Numerical investigation on the heat and mass transfer enhanced by Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) configuration in flow chemistry

في عالم صناعة الأدوية والمواد الكيميائية، تغيرت طريقة إجراء التفاعلات بشكل كبير في العقود الأخيرة. فبدلاً من خلط المكونات في وعاء كبير ومفتوح حيث يمكن أن تتراكم الحرارة بشكل غير متوقع وتصبح السلامة مصدر قلق دائم، يفضل العلماء الآن دفع السوائل عبر أنابيب ضيقة ومستمرة. هذه الطريقة، المعروفة باسم "كيمياء التدفق" (flow chemistry)، توفر تحكماً فائقاً وسلامة أكبر لأن التفاعل يحدث في تيار صغير متحرك بدلاً من حوض ضخم. ومع ذلك، عندما يحاول المهندسون نقل هذه العمليات من مختبر صغير إلى أرض المصنع، فإنهم يصطدمون بجدار عنيد. فعندما تقوم ببساطة بتوسيع الأنابيب لاستيعاب المزيد من المواد، غالباً ما تنهار القدرة على التحكم في الحرارة وخلط المواد الكيميائية بشكل متساوٍ. قد يسخن التفاعل بشدة في المنتصف، مما يؤدي إلى تكوين نواتج ثانوية غير مرغوب فيها أو حتى التسبب في انفجار، بينما تظل الحواف باردة. ويتمثل التحدي في تصميم مفاعل يحافظ على الكفاءة والسلامة حتى عندما يكبر حجمه، دون فقدان التحكم الدقيق الذي يجعل كيمياء التدفق ذات قيمة كبيرة في المقام الأول.

ولحل هذه المشكلة، طور باحثون في جامعة شيان جياوتونغ وجامعة هبي للتكنولوجيا نوعاً جديداً من المفاعلات يعتمد على شكل هندسي معقد ومتكرر يسمى "السطح الأدنى الدوري الثلاثي" (triply periodic minimal surface). تخيل بنية تشبه الإسفنج ولكنها مكونة من منحنيات سلسة ومستمرة تلتوي وتدور في ثلاثة أبعاد، مما يخلق متاهة من القنوات المترابطة. وقد تم اختيار هذا الشكل المحدد، المعروف باسم "الجيرويد" (gyroid)، لأنه يتجنب الزوايا الميتة حيث يمكن للسائل أن يعلق، ويوفر مساحة سطح هائلة لهروب الحرارة. قام الفريق ببناء نموذج أولي لهذا المفاعل بحجم مميز يبلغ 6 مليمترات وقارنه بمفاعلين أنبوبيين تقليديين، أحدهما بقطر 2 مليمتر والآخر بقطر 4 مليمترات. وكان هدفهم هو معرفة ما إذا كان هذا التصميم المعقد الشبيه بالإسفنج يمكنه الحفاظ على التحكم المثالي في درجة الحرارة والخلط مع توسع النظام، وهو إنجاز تعاني الأنابيب القياسية لتحقيقه.

لم يكتفِ الباحثون ببناء الجهاز فحسب، بل أنشأوا أيضاً "توأماً رقمياً" مفصلاً له لمراقبة كيفية حركة السوائل وتفاعلها في الداخل. لقد قاموا بمحاكاة عملية كيميائية تتضمن إنتاج كلوريد الفينيليدين، وهي مادة تستخدم في العديد من المنتجات الصناعية، والتي تتضمن خلط سائلين يتفاعلان لإطلاق الحرارة. ومن خلال تشغيل هذه المحاكاة جنباً إلى جنب مع التجارب الواقعية، تمكنوا من قياس المدة التي بقي فيها السائل داخل المفاعل ومدى انتظام توزيع درجة الحرارة. وأظهرت النتائج أن السائل المتحرك عبر مفاعل الجيرويد تصرف تماماً مثل "سدادة صلبة" (solid plug)، حيث يتحرك للأمام في خط منظم ومحكم مع القليل جداً من الخلط العكسي أو الضياع في المناطق الميتة. وهذا هو السلوك المثالي للمفاعل الكيميائي، مما يضمن أن كل قطرة من السائل تتعرض لنفس الظروف. وفي المقابل، أظهر الأنبوب التقليدي الأكبر علامات على "تجاوز السائل" (fluid bypassing)، حيث تحرك بعض السائل بسرعة كبيرة عبر المركز بينما تأخرت أجزاء أخرى، مما أدى إلى نتائج غير متسقة.

عندما اختبر الفريق مدى قدرة هذه المفاعلات على التعامل مع الحرارة، أصبحت مزايا تصميم الجيرويد أكثر وضوحاً. ففي سيناريو أطلق فيه التفاعل الكيميائي كمية هائلة من الحرارة — محاكياً عملية صناعية عالية الطاقة — عانت الأنابيب التقليدية في خفض درجة الحرارة. وقد سمح الأنبوب الأكبر، على وجه الخصوص، بتشكل بقع ساخنة، والتي يمكن أن تفسد جودة المنتج النهائي من خلال تشجيع التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها. وبينما أظهر الأنبوب بقطر 2 مليمتر أفضل أداء عام لنقل الحرارة، جاء مفاعل الجيرويد في المركز الثاني بفارق ضئيل، وأظهر ميزة متميزة في سيناريو محدد: عندما أصبحت التفاعلات الجانبية هي العامل المهيمن. وتحت هذه الظروف القاسية، أدت قدرة تصميم الجيرويد على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة إلى تحقيق "انتقائية" (selectivity) أعلى قليلاً، مما يعني أنه أنتج المادة الكيميائية المطلوبة مع شوائب أقل مقارنة بالمفاعلات الأخرى. وهذه القدرة على كبح التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها تعد عاملاً حاسماً في تصنيع الأدوية.

تمتد آثار هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد هذا النوع من التفاعلات الكيميائية. فقد أثبت الباحثون أن طريقة النمذجة الحاسوبية الخاصة بهم، والتي تجمع بين ديناميكا السوائل ومعدلات التفاعل الكيميائي، هي أداة قوية للتنبؤ بكيفية أداء المفاعل قبل بنائه فعلياً. يسمح هذا النهج للمهندسين باختبار تصميمات مختلفة على الكمبيوتر بسرعة ودقة معقولتين، مما يوفر الوقت والمال المستهلك في النماذج الأولية المادية. وتشير الدراسة إلى أن المفاعل القائم على الجيرويد يمكن أن يكون بمثابة تغيير لقواعد اللعبة للعمليات التي تعد حالياً خطيرة جداً أو صعبة التوسع، مثل عمليات النترتة (nitration) أو الليثيوم (lithiation)، حيث يكون التحكم في الحرارة مسألة سلامة بقدر ما هو مسألة كفاءة. ومن خلال إثبات أن هذه البنية المعقدة المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكنها التعامل مع متطلبات الكيمياء ذات النطاق الصناعي مع الحفاظ على دقة تجارب المختبر، قدم الباحثون مساراً واعداً لمستقبل تصنيع التدفق المستمر.