[スポンサーリンク]

一般的な話題

Micro Flow Reactor ~革新反応器の世界~ (入門編)

[スポンサーリンク]

Tshozoです。

ケムステではこれまでに何度かフロー合成()に関して記載がありましたが、今回はもう少し初歩的なところを出発点に書いてみようと思います。お付き合いください。(冒頭図はこちらの論文より)

フロー合成・マイクロリアクターの概要

フロー合成法をざっくり定義すると、「連続的な流れ場において化学反応を進行させ、目的物を合成する方法」のことです。その中でもマイクロリアクターは、より狭い場での反応を利用し、目的物を合成する反応器になります。

FC_09

フローリアクター(左)・マイクロリアクター(右)の例
こちらの資料より引用

なお、これまでの化学界ではバッチ合成が主流。基本はお料理です。素材を順序と火加減を決めてでっかい鍋で煮て、蓋を開けて取り出して、洗って生成物を取り出す。終わったら次のカレー原料を仕込む、というような流れ。これらは条件さえ決まればドカッと楽に目的物が合成出来るうえ、大概の場合装置が安いため、スケールアップのノウハウさえあれば量産化もそれなりに出来るというメリットがありました。

一方、フロー合成。実例が無かったわけではありません。たとえばハーバー・ボッシュ法。ハーバーと助手のル・ロシニョールが創り上げた反応器はまさにフロー合成・フローリアクターのはしりであり、その原型は100年以上も前に萌芽していたわけです。その他、石油化学に近いところやPP、PEといったMass Chemical、つまりプラント稼働率をとにかく上げてコスト競争力を持たせたいようなケースでもフロー合成は使われています。

FC_04

アンモニア合成器 レプリカ(BASFの資料より引用)
ハーバーが行ったこの装置のデモをBASFのミタッシュが見とどけた

ですが上記は比較的単純な構成のものが生成物であり、最終物が医薬品や精密合成品の分野では今なおバッチ合成が主流であることは否めません。上記の理由に加えて鍋があればカレーもシチューも豚汁も作れるように、いろんな反応に適用できるし、掃除がしやすいし、とりあえず混ぜときゃ収率はともかくだいたい大量に合成できることが大きなメリットであることは言うまでもないでしょう。

バッチからフロー、さらにマイクロへ

しかし、精密合成・反応制御と言いながらいつまでも鍋で煮てていいのか、ってことで2002年あたりからフロー合成の機運はこんな感じで高まっています↓。今回取り上げるのはそのうち「マイクロリアクター」をツールとして用いるものです。

FC_02
特にマイクロリアクターの論文数伸びがすごい こちらから引用

・・・言葉で書いててもアレなので、ざっくり下記のようなものを載せてみます。

FC_07

こういう小型のものから・・・

FC_06

こういう大型の多連化したものまである(上の写真が流路、下のが組上げたもの)
実際にこれらの装置を利用して合成される市販薬品類がそこそこある模様
いずれもこちらの資料より引用

欧州ではこうしたマイクロフロー合成装置の開発が盛んなようで、グラーツ工科大学、アイデンホーベン大学などで化学企業と組んでの研究が盛んに行われているとのこと。日本でも市販品としてYMC社、中村超硬社、テクニスコ社等が販売しています。

で、こうした反応器や手法の何がうれしいのか。色々な資料に様々に記述されていますが、たとえばオランダ最大の化学会社、DSM(元オランダ石炭公社)が提唱する「フロー合成」のメリットは、下記4点にまとめられています。

苛烈な条件でも安全に反応させられること (Safe use of extreme reaction conditions)
開発期間の短縮 (Reduced development time)
反応制御性の向上 (Improved process control)
製造コストの低減 (Reduced production costs)

さらに「マイクロ」フローリアクターとなると、反応部をより狭い空間に閉じ込めてその制御をより精密に行うことを狙ったものになり、そのような研究論文はこれまでにも多く登場しております。

今後の展開

マイクロフロー合成はそれぞれの個別反応を細かく制御出来ることが持ち味です。こうした個別反応を開発することもそうなのですが、最終的にはこれらの反応器を多数含むリアクターとして、「モジュール化」が進むような気がしています。そうだとすると、反応 ルートマップでマイルストーン的な反応物があって、それに従った反応モジュールが出来、そのモジュールの組み合わせだけで所望の医薬品や精密合成品が出来ていく、という夢のような反応器が出来上がっていくことになりそうなのですが・・・。

FC_10

たとえばこんな感じで複雑な反応も原理的には組上げられる
こちらの論文より引用

ただフロー合成最大の懸念は“詰まり”Constriction/Cloggingと呼ばれる現象で、生成物がキチンと溶媒にとけてくれればいいのですが、例えば下記のように固形物が出てくるようなケースだとこれは難儀です。

FC_05

たとえばこの単純な反応でも反応壁に析出しようもんなら
圧損がガンガン上がり最終的にはドン詰まりになってしまう(リンクこちら

そのほか、ちょっとしたチリでも原料やプロセスに入ったり生成してしまうと詰まって全部止まってしまうわけで。もちろん手前にフィルタかますとかメインポイントでバイパスするとかパラレル化するとかのやり方で色々対応することが出来るでしょうが、管理的にはなかなか難儀な問題となりそうな。ここらへんもどう技術的に目途をつけていくか、非常に興味のあるところであります。素人の思いつきレベルでは、詰まりに対して超音波を定期的に当てるとかどうかな、と思ったりしましたが既にそういう技術あるんですね、はい。実際にChemtrex社などそこらへん解決して大量合成を実証してるようですから、今までできなかった反応等を進められるツールとしての発展は益々進んでいくことでしょう。

 

参考文献

・”PI Technology Update on Microreactors”  リンクこちら
・”Microreactors in Discovery and Development” リンクこちら
・”Microreactors and Microfluidic Cells in Organic Synthesis” リンクこちら
・”The past, present and potential for microfluidic reactor technology in chemical synthesis” リンクこちら

関連書籍

Tshozo

Tshozo

投稿者の記事一覧

メーカ開発経験者(電気)。56歳。コンピュータを電算機と呼ぶ程度の老人。クラウジウスの論文から化学の世界に入る。ショーペンハウアーが嫌い。

関連記事

  1. ちょっとキレイにサンプル撮影
  2. アメリカで Ph.D. を取る –エッセイを書くの巻– (前編)…
  3. 磁力で生体触媒反応を制御する
  4. 【書籍】合成化学の新潮流を学ぶ:不活性結合・不活性分子の活性化
  5. Pixiv発!秀作化学イラスト集【Part 2】
  6. ワムシが出す物質でスタンする住血吸虫のはなし
  7. 嗚呼、美しい高分子の世界
  8. 関東化学2019年採用情報

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. sp2-カルボカチオンを用いた炭化水素アリール化
  2. 日本酸素記念館
  3. 付設展示会に行…けなくなっちゃった(泣)
  4. 芳香環メタ位を触媒のチカラで狙い撃ち
  5. DNAを人工的につくる-生体内での転写・翻訳に成功!
  6. 「株式会社未来創薬研究所」を設立
  7. 生物発光のスイッチ制御でイメージング
  8. Dead Endを回避せよ!「全合成・極限からの一手」④(解答編)
  9. アメリカの大学院で学ぶ「提案力」
  10. Communications Chemistry創刊!:ネイチャー・リサーチ提供の新しい化学ジャーナル

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

注目情報

注目情報

最新記事

兄貴達と化学物質+α

Tshozoです。以前こういう記事を書いたのですが、昨今の状況を見るにつけ前回調べきれなかった点を加…

創発型研究のススメー日本化学会「化学と工業:論説」より

学問のススメの続きは?「天は人の上に人を造らず,人の下に人を造らず」で始まる福沢諭吉の学問のスス…

11年ぶり日本開催、国際化学五輪プレイベントを3月に

7月に日本で開催される国際化学オリンピックを盛り上げようと、プレイベント「化学との出会い 未来を拓(…

文具に凝るといふことを化学者もしてみむとてするなり⑫: XP-PEN Deco01の巻

「実験大好き化学者も、デスクワークを快適化しようよ」な文具コーナーです。かなり久々の執筆で恐縮です。…

4つの異なる配位結合を持つ不斉金属原子でキラル錯体を組み上げる!!

第 296 回のスポットライトリサーチは、東京大学塩谷研究室で博士号を取得され、現在は京都大学寺西研…

ナタリー カロリーナ ロゼロ ナバロ Nataly Carolina Rosero-Navarro

Nataly Carolina Rosero-Navarro (コロンビア生まれ) は、日本在住の化…

【マイクロ波化学(株)ウェビナー】 #環境 #SDGs マイクロ波によるサステナブルなものづくり (プラ分解、フロー合成、フィルム、乾燥、焼成)

<内容>ご好評につき、先月と同じ内容のウェブセミナーを開催!事業・開発課題の一ソリュ…

銀ジャケを狂わせた材料 ~タイヤからの意外な犯人~

Tshozoです。先日ケムステスタッフの方が気になる関連論文を紹介されていましたので書くこととしまし…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP