2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of fine bubble-based organic synthesis: Toward establishment of green manufacturing by new technology from Japan
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18H02012
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
間瀬 暢之 静岡大学, 工学部, 教授 (40313936)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | グリーンケミストリー / ファインバブル / マイクロバブル / ウルトラファインバブル / 多相系反応 / 装置開発 / FB手法の集積化 / フェアリー化合物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
気体が関与する反応は研究室から工業スケールまで幅広く実施される基盤反応様式である。しかし、耐圧反応容器中、高圧で反応する方式は1世紀以上変わっていない。そのため反応装置の初期コスト、さらに導入後の維持管理コストがかかり、クリーンかつシンプルな反応様式であるにも関わらず“ものづくり”における気体が関与する反応の適用範囲は限定されている。本研究では通常の気泡とは異なる新奇な性質をもつマイクロからナノサイズの「ファインバブル（FB）」に着目し、常温・常圧で実施できる安全かつ革新的な次世代型気相－液相合成プロセス、ならびにバブル発生装置の創製を目的とした。
平成30年度に、1．小型化・高機能化によるFB発生装置の進化、2．FB手法の単位操作化・連続化・集積化：FBものづくり、3．FB手法の実用化指向定量化：動的に変化するFBの計測に取り組んだ。1において、リニア駆動方式の小型高圧ポンプをFB発生装置に新規に取り入れることにより、FBのワンパス安定供給・高濃度化を実現した。特に、2 mL/minの流量においても、FB含有液体を調整できることから、研究室レベルでのフロー合成への展開が期待される。続いて、2において異種気体のワンポット反応によるFB手法の連続化に成功し、静岡大学の河岸らにより発見されたフェアリー化合物の鍵中間体AICAのグリーン合成に取り組み始めた。最後に、3においてナノサイズのウルトラファインバブル（UFB）とマイクロサイズのマイクロバブル（MB）を評価できる装置系を組み、総合的にFB手法を評価する体制を整えた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成31年度に開発終了予定だった「1．小型化・高機能化によるFB発生装置の進化」を平成30年度にほぼ終了した。また、平成31年度に取り組む予定だった「2．FB手法の単位操作化・連続化・集積化：FBものづくり」におけるAICA合成について取り掛かり始めた。同様に、平成31年度に取り組む予定だった「3．FB手法の実用化指向定量化：動的に変化するFBの計測」について評価システムの大枠が整った。
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| Strategy for Future Research Activity |
1．小型化・高機能化によるFB発生装置の進化（平成30～令和元年度）：これまで耐薬品性・耐熱性・耐圧性の高いダイヤフラム型、ギヤポンプ型のFB発生装置を開発してきた。しかし、気体導入量を10%以上にすることは困難であったことから生産性に限界があった。従来ポンプではカム駆動方式であるために過剰の気体により送液できなくなるが、本研究ではリニア駆動方式の小型高圧ポンプをFB発生装置に新規に取り入れることにより、FBのワンパス安定供給・高濃度化を目指す。
2．FB手法の単位操作化・連続化・集積化：FBものづくり（平成30～令和2年度）：気体が関与する反応は気体の導入・除去により反応を制御できるとともに、反応系の精製も同時に達成できることから、異種気体のワンポット反応によるFB手法の連続化を実施する。また、FB手法を単位操作ととらえ、光反応や我々が開発しているマイクロウェーブフロー反応などの他手法との集積化を追究する。さらなる集積化を進め、静岡大学の河岸らにより発見されたフェアリー化合物の鍵中間体AICAのグリーン合成に取り組む。
3．FB手法の実用化指向定量化：動的に変化するFBの計測（平成30～令和2年度）：FB手法を実用化する上で、基礎的物理データを定量化し、モニタリングしながら定常状態で操業することは最も重要な要件である。しかし、溶存気体とともに分散気体が共存するFB反応系では、溶存気体量の追跡だけでなく、動的にサイズが変化する気泡の定量が必須である。今回、マイクロサイズのMBをインラインでリアルタイム評価することにより、気泡サイズ・個数濃度・気体・液体導入量・圧力・オリフィス径・粘度・誘電率・温度などの物理パラメーターと、反応収率・選択性等の化学パラメーターとの相関を求め、実用化のためのFBの定量化を実施し、総合的にFB手法を評価する。
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