微流場反應技術(shù)：為傳統(tǒng)化工搭建“桌面工廠”
微流場反應技術(shù)可實現(xiàn)反應傳質(zhì)傳熱及速率數(shù)量級的提升，并提升過程安全性。曾獲2017年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎的基于微流場反應技術(shù)的生物基無毒增塑劑及其衍生物連續(xù)綠色制造項目，有效解決了生物基無毒增塑劑傳統(tǒng)間歇工藝存在的生產(chǎn)安全性差、過程難以控制、產(chǎn)品質(zhì)量差等問題，實現(xiàn)了環(huán)氧增塑劑衍生產(chǎn)品生物基聚氨酯硬泡多元醇的高效制備，為增塑劑產(chǎn)業(yè)無毒化轉(zhuǎn)型升級及衍生應用提供技術(shù)支撐。
傳統(tǒng)化工反應工藝以間歇式偏多，反應及分離效率不高，污染物排放嚴重;工藝路線過長，操作不當易造成安全及環(huán)境事故，這些都嚴重阻礙了化工生產(chǎn)的綠色智能化發(fā)展進程。
據(jù)該項目負責人、南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院院長郭凱教授介紹，微流場反應技術(shù)是一項反應及分散特征尺度在百微米級的過程強化技術(shù)。該技術(shù)為傳統(tǒng)化工搭建了一座“桌面工廠”，同時也為化工行業(yè)的綠色發(fā)展指明了方向。“相較傳統(tǒng)的化工技術(shù)，我們開發(fā)的微流場反應技術(shù)通過微尺度效應可以將超過百噸的反應裝置實現(xiàn)體積千倍的縮小，以‘桌面工廠’的模式實現(xiàn)傳統(tǒng)大型化工生產(chǎn)過程;同時又數(shù)千倍地提升反應速度，將化工反應由十幾小時縮短到數(shù)十秒鐘，實現(xiàn)化工反應過程傳質(zhì)傳熱效率及反應速度2~3個數(shù)量級的提升、在線反應體積3個數(shù)量級的縮小?！惫鶆P表示。
談及項目的現(xiàn)實意義時，郭凱這樣說，作為連續(xù)流技術(shù)，微流場反應技術(shù)可以大幅提升化工反應選擇性，使污染降低排放50%以上、能耗降低40%以上。而且，微流場反應技術(shù)在提升反應效率的同時強化反應過程安全性，實現(xiàn)了化工的清潔安全生產(chǎn)。
“然而，微流場反應技術(shù)規(guī)?；こ虘檬菄H共性難題。這是因為傳統(tǒng)微通道反應尺度在百微米級別，一旦尺度擴大則會導致復雜有機化學反應體系微流場效應喪失。我們團隊的研究成果已能在厘米尺度下保持微流場效應。”郭凱說。
郭凱團隊在攻克微流場反應技術(shù)尺度放大與尺度效應難以同步、多單元系統(tǒng)集成困難、高效工程裝備缺失等技術(shù)瓶頸后，與國內(nèi)多家生產(chǎn)企業(yè)合作，實現(xiàn)了微流場反應技術(shù)在萬噸級工業(yè)生產(chǎn)中的應用。特別值得一提的是，該項目完成了高品質(zhì)生物基無毒增塑劑及其系列衍生產(chǎn)品的規(guī)?；G色制造。
增塑劑能改變塑料又硬又脆的特性，使其具有柔韌性，便于制品彎曲成型等。據(jù)郭凱介紹，由于技術(shù)和成本的原因，現(xiàn)在市場上很多塑料制品使用的仍然是傳統(tǒng)增塑劑，而美國FDA和歐盟認證的兩類無毒增塑劑——檸檬酸酯類及環(huán)氧植物油類產(chǎn)品，尚未在國內(nèi)大范圍使用。
“我們革新了傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)模式，在生物基無毒增塑劑生產(chǎn)中采用了微流場管路式反應器，通過構(gòu)建合適流場結(jié)構(gòu)，保持微流場效應同時，將邊界尺度拓展至厘米級別，使反應器單流場通量達到萬噸級規(guī)模?！毖芯繄F隊主要成員方正副教授進一步解釋，“百微米尺度的傳統(tǒng)微通道反應器每年只能生產(chǎn)幾百千克，最多幾噸的增塑劑，難以滿足生產(chǎn)及市場需求;而厘米級管徑的反應器每年能生產(chǎn)增塑劑上萬噸，不僅實現(xiàn)連續(xù)化安全生產(chǎn)，而且顯著提高了產(chǎn)品品質(zhì)，從而有效地解決了規(guī)?；瘧玫膯栴}?！?br>
微流場反應技術(shù)在實體制造業(yè)的運用，推進了“桌面工廠”的有益嘗試，為行業(yè)帶來了福音。
其中，在江蘇雷蒙化工科技有限公司、江蘇向陽科技有限公司及張家港市飛航科技有限公司，實現(xiàn)了基于微流場反應技術(shù)的高品質(zhì)增塑劑(檸檬酸酯產(chǎn)品、環(huán)氧脂肪酸甲酯產(chǎn)品)及增塑劑下游產(chǎn)品(生物基聚氨酯硬泡多元醇產(chǎn)品)的連續(xù)化生產(chǎn)。方正教授補充說：“我們合作廠家生產(chǎn)的檸檬酸酯等產(chǎn)品通過中國、美國以及歐盟等國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)的認證，在國內(nèi)外多家企業(yè)獲得應用，解決了增塑劑反應品質(zhì)低下和生產(chǎn)安全問題。應用該項技術(shù)企業(yè)近3年新增銷售額達16.28億元，新增利稅2.58億元。”
“得益于技術(shù)支持，應用企業(yè)的制品成本遠遠低于同類產(chǎn)品，其產(chǎn)品占有高端市場95%的份額。因此，微流場反應技術(shù)對產(chǎn)業(yè)的綠色智能化發(fā)展具有很強的支持作用，符合資源節(jié)約、環(huán)境友好‘兩型’社會要求?！惫鶆P說。
該項目還獲得了國家“973”計劃、國家重大專項、國家自然科學基金及校企合作項目等支持。項目相關(guān)技術(shù)共申請國家發(fā)明專利32項，其中授權(quán)專利21項，發(fā)表SCI論文11篇。
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