マイクロリアクター

マイクロリアクター、マイクロ構造リアクター、またはマイクロチャネルリアクターは、典型的な横方向の寸法が1 mm未満の閉じ込められた状態で化学反応が起こる装置であり、そのような閉じ込めの最も一般的な形式はマイクロチャネルです。^{[1] [2]}マイクロリアクターは、物理的プロセスが発生する他の装置（マイクロ熱交換器など）とともに、マイクロプロセスエンジニアリングの分野で研究されています。マイクロリアクターは通常、連続フローリアクターです（バッチリアクター とは対照的です）。マイクロリアクターは、従来規模のリアクターに比べて、エネルギー効率、反応速度と収率、安全性、信頼性、スケーラビリティ、オンサイト/オンデマンド生産、およびより細かいレベルのプロセス制御の改善など、多くの利点を提供できます。

気相マイクロリアクターの歴史は長いが、液体を扱うものは 1990 年代後半に登場し始めた。^[1] 高性能熱交換器を組み込んだ最初のマイクロリアクターの 1 つは、1990 年代初頭にドイツのカールスルーエ研究センター^[3]の中央実験部 ( Hauptabteilung Versuchstechnik、HVT ) によって、ウラン濃縮 用の分離ノズルの製造から派生した機械的マイクロ加工技術を使用して作られた。^[3]ドイツでは原子力技術の研究が大幅に削減されたため、非常に発熱性が高く危険な化学反応の処理への応用について、微細構造熱交換器が研究された。マイクロ反応技術またはマイクロプロセス工学と呼ばれるこの新しい概念は、さまざまな研究機関によってさらに発展した。1997 年の初期の例としては、チャネル寸法が深さ 90 マイクロメートル、幅 190 マイクロメートルのパイレックスリアクター内のアゾカップリングが挙げられる。 ^[1]

マイクロリアクターの使用は、ガラス容器の使用とは多少異なります。これらのリアクターは、経験豊富な化学者や反応エンジニアにとって貴重なツールとなる可能性があります。

• マイクロリアクターの熱交換係数は通常、1立方メートルあたりケルビンあたり少なくとも1メガワット、最大500MW m ⁻³  K ⁻¹であるのに対し、従来のガラス器具では数キロワット（1 Lフラスコで約10kW m ⁻³  K ^{−1 ）である。したがって、マイクロリアクターは容器よりもはるかに効率的に熱を除去でき、}ニトロ化などの重要な反応でも高温で安全に実行できる。^[4]発熱によるホットスポット温度と高温暴露時間は大幅に減少する。したがって、反応速度に影響を与える局所的な温度勾配はバッチ容器よりもはるかに小さいため、マイクロリアクターではより優れた速度論的調査が可能になる可能性がある。マイクロリアクターの加熱と冷却もはるかに速く、動作温度は-100°Cまで低くすることができる。優れた熱伝達の結果、反応温度は従来のバッチリアクターよりもはるかに高くなる可能性がある。有機金属化学などの多くの低温反応は、実験室のガラス器具のように -50 °C ～ -78 °C ではなく、 -10 °C の温度でマイクロリアクターで実行できます。
• マイクロリアクターは通常連続的に運転されます。これにより、不安定な中間体の後続処理が可能になり、典型的なバッチ処理の遅延を回避できます。特に、反応時間がミリ秒から秒の範囲である低温化学反応は、試薬の投与が終了して次の反応ステップが実行されるまで何時間も保管されることはありません。この迅速な処理により、貴重な中間体の劣化が回避され、多くの場合、より良い選択性が可能になります。^[5]
• 連続操作と混合は、バッチ プロセスと比較すると、非常に異なる濃度プロファイルを引き起こします。バッチでは、試薬A が充填され、試薬 B がゆっくりと追加されます。したがって、B は最初に過剰な A に遭遇します。マイクロリアクターでは、A と B はほぼ瞬時に混合され、B は過剰な A にさらされることはありません。これは、反応メカニズムに応じて利点または欠点となる場合があります。このような異なる濃度プロファイルを認識しておくことが重要です。
• ベンチトップ型マイクロリアクターは少量の化学物質しか合成できませんが、工業規模にスケールアップするにはマイクロチャネルの数を増やすだけで済みます。対照的に、バッチプロセスはR&Dベンチトップレベルではうまく機能するのですが、バッチパイロットプラントレベルでは失敗することがよくあります。^[6]
• マイクロリアクター（および関連コンポーネント）内の材料の加圧は、一般的に従来のバッチリアクターよりも簡単です。これにより、溶媒の沸点を超えて温度を上げることで、反応速度を上げることができます。これは典型的なアレニウス挙動ですが、マイクロリアクターではより容易に促進されるため、重要な利点と見なすことができます。加圧により、フローストリーム内で反応ガスを溶解することもできます。

• 粒子処理用のリアクターはこれまでも作られてきましたが、マイクロリアクターは一般に粒子をあまり許容せず、しばしば目詰まりを起こします。目詰まりは、マイクロリアクターがバッチリアクターの有益な代替手段として広く受け入れられるための最大の障害であると多くの研究者によって認識されています。^[7] これまでのところ、いわゆるマイクロジェットリアクター^[8] は、沈殿生成物による目詰まりがありません。反応中の体積が一定ではないため、発生したガスによって試薬の滞留時間が短くなることもあります。これは、圧力を加えることで防ぐことができます。
• 機械的なポンプは脈動流を発生する可能性があり、これは不利となる可能性があります。脈動の少ないポンプの開発に多くの研究が費やされてきました。連続流のソリューションは電気浸透流(EOF) です。
• 物流上の問題とマイクロリアクター全体の圧力降下の増加により、大規模生産ユニットへの適用が制限されます。しかし、クリーンな溶液はマイクロリアクターでうまく処理されます。^[9]
• マイクロリアクターの場合、生産速度と漏洩のスケールアップは非常に困難です。最近では、マイクロリアクターに関連する物流とスケールアップの問題を解決するために、いわゆるナノ粒子固定化リアクターが開発されています。^[10]
• 通常、マイクロリアクターで非常にうまく機能する反応は、特にスケールアップ時に容器内で多くの問題に直面します。多くの場合、高い面積対体積比と均一な滞留時間は簡単にスケールアップできません。
• マイクロリアクターでは、面積と容積の比率が高いため、腐食が大きな問題となります。従来の容器では、数μm の劣化は気付かれない場合があります。チャネルの一般的な内部寸法は同じ桁であるため、特性が大幅に変化する可能性があります。

マイクロリアクターの最も単純な形態の 1 つは、「T」型リアクターです。プレートに深さ 40マイクロメートル、幅 100 マイクロメートルの「T」型がエッチングされます。エッチングされた経路は、エッチングされた溝の上部に平らなプレートを密閉することでチューブになります。カバー プレートには、「T」の左上、右上、下部に揃う 3 つの穴があり、液体を追加したり除去したりできます。試薬「A」の溶液は「T」の左上にポンプで送り込まれ、溶液「B」は「T」の右上にポンプで送り込まれます。ポンプの速度が同じであれば、成分は「T」の垂直部分の上部で出会い、「T」の幹を下るにつれて混合および反応を開始します。生成物の溶液は「T」の底部で除去されます。

マイクロリアクターは、現在のバッチ技術よりも効率的に材料を合成するために使用できます。ここでの利点は、主に質量移動、熱力学、高表面積対体積比環境、および不安定な中間体の取り扱いにおける工学的利点によって実現されます。マイクロリアクターは、光化学、電気合成、多成分反応、重合（ブチルアクリレートの重合など）と組み合わせて使用​​されます。これには、液体-液体システムだけでなく、たとえばチャネル壁が不均一触媒でコーティングされた固体-液体システムも含まれます。合成は、製品のオンライン精製と組み合わされています。^[1]グリーンケミストリーの原則に従って、マイクロリアクターは、 ALDおよびCVDアプリケーション用の非常に反応性の高い有機金属化合物を合成および精製するために使用でき、操作の安全性が向上し、製品の純度が向上します。^{[11] [12]}

マイクロリアクターの研究では、反応中に生成された水を除去する役割も果たすゼオライト触媒層でコーティングされたチャネルでクノフェナーゲル凝縮^[13]が行われた。同じ反応がポリマーブラシで覆われたマイクロリアクターでも行われた。^[14]

別の研究^{[15]では、}界面重合によって形成されたポリアクリルアミドとトリアリールホスフィンのポリマーネットワーク内に閉じ込められたパラジウム触媒を用いて鈴木反応が調べられた。

プロパンの燃焼は、プラチナ/モリブデン触媒でコーティングされた酸化アルミニウム格子で満たされたマイクロチャネル装置内で300℃という低温で起こることが実証されました。^[16]

固体支持体上に固定化された酵素は、より環境に優しく、より持続可能な化学変換プロセスにますます使用されています。 > 連続モード、有機媒体、高温で不均一反応を実行できます。マイクロリアクターを使用すると、バッチリアクターを使用する場合と比較して、より高速な重合とより高い分子量が可能になります。同様のマイクロリアクターベースのプラットフォームは、新しい酵素のハイスループットスクリーニングや、連続フローモードが好まれる新しいプロセスの精密測定など、他の酵素ベースのシステムに簡単に拡張できることは明らかです。これは、連続モードでの固体支持体酵素触媒重合反応の初めての報告例です。

マイクロリアクターは、物理的な実験出力を収集せずに、バッチ生産で現在可能なよりもはるかに小規模かつはるかに高い実験速度で実験を実行することも可能にします。ここでの利点は、主に、操作規模が小さいことと、実験の質の高い理解を可能にするために必要なセンサー技術の統合から得られます。必要な合成、精製、分析機能を統合することは、マイクロ流体のコンテキスト外で操作する場合は非現実的です。

オランダのナイメーヘン・ラドバウド大学とトゥエンテ大学の研究者らは、マイクロ流体高解像度NMRフロープローブを開発しました。彼らは、リアルタイムでモデル反応を追跡できることを示しました。妥協のない（サブHz）解像度と低サンプル量の組み合わせは、フロー化学にとって貴重なツールとなる可能性があります。^[17]

メトラー・トレドとブルカー・オプティクスは、マイクロ反応セットアップにおける減衰全反射分光法（ATR分光法）を備えたモニタリング専用の装置を提供しています。前者は反応モニタリングに実証されています。 ^[18] 後者は、反応モニタリング^[19] とマイクロリアクターの分散特性の決定^[20]に効果的に使用されています 。

マイクロリアクター、さらに一般的にはマイクロプロセス工学は、世界中の学術研究の対象となっています。定期的に開催される著名な会議として、国際マイクロ反応技術会議(IMRET)があります。マイクロリアクターとマイクロプロセス工学は、米国化学工学協会(AIChE)の年次総会や国際化学反応工学シンポジウム (ISCRE) など、他の会議の専用セッションでも取り上げられています。現在、研究は世界中のさまざまな学術機関でも行われており、例えば、マサチューセッツ州ケンブリッジのマサチューセッツ工科大学(MIT)、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、オレゴン州コーバリスのオレゴン州立大学、米国カリフォルニア州バークレーのカリフォルニア大学バークレー校、スイス・ローザンヌのスイス連邦工科大学ローザンヌ校、アイントホーフェンのアイントホーフェン工科大学、オランダ・ナイメーヘンのナイメーヘン・ラドバウド大学、ストラスブールのストラスブール大学の LIPHTとリヨン大学の LGPC 、フランスのCPE リヨン、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学などです。

マイクロリアクターの市場は、顧客の目的に基づいて、ターンキー、モジュール式、特注のシステムに分類できます。

ターンキー（すぐに実行できる）システムは、新しい化学合成スキーム、1 日あたり最大約 10 ～ 100 回の実験（反応時間によって異なります）と反応サブシステムの強化された調査スループット、および実験あたり 10ミリグラムから年間 3 桁トン（リアクター バッテリーの連続動作）までの規模での実際の合成実行からアプリケーション環境が恩恵を受ける場合に使用されています。

モジュール式 (オープン) システムは、連続プロセス エンジニアリング レイアウトの調査というニッチな分野で機能しています。化学エンジニアは、標準化された装置の使用よりも測定可能なプロセスの利点を期待しています。複数のプロセス レイアウトを迅速に組み立てることができ、1 日あたり中程度の実験数 (3 ～ 15) で、実験あたり数グラムから約 100 kg までの規模で化学プロセスの結果を得ることができます。プラント エンジニアリング演習 (スケールアウト) のコンテキストでエンジニアリングの結果を二次的に転送すると、通常は単一製品専用プラントの目標容量が提供されます。これは、石油化学プロセス産業のエンジニアリング コントラクターの成功を模倣したものです。

専用開発により、微細構造コンポーネントのメーカーは、新しい合成技術を探求する科学者の商業開発パートナーとなることがほとんどです。このような開発パートナーは、通常、包括的な調査および供給スキームの設定に優れており、望ましい接触パターンや物質の空間配置をモデル化します。そのために、彼らは主に、計算流体力学と熱運動モデリングを組み合わせた独自の統合モデリング システムからの情報を提供します。さらに、通常、このような開発パートナーは、重要な初期仮説を検証してさらに限定できるレベルまで、全体的なアプリケーション分析を確立します。