연속 유동 화학 또는 연속 처리라고도 하는 유동 화학은 특정 유속으로 단일 챔버, 튜브 또는 미세 반응기로 펌핑되는 두 개 이상의 서로 다른 반응물 스트림으로 시작됩니다. 반응이 일어나고 생성된 화합물을 포함하는 스트림이 출구에서 수집됩니다. 용액은 후속 유동 반응기 루프를 통해 최종 제품을 생성할 수도 있습니다.
이 접근 방식에는 소량의 재료만 필요하므로 공정 안전성이 크게 향상됩니다. 연속 흐름 기술의 고유한 설계로 인해 배치 처리에서 안전하지 않거나 달성할 수 없는 반응 조건이 가능해집니다. 그 결과 더 높은 품질, 더 적은 불순물, 더 빠른 반응 주기 시간을 가진 제품이 탄생했습니다.
유동 화학은 화학 산업에서 수십 년 동안 사용되어 왔습니다. 최근에는 제약 및 정밀 화학 산업에서 이 방법론을 점점 더 많이 채택하고 있습니다. 고유한 안전성 개선, 향상된 제품 품질, 비용 효율성 및 전반적인 생산 유연성으로 인해 연속 흐름 화학의 사용이 증가하고 있습니다.
유동 화학 장비는 일반적으로 반응물, 시약 및 용매를 소량의 시약을 도입하는 반응 루프로 운반하는 펌프로 구성됩니다. 이들은 시약 스트림이 결합되어 코일 반응기로 전달되어 필요한 반응 체류 시간을 제공하는 혼합 접합부로 공급됩니다. 그런 다음 반응 혼합물을 고체 시약, 촉매 또는 제거제를 포함하는 컬럼 반응기에 공급될 수 있습니다. 인라인 배압 조절기는 시스템 압력을 제어하며 인라인 분석은 종종 반응 성능에 대한 정보를 제공하는 데 사용됩니다.
또한 현장 FTIR 분광법 은 실시간 피드백을 제공하여 반응을 사전에 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 현장 FTIR 분광법의 데이터를 사용하여 불완전한 흐름의 영향을 완화하고 시약 첨가 속도를 제어하여 더 나은 혼합 프로파일을 얻을 수 있습니다.
| 반응의 더 나은 제어 및 재현성 | 혼합, 가열 및 체류 시간과 같은 주요 반응 매개변수가 보다 정밀하게 제어되어 제품 수율 및 불순물 제어가 향상됩니다. |
| 더 넓은 범위의 반응 변수에 액세스할 수 있습니다. | 압력 하에서 연속 반응을 실행하면 주변 압력에서 용매 환류에 의해 제한되는 일반적인 배치 반응보다 더 높은 온도가 가능하여 더 높은 제품 수율을 제공합니다. |
| 모듈식, 맞춤형 워크플로 | 유동 화학 장비는 고도로 모듈화되어 있어 특정 반응 요구 사항을 충족하도록 시스템을 쉽게 구성할 수 있습니다. 다양한 작업별 모듈이 상업적으로 이용 가능하며 사용자 맞춤형 워크플로우로 쉽게 조립됩니다. |
| 공정 안전성 향상 | 발열성이 높거나 에너지 있는 공정과 같이 배치에서 너무 위험한 것으로 간주되는 반응은 반응물 부피가 작기 때문에 연속 흐름에서 더 안전한 경우가 많습니다. 독성 기질 및 시약에 대한 노출은 더 작은 부피와 수동 샘플링 제거로 최소화됩니다. |
| 화학 반응의 신속한 분석, 최적화 및 확장 | 플로우 프로세스를 사용하면 더 적은 수의 기질과 시약을 사용하여 반응 변수를 더 빠르게 테스트할 수 있습니다. 인라인 실시간 분석은 반응 성능에 대한 즉각적인 피드백을 제공합니다. |
| 제품 품질 및 수율 향상 | 변수에 대한 정밀한 제어와 광범위한 반응 조건에서의 안전한 실행은 불순물 수준을 최소화하면서 전체 수율을 향상시킵니다. |
최근 몇 년 동안 연속 흐름 화학을 사용하여 수행되는 반응의 범위와 다양성은 특히 제약, 정밀 화학, 녹색 화학, 촉매 반응 및 고분자 화학 분야에서 크게 확장되었습니다. 이러한 성장의 대부분은 전통적인 배치 공정, 특히 잠재적으로 위험한 공정에서 규모 확대에 어려움을 겪는 화학 물질과 관련이 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.
유동 화학은 인체 건강에 위험을 초래할 수 있는 반응물을 보다 안전하게 처리할 수 있도록 하여 안전성을 향상시킵니다. 또 다른 중요한 응용 분야는 유량 시스템을 통해 반응 변수를 정밀하게 조정하여 에피머화를 효과적으로 관리할 수 있기 때문에 입체화학 제어입니다.
또한 유동 화학은 소규모 반응을 수행하는 것이 바람직한 제한된 출발 물질을 사용한 반응에 매우 적합합니다.
공정 분석 기술(PAT) 과 통합되면 유동 화학은 화학 반응의 신속한 분석, 최적화 및 확장을 가능하게 합니다. 지속적인 실시간 모니터링을 통해 연구원들은 정상 상태 상태를 추적하고, 프로세스 편차를 신속하게 해결하고, 반응성 중간체를 식별할 수 있습니다.
감쇠 총 반사율(ATR) 분광법과 같은 기술을 활용하여 물질 내의 각 작용기는 시간이 지남에 따라 모니터링할 수 있는 고유한 스펙트럼 지문을 나타냅니다. 이를 통해 공정 조건과 관련된 구성 요소 농도를 지속적으로 측정하여 정상 상태를 달성하고 유지하는 데 필요한 시간과 매개변수에 대한 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
이 예에서는 인라인 FTIR 기술을 사용하여 에탄올아민(EA)과 디비닐설폰(DVS)의 반응을 통해 티오모르폴린 이산화를 형성하는 연속 공정을 분석했습니다. 인라인 FTIR은 연속 공정을 개발하는 동안 그리고 더 큰 규모로 반응을 모니터링하는 데 중요한 역할을 했습니다.
소규모 배치 테스트를 통해 이 반응은 발열성이 높으며 규모를 확대할 때 문제가 발생할 수 있는 것으로 나타났습니다. 또한, 디비닐설폰은 독성 알킬화제이므로 노출을 엄격히 피해야 합니다.
연속 공정을 개발하기 위해 에탄올아민(EA)과 디비닐설폰(DVS)의 반응을 12mL 반응기에서 수행했습니다. 플로우 셀이 있는 ReactIR을 사용하여 DVS(1390cm⁻¹ 밴드)의 소실과 표적 화합물(1195cm⁻¹ 밴드)의 출현을 모니터링했습니다. DVS 및 표적 화합물에 대해 모니터링된 IR 대역을 방해하지 않는 물을 용매로 사용했습니다.
시간 경과에 따른 IR 스펙트럼 추적에서 알 수 있듯이 펌프 B가 시작되면 DVS에 해당하는 1390cm⁻¹ 대역이 나타납니다. EA를 도입하여 펌프 A를 작동시키면 DVS 밴드가 사라지고 대상 복합 밴드가 나타나 정상 상태에 도달합니다. 이 연속 흐름 반응은 이후 실시간 공정 모니터링을 위해 ReactIR 흐름 기술을 사용하여 킬로그램 규모의 생산으로 확장되었습니다.
스트로트만, NA, 탄, Y., 파워스, KW, 수메이야트, M., &; 렁, SW (2018). 4-(2-하이드록시에틸)티오모르폴린 1,1-이산화물에 대한 안전하고 처리량이 높은 연속 제조 접근 방식의 개발. 유기 공정 연구 및 개발, 22(6), 721–727. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00100
CRO(Contract Research Organization)인 NALAS Engineering은 데이터가 풍부한 실험(DRE)을 사용하여 강한 발열 화학 반응을 위한 보다 안전한 연속 흐름 방법을 시연했습니다. 이 프로젝트는 열 균형을 평가하기 위해 열량계를 사용하고 현장 중적외선 분광법을 활용하여 반응 성분을 실시간으로 모니터링하고 동역학 모델을 개발했습니다.
중적외선 분석은 다중 유체 모듈 시스템의 각 단계에서 분획 변환과 체류 시간의 함수로 전체 변환 및 수율을 정의하는 데 사용되었습니다. 도징 속도, 촉매 로딩 및 온도와 같은 주요 변수는 열류 열량계 및 현장 중적외선 분광법이 제공하는 실시간 정보를 기반으로 신속하게 선별되고 최적화되었습니다.
또한 이러한 도구는 전체 공정 속도를 제어하는 단계와 혼합, 물질 전달 및 촉매가 반응 속도에 미치는 영향 에 대한 이해를 제공했습니다.
ReactIR 702L™ 은 연속 흐름 화학의 실시간 모니터링에 이상적입니다. 현장 FTIR 분광법은 주요 반응 종에 대한 지속적인 추적을 제공하여 특히 오프라인 샘플링 및 분석이 어려운 경우 동역학, 메커니즘 및 경로를 측정 할 수 있습니다.
작고 가벼운
유선형 프로파일 (Optical Profile) 을 통해 기기는 물리적으로 제한된 공간에 쉽게 맞으며, 모니터링이 필요한 곳이면 어디든 반응 시퀀스를 따라 배치할 수 있습니다.
액체 질소가 필요하지 않습니다.
적외선 측정은 장기간 동안 지속적으로 무인 상태로 수행할 수 있어 긴 합성 프로세스를 수용할 수 있습니다.
iC IR 8 소프트웨어
설정 및 추세 모니터링은 간단하고 직관적입니다. ReactIR 702L의 데이터는 제어 시스템과 원활하게 통합되어 화학 물질을 사전 예방적으로 관리할 수 있습니다.
DirectInject-LC™를 통해 HPLC는 이제 거의 실시간으로 반응, 공정 및 결정화 이해에 사용할 수 있습니다. 완전 자동화된 신속 반응 샘플링 및 주입은 HPLC를 온라인 반응 모니터링을 위한 강력한 새로운 공정 분석 기술(PAT)으로 전환합니다.
대표적인 샘플을 배치 또는 흐름으로 지속적으로 수집하여 복잡하고 다상적이며 까다로운 화학 물질을 실시간으로 분석할 수 있습니다.
핸즈프리 및 재현 가능한 반응 샘플링, 준비 및 HPLC에 대한 즉각적인 주입은 시료 노화를 제거하고 실시간으로 데이터를 제공합니다.
반응 분석 및 모델링을 위해 특별히 설계된 세계 최고의 iC 소프트웨어 제품군으로 데이터를 분석하여 공정 및 제품 개발을 가속화할 수 있습니다.
연속 흐름 모드에서 반응 및 공정을 수행하면 품질, 안전성 및 처리량을 향상시킬 수 있습니다. 화학 공정 시뮬레이션 소프트웨어인 Dynochem을 사용하면 튜브 길이, 부피, 온도 및 체류 시간과 같은 중요한 변수를 모델링할 수 있습니다. 또한 관형 및 정적 혼합 흐름 반응기의 혼합 효과를 평가할 수 있습니다.
에너지 반응의 공정 안전성을 개선하기 위해 Dynochem은 열량 측정에서 얻은 열 흐름 데이터를 기반으로 적절한 플러그 플로우 반응기를 설계하는 데 도움을 줍니다. 또한 CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor) 체인에서 제품으로의 전환 정도를 쉽게 모델링할 수 있습니다.
Dynochem은 공정에 적합한 반응기 유형 및 반응 조건 선택에 대한 조직의 자신감을 구축합니다. Dynochem 모델링은 제품 규모 전반에 걸쳐 유동 반응기의 조건을 신속하게 최적화하는 데 이상적입니다.
신뢰할 수 있는 통찰력을 제공함으로써 Dynochem은 올바른 반응기 유형 및 반응 조건을 선택하는 데 있어 조직의 자신감을 구축합니다. 다양한 제품 규모에 걸쳐 흐름 원자로의 조건을 신속하게 최적화하는 데 이상적입니다.
유동 화학 또는 연속 흐름은 펌프가 유체를 반응기로 이동시키고 튜브가 결합되는 곳에서 유체가 서로 접촉하는 연속적으로 흐르는 흐름에서 화학 반응을 실행하는 기술입니다. 결합된 성분은 자발적으로 또는 가열하여 혼합할 때 반응할 수 있습니다.
유동 화학은 주어진 재료를 대량으로 제조할 때 대규모로 사용할 수 있는 잘 확립된 기술입니다.
연속 흐름에서 반응을 수행하면 다음과 같은 몇 가지 이점이 있습니다.
유동 화학은 다음과 같은 여러 면에서 기존 배치 화학과 다릅니다.
