目前化學產業仍以批次生產技術為主,隨微流道與微反應器等技術發展,在有限的封閉環境中實行微流道流動化學連續生產製程,能有效解決現行傳統批次化工常有的反應控制、耗能、工安及環保問題。本文運用「管路控制流量」與「泵浦控制流量」兩種方法,驗證流動化學系統之微流道連續生產製程可行性。
泵浦調控技術, 流動化學, 連續製程, 智慧機械

流動化學系統之製程泵浦調控技術



作者:李侃峰、曾奕凱

運用場域與製程演進

目前化學產業多使用傳統批次生產之技術,然隨微流體控制技術發展,以微流體為基礎的連續製程系統,逐漸於流動化學、生物製藥、生醫檢測等領域出現運用範例。以流動化學領域為例,微流體控制技術將整個上下游生產流程整合於一個平台,藉由不間斷的純化萃取步驟規劃、大幅提升系統生產效率。由於微流體連續生產製程在封閉環境中進行,顯著減少工安及環保法規相對應的維護成本、人員操作的複雜度,及產品汙染的風險。

流動化學意指化學反應在連續流體中運行,而非在批次槽體中進行。具體而言,不同物料或具有反應性之流體藉由流量泵輸送,運用設計良好的微反應器,可有效控制製程反應、滯留時間與混合效率。其高轉化率與萃取率,亦可降低原物料耗損與運轉能源成本。微流道流動化學連續生產製程之優缺點分列如下:

優點:

・設備佔地大幅減少;

・混合反應效率提升;

・封閉式反應器安全性。

缺點:

・流量控制模組成本增加;

・製程控制技術門檻提高。

連續製程

工業型微流道流動化學連續生產製程系統多運用增加反應器數量,以達到滿足量產所需的總量等級,其反應條件幾乎不需做任何改變就可直接應用於量產規模,因此較少出現傳統批次反應器的放大效應難題,可大幅縮短實驗室規格應用到市場產品的時間[1]。

以輸料泵的選擇而言,傳統批次式系統依生產速率、原物料特性與管路壓損等需求,找尋適合流量、耐化學特性與揚程等需求即可,而微流道流動化學連續生產製程系統需考量流體的連續性,因此,其自動化系統組成可包含:反應器、輸料泵、流量控制器、分離器、電控閥、溫控模組與管路套件等,此微流道連續製程具備兩項關鍵技術以實現高萃取率目標:1. 設計良好的微反應器與分離器、2.流量控制器。微反應器設計多運用壓差與微流道結構建立流體所需的動能,進而提升物料混和效率,泵流量控制器可提升微流道間的穩定性,降低因管路阻力改變所伴隨之瞬時流量變化的影響,此外,當使用熱敏感物料時,輸料泵選擇應考量運作時的熱量傳遞現象,以確保製程產率穩定性。

(一)多進單出型系統

常見的實驗室等級連續製程系統,多以單組或數組微反應器與分離器結合以符合製程運作需求;試量產以上等級的連續製程系統,則可運用上百個叢集式微反應器模組達到製程需求。連續製程雖可有效率的解決批次式物料混合或反應不均勻問題,但運用叢集式微反應器模組時,如何確保各微反應器的製程壓力與流量參數一致是個難題。

以多進單出型的微反應器為例,可運用緩衝槽後接岐管進入微反應器的設計,以增加物料於微流道間的流量齊一性。當物料種類增加或物料組成比例有差異,實務上可運用管路閥件精準控制輸料比例,但需考量系統的運作成本相對增加。

多進單出型微流道系統可分為兩類:使用單一輸料泵及運用多個輸料泵浦組。單一輸料泵浦使用單個或少量的流量計確保製程流量控制精度,使用並聯架構的多個輸料泵浦模組須注意泵浦間的分流量是否滿足,雖然運用逆止閥可有效改善管路間的逆流,仍需驗證反應器內微流道的流量是否足夠且穩定供應。

(二)多進多出型系統

傳統批次式系統中較難處理的高溫、高壓反應製程,可使用微流道型的流動化學製程克服,原因在於微流道反應器具有熱傳與質傳交換快速、縮短反應時間、減少副產物之生成等優點[2],相對提高原物料與能源之利用效率,而微小化的反應體積比亦可提升製程之安全性。

微流道流動化學製程的多進多出型系統,以多種原物料同時或時序性輸入反應器,待反應完成後連接萃取用的分離器,若以多層次的串接製程進行,總萃取率可以有效提升至99%[3],達到高原物料使用率。此多進多出架構運用於流動化學與生物製藥時,可搭配線上即時檢測感測器,在不影響製程的狀態下,判斷連續製程的萃取率與副產物比例等製程變異,並可自由搭配溶劑進出製程,提供製程調控依據與增加系統良率與高值化。

流量控制方法

微流道流動化學連續生產製程系統的流量控制方法,可分管路控制流量或泵浦控制流量兩類。

(一)管路控制流量

管路控制流量一般運用壓力感測器或流量感測器,測量流體實際數值後再將此數值回授控制閥,進而調整管路截面積或開度,當流體實際數值落於設定數值的固定百分比誤差內即達控制目標。一般來說壓力感測器或流量感測器的解析度與取樣頻率,必須優於控制閥的應答時間,才能有效地以管路控制流量,其中流量感測器可以為超音波或溫度等型式,控制閥可以為電動比例閥或壓電控制閥。此管路控制流量方法,可於微流道前連結壓力槽或增壓泵,搭配管路回壓控制器,使管路具備供料能力後再進入微反應器等微流道次系統。

 (二)泵浦控制流量

常見輸料泵以改變馬達轉速調整輸出流量,若要達到控制流量需求,須選用可提供廣域調速的馬達模組。一般來說,馬達調速模組已內含驅控器控制轉速,當運用於泵浦流量控制時,同樣需要於流體系統中使用壓力感測器或流量感測器測量流體實際數值,再將此數值回授馬達驅控器調整轉速,當流體實際數值落於設定數值的固定百分比誤差內即達控制目標。

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