2017 Fiscal Year Research-status Report
| Project/Area Number |
16K18275
|
|---|
| Research Institution | Niigata University |
|---|
Principal Investigator |
三上 貴司 新潟大学, 自然科学系, 准教授 (30534862)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 化学工学 / 晶析操作 / 粒径分布制御 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
工業晶析操作における従来課題として、操作中の２次核発生に伴う製品中への微結晶の混入がある。高品位な結晶粉体製品を晶析製造する上で、寸法や形状の均質な単分散結晶が求められることから、操作中の２次核発生が十分に抑止される必要がある。この問題の解決策として、岩手大の晶析研究グループが開発した「シーディング法」が有名だが、原料種晶に含まれる不純物がそのまま製品中に残留するリスクを完全には払拭できないことから、この点において課題が残されている。この課題は、製薬や食品の分野において重要であり、これらの分野においては、なるべく種晶を添加しないプロセスが望まれる。本研究では、シーディング法に代わる解決策として、本研究では、種晶のもととなる結晶粒子、すなわち「内部種晶」を原料溶液中で生成させ、それを均質に成長させる「内部シーディング法」に着目している。本法は、すでに岩手大が提唱しており、既往事例が報告されているものの、内部種晶の定義や操作設計等、単位操作理論として確立されたとは言い難い現状にある。本研究では、内部シーディング法を実現するための具体的な手法として、原料供給操作で過飽和度を操作する「滴下冷却晶析法」に着目し、検討を続けてきた。研究開始１年目にあたる平成29年度は、滴下操作に関わる基本条件について検討を行い、その結果、従来の回分冷却法に対して単分散性が最大40％程度改善されたことから、滴下冷却法の優位性が示された。今年度は、結晶の生成過程に合わせて滴下操作を２段階に分割する「２段階滴下冷却法」を新たに発案し、前年度に用いた手法との比較検討を行った。その結果、前年度の手法に対して単分散性は多少改善されたものの、目標値（ＣＶ２０％）を実現するには至らなかった。一方で、２段階滴下法を用いることで、結晶粒径が滴下量に比例して増大することが明らかとなり、粒径制御面での優位性が認められた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題では、単分散結晶が得られたことの数値目標として変動係数CV20％を設定しているが、目標未達成の現状にある。一因として、装置仕様上の問題点があることが前年度の研究で明らかとなっている。そこで今年度は、まず、装置面の改善を試みた。具体的には、原料供給ノズルの位置をほぼ液面上とした。これは、滴下流量が1 mL/min程度と小さい為、ノズルより液滴が滴下されるまでに時間を要することから、ノズルが液面よりも高い位置に据付けられる場合、滴下されるまでの間に液滴の温度が変化して精度の高い操作が実現困難である為である。装置面（ノズル位置）を改善した結果、装置面の問題点については概ね解決が図られたものの、それだけでは不十分であり、やはり操作上の問題が解決されることが重要であると判断された。単分散結晶を得るための条件として、結晶化現象の基本である核発生と結晶成長を明確に分離することが挙げられる。しかし、本研究の場合、この条件を満たす手法を依然として提案できていないことから、このことが研究進捗の直接的な遅れにつながっている。そこで、今年度は、核発生と結晶成長を明確に分離して製品結晶の単分散化を種晶無添加系にて図るべく、滴下冷却法における滴下操作を２段階に分割する「２段階滴下冷却法」を採用することで、操作上の問題解決を試みた。しかし、現状では、依然として数値目標である変動係数CV20%が達成されていない状況にある。実現に至っていない理由として、（１）内部種晶の作製工程（核化工程）の最適化が不十分であること、（２）内部種晶の発生と成長の両工程間における残存過飽和が悪影響を及ぼしていること、が推察された。以上より、２段階滴下冷却法における各工程での最適化検討がいまだ不十分であることから、核発生と結晶成長を主とする結晶化現象の十分な制御には至っておらず、この点が研究進捗の遅延要因となっている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
次年度も引き続き、現在の２段階滴下冷却法を継続検討する。今年度の検討結果より、たんに滴下条件を最適化するだけでは、単分散結晶を得るための基本要件である「核発生と結晶成長の明確な分離」を実現するに至らず、したがって、現行の数値目標を達成することは困難と予想された。実現に至っていない理由として、（１）内部種晶の作製工程（核化工程）の最適化が不十分であること、（２）内部種晶の発生と成長の両工程間における残存過飽和が悪影響を及ぼしていること、が挙げられる。そこで、次年度以降は、これらの問題に焦点を当てて検討を進める。具体的な戦略について、（１）内部種晶の作製工程（核化工程）の改善については、ノズルの材質や本数に着目し、装置面からのアプローチを展開する。本研究の場合、ノズルより滴下される液滴の温度と晶析槽内部液の温度差が本法の過飽和度に相当することから、均質な過飽和生成を図る為には、ノズル内を流れる原料溶液の温度分布をなるべく解消する必要がある。本研究では、ノズル材質の熱伝導度に着目して条件検討を行い、温度分布の解消を図る。また、ノズル本数を増設することで、滴下の量と位置を分割することができる為、局所的な過飽和生成を抑制する上で重要となる。（２）の課題については、各操作段の繋ぎの工程に相当する「熟成工程」に改善に着目する。この工程は、核化工程後における残存の過飽和度を消費させる工程に相当し、原料供給による冷却操作をいったん停止した上で、内部液の撹拌を継続している。しかし、この工程では、過飽和度の操作制御が意図されておらず、消費された残存過飽和が新たな結晶核の生成や内部種晶の成長に寄与するなど、望ましくない現象をもたらすことが予想される。そこで次年度は、熟成工程中にさし水を添加することで、結晶化現象に影響を及ぼすことなく残存過飽和を消費させる為のさし水の添加条件について検討する。
|
| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由について、（１）当初購入を予定していた本研究課題の推進に必要な実験用機器（導電率計測器）を貸借することで利用可能となったことから、当該物品を購入する必要が無くなったため、（２）もともとカリミョウバン試薬等、消耗品の使用量を多めに見積もっており、使用量が予定よりも少なかったため、であることが挙げられる。次年度の使用計画について、その３分の２程度を当該研究を進める上で必要なプログラム恒温冷却水槽、ならびにプログラムシリンジポンプの修繕費用に充てた上で、残りの経費をカリミョウバン試薬等の消耗品に充てる予定である。
|
