Napjainkban a folyamatos áramú, áramlásos kémiai (flow) szintézismódszerek egyre növekvő népszerűségre tesznek szert. Ezek a technológiák régóta ismertek a vegyiparban, de a szintetikus kémiában való megjelenésük csak az ezredforduló környékére tehető.
Az áramlásos kémia annyit tesz, hogy a hagyományosan gömblombikban, vagy más egyéb edényben mechanikusan kevertetve végrehajtott kémiai reakciók helyett, a kiindulási anyagok oldatát egy csőrendszeren folyamatosan áramoltatjuk, és az átalakulások az áramlás közben valósulnak meg. Ez az elrendezés számos előnnyel jár a hagyományos lombikos eljárásokhoz képest. A kiindulási anyagok folyamatos áramlása valamilyen szállítórendszer (nagypontosságú pumpák és gáz adagoló rendszerek) segítségével biztosított. Ebből adódóan a szakaszos (batch) szintézisekkel ellentétben folyamatos áramú módszerek esetén a reakcióidő nem értelmezhető, helyette tartózkodási időről beszélünk, ami a kiindulási anyagok aktív reaktorzónában, vagyis a reaktor azon térrészben töltött idejét jelenti, ahol a tényleges reakció történik.
Az áramlásos kémia fejlődését jól mutatja a Chemical Reviews folyóiratban megjelent összefoglaló cikk, melyben közel 800 irodalmi hivatkozáson keresztül mutatják be az áramlásos kémiát. Az áramlásos kémia helyzetét erősíti, hogy az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügynöksége (S. L. Lee, Presented in part at the 3RD Food & Drug Administration/Product Quality Research Institute Conference on Advancing Product Washington, DC, March, 2017.) és az Európai Gyógyszerügynökség (European Pharmaceutical Review, August 2018.) is a közelmúltban jelentette be a folyamatos áramlásos kémiai szintézisek és technológiák bevezetésének és alkalmazásának a támogatását. Továbbá 2019-ben a Nemzetközi Elméleti és Alkalmazott Kémiai szövetség (IUPAC) az áramlásos kémiát a 10 leggyorsabban fejlődő, feltörekvő (emerging) technológiák közé sorolta.
Természetesen az áramlásos kémiai reakciók végrehajtása is számos előnnyel és hátránnyal is járhat.
Előnyök:
- Áramlásos reaktorokra a rendszer geometriai tulajdonságaiból adódóan lényegesen nagyobb felület/térfogat arány jellemző, amely jóval kedvezőbb termikus- és koncentrációprofilt eredményez. Az endotermés az exoterm reakciók is könnyen termosztálhatók.
- A reagensek keveredését másodpercek alatt el lehet érni az áramlásos rendszerekben alkalmazott kisebb méretekben. Így lehetővé válik az ún. flask kémia, mely rövid élet idejű (<milisec), nem túl stabil intermedierekkel végrehajtott kémiai reakciók kivitelezését jelenti.
- A reakcióhőmérsékletet az oldószerforráspontja fölé is lehet emelni, a reaktor után elhelyezett nyomásszabályzó alkalmazása esetén. A kis méreteknek köszönhetően a hőmérséklet szabályozás hatékony és pontos.
- Gázbevezetéssel járó reakciók is könnyen elvégezhetők.
- Biztonságosabb működés:
- hőmérsékleti viszonyok jól kézben tarthatók
- kisebb reakció mennyiségek biztonságos munkavégzést tesznek lehetővé
- biztonságosabb munkavégzés veszélyes vegyszerekkel: többlépéses reakciók elvégezhetők egy rendszeren belül, így a lépések közötti feldolgozás és a vegyszerek levegővel vagy emberekkel való érintkezése elkerülhető (különösen fontos mérgező vagy instabil vegyületek esetében)
- Az áramlásos kémiai reakciók/technológiák/folyamatok könnyen automatizálhatók, ezzel teljesítve a 4. ipari forradalom készülékek hálózatba kapcsolására vonatkozó követelményét. Egy mostanában megjelent publikáció szerint a Pfizer kutatói egy naponta 1500-nál is több Suzuki reakciót vizsgáló folyamatos üzemű, automatizált HTPS (nagy áteresztőképességű szűrés módszer) rendszert mutattak be. Számos egyéb technológia, úgymint in-line analitikai eljárások, tisztítási, feldolgozási vagy akár formulálási lépések is könnyen és biztonságosan integrálhatók az áramlásos folyamatba. Az intelligens monitorozás és online elemzés integrálásával a teljes kémiai műveletek automatizálhatók. A könnyebb és jobb folyamatszabályozás hatékonyabbá teszi a reakciót és minimalizálja a melléktermék és hulladék keletkezését.
- Reaktorok méretnövelése egyszerűbben, térfogatnöveléssel (scale-up) vagy rendszer párhuzamosításával (scale-out) is elérhető, minimális folyamatfejlesztési és tervezési munkával.
- Ezen előnyöknek köszönhetően jobb termelések/szelektivitások érhetőek el, reakcióidők órákról percekre csökkenthetők. Ez ipari szempontból rendkívül fontos, ugyanis alacsonyabb energiafelhasználást, kevesebb hulladékot, kevesebb munkaóra ráfordítást, nagyobb biztonságot és csökkentett költségeket eredményezhet, azaz kisebb környezeti lábnyomot.
- Napi 24 órás működést tesz lehetővé heti 7 nap.
Hátrányok:
- Egyedi/dedikált eszközökre van szükség: a pontos és folyamatos adagoláshoz (pumpák, gázadagolók) ezek csatlakoztatásához, stb.
- Indítási, leállítási, tisztítási eljárásokat kell meghatározni.
- Reaktív anyagokra vonatkozó tárolási előírások továbbra is fennállnak.
