığın halinde basınçlı bir "bomba" reaktörü gerekli olacaktır.
  • Çok fazlı sıvı reaksiyonları (örneğin faz transfer katalizi ), çeşitli ölçekler ve koşullar üzerinde yüksek tekrarlanabilirlik ile basit bir şekilde gerçekleştirilebilir.
  • Kanıtlanmış bir reaksiyonun ölçeği, aynı kalma sürelerini elde etmek için akışların yeniden hesaplanması şartıyla, reaktör hacmini değiştirerek veya birkaç reaktörü paralel olarak çalıştırarak, çok az süreç geliştirme çalışmasıyla veya hiç işlem geliştirme çalışmasıyla hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir.

Dezavantajları

  • Kesin sürekli dozlama (örn. pompalar ), bağlantılar vb. için özel ekipman gereklidir .
  • Başlatma ve kapatma prosedürleri oluşturulmalıdır.
  • Yüksek alan/hacim oranı gibi mikro etkilerin ölçeğinin büyütülmesi mümkün değildir ve ölçek ekonomisi uygulanmayabilir. Tipik olarak, bir ölçek büyütme, özel bir tesise yol açar.
  • Reaktif malzemelerin depolanması için güvenlik sorunları hala geçerlidir.

Pashkova ve Greiner tarafından küçük ölçekli sürekli üretim süreçleri oluşturmanın sakıncaları tartışılmıştır.

Sürekli akış reaktörleri

çok hücreli akış reaktörünün reaksiyon aşamaları

Sürekli reaktörler tipik olarak tüpe benzer ve paslanmaz çelik, cam ve polimerler gibi reaktif olmayan malzemelerden üretilir. Karıştırma yöntemleri, yalnızca difüzyonu (reaktörün çapı küçükse, örneğin mikroreaktörlerde olduğu gibi <1 mm ) ve statik karıştırıcıları içerir . Sürekli akışlı reaktörler, ısı transferi, zaman ve karıştırma dahil olmak üzere reaksiyon koşulları üzerinde iyi kontrol sağlar.

Reaktiflerin reaktörde kalma süresi (yani reaksiyonun ısıtıldığı veya soğutulduğu süre), reaktörün hacminden ve içinden geçen akış hızından hesaplanır:

Bu nedenle, daha uzun bir kalma süresi elde etmek için reaktifler daha yavaş pompalanabilir ve/veya daha büyük hacimli bir reaktör kullanılabilir. Üretim oranları nano litreden dakikada litreye kadar değişebilir.

Akış reaktörlerinin bazı örnekleri dönen disk reaktörlerdir; dönen tüp reaktörleri; çok hücreli akış reaktörleri; salınımlı akış reaktörleri; mikroreaktörler ; altıgen reaktörler; ve 'aspiratör reaktörleri'. Bir aspiratör reaktöründe bir pompa, bir reaktifi iter ve bu da bir reaktifin emilmesine neden olur. Bu tip reaktör, 1941'de Nobel şirketi tarafından nitrogliserin üretimi için patentlendi .

Akış reaktör ölçeği

Mikro akım reaktörleri veya daha küçük ölçekli mikroreaktörlerde proses geliştirme deneyleri için ideal hale getirmektedir olabilir. Akış proseslerini ton ölçeğinde yürütmek mümkün olsa da, sentetik verimlilik, gelişmiş termal ve kütle transferinden ve aynı zamanda kütle transferinden faydalanır .

bir mikroreaktör

Temel uygulama alanları

Akışta gazların kullanımı

Laboratuvar ölçekli akış reaktörleri, özellikle toksik veya diğer tehlikelerle ilişkili gazların kullanılması için ideal sistemlerdir. Akışa en başarılı şekilde adapte edilen gaz reaksiyonları hidrojenasyon ve karbonilasyondur , ancak diğer gazlar, örneğin etilen ve ozon kullanılarak da çalışmalar yapılmıştır .

Tehlikeli gaz elleçleme için akış sistemlerinin uygunluğunun nedenleri şunlardır:

  • Sistemler sabit yataklı katalizör kullanımına izin verir . Düşük çözelti konsantrasyonları ile birleştiğinde, bu, gaz varlığında tüm bileşiklerin katalizöre adsorbe edilmesini sağlar.
  • Nispeten küçük miktarlarda gaz sistem tarafından sürekli olarak tüketilir, bu da normalde toksik ve/veya yanıcı gazların işlenmesi için gerekli olan özel önlemlerin çoğuna olan ihtiyacı ortadan kaldırır.
  • Basıncın eklenmesi, reaksiyon sırasında geleneksel duruma göre gazın çok daha büyük bir oranının çözelti içinde olacağı anlamına gelir.
  • Katı, sıvı ve gaz fazlarının büyük ölçüde geliştirilmiş karışımı, araştırmacının, çözeltiden yer değiştiren gaz hakkında endişelenmeden yüksek sıcaklıkların kinetik faydalarından yararlanmasına olanak tanır.

Akış kimyası ile birlikte fotokimya

Sürekli akış fotokimyası, kesikli fotokimyaya göre birçok avantaj sunar . Fotokimyasal reaksiyonlar , istenen reaksiyona neden olan molekülleri aktive edebilen fotonların sayısı tarafından yönlendirilir . Bir mikroreaktörün geniş yüzey alanı/hacim oranı, aydınlatmayı en üst düzeye çıkarır ve aynı zamanda termal yan ürünleri azaltan verimli soğutmaya izin verir .

Akış kimyası ile birlikte elektrokimya

Sürekli fotokimya gibi sürekli akış elektrokimyası, benzer kesikli koşullara göre birçok avantaj sunar. Fotokimyasal reaksiyonlar gibi elektrokimya, 'reaktifsiz' reaksiyonlar olarak düşünülebilir. Bir elektrokimyasal reaksiyonda, reaksiyon, istenen reaksiyona neden olan molekülleri aktive edebilen elektronların sayısı ile kolaylaştırılır. Sürekli elektrokimya aparatı, daha iyi kontrol ve seçicilik sağlayan reaksiyon ortamına aktarılan elektronların sayısının daha iyi kontrol edilmesini sağlamak için kullanılan elektrotlar arasındaki mesafeyi azaltır. Elektrokimyasal akış sistemlerindeki son gelişmeler, reaksiyon yönelimli elektrokimyasal akış sistemlerinin, çoklu elektron transfer adımlarını ve ayrıca kararsız ara maddeleri içeren reaksiyonların tam analizine izin veren tür odaklı spektroskopi ile kombinasyonunu mümkün kılmıştır. Spektroelektrokimya sistemleri olarak adlandırılan bu sistemler , elektrokemilüminesans gibi daha karmaşık yöntemlerin yanı sıra UV-vis kullanımına da olanak sağlayabilir . Ayrıca, elektrokimyanın kullanılması başka bir esneklik derecesi sağlar, çünkü kullanım yalnızca akış parametreleri ve elektrokimyasal ölçümün kendisinin doğası üzerinde değil, aynı zamanda elektrotun (veya bir elektrot dizisi durumunda elektrotların) geometrisi veya doğası üzerinde de kontrole sahiptir. .

Süreç geliştirme

Süreç geliştirme, seri bir yaklaşımdan paralel bir yaklaşıma değişir. Toplu olarak önce kimyager, ardından kimya mühendisi çalışır. Akış kimyasında bu, kimyager ve kimya mühendisinin etkileşimli olarak çalıştığı paralel bir yaklaşıma dönüşür. Tipik olarak laboratuvarda her ikisi için de bir araç olan bir tesis kurulumu vardır. Bu kurulum ticari veya ticari olmayan olabilir. Geliştirme ölçeği, bir çip sistemi kullanılarak fikir doğrulaması için küçük (ml/saat) ve akış miniplant teknolojisi gibi ölçeklenebilir sistemler için saatte birkaç litre aralığında olabilir . Çip sistemleri esas olarak sıvı-sıvı uygulaması için kullanılırken, akış miniplant sistemleri katı veya viskoz malzeme ile uğraşabilir.

Mikrodalga reaksiyonlarının ölçeğini büyütme

Mikrodalga reaktörler, küçük ölçekli parti kimyası için sıklıkla kullanılır. Bununla birlikte, bir mikrodalgada ulaşılan aşırı sıcaklık ve basınç nedeniyle, bu reaksiyonları sonraki geliştirme için geleneksel mikrodalga olmayan aygıtlara aktarmak genellikle zordur ve bu da ölçekleme çalışmalarında zorluklara yol açar. Uygun yüksek sıcaklık kabiliyetine ve basınç kontrolüne sahip bir akış reaktörü, bir mikrodalga reaktöründe oluşturulan koşulları doğrudan ve doğru bir şekilde taklit edebilir. Bu, reaksiyon süresini uzatarak daha büyük miktarların sentezini kolaylaştırır.

Üretim ölçeği çözümleri

Akış sistemleri, ton/saat ölçeğine ölçeklenebilir. Tesisin yeniden tasarımı (mevcut bir tesis için toplu iş), Ünite Operasyonu (yalnızca bir reaksiyon adımının değiştirilmesi) ve Modüler Çok Amaçlı (Sürekli bir tesisin modüler birimlere kesilmesi) akış süreçleri için tipik gerçekleştirme çözümleridir.

Akışın diğer kullanımları

Katı faz kimyaları gibi daha karmaşık teknikler kullanarak akışta deneyler yapmak mümkündür . Katı faz reaktifleri , katalizörler veya süpürücüler çözelti içinde kullanılabilir ve örneğin katı faz kimyaları kullanılarak alkaloid doğal ürün oksomaritidin sentezi gibi cam kolonlardan pompalanabilir.

Sürekli bir akış süreci olarak polimerizasyona artan bir ilgi vardır. Örneğin, Tersinir Ekleme-Parçalanma zinciri Transferi veya RAFT polimerizasyonu.

Kontrollü nanopartikül üretimi için sürekli akış teknikleri de kullanılmıştır. Mikroreaktörlerin çok hızlı karıştırılması ve mükemmel sıcaklık kontrolü , nanoparçacıkların tutarlı ve dar parçacık boyutu dağılımını sağlayabilir.

Parçalı akış kimyası

Yukarıda tartışıldığı gibi, özellikle birden fazla bileşenin taranmasını, değişen stokiyometriyi, sıcaklığı ve kalma süresini gerektiren yeni kimyasal reaksiyonlar geliştirildiğinde, sürekli akış sistemlerinde deneyler yapmak zordur. Sürekli akışta, deneyler seri olarak gerçekleştirilir; bu, bir deneysel koşulun test edilebileceği anlamına gelir. Deneysel çıktı oldukça değişkendir ve tipik olarak, sabit durumu elde etmek için kalma süresinin beş katı gereklidir . Sıcaklık değişimi için reaktörün termal kütlesinin yanı sıra sıvı banyoları gibi çevre birimlerinin de dikkate alınması gerekir. Çoğu zaman, analiz süresinin dikkate alınması gerekir .

Bölünmüş akış, akış kimyasında tarama, optimizasyon ve kitaplıkların gerçekleştirilme hızını artıran bir yaklaşımdır. Bölünmüş akış, belirli hacimsel deneysel karışımların oluşturulduğu ve daha sonra yüksek basınçlı akış reaktörüne enjekte edildiği bir " Takma Akışı " yaklaşımını kullanır . Segmentin ön ve arka uçlarında karışmayan solvent kullanılarak segmentin difüzyonu (reaksiyon karışımı) en aza indirilir.

Segment Kompozisyon İndeksi
Segmentin bileşimi
Reaktörden bölüm akışı
Segment seri akışı

Bölünmüş akış kimyasının birincil faydalarından biri, aynı kalma süresini ve sıcaklığı paylaşan deneylerin tekrar tekrar oluşturulup enjekte edilebildiği seri/paralel bir şekilde deneyler yürütme yeteneğidir. Ek olarak, her deneyin hacmi, akış tüpünün hacminden bağımsızdır, böylece deney başına önemli miktarda reaktan tasarrufu sağlanır. Reaksiyon taraması ve kitaplıkları gerçekleştirirken, segment bileşimi tipik olarak maddenin bileşimine göre değişir. Reaksiyon optimizasyonu gerçekleştirirken, segmentler stokiyometriye göre değişir.

Reaktörden bölüm akışı
Segment seri/paralel Akış
Seri/Paralel Bölünmüş Akış
Seri/Paralel Segmentler

Segmentli akış aynı zamanda çevrimiçi LCMS ile de kullanılır, burada segmentler UV kullanılarak reaktörden çıkarken tespit edilir ve ardından analitik LCMS için seyreltilir veya doğrudan hazırlayıcı LCMS için enjekte edilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar