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化学教学中的连续流化学 2019-12-05

【背景】

连续工艺在化工产品的批量生产中有着悠久的历史。事实上,大多数批量化学品是在一个连续的生产过程中生产的。然而,历来规模为数百吨到数千公斤的精细化学品和药品生产却选择用间歇的方式。一方面,这种情况在金沙集团娱乐官网在线规模上很常见,无论是在学术金沙集团娱乐官网在线还是在工业金沙集团娱乐官网在线,所有的化学反应都是间歇方式进行的,包括在更大的规模上的优化。另一方面,财务方面也很重要,多用途(中试)工厂几乎可以连续用于任何化学反应,因此操作成本低。尽管如此,近20多年来,学术合成化学研究人员越来越关注连续流化学,这些研究人员逐步认识到在小体积微反应器中连续进行化学反应的好处。其内在的安全性、相对良好的传质和传热、对反应条件的良好控制以及反应的可重复性,促使越来越多的化学家使用连续流反应操作方式。此外,精细化工和制药行业的化学家越来越热衷于在新工艺中应用连续流反应。考虑到流动化学的优势及其在制药和精细化工生产中的日益重要的地位,在化学教育中对连续流动化学的重视也显得尤为重要。但现在教学在很大程度上仍然是通过传统的间歇化学实验课进行的。在这篇综述中,编辑将重点先容在学生职业生涯的各个阶段改进化学教学的机会。


本科课程

本科课程是高等化学教育中最基础的部分。在这个阶段,课程与研究还没有明确的联系,主要是化学和化学反应的基础方面的教学。实验课上也是利用常规教科书以传统的方式进行实验训练。在过去的几十年里,化学教学的这一部分内容并没有发生太大的变化,但实际上应该遵循实验化学研究的重要趋势进行调整。这个阶段,当学生开始做他们的第一个实验的时候,在这一阶督鹕臣庞槔止偻谙啐入流动化学非常重要,而不是在传统的间歇反应中进行所有的实践训练。然而,这种实践需要一些基本的流动化学常识,教学模块的可用性,以及可以在化学实验课中使用的合适的流动设备。更重要的是,还需要愿意投入时间,精力及经费的教师的努力,将流动化学原理纳入基础实验课。然而,编辑认为,尤其在这个早期阶段,学生们必须认识到,实验既可有间歇方式又有流动方式,并在早期考虑将连续流作为间歇反应的替代方案。有关流动化学实验在教学中的实施,有很多可以借鉴的方式,比如:

1. 手动搭建流动实验装置。Wirth等人早期的案例,提供了关于流动化学的背景信息和详细的步骤,可以很容易地应用于本科实验课。Noel提供了更高级的案例包括更详细的步骤,近期Kappe描述如何用商品化部件(泵、管道、连接器代替烧瓶、回流冷凝器和其他玻璃器皿)构建连续流装置,以及如何在这种装置中安全地进行实验。因为这些著作显示即使不用非常先进的,自动化的,或者昂贵的商业的流动设备也可以操作流动实验,对学生的动手能力及从根本上了解流动化学都有重要意义。

2. 专业的供应商也可以提供教育套装。Future Chemistry企业最早开始提供完善的连续流教学模块,其他几家企业也紧随其后,目前还能提供相当完善的教学手册。


【硕士课程】

与本科课程相比,硕士课程通常在教学和研究之间有更强的联系。除此之外,课程还包含了更高级的化学主题和当前的研究趋势,在许多国家,硕士教学的一个主要部分是在课题组内进行科学训练(实习)。因此,学生可以选择涉及连续流化学的研究主题,从而获得这一领域的经验。在流动化学的早期,连续流实验在很大程度上用于改进或更安全操作传统的釜式反应。近年来,研究课题已经转向了流动化学明显优于间歇化学的领域。比如光化学和光氧化还原化学,这两个方向上的应用在传统的生产方式上非常受限,因为涉及到光的反应是很难批量扩展的。然而,流动化学的出现大大促进了光化学和光氧化还原化学的广泛应用,因为流动工艺使光化学工艺更容易于扩展。目前参与流动光氧化还原化学的群体数量的巨大增长也帮助了更大比例的硕士生获得了流动化学反应的经验。与间歇化学相比,流动化学具有特殊优势的其他领域包括酶促反应、超短(闪光)反应和扩展工艺窗口(高温、高压),所有这些快速发展的领域将为硕士学生提供有趣的机会。


博士课程

类似的观点也适用于流体化学的博士教学。此外,编辑强烈认为,应该鼓励博士生在自己的研究项目中进行流动化学实验。这个概念在Initial Training Network ECHONE得到了成功的实施,所有早期的研究人员都在暑期学校接受了流动化学的培训,其中一部分课程由学生起草研究计划,在他们自己的研究项目中实施流动化学。在许多案例中,也开展了实际的实验研究,使学生们认识到流动化学的优点,并发表了新的科学文章。事实上,更多研究人员应该认识到,如果他们必须重复实行相同的反应(如优化,确定范围,或者确定反应的动力学),用流动化学反应技术更有优势,因为流动化学控制反应条件更精确,工艺重现性更好。

如今,越来越多的书籍为连续流反应提供了丰富的背景、信息和实验步骤,以进一步激励博士生从事连续流化学。另外,各大有机合成相关的学术会议,研习会,工艺研讨会上也越来越多的报道流动化学。必须不断鼓励博士生思考流动化学的新可能性,并将其应用到自己的项目中。


综上所述,在过去的二十年中,连续流化学反应已经从特殊领域上升到有机合成的全领域,对精细化学品和药品的生产具有重要意义。近年来,流动化学的使用在规模和安全性方面受到限制的传统间歇化学领域中出现了巨大的增长,这一趋势将继续下去。编辑相信,这种化学反应的新方法将在今后的研究中带来更多机遇。这也需要更资深的化学家承担起道德责任,在化学教育的每个阶段尽可能多地鼓励学生使用连续流化学。


金沙集团娱乐官网在线司代理的荷兰Chemtrix品牌的Labtrix start微通道反应器非常适合流动教学,Labtrix Start 连续流微反应器现已在多个高校用于教学演示,其配置包括:温度控制器,两个泵,一个反应器支架,多个反应器芯片, “Micro Reaction technology on Organic Synthesis”教科书一本,教学方法一套及流动化学计算App一套。


Labtrix Start 连续流微反应器用于教学演示可以有助于学生理解连续流动化学技术,培训学生操作连续流反应器技能,及培养学生开发新型流动化学反应的能力。

目前国内四川大学,中山大学将微通道反应技术教学课程加到化学化工教学课程中(本科、研究生教学),旨在加强学生对连续流技术的理解和技术推广,配置多套金沙集团娱乐官网在线用途的微通道反应器+一套中试设备。学生分组进行微通道实验(4-5人一组,采用labtrix start进行教学方法手册中的试验)、老师操作中试生产设备(采用kiloflow做同一实验)。对比试验条件、结果和相关数据,可以验证微通道反应无放大效应,并且操作过程安全、自动化控制,让学生真正能体会到流动化学的魅力所在。


荷兰南方大学应用多套Labtrix Start 连续流反应器应用于微反应器技术实验教学和早期实验条件摸索。Gino van Strydonck教授说 “在南方大学,金沙集团娱乐官网在线希翼学生学习、接触最先进的实验技术、设备。金沙集团娱乐官网在线建立了微反应器金沙集团娱乐官网在线,选用Labtrix Start用于微反应器实验教学和优化、筛选反应条件。 ”


比利时根特大学金沙集团娱乐官网在线有一套Labtrix Start连续流反应器和 一套 KiloFlow 微通道反应器,用于早期方法研究和放大实验。Stevens教授说:“是时候让学生接触连续流技术,并让他们实际操作,领悟连续流技术带来的变革,这样,他们一旦进入工厂,可以将新的技术应用于生产”。


企业概况

深圳市金沙集团娱乐官网在线金沙集团娱乐官网在线,作为荷兰Chemtrix企业(微通道反应器)、英国AM企业(连续多级搅拌反应器、催化加氢系统)、瑞典SpinChem企业(旋转床反应器)在中国区的独家代理商和技术服务商,为广大高校和企业提供连续合成、在线萃取、连续结晶、在线过滤干燥、在线分析等整套连续工艺解决方案。


企业与复旦大学、南京大学、中山大学、华东理工大学、南京工业大学、浙江工业大学、河北工业大学等高校研究机构合作成立微通道连续流化学联合金沙集团娱乐官网在线,致力于推动连续流工艺在有机合成、精细化工、制药行业、能源材料、食品饮料等领域的应用,合作金沙集团娱乐官网在线可以为客户的传统间歇釜式工艺在连续流工艺上的转变提供工艺验证、连续流工艺开发工作,促进制药及精细化工企业由传统间歇工艺向绿色、安全、快速、经济的连续工艺转变。


企业与荷兰Chemtrix B.V.在浙江台州、江苏南京合作组建了连续流微通道工业化应用技术中心(以下简称“工业化技术中心”),旨在打造集连续流微通道工艺开发、中试试验、工业化验证、技术交流于一体的综合性连续流微通道应用技术服务中心,以为广大生物医药企业、化工类企业提供专业、完善的智能化连续流工艺整套系统解决方案及一流的技术服务方案。


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