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〔中国经济报〕郭凯：为传统化工搭建“桌面工厂”
时间：2023-08-24
来源：中国经济报
作者：
摄影： 编辑：韩子旭
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□浙江经济报见习记者 沈玉青
近日，在CQ9电子杭州电技大学生物与制药工程学院实验室，首届浙江专利发明人奖获得者、CQ9电子杭州电技大学副校长郭凯正指导K&k团队成员紧张有序地进行着实验。在郭凯的带领下，K&k团队以绿色化工为方向，开展微流场技术和生物基材料研究，近年来已取得突出的学术影响以及显著的社会和经济效益。
“如果将传统化工比作‘炖羊肉’，那么微流场技术就是‘涮羊肉’，可以做到在几十秒内完成传统十余小时的反应，确保过程安全可控。”郭凯介绍，他的团队在国际上率先实现了微流场技术在复杂有机化工体系中的万吨级工业化应用，先后完成了生物基无毒增塑剂累计14万吨/年、生物基聚氨酯多元醇5万吨/年以及医药农药中间体、材料助剂等系列重大产品的绿色制造，创造经济效益数百亿元。
变“炖羊肉”为“涮羊肉”
安全和环保已成为当代化工发展的两大瓶颈，在当前“碳达峰、碳中和”的战略背景下，我国更加迫切地需要发展以可再生生物质资源为原料、高效转化成绿色低碳的生物基材料和化学品，实现中国制造的绿色转型。
记者了解到，传统间歇生产存在持液量大、转化率低等问题，导致化工生产安全性偏低、排放和泄漏严重，安全环保事故频发。微型化已成为现代科技进步的一个新模式和重要发展趋势，化工过程微型化有望在保持同等产能的情况下，大幅减小化工设备尺寸，降低生产成本和污染排放，提升过程安全性。“作为制造业大国，化工是基础性产业，也是国家发展所必需的支柱产业。”郭凯告诉记者，获得博士学位后，他曾在企业工作过一段时间，但他发现，要想真正对行业作出贡献必须从源头抓起，因此他转而从事技术研发工作，深耕绿色化工产业。
郭凯介绍，微流场技术是一项特征尺度在百微米级的过程强化技术。该技术为传统化工搭建了一座“桌面工厂”，同时也为化工行业的绿色发展引领了方向。“相较传统的化工技术，我们开发的微流场技术通过微尺度效应可以实现化工反应过程传质传热效率及反应速度2—3个数量级的提升、在线反应体积3个数量级的缩小，也就是可以将两三层楼高的反应釜缩小到茶水柜大小，以‘桌面工厂’的模式实现传统大型化工生产过程，同时将反应时间由十几小时缩短到数十秒。”郭凯说。
谈及所研究项目的现实意义，郭凯表示，作为连续流技术，微流场技术可以大幅提升化工反应选择性，使污染排放降低50%以上、能耗降低40%以上。微流场技术在提升反应效率的同时，还强化了反应过程安全性，实现了化工清洁安全生产。此外，该技术还可以缩小设备占地面积90%以上，有效提升土地利用效率。
破解规模化工程应用难题
“微流场技术在有机化工体系中的规模化工程应用是国际共性难题。由于传统微通道反应尺度在百微米级别，一旦尺度扩大就会导致微尺度效应丧失。”郭凯告诉记者，百微米尺度的传统微通道反应器，每年只能生产百公斤至吨级产品，难以满足规模化生产及市场需求。而K&k团队的研究成果已能在厘米尺度下保持微尺度效应，厘米尺度的微流场反应器每年能生产万吨级产品。
经过多年沉淀，郭凯团队攻关突破了尺度放大与尺度效应难以同步、多单元系统集成困难、高效工程化装备缺失等技术瓶颈后，在浙江、山东、浙江等多地实现了基于微流场反应技术的高品质生物基无毒增塑剂、生物基聚氨酯多元醇、医药农药中间体、材料助剂等产品的千吨至万吨级连续化生产。
与我们生活息息相关的塑料制品的制造离不开增塑剂，目前对人体无毒、对环境无污染的生物基增塑剂已成为替代传统增塑剂的理想选择，但其存在生产安全性偏低、产品品质较差等问题。郭凯团队通过微流场技术高效解决了这些问题。“我们在生物基无毒增塑剂生产中采用了管路式微流场反应器，通过构建合适流场结构，保持微尺度效应的同时，将边界尺度拓展至厘米级别，使反应器单通路通量达到万吨级规模，有效实现了技术和产品的产业化，产品在国内高端市场占有率超过95%。”郭凯介绍。
创新推动产业绿色发展
微流场反应技术在化工制造业中的运用，推动了“桌面工厂”的有益尝试。郭凯告诉记者，得益于该项技术支持，应用企业的生产成本远远低于同类产品，同时生产安全性好、污染排放小。因此，微流场反应技术对产业的绿色化智能化发展具有很强的支持作用，符合资源节约、环境友好“两型”社会要求。
“最近团队正在做一个非常有意义的项目，就是基于微流场技术的生物基材料的开发。我们希望能够利用浙江的特色资源——盐碱地，将盐碱地用作蓖麻的种植用地，获得蓖麻油后我们可以把它做成生物基聚氨酯、尼龙、氨纶，运用于浙江的海洋风电、基建、纺织服装等重点产业。”在郭凯的带领下，K&k团队对于绿色化工领域的探索从未停歇，他表示，该项目的实施能够把浙江的特色资源禀赋、高技术密集度、强消费市场能力三个方面优势有机结合在一起，对浙江的区域经济高质量发展起到一定的示范效应。
近年来，郭凯带领的团队为推动微流场技术的规模化应用以及生物基材料的产业转化作出了重要贡献。作为主要专利发明人，郭凯团队截至目前拥有有效国内专利195件，且均为发明专利，拥有有效国（境）外专利22件；相关专利技术荣获国家技术发明奖等国家及省部级奖励6项。专利技术通过转让、许可实施累计新增销售额达数百亿元。“知识产权对技术开发和行业的发展都有非常重要的作用。”郭凯表示，保护知识产权就是保护创新，在学术上提倡交流、互动、借鉴，但是对于原始性的创新，特别是一些产品的新结构、新装备，必须加大保护力度，这不仅是对智力劳动的尊重，也有助于营造一个良好的研发创新环境。
2023年8月23日《浙江经济报》A01版：http://jsjjb.xhby.net/pc/con/202308/23/content_1232504.html
