精密泵浦於流動化學系統之應用

摘要：流動化學系統是一種廣泛應用於化學合成和反應研究的連續製程技術。在流動化學系統中，精密泵浦被廣泛應用於控制反應物料的進料和排出，並實現精確的反應條件控制。本文將探討精密泵浦在流動化學系統中的應用，包括其優勢、種類與工作原理，希望有助於了解精密泵浦在流動化學領域中的應用價值。
Abstract：Flow chemistry system is a continuous process technology widely used in chemical synthesis and reaction research. In flow chemical systems, precision pumps are widely used to control the inflow and outflow of reaction materials to achieve precise control of reaction conditions. This article will discuss the application of precision pumps in flow chemical systems, including their advantages, types and working principles, hoping to help understand the application value of precision pumps in the field of flow chemistry.

關鍵詞：精密泵浦、流動化學、連續製程
Keywords：Precision pump, Flow chemistry, Continuous process

流動化學系統運用場域與演進
隨著化學合成和反應研究的不斷發展，傳統的批次反應方式逐漸受到限制。批次反應通常需要長時間反應，並且難以精確控制反應條件。這些限制對於現代化學合成的需求提出了挑戰，需要更先進的反應技術來提高效率和產品品質。基於此需求，流動化學系統應運而生，成為一種重要的解決方案。
由於現代產品設計日漸複雜，基於成本考量、且需因應趨於嚴格的製造程序規範，傳統批次反應的先天限制已不足以解決製造上的難題。傳統批次限制如下：首先，在傳統的批次反應中，由於反應條件難以精確控制，致使不同批次之間的變異性較大，導致產品品質的不穩定性。其次，在傳統的批次反應中，反應物料的混合主要依賴於尺寸較大的攪拌器或攪拌棒，是故混合物均勻程度不盡理想，導致反應速率較慢並且產品分布不均勻。再者，在傳統的批次反應中，需要使用大型反應器和大量的反應物料，不僅成本高昂，而且會產生大量的廢棄物。最後，傳統的批次反應中，由於反應物料體積大且難以控制，較高的壓力和溫度可能導致危險情況的產生。為解決上述問題，當代發展的流動化學系統是一種在微觀尺度上控制反應的技術，其優勢在於能夠精確控制反應條件，結合以上兩個特性、使流動化學系統具備提高生產效能、減少廢棄、節省能源消耗、並降低對環境影響等優點。
進一步來說，流動化學系統透過連續地將反應物料以流體形式輸送到反應器中進行反應，並且精確控制反應條件，如進料流速、反應溫度和壓力等參數，使反應物料能更好地混合，從而提高了反應速率和產品的萃取率。且流動化學系統通常使用微觀尺度的通道和反應器，使反應體積更小、繼而節省反應物料使用量、並且減少廢棄物料與廢水之產生。且微觀尺度的特性，使生產過程中無須長時間運轉攪拌棒器、即能達到產品所需均勻度，可大幅減少機台運轉所消耗的能源與時間成本，有助於提高反應過程的經濟效益。同時，流動化學系統節能與較少耗損的優點，使系統與環境之間的互相影響也大幅降低，減少對環境的影響，更能符合環保法規規範。最後，流動化學系統具有良好的溫度和壓力控制，可以提高生產環境的安全係數，可更有效控管生產風險。
綜上所述，流動化學系統的應用範圍廣泛且具有多項優勢。它在有機合成、無機合成、藥物合成、催化反應、連續流合成和生物化學等領域中能夠提供更高的反應效率、產品收率和選擇性，同時促成更好的反應條件控制。這些特點使得流動化學系統成為現代化學合成的重要工具，對於提高反應過程的效率、可控性和可持續性具有重要意義。
連續製程流量控制
現行的流動化學連續生產系統由多個微流道反應器組成，以滿足量產的總量需求。在初期規劃階段，系統的自動化設計會根據生產速率、原物料特性等規格條件進行考量。其中，輸料泵的規格和選擇是一個重要的考慮因素，需要考慮到反應器、分離器、管路壓損、物料反應前後的黏滯係數變化以及材質的化學相容性等因素。
在連續生產系統中，批次製程轉換為連續製程後，關鍵是要能夠精確控制反應器內每單位時間的物料量。如果能達到這種精確控制，最終的產品收率將接近理論計算值。相較於傳統的批次製程，這種連續製程的優勢在於幾乎不會有物料的耗損情況發生，若搭配高效率的反應器與萃取器設計將提升產品純度。因此，流動化學連續生產系統的物料流量控制顯得特別重要。常見的物料流量精密控制方式通常需要考慮以下因素：
･ 流量範圍：若在流動化學製程中控制的流量非常小，比如微升至百毫升級別，那麼精密泵浦控制較為適合，而較大流量控制需求如公升級別，則建議使用閥件控制。
･ 精度要求：如果微反應中的流量控制需要高度的精度，泵浦通常可以提供比閥件更高的精度控制，特別是低流量範圍內且物料成本較高的情況下。
･ 反應性能：考量製程條件和流動化學反應動力學對流量控制的需求，泵浦可提供快速改變流量響應，而閥件可長時間提供恆定的流量控制。
･ 成本與使用性：泵浦通常比閥件更昂貴，且需要更多的維護和校準，而閥件相對便宜且易於操作。一些特定情況下可能需要更多的控制策略來實現系統所需的流量控制。
反應器與精密泵浦應用分類
批次反應製程被視為一種僵化的生產方式，最大的原因在於，其可被控制和調整的參數，相當大程度的受限於場地與設備條件；相對具備可靠性與高度靈活性的連續流動化學製程則是現有技術的一大躍進，其混合效率、熱質傳遞、可選擇性、產率、再現性與安全性都有相對優勢[1]。這樣的彈性，使流動化學系統具有多種應用，常見的應用領域如計量/劑量投加、連續流動反應、高壓製程與小規模/微流體系統。基於此，依據不同的研發階段和製程產量需求，規劃流動化學系統製程則應考慮使用的反應器與精密泵浦的種類。
反應器依產能分成三類：第一類為微型連續流反應器，管徑尺度約為毫米，細分為晶片式、板式、直通管束、繞線圈式與填充床式；第二類為中型連續反應器，以量產為前提的試量產架構組成，提供製程放大時的特性、趨勢與效率等考量點；第三類為千噸級以上的量產連續流反應器，目前較大的供應商包含了Corning、Alfa Laval、Chemtrix、Sulzer Chemtech等[2]。
不同於批次生產之化學產業多運用離心式、隔膜式與柱塞式等類型輸料泵，流動化學系統運用微流道連續製程，使瞬時單位流量縮小很多。因此，流動化學系統大多運用精密且可計量型的輸料泵進行流量控制，故可因應大量生產或試驗性產品的需求。在選擇精密泵浦類型時，應將化學材料性質、製程壓力、流速等變項納入考量，可供選擇的常見類型如下：