【95周年专刊】基于仿生学的柔性反应器

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171120

文章来源：《化工学报》2018年第69卷

第1期：414-422

基于仿生学的柔性反应器

，邹超，肖杰，陈晓东

（苏州大学材料与化学化工学部化工与环境工程学院，苏州市绿色化工重点实验室，江苏 苏州 215123）

反应器广泛应用于化工、冶金、炼油、制药、食品等行业，通过向流体提供所需要的能量和适宜的流场结构，强化流体的混合。最常用的反应器为搅拌釜式反应器，这种反应器通常是由坚硬并且耐用的刚性材料制作而成。由这些材料制成的反应器具有许多优点，如成本低，能够处理大体积的物料，经过密封处理后耐高压，通过表面处理后耐腐蚀等。然而，这些反应器的壁面不会参与内部流体的混合，当加工高黏度、糊状或半固态产物时容易产生混合隔离区，混合效率降低。另外，食品加工中许多食物配方需要加入一些颗粒物，同时需要避免混合过程中对加入的颗粒物的破坏。但是，传统反应器中的搅拌桨不可避免地会导致对固体颗粒的破坏。还有生物技术公司经常用细胞培养或者发酵的方式生产高附加值的生物制剂，而哺乳动物细胞和一些菌类对剪切力十分敏感，搅拌桨式反应器作为最常用的混合设备在使用过程中不可避免地对细胞或者菌类造成伤害，影响生产效率。现有的一些传统反应器不能很好地满足这些特殊混合要求。

生物学是创新想法的丰富来源，可以启发人们找到合适的方法，从而成功解决包括化学工业在内的工程实践中的挑战性问题。生物启发式化工（bio-inspired chemical engineering，BioChE）被认为是化学工程的重要分支，它包括以下3个方面：① 生物系统中的化学工程原理和单元操作；② 应用过程工程的原理在生物体中实现产品生产；③ 通过模仿生物系统的物理化学行为或机械结构，从而设计和构建生产过程和设备。

近年来，生物体内的反应器受到了越来越多的关注。健康的人和动物的消化系统可以有效地处理高黏度的食糜。这主要归因于消化系统独特的生理结构和运动方式。胃、十二指肠、小肠和大肠等器官可以通过其柔性壁面的运动，实现食物的破碎、混合和运输。从工程角度上，消化的整个生理过程可以看成高效的食品加工过程。

多年来，为了研究消化过程，Chen等建立起了准真实的、柔性的大鼠胃和人胃系统实现体外消化，并在小鼠体内和体外模拟食物的消化行为。实验结果表明，相对于之前刚性的体外仿生消化系统，柔性的体外仿生消化系统能够大部分重现体内消化数据，而且体外实验重复性更好。随后，建立了一套仿生小肠系统，以1 mol·L^-1的KCl溶液为主流体，0.5 mol·L^-1的铁溶液为示踪剂，用示踪-响应法测试了示踪剂在小肠模型反应器中的停留时间及分布。然后研究了仿生小肠系统内高黏性物料的混合效果及淀粉水解反应，并将其与相同Reynolds数下搅拌桨式反应器的实验结果进行了比较。结果表明，在处理高黏度物料时仿生小肠反应器的混合程度较高，小肠模型反应器内的淀粉水解程度要比在传统搅拌釜式反应器内高很多。

这些体外仿生消化系统可以视为柔性反应器。基于柔性的体外仿生消化系统所展现出来的一系列优势，在仿生化工概念的引领下，结合多年来在体外消化系统领域的研究经验，搭建了一套简单且重复性好的柔性反应器系统。柔性容器由透明度良好的有机硅橡胶制作而成，良好的透明度有助于通过图像分析的方法对柔性反应器进行观察研究。同时搭建了一套机械设备用于驱动其壁面运动，施加外力时壁面能产生一定的形变，外力撤除后便能完全恢复原貌。该系统已经获得了发明专利授权。在以上工作的基础上，本研究对柔性反应器系统进行了改进，并且研究了挤压频率、最大挤压程度和挤压位置对混合效果的影响。另外本研究主要偏重于壁面运动驱动下的流体混合过程，在运动频率和形变程度上并没有刻意模拟消化道真实的运动模式。

基于仿生学的柔性反应器系统制作成本较低，用于制作柔性容器的硅胶价格低廉且耐用，也可以用其他橡胶制品制作柔性容器，驱动柔性反应器的机械设备容易搭建，这些有利因素使得柔性反应器在一些特定领域的大规模应用成为可能。在实际应用中还可以根据需求制作封闭的、连续的、不同尺寸的柔性反应器，以实现不同领域的混合需求。在以后的工作中还可以通过设立多个机械运动单元，实现柔性反应器的协同作用，在实现高黏度流体混合的同时避免局部高剪切力的产生。应用在对剪切力敏感的混合体系中，如细胞培养、微生物发酵等。在一些有强酸强碱或者有机试剂参与的反应中，柔性反应器比金属刚性反应器也存在一定优势。因为柔性系统可以避免金属搅拌桨的使用，且柔性容器的制作可以选用抗氧化性、耐油性、耐腐蚀性的氟橡胶类材料。目前所设计的柔性反应器系统在尺寸上有一定的使用限制，如直径超过0.2 m后，混合效率有可能降低；直径小于1 cm后难以实现良好的混合。柔性反应器作为一种新型的反应器可以灵活设计以提高混合效果。当容器较大时可以设计多个机械运动单元作用于容器的不同位置；当容器较小时可以通过其他的外力方式促进其内部流体的混合。如Kumaran等设计的宽度为0.5 mm的三面为刚性硅胶一面为柔性硅胶的方形微通道反应器，在2 cm的长度实现了流体的完全混合。

基于仿生学原理，设计了一种新型的柔性反应器，该反应器通过壁面的运动促进流体的混合。并且研究了柔性反应器的形变频率、形变程度和形变位置对混合过程和混合时间的影响。使用了新的Reynolds数公式，与常见的三叶斜桨式搅拌器进行对比，得到以下结论。

（1）柔性反应器能够使流体达到良好的混合，混合时间、混合过程和混合效果可以通过挤压频率、挤压程度和挤压位置控制。挤压频率越高，混合时间越短，最终稳态时隔离区越小；挤压程度越大，混合时间越短，对稳态时的隔离区影响不大；挤压位置对混合时间的影响不大，当液位为60 mm，且挤压位置在距离底部25～50 mm时不同的挤压位置对混合时间影响不大。

（2）通过和三叶斜桨式搅拌器对比发现，在低Reynolds数区域（10～1000）柔性反应器在混合时间方面略优于三叶斜桨式搅拌器。

综上所述，通过模拟人和动物消化系统混合流体的方式开发的柔性反应器可以作为反应设备的一个选择。特别针对高黏度流体（低Reynolds数情况），这种柔性反应器的优势相对明显。

1.1  实验装置

表1  LSD3042型号A、B双组分硅橡胶的物理性能参数

图1  柔性容器模具和柔性容器尺寸

图2  柔性反应器系统

图3  柔性反应器形变与恢复过程

图4  搅拌器结构和搅拌桨尺寸

1.2  实验方法

1.3  理论分析

图5  截图区域

2.1  不同的挤压频率(f)

图6  不同频率下柔性反应器的混合过程和混合时间[柔性反应器系统的挤压位置（25 mm）和最大挤压程度（25 mm）固定。柔性反应器系统的频率从a到e分别为0.5、0.75、1、1.25和1.5 Hz]

2.2  不同最大挤压程度(P_dmax)

图7  不同最大挤压程度下柔性反应器的混合过程和混合时间[柔性反应器系统的挤压频率（1.5 Hz）和挤压高度（25 mm）固定。改变柔性反应器系统的最大挤压程度，从a到e分别是10、15、20、25和30 mm]

2.3  不同的挤压高度(H_s)

图8  不同挤压高度下柔性反应器的混合过程和混合时间[柔性反应器系统的挤压频率（1.5 Hz）和最大挤压程度（25 mm）固定。改变柔性反应器系统的挤压高度，从a到f分别是25、30、35、40、45和50 mm]

2.4  柔性反应器(SER)和三叶斜桨式搅拌器(IPA)的比较

图9  相同Reynolds数时柔性反应器系统和搅拌系统的比较