マイクロリアクターまたは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

マイクロリアクター技術の簡単な説明

マイクロリアクター技術は、特に化学薬品、殺虫剤、医薬品、マイクロマテリアル、ナノマテリアルなどのファインケミカルの調製のための、グリーン化学合成を達成するための主にプロセス強化による新しい技術です。 マイクロリアクター技術は、1990 年代に登場したマイクロ化学技術です。 既存のリアクターを単純に縮小するのではなく、材料技術、微細加工技術、センサー技術、制御技術など様々な要素を統合した新たな総合システムの一つです。 マイクロリアクターは、ミクロンスケールの構造流路を核として反応、混合、分離などの機能を実現する新型の小型連続流パイプラインリアクターです。 マイクロチャネルリアクターの「マイクロ」は、マイクロリアクターデバイスのサイズや生成物の収量が小さいことを指すのではなく、流体チャネルがマイクロメートルまたはミリメートルスケールであることを意味します。 マイクロ反応プロセスとは、これらの装置によって構築される反応系プロセスを指します。 マイクロ反応システムはマイクロ化学システムとも呼ばれ、化学プロセスのためのマイクロシステムです。 マイクロ化学システムの設計と開発は、システム内の流れ、混合、移送プロセスの速度と制御性、完了時間を強化することにより、装置の処理能力を低下させることなく化学装置を小型化するという考えに基づいています。反応と分離が短縮され、プロセス中の材料の停滞が減少し、副生成物の生成が減少し、グリーンで安全かつ効率的な化学プロセスが実現します。 マイクロリアクター技術は、医薬品、農薬、ファインケミカル製品、中間体合成の分野で広く使用されている化学プロセス強化の分野における重要な開発方向の1つとなっています。

マイクロリアクター、微細構造リアクター、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 未満の閉じ込め内で化学反応が起こるデバイスです。 このような閉じ込めの最も典型的な形態はマイクロチャネルです。 マイクロリアクターは、物理的プロセスが発生する他のデバイス (マイクロ熱交換器など) とともに、マイクロプロセス工学の分野で研究されています。 マイクロリアクターには、フローケミストリーをミクロンスケールで実行できるようにする微細加工構造が含まれています。 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対比してください）。 マイクロリアクターは、エネルギー効率、反応速度と収率、安全性、信頼性、拡張性、オンサイト/オンデマンド生産、およびより詳細なプロセス制御の大幅な向上など、従来のスケールのリアクターに比べて多くの利点を提供します。

マイクロリアクターの技術的特徴

• 大きな比表面積と優れた熱伝達------マイクロ リアクター内部の微細構造により、その比表面積は非常に大きく、撹拌容器の比表面積の数百倍、さらには数千倍にもなります。したがって、 、優れた熱伝達能力と物質伝達能力を備えています。 熱交換係数は通常25kW・m−2K−1以上であり、材料の瞬間的な均一混合と効率的な熱伝達を実現できます。
• 高い物質移動効率と速い反応速度-------マイクロチャネル リアクターには多数のマイクロチャネルを含めることができ、マイクロチャネル内の気体および液体流体は 10-4 ～ 10-6 m/s で流れを通過できます。流体の混合反応プロセスにおいて、材料の瞬時かつ均一な混合反応を実現し、通常の化学反応の反応時間を数時間～数十時間から秒～分に短縮し、高スループットを実現します。
• 反応温度と時間を正確に制御して収率を向上-------マイクロリアクターの優れた熱伝達特性により、反応温度を特定の範囲内で正確に制御できます。これは、中間生成物や熱的に不安定な反応を伴う一部の反応にとって非常に重要です。ファインケミカル製品。 反応物はマイクロチャネル反応器内を連続的に流れます。反応条件下での原料の滞留時間は正確に制御できます。 最適な反応時間に達したら、すぐに次のステップに移すか、反応を終了させることで、反応時間が長いために発生する副生成物を効果的に除去し、収率を向上させることができます。
• 流体保持容量が少なく、連続生産においてより安全で環境に優しい-------マイクロリアクターの熱伝達が良好なため、反応温度が過度に蓄積せず、特定の範囲内で正確に制御されるため、潜在的なリスクを軽減できます。爆発の。 マイクロリアクターは通常連続的に運転され、マイクロリアクター内の反応物質の量は非常に少量です。 これにより、不安定な中間体の後続の処理が可能になり、典型的なバッチ処理の遅延が回避されます。 不安定な反応媒体の滞留時間は非常に短く、反応中間体や最終生成物が有毒有害物質であっても腐敗しません。また、単位時間当たりの生成物の量が少なく滞留時間が短いため、有害性が高くなります。安全事故が大幅に減少します。 バッチプロセスでは実現できないが、マイクロリアクターでは実現できる多くの激しい発熱反応。硝化などの重要な反応も高温で安全に実行できます。
• マイクロリアクターは化学物質を少量しか合成できませんが、工業用量へのスケールアップは、単にマイクロリアクターの数を増やすプロセスです。 対照的に、バッチ プロセスは研究室ではうまく機能しても、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。
• マイクロリアクター技術は、市場の変化に応じてシステム内のマイクロリアクターモジュールの数を柔軟に増減できるため、オンタイム、オンサイト、オーダーメイドの生産を実現できます。
• マイクロ処理技術を使用すると、マイクロ混合、マイクロ反応、マイクロ熱交換、マイクロ分離、マイクロ分析、その他のユニット操作や、マイクロセンサー、マイクロバルブ、その他のデバイスのマッチングをプラットフォームに統合したり、プラットフォーム化またはチップベースの多機能操作を実現する制御チップ。これにより、マイクロ反応システムのリアルタイム監視とインテリジェント制御を実現し、反応速度を向上させ、同時に反応コストを節約します。

マイクロリアクターに適した反応の種類

これまでのところ、多目的マイクロリアクターはまだ均一反応に限定されており、ある程度は気液相および液液相反応に限定されています。 統計によれば、微細化学反応の約 30 パーセントはマイクロリアクターで実行でき、収率、選択性、または安全性が向上します。 マイクロリアクターの利点は主に次のタイプの反応に反映されます。

• 激しい発熱反応-------激しい発熱反応の場合、従来の反応器プロセスでは一般に徐々に滴下またはバッチ添加する方法が採用されています。 それでも、局所的な過熱は依然として存在し、一定量の副産物が生成されます。 マイクロリアクターの優れた熱伝達特性により、反応温度を正確に制御し、局所的な過熱を排除し、生成物の収率と選択性を大幅に向上させることができます。
• 不安定な反応物または生成物との反応------一部の反応物または生成物は非常に不安定で、滞留時間が経過すると分解して生成物の収率が低下します。 マイクロリアクターシステムは連続フローシステムであり、反応の滞留時間を正確に制御できます。 したがって、従来の反応器内での反応物または生成物の不安定性による分解を回避することができる。
• 反応物の比率に厳しい要件がある迅速な反応------一部の反応には反応物の比率に厳しい要件があり、反応物の 1 つが過剰になると、一置換を必要とする反応などの副反応が発生します。二置換および三置換の生成物が形成されます。 マイクロリアクター システムは均一な混合を瞬時に達成できるため、各反応物の局所的な過剰の問題が回避され、副生成物が最小限に抑えられます。
• 危険な化学反応と高温高圧の反応------化学反応の中には、制御不能になりやすいものもありますが、一度制御不能になると、反応温度と圧力が急激に上昇し、反応物質が爆発を起こすこともあります。 反応熱は迅速に外部に放出され、マイクロリアクターは連続フロー反応であるため、オンライン化学物質の量は非常に少なく、マイクロリアクターでは反応の安全性が保証されます。

もちろん、非常に遅い液体-固体反応、発熱および吸熱現象のない反応、および従来のプロセスがすでに高い選択性と反応収率を備えているなど、すべての反応がマイクロリアクター システムに適しているわけではありません。

マイクロリアクターのアプリケーションの落とし穴

• 粒子を処理するために作られたリアクターはありますが、マイクロリアクターは一般に微粒子に耐えられず、目詰まりすることがよくあります。目詰まりは、マイクロリアクター[8]がバッチリアクターの有益な代替品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。
• 機械的なポンピングは脈動流を生成する可能性があり、これが不利な場合があります。 低脈動ポンプの開発に多くの研究が注がれてきました。連続流ソリューションは電気浸透流 (EOF) です。
• マイクロリアクターでは面積対体積の比率が高いため、腐食がより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可能性があります。 チャネルの一般的な内寸は同程度であるため、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システムは、マイクロリアクターの数を増やすことで工業用量までスケールアップでき、コストを削減できますが、マイクロリアクターシステムの処理能力も大きく制限されます。 マイクロリアクターの数が大幅に増加すると、マイクロ反応の監視および制御システムの複雑さも大幅に増加し、実際の生産のための投資および運用コストも大幅に増加します。

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