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化學教學中的連續(xù)流化學
化學教學中的連續(xù)流化學
背景
連續(xù)工藝在化工產品的批量生產中有著悠久的歷史。事實上，大多數(shù)批量化學品是在一個連續(xù)的生產過程中生產的。然而，歷來規(guī)模為數(shù)百噸到數(shù)千公斤的精細化學品和藥品生產卻選擇用間歇的方式。一方面，這種情況在實驗室規(guī)模上很常見，無論是在學術實驗室還是在工業(yè)實驗室，所有的化學反應都是間歇方式進行的，包括在更大的規(guī)模上的優(yōu)化。另一方面，財務方面也很重要，多用途(中試)工廠幾乎可以連續(xù)用于任何化學反應，因此操作成本低。盡管如此，近20多年來，學術合成化學研究人員越來越關注連續(xù)流化學，這些研究人員逐步認識到在小體積微反應器中連續(xù)進行化學反應的好處。其內在的安全性、相對良好的傳質和傳熱、對反應條件的良好控制以及反應的可重復性，促使越來越多的化學家使用連續(xù)流反應操作方式。此外，精細化工和制藥行業(yè)的化學家越來越熱衷于在新工藝中應用連續(xù)流反應。考慮到流動化學的優(yōu)勢及其在制藥和精細化工生產中的日益重要的地位，在化學教育中對連續(xù)流動化學的重視也顯得尤為重要。但現(xiàn)在教學在很大程度上仍然是通過傳統(tǒng)的間歇化學實驗課進行的。在這篇綜述中，作者將重點介紹在學生職業(yè)生涯的各個階段改進化學教學的機會。
本科課程
本科課程是高等化學教育中基礎的部分。在這個階段，課程與研究還沒有明確的聯(lián)系，主要是化學和化學反應的基礎方面的教學。實驗課上也是利用常規(guī)教科書以傳統(tǒng)的方式進行實驗訓練。在過去的幾十年里，化學教學的這一部分內容并沒有發(fā)生太大的變化，但實際上應該遵循實驗化學研究的重要趨勢進行調整。這個階段，當學生開始做他們的實驗的時候，在這一階段引入流動化學非常重要，而不是在傳統(tǒng)的間歇反應中進行所有的實踐訓練。然而，這種實踐需要一些基本的流動化學知識，教學模塊的可用性，以及可以在化學實驗課中使用的合適的流動設備。更重要的是，還需要愿意投入時間，精力及經費的教師的努力，將流動化學原理納入基礎實驗課。然而，作者認為，尤其在這個早期階段，學生們必須認識到，實驗既可有間歇方式又有流動方式，并在早期考慮將連續(xù)流作為間歇反應的替代方案。有關流動化學實驗在教學中的實施，有很多可以借鑒的方式，比如：
- 手動搭建流動實驗裝置。Wirth等人早期的案例，提供了關于流動化學的背景信息和詳細的步驟，可以很容易地應用于本科實驗課。Noel提供了更高級的案例包括更詳細的步驟，近期Kappe描述如何用商品化部件(泵、管道、連接器代替燒瓶、回流冷凝器和其他玻璃器皿)構建連續(xù)流裝置，以及如何在這種裝置中安全地進行實驗。因為這些著作顯示即使不用非常*的，自動化的，或者昂貴的商業(yè)的流動設備也可以操作流動實驗，對學生的動手能力及從根本上了解流動化學都有重要意義。
- 專業(yè)的供應商也可以提供教育套裝。Future Chemistry公司早開始提供完善的連續(xù)流教學模塊，其他幾家公司也緊隨其后，目前還能提供相當完善的教學手冊。
碩士課程
與本科課程相比，碩士課程通常在教學和研究之間有更強的聯(lián)系。除此之外，課程還包含了更高級的化學主題和當前的研究趨勢，在許多國家，碩士教學的一個主要部分是在課題組內進行科學訓練(實習)。因此，學生可以選擇涉及連續(xù)流化學的研究主題，從而獲得這一領域的經驗。在流動化學的早期，連續(xù)流實驗在很大程度上用于改進或更安全操作傳統(tǒng)的釜式反應。近年來，研究課題已經轉向了流動化學明顯優(yōu)于間歇化學的領域。比如光化學和光氧化還原化學，這兩個方向上的應用在傳統(tǒng)的生產方式上非常受限，因為涉及到光的反應是很難批量擴展的。然而，流動化學的出現(xiàn)大大促進了光化學和光氧化還原化學的廣泛應用，因為流動工藝使光化學工藝更容易于擴展。目前參與流動光氧化還原化學的群體數(shù)量的巨大增長也幫助了更大比例的碩士生獲得了流動化學反應的經驗。與間歇化學相比，流動化學具有特殊優(yōu)勢的其他領域包括酶促反應、超短(閃光)反應和擴展工藝窗口(高溫、高壓)，所有這些快速發(fā)展的領域將為碩士學生提供有趣的機會。
博士課程
類似的觀點也適用于流體化學的博士教學。此外，作者強烈認為，應該鼓勵博士生在自己的研究項目中進行流動化學實驗。這個概念在Initial Training Network ECHONE得到了成功的實施，所有早期的研究人員都在暑期學校接受了流動化學的培訓，其中一部分課程由學生起草研究計劃，在他們自己的研究項目中實施流動化學。在許多案例中，也開展了實際的實驗研究，使學生們認識到流動化學的優(yōu)點，并發(fā)表了新的科學文章。事實上,更多研究人員應該認識到,如果他們必須重復執(zhí)行相同的反應(如優(yōu)化,確定范圍,或者確定反應的動力學),用流動化學反應技術更有優(yōu)勢,因為流動化學控制反應條件更精確,工藝重現(xiàn)性更好。
如今，越來越多的書籍為連續(xù)流反應提供了豐富的背景、信息和實驗步驟，以進一步激勵博士生從事連續(xù)流化學。另外，各大有機合成相關的學術會議，研習會，工藝研討會上也越來越多的報道流動化學。必須不斷鼓勵博士生思考流動化學的新可能性，并將其應用到自己的項目中。
綜上所述，在過去的二十年中，連續(xù)流化學反應已經從特殊領域上升到有機合成的全領域，對精細化學品和藥品的生產具有重要意義。近年來，流動化學的使用在規(guī)模和安全性方面受到限制的傳統(tǒng)間歇化學領域中出現(xiàn)了巨大的增長，這一趨勢將繼續(xù)下去。作者相信，這種化學反應的新方法將在今后的研究中帶來更多機遇。這也需要更資深的化學家承擔起道德責任，在化學教育的每個階段盡可能多地鼓勵學生使用連續(xù)流化學。
我司代理的荷蘭Chemtrix品牌的Labtrix start微通道反應器非常適合流動教學，Labtrix Start 連續(xù)流微反應器現(xiàn)已在多個高校用于教學演示，其配置包括：溫度控制器，兩個泵，一個反應器支架，多個反應器芯片， “Micro Reaction technology on Organic Synthesis”教科書一本，教學方法一套及流動化學計算軟件一套。
Labtrix® Start 連續(xù)流微反應器用于教學演示可以有助于學生理解連續(xù)流動化學技術，培訓學生操作連續(xù)流反應器技能，及培養(yǎng)學生開發(fā)新型流動化學反應的能力。
目前國內四川大學，中山大學將微通道反應技術教學課程加到化學化工教學課程中（本科、研究生教學），旨在加強學生對連續(xù)流技術的理解和技術推廣，配置多套實驗室用途的微通道反應器+一套中試設備。學生分組進行微通道實驗（4-5人一組，采用labtrix start進行教學方法手冊中的試驗）、老師操作中試生產設備（采用kiloflow做同一實驗）。對比試驗條件、結果和相關數(shù)據(jù)，可以驗證微通道反應無放大效應，并且操作過程安全、自動化控制，讓學生真正能體會到流動化學的魅力所在。
荷蘭南方大學應用多套Labtrix® Start 連續(xù)流反應器應用于微反應器技術實驗教學和早期實驗條件。Gino van Strydonck教授說 “在南方大學，我們希望學生學習、接觸的實驗技術、設備。我們建立了微反應器實驗室，選用Labtrix® Start用于微反應器實驗教學和優(yōu)化、篩選反應條件。 ”
比利時根特大學實驗室有一套Labtrix® Start連續(xù)流反應器和 一套 KiloFlow® 微通道反應器，用于早期方法研究和放大實驗。Stevens教授說：“是時候讓學生接觸連續(xù)流技術，并讓他們實際操作，領悟連續(xù)流技術帶來的變革，這樣，他們一旦進入工廠，可以將新的技術應用于生產”。
公司簡介：
深圳市一正科技有限公司，作為荷蘭Chemtrix公司（微通道反應器）、英國AM公司（連續(xù)多級攪拌反應器、催化加氫系統(tǒng)）、瑞典SpinChem公司（旋轉床反應器）在中國區(qū)的代理商和技術服務商，為廣大高校和企業(yè)提供連續(xù)合成、在線萃取、連續(xù)結晶、在線過濾干燥、在線分析等整套連續(xù)工藝解決方案。
公司與復旦大學、南京大學、中山大學、華東理工大學、南京工業(yè)大學、浙江工業(yè)大學、河北工業(yè)大學等高校研究機構合作成立微通道連續(xù)流化學聯(lián)合實驗室，致力于推動連續(xù)流工藝在有機合成、精細化工、制藥行業(yè)、能源材料、食品飲料等領域的應用，合作實驗室可以為客戶的傳統(tǒng)間歇釜式工藝在連續(xù)流工藝上的轉變提供工藝驗證、連續(xù)流工藝開發(fā)工作，促進制藥及精細化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全、快速、經濟的連續(xù)工藝轉變。
公司與荷蘭Chemtrix B.V.在浙江臺州、江蘇南京合作組建了連續(xù)流微通道工業(yè)化應用技術中心（以下簡稱“工業(yè)化技術中心”），旨在打造集連續(xù)流微通道工藝開發(fā)、中試試驗、工業(yè)化驗證、技術交流于一體的綜合性連續(xù)流微通道應用技術服務中心，以為廣大生物醫(yī)藥企業(yè)、化工類企業(yè)提供專業(yè)、完善的智能化連續(xù)流工藝整套系統(tǒng)解決方案及的技術服務方案。