荷兰格罗宁根大学案例】德国CINC连续离心萃取器给两相（生物）催化反应带来的巨大机遇
间歇生产是精细化学品制造的崭新技术，因为使用的反应器针对不同的工艺表现出了多用性。然而，使用间歇反应器有一些巨大的缺陷：对于大批量生产，必须进行多次间歇运行，这常常导致不同批次间产品的质量和性能不稳定。此外，生产率往往低于的连续反应器，而且因为其劳动密集型的特点，导致维修成本非常高。然而，连续工艺对此则表现出了巨大的优势。此外，在小流量反应器中的连续生产对于使用或生产高毒性和/或爆炸性物质的反应非常有利。
基于这一分析，许多科研小组已经开始研究过程强化的概念，其目的是发展小型反应器或将反应器与分离相结合。这一领域突出的研究无疑是微反应器的使用。Poechlauer和他的同事们近报道了使用微结构反应器进行吨级的Ritter反应。和田和吉田报道了微反应器中格里纳德交换反应的中试规模生产。还有学者研究了酶作为催化剂在微反应器中的应用。Ley和Baxendale发表了一系列论文，描述了微反应器中的串联反应，其中试剂以固定的形式存在。
荷兰格罗宁根大学的GerardN.Kraai等学者使用实验台规模的德国CINC连续离心萃取器系统研究了化学和生物催化反应，取得了重要的成果，并于2008年发表在《AngewandteChemie》杂质上（Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,3905–3908）。
该装置是一种接触式连续离心萃取器（CCS），只有实验台规模大小，用于油水分离（如清理溢油）、连续萃取发酵产物（如青霉素和苯丙氨酸）以及在原子废物工业中用于提取和净化放射性废物。图1展示了CCS的结构示意图。该装置实质上是一台离心机。在转子外部与外壳体内部的小环形混合区引入了不互溶的液液两相。在这里，两相之间发生了非常且快速的混合，非常有利于两相催化反应。而后分散相被吸进离心机，在那里两相逐步但非常有效地分离，同时向上移动，之后通过不同的出口离开设备。
图1
之前还没有报道使用CCS作为化学反应器。此离心机可以用于在间歇模式下连续地从蔗糖的酶转化过程中分离出聚合产物（右旋糖酐）。在液液两相（催化）反应中使用CCS具有潜在的吸引力。在这种情况中，环形区域作为反应器，离心机作为液液分离器。deBellefon和Claus等学者报道了流动装置中的两相催化，但没有完整的相分离。Ryu和他的同事报道了一个微反应器中的两相Heck反应，其中含有钯催化剂的相是离子液体。在这种情况下，催化剂的分离和回收是*结合的。通过连接一系列这样的设备，使用不同类型催化剂的串联催化在原则上是可能的，如图2所示。
图2
作者测试了CCS对葵花油连续生产生物柴油的效率。该反应是典型的液液催化反应。在高温（60℃）下，以葵花油和6倍摩尔过量的甲醇为实验对象，使用碱性催化剂（NaOMe，1%w/w相对于葵花油）。CCS配备了加热套，以确保等温条件。葵花油被预热到60℃，并以12.6mL/min的流速泵入CCS的一个入口，然后以3.1mL/min的流速将MeOH中的NaOMe溶液泵入另一个入口。约40分钟后，体系达到稳定状态，含有部分残留葵花油的脂肪酸甲酯（FAME）以轻相形式析出，而重相为MeOH中的甘油溶液。调节不同的离心速度，在这些条件下FAME的收率高可达到96%（图3）。
图3
转速为30Hz时转化率达到大值。以更高速度旋转的离心机在分离时所增加的功率会导致发生反应的混合相体积减小（图4）。当离心机转速降低时，混合过程的效率降低，导致分散相液滴的平均尺寸增大，从而降低了传质速率和转化率。
图4
利用所确定的工艺条件，以61kg/m3min的产率生产生物柴油，比典型间歇法42kg/m3min的产率更高。此外，目前的工艺效率更高，因为没有单独的分离步骤，可以省去不同批次之间的反应器清洗步骤。
接下来，作者研究了用CCS进行酶催化转化的潜力。大多数酶在水环境中功能，因此是在CCS中测试的理想催化剂。由于酶很容易受到剪切力的破坏，因此采用低混合底板的CCS。该底板与离心机周围的保护筒连接，从而避免了进入的液体与旋转离心机直接接触。以油酸和1-丁醇为模型反应，研究了Rhizomucormiehei脂肪酶催化油酸与1-丁醇的酯化反应（Scheme1）。
图5
使用上述确定的很佳条件，在较高的酶负荷下（3.0而非1.0g/L）进行脂肪酶催化酯化反应（图6）。大约2小时后，转化率变得相当稳定并在78~87%之间波动，平均82%，重复性良好。
图6
图7
实验结论：
1.在实验台规模大小的德国CINC连续离心萃取器中进行连续的化学和生物催化转化是可能的，也是非常有利的；
2.即使在目前可以放在通风柜里的低成本设备中，也有可能在几天内生产100kg的化学品；
3.CINC连续离心萃取器为已经成熟商业化的连续反应分离器，具备很好的规范性和通用性。随着CCS大规模投入市场，利用两相催化连续生产吨级精细化工产品的前景将变得十分广阔。
参考文献：
doi:10.1002/anie.200705426
ZwolFV,ScuurB,KraaiGN.Two-phase(bio)catalyticreactionsinatable-topcentrifugalcontactseparator[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2010,47(21):3905-3908.
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