高通量与微流控系统

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  • 2016-08-11

           北京思信通科技有限公司瞄准实验科技技术进步前沿,研发设计了多种高通量试验装置、多通道试验装置以及微流控试验系统,可实现各种反应过程的高效、安全、环保、低成本试验研究。

           高通量技术是集实验体积小型化,实验设计及控制自动化,实验数据集成化为一体的研发技术。它通过采用自动化技术,微加工技术,人工智能等,把包括实验设计软件,实验控制软件,实验分析软件及数据库等软件平台,与材料合成平台,材料反应平台及材料表征和分析平台等硬件集成在一起,形成一个研发流水线或系统平台。与传统实验的一个个实验作起来相比,在一个高通量发系统平台上可以一次作几十个,几百个实验,从而大大提高了研发的速度。

           大多数突破性重要发明都来自非直观过程,需要复杂的过程和广泛的筛选,从而需要获取大量及复杂的实验数据。昂贵的研发费用迫使人们寻求新的手段来该改善研发效率。同时,研发流程效率的匹配对如何尽快做出结论变得非常重要,大量实验数据需要更好的手段进行分析处理。为此,高通量技术应运而生。

    高通量技术通过集成的微尺度与并行化对传统研发进行转化,与传统研发过程相比,它具有以下优势:

    • 在研发过程的早期探索更广阔配方设计的空间;

    • 用更少的原料获得更多的信息;

    • 将多种因素和分析集成为一个简单的,易于管理的工作流程;

    • 通过对大规模数据的管理来帮助研发人员作出明智的决策,并随着时间的推移建立研发机构的知识积累;

    • 高通量反应比普通反应,包括普通微反应所用的原料更少,因此产生的废料也更少。是更“绿色”的试验室;

    • 操作更安全:自动化操作和更小的反应规模使反应更安全。同时,因一人能做更多的试验,这意味着更少人接触有害物质。

    高通量技术在过去十多年里已被广泛地应用在研发实验室各个领域,主要包括:化工,能源及新材料;医药和生命科学;家庭及个人护理品;半导体。

    其中,在化工与能源领域的主要应用有:

    • 高分子催化剂筛选系统

    - 24-48 通道次级流程

    - 8 通道研发放大系统

    • 催化剂制备(催化剂合成)系统

    - 金属注入法(MIPS)

    - 共沉淀法(COPS)

    - 水热法(sPPR)

    • 其他催化剂筛选系统

    - 液相批处理初级筛选(SPR)

    - 并行固定床流化筛选(PFBR)

    - 半连续平行压力反应器(ScPPR)

    为了向研发单位和研发人员提供先进的研发手段,北京思信通科技有限公司(以下简称思科公司)在高通量技术领域投入巨大力量,针对高通量装置的技术焦点是多个通道反应器间的评价结果如何平行问题,进行了多项技术开发。在解决了流量如何均匀分配,反应温度如何均匀一致,采样如何自动有序,海量数据如何快速处理等问题后,在催化剂评价筛选设备方面成功地开发了高通量催化剂筛选评价系统。 

    高通量装置的整体组成可见下图.


    图 高通量装置整体构成

    由图可见,装置的主要组成有:

    1.进料模块(气、液)

    2.反应模块(不同通道数量)

    3.加热模块

    4.取样及分析模块(在线,或在线与离线分析组合)

    5.试验设计、数据处理与控制系统

    其中:

    在进料模块,有以下三种模式可供选择:

    1)进料系统“一对多”、所有反应器都共享一个加热炉的高通量装置;

    2)进料系统“一对一”、所有反应器都共享一个加热炉的多通道反应器装置;

    3)进料系统“一对一”、多个反应器设置在各自独立的加热炉中的多通道平行装置。

    在反应器模块:

    开发成功有:单通道、双通道、4通道、6通道、8通道、16通道以及32通道共7中产品,其中4通道、6通道、8通道装置已经在多个客户中获得了成功应用。

    反应器的内径有:0.25英寸、0.375英寸、0.50英寸和0.75英寸四种规格,材料既可以是石英玻璃,也可以是不锈钢,还可以由耐高温镍铬铁合金制作,满足不同客户需求。

    在加热模块,由电加热、油浴加热和盐浴加热三种方式。

    对于取样和分析模块,分为:

    1)轻质产品模式:在加热到200℃前能够全部气化,此时通常采用多位阀直接引进色谱或背压控制系统;

    2)重质产品模式:则先进行气液分离,分离出的气体采用多位阀直接引进色谱或背压控制系统,分离出的液体采用多个小容积的取样瓶采样,进行离线分析。

    3)加氢类装置有独特的设计以降低铵盐和薄雾形成的风险以及分析所需的冲洗时间。

    思信通公司的高通量装置采用适用的实验设计软件(根据用户需求配置)、数据自动采集与操作控制系统,能够达到如下功能:

    1)以简单的方式设计复杂的实验矩阵。包括反应组分,配方,实验顺序及条件等等。

    2)可以进行公式化实验设计(如根据试剂的变化自动计算溶液浓度)。

    3)设计结果存储在数据库里可随时随地调用。

    4)按照设计的配方自动控制仪器进行实验。

    5)在线系统数据采集,数据处理,数据存储。

    6)可编实验控制流程及可变人机界面。

    7)同一个软件控制不同的设备。

    8)所有试验控制数据,流程等存储在数据库里可随时随地调用查询。

    9)对实验数据进行检索,分析,筛选等。

    10)可对多个不同试验数据进行综合分析。

    11)根据需求产生不同格式的试验报告。


           北京思信通科技有限公司紧跟技术发展前沿,开展了微流控、微反应器技术开发。基于微流控技术的连续流动管道式反应器,利用精密加工技术制造,其特征尺寸在10到300m(或者1000m)之间,它包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器、控制器等,其管道尺寸远远小于常规管式反应器,可实现反应过程温度、停留时间的精确控制,同时安全性高、物耗低,环境友好。



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