- 开发了多级连续萃取分离系统，是实现高效连续生产流程的关键
- 通过使用多级连续萃取分离系统回收溶剂和未反应的材料，显着提高生产效率并减少废物
- 与传统技术相比，重要香精成分香兰素的生产效率提高约17倍，减少浪费约50%
采用多级连续萃取分离系统的连续香兰素生产流程
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
米乐m6官方网站（AIST）化学过程研究部流动合成系统组，研究员市冢智博，研究组组长石坂贵之，化学反应现场设计组组长牧野隆等人能够连续反应、萃取和分离连续生产流程的关键功能化学品的连续生产效率高，环境影响低。
萃取分离AIST 是炉渣流的高效多级高速提取和分离系统，我们开发了一种可以使用最少量的溶剂在约3分钟内连续提取和分离的系统。通过将新开发的连续萃取分离系统与流动反应系统结合使用，可以通过回收未反应的原料和萃取溶剂来连续合成目标物质。例如，其中一款香水香兰素以每小时几克的规模运行批量方法相比，我们的生产效率提高了约 17 倍，浪费减少了约 50%。通过将新开发的技术投入实际应用，香草醛等功能化学品生产的生产率和环境影响将得到显着提高，从而为可持续制造做出贡献。
该技术的详细信息将于 2023 年 10 月 30 日公布。ACS 可持续化学与工程发布
9465_97182是一个大问题。在此背景下，它是一种更高效的生产方法流动法引起了很多关注。流动法是原料连续地投入生产设备，产品连续地从出口收集的生产方法。与间歇方法相比，该方法具有多种优点，例如效率高、减少浪费、节省成本和节省空间，但迄今为止，它主要用于制造化学结构简单的基础化学品，例如石化产品中的化学结构。近年来，随着环境问题的凸显，其特性被重新评价，国内外正在积极推进化学结构更复杂的功能化学品的连续生产流程的研发。
AIST 自 2015 年起运营流动精密合成 (FlowST) 联盟，旨在通过产学官合作促进功能化学品制造工艺的创新，并开发了与使用流动法连续生产功能化学品的流动工艺相关的基础技术。到目前为止，我们已经通过构建连续流反应系统演示了功能化学原料的连续合成（2020 年 7 月 13 日 AIST 新闻稿)。
在这项研究中，我们重点关注萃取和分离，这对于功能化学品的生产至关重要。萃取分离是用于纯化反应后产物的重要过程。因此，为了利用各种反应连续合成具有复杂化学结构的功能化学品，需要将萃取和分离纳入流程中。然而萃取分离消耗大量溶剂并产生大量废物。此外，由于需要大量的工时和时间（添加、混合、静置、分液等），因此很难使其连续化或与反应过程衔接，这一直是开发功能化学品连续生产流程的主要障碍。因此，在这项研究中，我们开发了一种高效的连续萃取和分离系统，可以使用最少量的溶剂在极短的时间内进行连续处理。此外，通过将该系统连接到流动反应系统，我们展示了一种针对重要香料成分香兰素的高效、低环境影响的连续生产流程。
这项研究与开发得到了国家研究开发机构新能源产业技术综合开发机构 (NEDO) 合同项目“功能化学品连续精密生产工艺技术开发（2019-2025）（项目代码 P19004）”的支持。
化学品的连续生产流程由流动反应系统和萃取分离系统组成，含有产物的反应溶液是从流动反应系统连续供给的，因此萃取分离系统需要具有在短时间内（几分钟内）进行连续处理的能力。然而，使用传统的间歇方法来处理萃取和分离是极其困难的。如图1-①所示，萃取分离包括（a）向含有产物的反应溶液中添加溶剂，（b）搅拌两种溶液并将反应溶液中的产物萃取至溶剂侧，以及（c）静置直至萃取物和残留液相分离。这是因为该过程需要大量的工时和时间，例如等待和(d)分离相分离的提取物和残留液体，并且在大体积的情况下，一次提取和分离需要数十分钟。另外，当为了获得高回收率而进行多次该萃取分离(多级萃取分离)时，主要的问题在于每次增加萃取次数时处理时间(数十分钟至数小时)和溶剂消耗量增加。因此，在本研究中，我们开发了一种连续提取和分离系统，可以处理流程中的高速连续处理（图1-②）。具体来说，通过利用渣流的高效多级高速萃取分离系统（多级逆流法)，使得使用最少量的溶剂在大约 3 分钟内进行连续萃取分离成为可能。首先，我们创建了一个连续萃取分离系统，该系统由用于混合反应溶液和溶剂的混合器、用于萃取目标成分的萃取管以及用于分离萃取物和萃取后残留液体的分离器组成（图1-②-(1)）。该方法利用萃取管内的液-液渣流，有利于液-液传质，可以获得极高的萃取率。这使得萃取和分离可以在每个阶段 1 分钟内完成。此外，为了减少溶剂浪费，该连续萃取分离系统采用多级逆流法，可重复利用萃取液（图1-②-（2））。这使得即使溶剂消耗量约为传统技术的三分之一，也可以以高回收率进行提取和分离。
图1常规方法（间歇法）、连续萃取分离系统、多级连续萃取分离系统的比较
*原始论文中的数字被引用或修改。
使用开发的连续提取和分离系统，我们演示了合成香料香兰素的连续生产流程。香兰素的生产总共经过 4 个过程，重复反应和萃取分离两次。图2显示了本次开发的连续生产流程的概况。该工艺将流动反应系统和连续萃取分离系统交替布置连接，通过连续投入起始原料，可以连续生产所需的香兰素。第一步的流动反应体系为芳香亲电取代反应具有高反应效率。第二步，利用多级连续萃取分离系统的高通量，我们成功地连续合成了所需的中间体，不产生废物，同时回收了99%以上的溶剂和未反应的原料。此外，由于目标中间体通过萃取和分离得到了高度纯化，因此现在可以立即进行第三步，即流动反应系统。另一方面，在第三步中，精确设计了高度纯化的中间体与三相（固体催化剂、中间体水溶液和空气）之间的接触效率，如果使用传统的间歇方法，这需要几个小时。氧化脱羧反应大大缩短至不到1分钟。此外，在第四步中，使用多级连续萃取分离系统，我们能够选择性地萃取和分离合成的香草醛，与传统技术相比，使用的溶剂量不到三分之一。这样，通过将连续萃取分离系统纳入一系列流程，生产效率显着提高，并证明可以以每小时几克的规模连续生产高纯度香兰素，总收率达71%。
图2采用多级连续萃取分离系统的香兰素连续生产流程
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
我们将新开发的连续生产流程与传统技术的生产效率和废物产生量进行了比较（图3）。首先，它是生产效率的指标时空产量的比较（STY：时空产率）表明，连续生产流程的生产效率比传统间歇方法高出17倍以上。这是由于流动法的高接触效率等特点，显着提高了反应效率，缩短了处理时间，并且引入了连续萃取分离系统，提高了生产过程的连续性。另外，作为产生废物量的指标过程质量强度（PMI：过程质量强度）。结果显示，与传统技术相比，废物量可减少约 50%。这是由于萃取效率的提高以及未反应原料和萃取溶剂的回收利用而减少了溶剂的使用。
图3传统技术与新开发技术的比较（生产效率和废物产生量）
*原始论文中的数字被引用或修改。
在这项研究中，我们能够证明，通过将新开发的连续萃取分离工艺适当地融入到连续生产流程中，可以显着提高生产效率并减少功能化学品连续生产中的浪费。本研究虽然重点关注香兰素的生产工艺，但也可以根据目标物质的合成路线，通过优化所用催化剂和反应系统，或多级连续萃取分离系统等，构建其他功能化学品的连续生产流程。未来，我们将增加连续化生产的应用，建立提高生产规模、过程自动化控制等基础技术，力争在社会上实现连续化生产流程。
已出版的杂志：ACS 可持续化学与工程
论文标题：香草醛的伸缩两步连续流合成
作者：Tomohiro Ichizuka、Masahide Sato、Shiho Miura、Takaji Makino、Takayuki Ishizaka
DOI：101021/acssuschemeng3c05168