用于执行多步骤化学反应的模块系统及其使用方法技术方案

公开了模块化化学反应系统和使用此类化学反应系统的方法。所公开的系统可具有基板层和选择性安装至基板层的外表面的多个模块。基板层可包括流动连接器，所述流动连接器与所述模块协作以形成用于执行化学反应的至少一个步骤的流体流动路径。模块中的至少一个可以是处理模块，诸如反应器或分离器。所述模块还可包括至少一个调节器模块。所述系统还可包括至少一个分析装置，所述分析装置在反应发生时分析化学反应的至少一个特征。所述系统还可包括处理电路，所述处理电路基于从分析装置或其他系统组件接收的反馈来监测和/或优化化学反应。

Modular system for multi-step chemical reaction and its application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于执行多步骤化学反应的模块系统及其使用方法交叉引用本申请要求2017年4月6日提交的共同未决的美国临时专利申请号62/482,515的提交日期的优先权和权益。上述专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。政府权利本专利技术是在美国陆军授予的合同号为W911N-16-0051的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。专利
本文公开了用于执行化学反应，诸如多步骤化学合成的模块化系统。更具体地，本文公开了用于流动化学的模块化系统，其允许在同一平台上进行发现、优化和小批量生产。本文还公开了使用此类平台的方法。
技术介绍
用于精细化学品生产的常规工艺开发是项重大工作，通常需要数年的规模放大优化和各个领域的专业知识。主要障碍之一是规模放大通常始于圆底烧瓶中的小试规模(benchscale)(一种固有的分批工艺)。除非尽早做出向连续流动化学的早期转换，否则连续几代的放大都是物料容器(batchcontainer)尺寸的直接增加。然而，所涉及的过程条件并不随尺寸直接缩放，并在每个步骤都需要对过程的重新优化。与连续生产相比，分批生产的可控性也较差，并且需要在生产后进行严格的质量控制以验证每个批次。相反，连续生产可被直接监控，并且可利用即时校正反馈来将输出保持在规格范围内。然而，目前不存在用于连续多步骤流动化学的商业系统。当前的系统允许在流动中执行单个步骤，或者以不连续的方式执行它们，即一次使用少量试剂。另外，这些系统在扩展步骤数方面显示几乎没有或没有可扩缩性。在化学领域中，当前的技术水平限于前述的流动化学系统、组合筛选系统或常规分批化学(batchchemistry)。当前的流动化学系统在其一次可处理的步骤数或材料量方面受到限制，并且还没有被设计成可可被极大地扩展。将低价值的起始原料转化为高价值的产品的典型化学通常需要几个离散的步骤，有时需要数十个步骤。另外，市场上的其他流动化学系统需要大量的用户干预才能为特定研究重新配置系统，并且必须手动重新连接才能执行优化。特别地，现有系统不允许监测和改变反应条件及反应参数以在反应发生时优化反应。另外，现有组合系统不能在升高的温度和压力下进行反应，并且它们不能用于以连续方式生产大量材料。最后，使用圆底烧瓶和常规实验室仪器的常规化学方法可产生大范围的批量大小(batchsizes)，但是继续受到分批操作、低压和可扩缩性差的限制，并且需要训练有素的人员投入大量时间。因此，需要用于执行多步骤化学分析的稳健的模块化平台，其允许可扩缩性，提供容易的重新配置，降低总成本并且易于操作。这些和许多另外的特征由以下公开内容提供。
技术实现思路
在示例性方面，本文公开了模块化化学反应系统，其包括基板层、多个模块、至少一个分析装置和处理电路。基板层可具有基板和位于基板内的多个流动组件(flowcomponent)。基底可以具有外表面。多个模块可以以与多个流动组件成重叠的关系选择性安装到基板的外表面。多个模块中的至少一部分可以与多个流动组件中的至少一部分协作以产生用于执行第一化学反应的至少一个步骤的第一流体流动路径。多个模块可以包含至少一个监测模块，所述监测模块被配置成产生至少一个指示第一化学反应的至少一个条件的输出。每个分析装置可被定位成通过多个模块中的至少一个模块与流体流动路径可操作地连通，并且被配置成当化学反应发生时产生至少一个指示化学反应的至少一个特征的输出。所述处理电路可通信地耦合至所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置。处理电路可被配置成接收来自所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置的输出，以在化学反应发生时监测化学反应。多个模块和基板层内的流动组件可被配置用于在最小转换期内选择性重排，以产生用于执行第二化学反应的至少一个步骤的第二流体流动路径，其中第二流体流动路径与第一流体流动路径不同。在示例性方面，本文还公开了模块化化学反应系统，其具有基板层，多个模块、至少一个分析装置和处理电路。基板层可具有基板和位于基板内的多个流动组件。基板可具有外表面。多个模块可以以与多个流动组件成重叠的关系选择性安装到基板的外表面，并且多个模块可以与多个流动组件协作以产生形成用于执行第一化学反应的至少一个步骤的第一流体流动路径的第一配置。多个模块可包含至少一个监测模块，所述监测模块被配置成产生至少一个指示第一化学反应的至少一个条件的输出。所述至少一个分析装置可被定位成通过多个模块中的至少一个模块与流体流动路径可操作地连通，并且被配置成当化学反应发生时产生至少一个指示化学反应的至少一个特征的输出。所述处理电路可通信地耦合至所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置。处理电路可被配置成接收来自所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置的输出，以在化学反应发生时监测化学反应。在使用中，多个模块和基板层内的流动组件可被配置用于在最小的转换期内选择性重排成第二配置，以产生用于执行第二化学反应的至少一个步骤的第二流体流动路径。本文还公开了模块化化学反应系统，其具有基板层、多个模块，至少一个分析装置和处理电路。基板层可具有基板和位于基板内的多个流动组件。基板可具有外表面。多个模块可以以与多个流动组件成重叠的关系选择性安装到基板的外表面。多个模块可与多个流动组件协作以形成用于执行化学反应的至少一个步骤的流体流动路径。多个模块可包括至少一个处理模块和至少一个调节器模块。多个处理模块中的每个处理模块可对应于化学反应步骤的位置。多个调节器模块中的每个调节器模块可被定位成与流体流动路径流体连通或热连通，并且被配置成实现、维持和/或测量化学反应的一个或多个所需条件。每个分析装置可被定位成通过至少一个模块与流体流动路径可操作地连通，并且被配置成当化学反应发生时产生至少一个指示化学反应的至少一个特征的输出。处理电路可以通信地耦合至多个模块和所述至少一个分析装置。处理电路可被配置成从所述至少一个分析装置接收所述至少一个输出，并且使用所述至少一个输出来调整所述至少一个处理模块和所述至少一个调节器模块的操作以优化化学反应。任选地，至少一个处理模块可包括反应器或分离器。本文还公开了模块化化学反应系统，其具有基板层、表面安装层和多个密封元件。基板层可具有基板和位于基板内的多个流动组件。基板可具有外表面。表面安装层可具有多个流动模块，所述多个流动模块以与多个流动组件成重叠的关系选择性安装到基板的外表面。多个流动模块中的每个流动模块可被定位成在相应的接口处与多个流动组件中的至少一个流动组件流体连通。多个密封元件可被配置成在多个流动模块的流动模块与多个流动组件的流动组件之间的每个接口处建立液密密封。多个流动模块和多个流动组件可以协作以建立用于执行化学反应的至少一个步骤的流体流动路径。多个流动模块中的至少一个流动模块可以是反应器或分离器。使用所公开的系统的方法可包括将至少一种试剂引入系统的流体流动路径。所述方法还可包括使用所述至少一种试剂进行化学反应或系列化学反应。任选地，所述方法还可包括修改流体流动路径并使用修改后的流体流动路径进行第二化学反应或系列化学反应。本专利技术的另外的实施方案将在下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化化学反应系统，所述系统包括：/n基板层，其具有基板和位于所述基板内的多个流动组件，所述基板具有外表面；/n多个模块，其以与所述多个流动组件成重叠的关系选择性安装至所述基板的外表面，其中所述多个模块的至少一部分与所述多个流动组件的至少一部分协作以产生用于执行第一化学反应的至少一个步骤的第一流体流动路径，所述多个模块包括至少一个监测模块，所述监测模块被配置成产生至少一个指示所述第一化学反应的至少一个条件的输出；/n至少一个分析装置，每个分析装置被定位成通过所述多个模块中的至少一个模块与所述流体流动路径操作性连通，并且被配置成当所述化学反应发生时产生至少一个指示所述化学反应的至少一个特征的输出；以及/n处理电路，其通信地耦合至所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置，其中所述处理电路被配置成接收来自所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置的输出，以在所述化学反应发生时监测所述化学反应，以及/n其中所述多个模块和所述基板层内的所述流动组件被配置用于在最小转换期内选择性重排，以产生用于进行第二化学反应的至少一个步骤的第二流体流动路径，所述第二流体流动路径与所述第一流体流动路径不同。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170406 US 62/482,5151.一种模块化化学反应系统，所述系统包括：
基板层，其具有基板和位于所述基板内的多个流动组件，所述基板具有外表面；
多个模块，其以与所述多个流动组件成重叠的关系选择性安装至所述基板的外表面，其中所述多个模块的至少一部分与所述多个流动组件的至少一部分协作以产生用于执行第一化学反应的至少一个步骤的第一流体流动路径，所述多个模块包括至少一个监测模块，所述监测模块被配置成产生至少一个指示所述第一化学反应的至少一个条件的输出；
至少一个分析装置，每个分析装置被定位成通过所述多个模块中的至少一个模块与所述流体流动路径操作性连通，并且被配置成当所述化学反应发生时产生至少一个指示所述化学反应的至少一个特征的输出；以及
处理电路，其通信地耦合至所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置，其中所述处理电路被配置成接收来自所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置的输出，以在所述化学反应发生时监测所述化学反应，以及
其中所述多个模块和所述基板层内的所述流动组件被配置用于在最小转换期内选择性重排，以产生用于进行第二化学反应的至少一个步骤的第二流体流动路径，所述第二流体流动路径与所述第一流体流动路径不同。


2.如权利要求1所述的模块化化学反应系统，其中所述处理电路包括至少一个可选择性安装至所述基板的外表面的控制模块。


3.如权利要求1所述的模块化化学反应系统，其中所述多个模块包括对应于所述化学反应的步骤的位置的至少一个处理模块，并且其中所述多个监测模块包括至少一个调节器模块，每个调节器模块被定位成与流体流动路径流体连通或热连通，并且被配置成实现、维持和/或测量所述化学反应的一个或多个所需条件。


4.如权利要求3所述的模块化化学反应系统，其中所述处理电路被配置成使用来自所述至少一个监测模块和所述至少一个分析装置的输出来调整所述至少一个处理模块和所述至少一个调节器模块的操作以优化所述化学反应。


5.如权利要求3或权利要求4所述的系统，其中所述至少一个处理模块包括反应器或分离器。


6.如权利要求5所述的系统，其中所述至少一个处理模块包括反应器，并且其中所述反应器是加热管式反应器或填充床反应器。


7.如权利要求5所述的系统，其中所述至少一个处理模块包括分离器，并且其中所述分离器是液/液分离器或液/气分离器。


8.如权利要求1所述的系统，其中所述多个流动部件包括多个流动连接器，其中每个流动连接器被配置成选择性地：
(a)形成用于进行所述化学反应的所述流体流动路径的一部分；或
(b)与形成所述流体流动通道的流动连接器脱开，使得所述流动连接器不与所述流体流动路径流体连通。


9.如权利要求3或权利要求4所述的系统，其中所述至少一个调节器模块包括多个调节器模块，其中所述第一和第二流体流动路径至少部分地由调节器模块的相应的第一和第二排布限定，其中调节器模块的所述第一和第二排布彼此不同，并且包括以下的至少五种：止回阀、三通过滤器、流量调节器、压力感测模块、泄压阀、压力调节器、管适配器、阀门、泵、控制阀模块、温度监控模块、温度控制模块、加热器或冷却器。


10.如权利要求3或权利要求4所述的系统，其中所述至少一个分析装置包括多个分析装置，其中所述多个分析装置的第一配置与所述第一流体流动路径操作性连通，其中所述多个模块和所述基板层内的所述流动组件被配置用于选择性重排，以在所述多个分析装置的第二配置与所述第二流体流动路径之间建立操作性连通，并且其中所述多个分析装置的所述第一和第二配置包括以下的至少两种：UV-Vis光谱仪、近红外(NIR)光谱仪、拉曼光谱仪、傅立叶变换-红外(FT-IR)光谱仪、核磁共振(NMR)光谱仪或质谱仪(MS)。


11.如权利要求1-4和8中任一项所述的系统，其中所述流体流动路径是液体流动路径。


12.如权利要求1所述的系统，其中所述多个模块和所述多个流动连接器被配置成允许在不改变所述多个模块和所述多个流动连接器相对于所述基板的位置的情...

【专利技术属性】
技术研发人员：林金平，大卫·斯托特，内森·柯林斯，詹森·D·怀特，耶利米亚·马莱里奇，
申请(专利权)人：斯坦福国际研究院，
类型：发明
国别省市：美国;US