2016 Fiscal Year Annual Research Report
Design and Operation of Micro Chemical Devices and Plants for Mass Production of Functional Materials
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25220913
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
長谷部 伸治 京都大学, 工学研究科, 教授 (60144333)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前 一廣 京都大学, 工学研究科, 教授 (70192325)
牧 泰輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10293987)
永木 愛一郎 京都大学, 工学研究科, 講師 (80452275)
殿村 修 京都大学, 工学研究科, 助教 (70402956)
金 尚弘 京都大学, 工学研究科, 助教 (60735504)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | ナノマイクロ化学システム / 精密反応 / マイクロリアクタ / 装置設計 / プロセス強化 / 集積化 / 機能ディバイス / プロセスモニタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、以下に示す２つの研究項目について、提案手法の基礎原理を固め、それに基づいた試作と実験による提案手法の検証を行った。
(1) 超精密/高効率バルク生産システムの設計手法の開発とプロトタイプシステムでの検証
昨年度までと同様に超精密バルク生産に向けたマイクロデバイスの開発とデバイス設計法の確立を行った。追加配分によって比較的高温でも操作可能で、かつより高強度な素材のデバイスの３Dプリントが可能となり、それを用いてより広い範囲の条件で混合器、反応器設計論の妥当性を検証した。具体的な例としては物性や流量が大きく異なる流体を迅速に混合できるデバイスを開発し、その形状やサイズによって混合時間を制御できることを明らかにした。さらに、バルク生産に向けて多流路デバイス化と反応と分離の多段プロセスについて検討し、これまでに確立した設計法に基づいて反応、熱交換、分離速度をマッチングさせることで多流路化や多段化が容易であり、各デバイスの流路サイズと操作条件の導出も可能であることを示した。
(2) 超精密/高効率バルク生産システムの運転/管理手法の開発とプロトタイプシステムでの検証
内部ナンバリングアップされたデバイスの状態推定法（発熱速度がシフトした異常反応流路の検出、および、液液スラグ流動状態推定）、外部ナンバリングアップしたプロセスの状態推定法（カップリング反応プロセスの閉塞診断）、変動にロバストな装置構造の提案（追加配分による近赤外分光器を用いた混合性能評価システムの供給流量振動を抑制する設計、および、安定したスラグ流生成システムの設計）、超多並列プロセスに対する計測機能を有した分配・合流ユニットの開発（3次元分合式流体分配・収集ユニットの設計）を行い、プロトタイプシステムでの検証実験／シミュレーションを通して各手法の有用性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1) 超精密/高効率バルク生産システムの設計手法の開発とプロトタイプシステムでの検証
これまでに開発した種々のデバイス設計法ついて実験的、またはシミュレーションによりに検証を行い、その妥当性を明らかにしている。個々のデバイスの設計方程式により、混合速度や反応速度、分離速度を制御できるため、多段プロセスにおいてもフロー操作により精密かつ高効率な生産が可能であると考えている。流体の均等分配を実現可能な設計法・操作法もこれまでの研究で既に確立しているので、デバイス設計法に基づいて１流路デバイスを設計し、それを多流路化することで大量生産にも容易に対応可能であると考えられる。次年度は具体的な実施例によってこれを検証する。
(2) 超精密/高効率バルク生産システムの運転/管理手法の開発とプロトタイプシステムでの検証
これまでに内部ナンバリングアップされたデバイスや外部ナンバリングアップされたシステムに対する種々の運転／管理手法を提案してきた。プロトタイプシステムでの実験やシミュレーションによる検証を通し、各提案手法の有用性について確認も済ませている。研究項目(1)にて記述しているように、反応条件検討に基づく１流路デバイス設計からナンバリングアップによる設計を階層的に行うことにより、少量生産から大量生産まで広範囲に適用可能なシステムを設計可能である。そのシステムに研究項目(2)の手法を実装することにより、安定した連続運転が可能になると考えられる。次年度はモデルプラントによる実証に取り組む。
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| Strategy for Future Research Activity |
提案した設計法・操作法に基づいて、種々のデバイスを設計し、これを多流路化、多段化したプロセスを用いて具体的なバルク生産を行う。最終年度である2017年度は、その具体的な例として、バイオマス由来基幹物質であるヒドロキシメチルフルフラール（HMF)の製造を試みる。この製造には多相系スラグの作成（液液混合）、反応、抽出、蒸発濃縮、逆抽出、晶析と多くの過程を含む。各過程における実証データから各デバイスの最適設計を試みるとともにシミュレーションを用いた全体の最適設計も検討する。多流路型の反応器を用いることで反応器１器あたり生産量1 kg/hの製造を実現し、マイクロ反応システムによる高付加価値バルク生産の可能性を実証する。
さらに、生産プロセスとして高いニーズが期待される酸触媒を用いるエステル化反応や加水分解反応などのモデルプラントを製作し、これまでに開発した集積化や操作・制御の方法が、少量生産から1万トン／年レベルの生産まで広範囲に適用可能なことを示す。プラント精査ｋのために、反応条件検討、CFDシミュレーションによるデバイス形状設計、階層的手法によるナンバリングアップ、プロセスの状態推定・制御システム設計を行う。
また、長期の連続運転など、大学では実施が困難であることから、研究協力者として昨年度に引き続き企業研究者（(株)神戸製鋼所 松岡）から意見を求め研究を進める。
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| Remarks |
本科研費を含む当研究関与研究者の研究成果の実用化を目指したコンソーシアムのWeb-site
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[Journal Article] Feasibility Study on Continuous Flow Controlled/Living Anionic Polymerization Processes2016
Author(s)
Nagaki, A.; Nakahara, Y.; Furusawa, M.; Sawaki, T.; Yamamoto, T.; Toukairin, H.; Tadokoro, S.; Shimazaki, T.; Ito, T.; Otake, M.; Arai, H.; Higashida, N.; Takahashi, Y.; Moriwaki, Y.; Tsuchihashi, Y.; Hirose, K.; Yoshida, J.
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Journal Title
Org. Process Res. Dev.
Volume: 20
Pages: 1377-1382
DOI
Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
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