化工學(xué)院陶勝洋教授團隊在柔性仿生反應(yīng)器領(lǐng)域取得進展
混合作為化工生產(chǎn)中的重要操作單元，其效果直接影響傳質(zhì)效率，進而影響反應(yīng)的速率、產(chǎn)率甚至是副反應(yīng)的產(chǎn)生。高粘度流體的充分混合是許多化學(xué)反應(yīng)的必要條件，但利用傳統(tǒng)的攪拌混合方法進行高粘度流體混合仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。除此之外，在細胞培養(yǎng)等剪切力敏感的混合場景下，高轉(zhuǎn)速的機械式攪拌混合對細胞產(chǎn)生嚴重的破壞，低轉(zhuǎn)速則無法進行良好的混合。近日，我?；W(xué)院陶勝洋教授團隊受人體消化系統(tǒng)可快速混合并轉(zhuǎn)移高粘度食糜的啟發(fā)，設(shè)計并制作了一種基于折紙結(jié)構(gòu)的柔性仿生反應(yīng)器（SBR），有效地解決了上述問題。
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圖1. 陶勝洋教授團隊最新成果作為封面文章發(fā)表于Industrial & Engineering Chemistry Research期刊上。
研究團隊為了模仿小腸結(jié)構(gòu)與功能，采用折紙工藝制造反應(yīng)器主體部分，運用幾何分析、壓縮測試實驗、數(shù)值模擬等方法，探究并優(yōu)化了反應(yīng)器的折疊幾何參數(shù)。研究人員利用有限元模擬、圖像識別和無量綱分析等方法考察了反應(yīng)器的性能，探討了粘性液體在該反應(yīng)器中混合過程的機理。該柔性反應(yīng)器可以產(chǎn)生縱向和徑向伸縮運動模擬小腸的蠕動，迫使粘性溶液流動產(chǎn)生大量的漩渦，促進了溶液均勻混合，并且在SBR中幾乎沒有混合死區(qū)，性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的槳葉式攪拌槳。另外，作者還引入無量綱分析法定量探究影響混合時間的物理因素。利用該方法將影響混合時間的復(fù)雜因果關(guān)系進行簡化和量化，得到了混合時間、伸縮距離、伸縮頻率之間的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)關(guān)系式繪制三維云圖預(yù)測該實驗不同條件下的混合時間。
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圖2.?（a-c）SBR的設(shè)計與制造；（d-f）SBR的部分性能測試；（g）利用有限元分析法探究SBR混合機理的部分模擬結(jié)果。
綜上所述，SBR具有柔性、適用性高、成本低等特點，在生物工程和醫(yī)學(xué)工程的高粘度混合中具有廣闊的應(yīng)用前景。基于折紙工藝制造的SBR為構(gòu)建先進的化學(xué)應(yīng)用功能系統(tǒng)提供了一個實例。該研究成果以“Origami-Based Bionic Reactor”為題發(fā)表在化工三大權(quán)威期刊之一Industrial & Engineering Chemistry Research上（Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 11, 4279-4289）。文章一經(jīng)發(fā)表，就有企業(yè)表示出濃厚興趣，希望就黏性流體的混合工作展開合作。世界權(quán)威化學(xué)學(xué)術(shù)機構(gòu)美國化學(xué)會在其公眾號對這一工作進行了熱點評論。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.0c06066
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