微反應器是微加工或其他結構化的設備，至少有一個(特性)尺寸小于1毫米。通常使用的最小結構是幾十微米，但也有尺寸更小的例外。微反應技術利用微反應器進行化學反應工程。流動化學是一種由化學動機(例如，新的合成方案)驅動的相關方法。

微反應器和流動化學的機會及其與可持續性的相關性

傳質

微反應器的混合速度比傳統混合器快得多，可達到毫秒級。單相或兩相之間的質量傳遞同樣得到加強。可持續性成果是減少浪費、降低能耗、提高產量;與成本和 LCA(循環性)相關。示例:開發了一種微反應器，用于HCI催化果糖脫水，在短反應時間和高溫下生產HMF。通過粒子圖像測速監測確定混合時間為0.03 至4.8秒。盤繞微通道產生Dean 渦流，實現高級對流混合。HMF產率為 50%，是文獻中報道的最佳結果之一。

傳熱

微反應器即使在熱失控或爆炸情況下也能傳熱，并從強(絕熱)熱釋放轉變為可控的等溫操作。

可持續性成果是減少浪費、降低能耗、提高產量;與成本和LCA(循環性)相關。

示例:微設備設計對于良好的傳熱至關重要，常見的設計是堆疊中的板排列，交替的板由反應器和熱微通道組成。使用這種交替堆疊的商用微反應器，微通道的蛇形形狀會強制對流，從而支持傳熱(和傳質);尤其是在研究的雷諾數非常高(從400到2000)的情況下。銀導熱膏被證明可有效增強板之間的傳導傳熱;最高可達70%，傳熱系數最高可達2200Wm-2K-1。溫度控制已證明適用于高度放熱的反應，即二甲草酸酯和乙基氯化鎂形成2-氧代丁酸甲酯，從而避免形成局部熱點。

完全控制熱傳遞(無熱過沖，無熱點)通常與同時完全控制質量傳遞有關。微反應器的泰勒流模式，常規氣液段塞，通過這兩種途徑，能夠研究在相對高溫下異丁烷氧化為叔丁基過氧化氫(TBHP)過程中元素反應的微妙相互作用。TBHP作為過氧化物是一種熱敏感材料，容易分解。TBHP具有雙重功能:引發反應和作為一種自催化劑。另一種常見的引發劑二叔丁基過氧化物(DTBP)會在所用的高溫下分解，從而降低TBHP 的產量。只有通過微反應器提供的卓越傳熱控制，才能區分這些復雜的效應。

停留時間

微反應器可以大大縮短反應時間，從幾天和幾小時縮短到幾分鐘甚至更短反應在盡可能短的(固有)時間尺度上發生的可能性被稱為閃速化學。最快的反應在幾毫秒內完成可持續性的結果是減少浪費和提高產量;與成本和LCA(循環性)相關。

例如:有機鋰反應只能在幾毫秒內發生，這是傳統混合難以應對的時間尺度。在如此短的時間間隔內混合效率低下會促進有機反應物中官能團(例如酮基)的副反應，迫使它們在反應條件下受到保護(這會產生廢物)。微反應器可以更快地混合，而基于芳基碘化物與間三甲苯基鋰的碘-鋰交換的有機鋰反應可直接生成芳基鋰產物，這是多酚生物活性產物pauciflorol F的前體。由于主反應占主導地位且不存在副反應，因此可以使用無保護化學反應。

與間歇技術相比，聚醚多元醇的混合輔助微反應器操作可顯著縮短反應時間。在異常高的反應溫度下，不到1分鐘即可實現95%的轉化率。

生產力

更快的反應時間、在以前的爆炸狀態下運行和/或更高的產量使流動化學能夠提高生產率。挑戰在于在擴大規模時保持高生產率。生產率主要可以通過減少反應時間或增加轉化率(或兩者兼而有之)來提高。可持續性的結果是減少浪費和提高產量;與成本和LCA(循環性)相關。

示例:生物柴油在工業水平上量產良好，是作為新興技術的微反應器的良好基準。與目前依賴強酸或強堿的傳統方法相比，酶催化酯交換法生產生物柴油提高了可持續性，但速度較慢，阻礙了高生產率的實現。使用可回收的納米磁性固定化酶Candida rugosa脂肪酶，統計分析(使用響應面法-Box-Behnken 設計)提高了生產率。在優化的一組工藝條件下確定了93%的最高固定化效率，并且固定化酶在相關工藝條件下是穩定的。微反應器酯交換提高了芝麻餅油轉化為生物柴油的效率，最高轉化率可達97%，生產的生物柴油符合工業標準(ASTM D6751)。

安全性

微反應器可以在工藝條件下實現安全運行，否則在常規條件下可能會導致熱失控或爆炸。微流操作可以將爆炸范圍移出典型操作條件。危險反應通常是阻礙傳統反應器擴大規模的障礙，而微反應器已被證明可以安全地處理使用不穩定中間體或危險試劑的反應以及用于千克級合成的高放熱反應。這使得更多實驗室化學創新能夠過渡到中試和生產規模。

圖、通過在流動化學中使用減小的體積來減輕主要批次的安全風險

多反應網絡/產品復雜性

微反應器可以在有限的空間和短時間內整合多種反應，最大限度地減少浪費。它們能夠連續合成復雜的產品;通常無需分離或中斷反應。

可持續性的結果是降低能耗、提高產量和生產出更好的產品;與成本、LCA和循環性相關。

示例:在微流中，在溫和的反應條件下，有機鋰中間體與胺化試劑的親電胺化可輕松形成C-N鍵;無需催化劑或分離。24在5分鐘內，進行了3步集成單流合成，包括芳基鋰的中間體合成、胺化試劑及其與產品的反應。通過4步集成單流合成，完成了環己醇的Swern-Moffatt氧化;停留時間最短為10毫秒，適宜溫度范圍為-20 至20℃，明顯高于傳統間歇合成(-50°C).

圖、流動化學應用于連續多步驟Swern-Moffatt 型氧化

新型工藝窗口

微反應器需要專用工藝(協議)，而最佳工藝通常與常規做法相去甚遠。這些不尋常的(新型)工藝窗口不適合傳統設備，使微反應器和流動化學能夠勝過同類產品。探索新型工藝窗口(NPW)可以提高微反應器和流動化學的性能。

可持續性的結果是減少浪費、降低能源消耗，提高產量和提供更好的產品;與成本，生命周期評估和循環性相關。

示例:由于其爆炸性，過氧化物合成對于傳統加工具有挑戰性。然而，使用非常快的動力學可以使任何反應都非常高效。那么，如何才能以安全的方式利用這一點呢?過氧特戊酸叔丁酯的兩階段合成在兩種流態下進行，即分段流和分散流。利用非常快的動力學的挑戰是應對反應的顯著熱釋放(126kJmol-1).即使在工藝溫度升高的情況下(表示NPW)，分散流態也為安全的過氧化物生產提供了較大的界面面積，從而大大提高了生產率;注意到過氧化物合成通常在室溫下或在冷卻下進行。與工業專利的比較表明，微反應器的時空產量要高出幾個數量級。

回收

在循環時代，回收已成為所有加工過程(包括流動化學加工)中必不可少的部分。流動分離是回收的一部分，盡管經過了二十年的研究，但仍然缺乏與流動化學反應的整合。可持續性成果包括減少浪費和能源消耗;與成本、LCA以及最顯著的循環性和ESG 相關。

示例:通過回收，使用水/離子液體雙相系統在連續流脫酯化中實現了酶的再利用。批量處理由于劇烈攪拌產生的剪切力而產生泡沫，這意味著回收所需的分離需要花費不可接受的時間。微流處理及其“軟對流攪拌”不會引起泡沫，從而導致快速而完全的相分離。演示了三個回收階段，每個階段都顯示酶活性逐漸下降，但這對于原理驗證來說是可以容忍的。

在膜分散微反應器中，聚乙烯醇和正丁醛的縮聚反應證明了工藝成分HCI、水和正丁醛的回收。該反應生成聚乙烯醇丁醛，一種用于夾層汽車玻璃的化學品。選擇這些成分是因為它們能夠使縮聚反應達到所需的超高轉化率。正丁醛轉化率達到99%，回收有效減少了86% 的HCI使用量。

設計溶劑

設計溶劑能夠設計出超出普通溶劑能力的溶劑，因此也被稱為“主溶劑”，微反應器通常體積較小，適合使用昂貴的設計溶劑，并且要求溶劑性能達到最高標準。微反應器和主溶劑的聯合使用在實驗室規模上取得了重大成就.

圖、流動化學中使用的設計溶劑的分類

可持續性的結果是減少浪費和降低能源成本;與成本、LCA以及最顯著的循環性相關。

示例:開發了一種用于酶生物轉化的雙相設計溶劑系統，以展示通過回收實現的自動純化和酶再利用。測試了三種離子液體(IL)對4-硝基苯乙酸酯的脂肪酶催化水解;所有離子液體都含有1-丁基-3-甲基咪唑陽離子，陰離子不同，即四氟硼酸鹽、雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺和六氟磷酸鹽。在相同的反應時間和使用水/IL雙相系統的情況下，流動反應器在相同的純化程度(97%)下獲得了更高的產量(最多90%)。使用IL的另一個好處是大大提高了酶的可回收性。

自動化/模塊化

小型、緊湊型反應器(如微反應器)有利于模塊化，作為一種“工藝模塊樂高”。要達到近乎理想的工藝條件，需要用計算智能來取代人工操作;這是流動化學“工藝自動化”的本質。自動化流動化學使按需藥物生產成為可能，該系統可在可重構的模塊化系統中進行，能夠在一個流程中完成一個伸縮合成。它支持許多不同的反應或通過一個共同的構建塊合成許多分子。使用流動的優勢包括可擴展性、安全性、速度和可重復性。自動化流動合成集成了自動設計、API合成和生物測定篩選平臺。

圖、過程自動化示例，包括泵站、反應器、過程條件(即溫度和壓力)和在線分析儀

可持續性成果涵蓋上述類別;與ESG 相關，有助于實現工業標準。

示例:通過高斯過程回歸，機器學習用于指導電化學微反應器處理，以優化苯甲醛到氰醇的無添加劑氰基硅烷化反應。參數反應研究確定了產生高產量的反應條件。這避免了通常應用的大量實驗參數篩選，從而減少了實驗次數。通過優化電氣(電流)和化學工程(流速)設置之間的相互作用，計算無需人類專業知識即可最大限度地提高生產力。傳感器對于流程自動化至關重要，因為它們執行基本的計量和過程控制功能。開發了一種反應時間快的非侵入式傳感器，用于監測單相和多相微流中的相和濃度變化。此外，還需要先進的在線檢測方法。采用全內反射瞬態吸收顯微鏡(TIRTAM)檢測流動中的激發態動力學。最后，需要先進的過程監控來檢測和診斷堵塞的微反應器。對于五個微反應器中并聯運行的Suzuki-Miyaura 耦合，使用分離重組型流量分配器(SRFD)進行堵塞檢測。通過壓降隔間模型調整 SRFD 中的通道阻力和傳感器位置。

規模化/可預測性

微反應器是可復制的反應器系統，理想情況下只是“編號”，類似于自然界的細胞。雖然微反應器的規模化現實與理想情況有一定差異，但微反應器的規模化確實比傳統的間歇式反應器設置更快、更輕松。幾位將微反應器推向生產規模的工業研究人員也持這種觀點。

可持續性成果是加快上市時間、降低成本和增加現金流;與TEA相關，尤其是ESG。

示例:通過編號3D打印和層壓金屬微反應器來擴大亞秒級微流合成的規模。最初的單流反應器合成擴展到一個整體模塊，帶有4個編號的3D打印金屬微反應器(4N-PMR)。作為下一步也是最后的放大步驟，16個微反應器(16N-PMR)在運行10分鐘內輸送了20克三種藥物支架產品。這是通過堆疊四個4N-PMR 模塊實現的。通過統計方法，特別是Box-Behnken 實驗設計，系統地改變工藝參數，開發了微反應器中2-乙基己基硝酸酯的千克級合成。實驗設計針對四個因素和三個水平進行了研究。確定關鍵影響因素(硫酸、溫度)并使用計算流體動力學優化液液接觸，從而實現了放大的微反應器設計，能夠生產16 kg h-2乙基己基硝酸酯。

供應鏈和商業模式

微反應器是一種緊湊的模塊化裝置，易于安裝/拆卸，具有快速啟動/關閉功能，可帶來新的商業模式，包括分散的小規模生產，并加強多產品商業模式，如批量生產。

可持續發展成果包括新產品服務、減少運輸對環境的影響、產品個性化以及提高產品交付可靠性(彈性);與LCA相關，尤其是ESG。

示例:新型化學生產工廠(所謂的“未來工廠”)可以提供新的業務窗口。集裝箱式移動工廠有望縮短上市時間(“50%創意”)，從而帶來更高的現金流。這主要是由于其模塊化結構以及嵌入了微反應器等智能規模處理技術。已經對配備微反應器的集裝箱工廠(Evonik Company的 Evotrainer生產平臺)進行了資本支出和運營支出分析。微反應器在化工市場領域有三種應用:大宗化學品、精細化學品和制藥。與傳統技術相比，集裝箱化工廠的投資回報更快，收益更高，特別是對于制藥行業等高價值化學品而言。微反應器設備提高了經濟效益。

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