フローケミストリー

• 反応の化学量論：バッチ生産では、これは化学試薬の濃度とその体積比によって定義されます。フロー生産では、これは試薬の濃度とその流量比によって定義されます。
• 滞留時間：バッチ生産では、容器が一定温度に保たれる時間によって決まります。フロー生産では、反応器の容積と全体の流量の比によって体積滞留時間が決まります。これは、プラグフロー反応器が一般的に使用されるためです。

• 実験装置の容積は通常小さいため、反応温度を溶媒の沸点以上に上げることができる。一般的に、圧力に対する膨張係数が小さくなるように、気体を含まない非圧縮性流体が使用される。
• フローケミストリーで使用されるような小規模なスケールでは、混合は数秒以内に達成できる。
• 熱伝達が促進される。これは主に、表面積対体積比が大きいためである。その結果、吸熱反応と発熱反応を容易かつ安定的に温度制御できる。温度勾配を急峻にできるため、反応時間を効率的に制御することが可能となる。
• 安全性が向上します。
  • システムの熱容量は装置によって支配されているため、熱暴走は起こりにくい。
  • 反応容量が小さいことは、安全性上の利点とも考えられています。^{[ 6 ]}
  • 原子炉は定常状態条件下で運転される。
• フロー反応はバッチ反応よりもはるかに少ない労力で自動化できます。^{[ 7 ]}これにより、無人運転と実験計画が可能になります。反応器の出力を検出器システムに接続することで、さらに進んで、さまざまな反応パラメータ（化学量論、滞留時間、温度）を順次調査できる自動システムを作成し、ほとんどまたはまったく介入せずに反応パラメータを探索することが可能になります。

典型的な要因としては、収量／選択性の向上、必要人員の削減、または安全性の向上などが挙げられる。

• 多段階反応は連続したシーケンスで行うことができる。中間生成物が不安定、有毒、または空気感受性である場合、それらはごく短時間しか存在せず、量も非常に少ないため、この方法は特に有効である。
• 流れに沿った位置と反応時間は直接的に関連している。つまり、システムを適切に構成することで、所望の正確なタイミングで反応液の流れに新たな試薬を導入することが可能となる。
• 精製を反応と連動させるようなフローシステムを構築することは可能である。主に以下の3つの手法が用いられる。
  • 固相除去^{[ 8 ]}
  • クロマトグラフィー分離
  • 液液抽出
• 溶解ガスを含む試薬を用いる反応は容易に扱えるが、バッチ式反応では加圧式の「ボンベ型」反応器が必要となる。
• 多相液体反応（例えば相間移動触媒反応）は、さまざまな規模や条件下で高い再現性をもって、簡便な方法で実施することができる。
• 実証済みの反応のスケールアップは、反応器の容積を変更するか、複数の反応器を並列に運転することによって、プロセス開発作業をほとんどまたは全く行わずに迅速に達成できます。ただし、同じ滞留時間を達成するように流量を再計算する必要があります。^{[ 9 ]}

• 正確な連続投与には専用の機器（ポンプなど）、接続部などが必要です。
• 起動および停止の手順を確立する必要がある。
• 面積対体積比が高いといった微細な効果のスケールアップは不可能であり、規模の経済は適用されない可能性がある。通常、スケールアップは専用プラントの建設につながる。
• 反応性物質の保管に関する安全上の問題は依然として存在する。

パシュコワとグライナーは、小規模連続生産プロセスの確立という観点から、その欠点について議論した。 ^{[ 10 ]}

マイクロフローリアクターやマイクロリアクターは、その小型さゆえにプロセス開発実験に最適です。フロープロセスはトン規模で運転することも可能ですが、合成効率を高めるには、熱伝達、物質移動、そして物質輸送の改善が不可欠です。

実験室規模のフローリアクターは、特に有毒ガスやその他の危険を伴うガスを使用するのに理想的なシステムです。フローに最もうまく適応されたガス反応は水素化とカルボニル化ですが、^{[ 12 ] [ 13 ]}エチレンやオゾン などの他のガスを使用した研究も行われています。^{[ 14 ]}

危険ガスの取り扱いにフローシステムが適している理由は以下のとおりです。

• このシステムでは固定床触媒を使用できる。低濃度の溶液と組み合わせることで、ガス存在下で全ての化合物が触媒に吸着される。
• システムから排出されるガスの量は比較的少量であるため、有毒ガスや可燃性ガスを取り扱う際に通常必要とされる多くの特別な予防措置が不要となる。
• 圧力を加えることで、従来の場合よりもはるかに多くのガスが反応中に溶液中に溶解することになる。
• 固体、液体、気体相の混合が大幅に促進されることで、研究者は溶液から気体が置換されることを心配することなく、高温による運動学的利点を活用できる。

連続フロー光化学は、バッチ光化学に比べて多くの利点があります。光化学反応は、目的の反応を引き起こす分子を活性化できる光子の数によって決まります。マイクロリアクターは表面積対体積比が大きいため、照射量を最大化できるだけでなく、効率的な冷却も可能になり、熱による副生成物を低減できます。

連続フロー電気化学は、連続光化学と同様に、類似のバッチ条件に比べて多くの利点があります。光化学反応のような電気化学は、「試薬不要」の反応と考えることができます。電気化学反応では、目的の反応を引き起こす分子を活性化できる電子の数によって反応が促進されます。連続電気化学装置は、反応媒体に伝達される電子の数をより良く制御するために使用される電極間の距離を短縮し、より優れた制御と選択性を実現します。^{[ 15 ]}電気化学フローシステムの最近の発展により、反応指向の電気化学フローシステムと種に焦点を当てた分光法を組み合わせることが可能になり、複数の電子移動ステップや不安定な中間体を含む反応の完全な分析が可能になりました。^{[ 16 ]}分光電気化学システムと呼ばれるこれらのシステムは、 UV-visだけでなく、電気化学発光などのより複雑な方法の使用も可能にします。さらに、電気化学を用いることで、ユーザーは流量パラメータや電気化学測定自体の性質だけでなく、電極の形状や性質（電極アレイの場合は電極群）も制御できるため、柔軟性がさらに高まります。^{[ 17 ]}

プロセス開発は、逐次的なアプローチから並列的なアプローチへと変化します。バッチ式では、化学者が先に作業を行い、その後化学エンジニアが作業を行います。フローケミストリーでは、これが並列的なアプローチに変わり、化学者と化学エンジニアが相互に協力して作業を行います。通常、ラボにはプラント設備が設置されており、これは両者にとってツールとなります。この設備は、商用でも非商用でも構いません。開発規模は、チップシステムを用いたアイデア検証のための小規模（ml/時間）から、フローミニプラント技術のような拡張可能なシステムのための数リットル/時間の範囲まで様々です。チップシステムは主に液液反応に使用されますが、フローミニプラントシステムは固体や粘性物質を扱うことができます。

マイクロ波反応器は、小規模バッチ化学によく使用されます。しかし、マイクロ波内で達成される極端な温度と圧力のため、これらの反応を従来の非マイクロ波装置に移してその後の開発を行うことはしばしば困難であり、スケールアップ研究に困難が生じます。適切な高温能力と圧力制御を備えたフローリアクターは、マイクロ波反応器で生成される条件を直接かつ正確に模倣できます。^{[ 18 ]}これにより、反応時間を延長することで、より大量の合成が容易になります。

フローシステムは、1時間あたりトン単位の規模まで拡張可能です。プラントの再設計（既存プラントのバッチ式から連続式への変更）、単位操作（反応工程を1つだけ変更）、モジュール式多目的化（連続式プラントをモジュール式ユニットに分割）などは、フロープロセスを実現するための典型的なソリューションです。

固相化学などのより高度な技術を使用して、フロー実験を行うことが可能です。固相試薬、触媒、またはスカベンジャーは溶液として使用し、ガラスカラムを通してポンプで送液することができます。たとえば、固相化学を使用してアルカロイド天然物オキソマリチジンを合成する場合などです。^{[ 19 ]}

連続フロープロセスとしての重合への関心が高まっている。例えば、可逆的付加開裂連鎖移動（RAFT）重合などである。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

ナノ粒子の制御された生成には、連続フロー技術も使用されています。^{[ 23 ] [ 24 ]}マイクロリアクターの非常に速い混合と優れた温度制御により、ナノ粒子の均一で狭い粒径分布が得られます。