重视流动化学人才培养实现化工安全生产

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重视流动化学人才培养实现化工安全生产

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姜毅博士在2019 中国化工教育年会“面向未来的化工教育：智能·绿色”高峰论坛上作报告

传统精细化工从炼丹术开始一直使用釜式工艺。在目前的化学教学中，传统的培养方式是使用烧瓶做反应来训练学生的思维和实验技能。通过改变参数，关注反应结果，对过程缺乏研究，这也造成化学反应繁杂多样，而反应过程和机理知之甚少。再加上设备条件的限制，能制备出的新的物质远远少于可能存在的化合物。化学工业的落后是制造业落后的根源之一，先进的化工科技是高新科技的发端与支撑。新材料是先进制造的根本。没有高新功能材料、结构材料，就没有现代化的国防、现代化的制造业和农业。

流动化学对药品生产的意义

改变困境的方法就是创新，微通道连续流技术是21 世纪一项颠覆性技术。它改变了传统化学化工的研发和制造方式。与传统的釜式反应设备不同，流动化学反应器的特点是内部通道具有明确的尺寸和结构（直径范围一般为250 到800 微米），其中化学物质被连续注入和反应。这样的小尺寸对大部分流动化学反应具有较高的热交换效率和快速混合性能，这对处理化学品具有巨大的益处。它让极少量的反应物质，以流动的形式进行接触，反应温度和反应时间可以精准控制，可以更好地研究反应过程的动力学，建立合适的反应机理和反应模型，同时提高反应效率和安全性。微通道连续流反应器为化学反应提供了一个更加可控的环境，尽管反应器的尺寸很小，但其固有的连续性使其能够实现工业规模的应用，与经典设备相比，其产出往往更高。

微通道反应器技术20 世纪90年代起源于欧洲，早先以微米级的通道开始对一些化学过程进行研究。研究成果很快在学术界和工业界引起了广泛关注。到21 世纪初，人们已不满足于仅仅是化学过程的研究，而是积极地推动该技术在医药及精细化工领域的工业化应用。欧美的研究机构和各大药企也纷纷建立了连续流技术团队，以MIT（美国麻省理工学院）为首的一批科研机构，引进了先进的微通道反应器设备。正如MIT 化工系原主任KlavsJensen 教授所说：“我们相信化学品和药品的连续制造是化工行业发展的重要趋势。连续制造显著提升生产效率和产品质量。微通道反应器技术能够让人们实现以前不能实现的反应路线。”同时Jensen 教授也指出：“该技术除了可应用于研发，还可用于本科生和研究生的教育和培养。确保我们的学生能够学习到最先进、重要的前沿技术。”2016年MIT 在《Science》上发表了他们研发的第一代电冰箱大小的连续流制药机。化学原料输进去，经过连续反应和后处理，几款仿制药的药片就做出来了。这对整个制药行业产生了巨大的影响，这一成果成为当年的美国十大成果之一。2019年8月MIT 在《Science》上发表《计算机辅助合成设计-机器手控制连续合成过程》。当机器人可以从装置的搭建，参数的设定，合成及后处理的全连续化全部完成的时候，这无疑给智能化化工生产的未来点亮了一盏灯。MIT 的研究成果让世人瞩目，在教学上的探索成果斐然。MIT化工系流动化学分子制备实验室开设的本科课程获“MIT2018年最佳课程”。从MIT 培养出来的学生也成为了该行业的抢手人才。例如博士，他在MIT 从事有机合成和微反应器合成应用研究工作，是美国“电冰箱”制药机的发明人之一。2013年，他回到比利时，进入列日大学。Monbaliu博士在列日大学创立了集成技术和有机合成中心，开发利用微流体和中流体反应器，进行有机合成的新方法研究。同时，开发了45 学时的流动化学本科课程，至今已培养250 位学生，包括实验室实验和工业装置实习。

中国国内的连续流技术也发展迅速，清华大学骆广生教授团队多年来在教学和科研领域都取得了不少成绩。上海科技大学左智伟教授团队利用康宁反应器数月就在《Science》发表《光能+廉价稀土金属实现室温甲烷绿色转化新途径》的研究新成果。福州大学郑辉东教授团队利用康宁反应器6 个月实现了关键精细化学品从小试到工业化无缝对接，成果已成功转化。

流动化学对化工本质安全的意义

连续流技术的研究究竟对化工制造意味着什么？2018年美国白宫发布《先进制造战略》白皮书，强调药品和特种化学品连续制造。白皮书指出：连续制造是特种化学品和药品生产制造的新模式，可提高产品均一性，增加可持续性并实现使用更小、更高效生产场地，生产多种类药品和关键特种化学品的灵活性。连续制造还可缩短生产周期，使小批量特种药品和按需生产的商用药品的制造成为可能。在过去的十年中，FDA 也一直大力推进连续制造在药品生产中的应用。2019年FDA 发布了连续制造指南，连续制造是一种本质上更安全的技术（IST），它对环境也更友好，因为它通常产生更少的三废和消耗更少的能源。药品实现连续制造可节省30%成本，美国每年至少可节省600亿美元。为此，世界各大药企也陆续走上连续制造之路。2007年MIT 和诺华公司合作开发了第一个端到端的连续制药过程系统；2013年葛兰素史克（GSK）承诺在新加坡开设连续制造工厂；2015年Vertex 囊性纤维化治疗药物Orkambi，是第一种使用连续压片工艺制成的固体剂量药物。近年来，Janssen 的Prezista 可以治疗艾滋病毒，Lilly 的Verzenio 药品可以治疗乳腺癌和急性白血病，Pfizer 的Daurismo 可以治疗骨髓性白血病，这些都是连续制造的成果。确实，美国大的制药公司要么已经进行连续制造的试验或者已经开始使用这项技术进行生产药物中间体或最终药物。这些公司在声明中都对连续制造技术充满激情。GSK 宣称连续制造技术成功是对传统的批次制造的挑战，该公司将会广泛使用连续流技术。詹森公司预测未来70%的药物生产将采用连续制造。

重视流动化学人才培养 实现化工安全生产