超音波で撹拌する連続撹拌槽型反応器

連続撹拌槽型反応器（CSTR）は、触媒反応、エマルション化学、重合、合成、抽出、結晶化など、さまざまな化学反応に広く用いられています。反応速度が遅いことはCSTRでよく見られる問題ですが、高出力超音波処理を適用することで容易に克服できます。高出力超音波による強力な混合、撹拌、ソノケミカル効果は反応速度を高め、転化率を大幅に改善します。超音波装置は、あらゆる容量のCSTRに容易に組み込むことができます。

連続撹拌槽型反応器に高出力超音波を適用する理由

連続撹拌槽型反応器（CSTR、または単に撹拌槽型反応器（STR））は、主要な特性においてバッチ反応器と非常によく似ています。最も重要な違いは、連続撹拌槽型反応器（CSTR）では、材料を連続流として反応器に供給し、反応器から排出する必要があることです。反応器への供給には、重力による流れ、またはポンプを用いた強制循環流を利用できます。CSTRは、逆混合流反応器（BMR）と呼ばれることもあります。
CSTRは、二種類以上の液体を撹拌する必要がある場合に一般的に使用されます。CSTRは単一の反応器として使用することも、濃度の異なる流れや反応段階に対応する一連の構成として設置することもできます。単一の槽型反応器の使用に加え、複数の槽を順に直列配置する方式やカスケード構成も一般的に用いられています。
超音波処理を用いる理由 超音波による混合と撹拌、および高出力超音波のソノケミカル効果が、化学反応の効率向上に寄与することはよく知られています。超音波振動とキャビテーションによって混合が改善され、粒径が小さくなることで、反応速度が大幅に高まり、転化率が向上します。ソノケミカル効果は、化学反応の開始や反応経路の切り替えに必要なエネルギーを供給でき、反応をより完全に進行させることで収率を高めることができます。

超音波で強化したCSTRは、次のような用途に使用できます：

• 不均一系液液反応
• 不均一系固液反応
• 均一系液相反応
• 不均一系気液反応
• 不均一系気固液反応

高速化学合成システムとしての超音波処理

高速合成化学は、化学合成を開始し、強化するために用いられる新しい反応技術です。還流下で数時間または数日を要する従来の反応経路と比較して、超音波で促進する合成反応器は反応時間を数分にまで短縮でき、合成反応を大幅に加速します。超音波による合成の強化は、音響キャビテーションの作用原理と、局所的な過熱を含む関連する力に基づいています。超音波、音響キャビテーション、ソノケミストリーについては、次のセクションで詳しく説明します。

超音波キャビテーションとそのソノケミカル効果

超音波（または音響）キャビテーションは、高出力超音波が液体やスラリーに結合すると発生します。キャビテーションとは、圧力が流体の蒸気圧の水準まで低下することで生じる、液相から蒸気相への移行です。
超音波キャビテーションは、非常に大きなせん断力と、最大1000m/sの液体ジェットを生み出します。これらの液体ジェットは粒子を加速し、粒子間の衝突を引き起こすことで、固体や液滴の粒径を小さくします。さらに、崩壊するキャビテーション気泡の内部およびそのごく近傍に局在して、数百気圧のオーダーの極めて高い圧力と、数千ケルビン度のオーダーの温度が発生します。
超音波処理は純粋に機械的な処理方法ですが、局所的に極端な温度上昇を引き起こすことがあります。これは、崩壊するキャビテーション気泡の内部およびそのごく近傍で発生する強い力によるもので、そこでは容易に数千℃の温度に達します。溶液全体では、単一の気泡の崩壊による温度上昇はほぼ無視できますが、高出力超音波による超音波処理で生じるキャビテーションのホットスポットで見られるように、多数のキャビテーション気泡から熱が放散すると、最終的には溶液全体の温度に測定可能な上昇が生じることがあります。超音波処理とソノケミストリーの利点は、処理中の温度効果を制御できることにあります。冷却ジャケット付きの槽とパルス超音波処理を用いることで、溶液全体の温度を制御できます。Hielscher Ultrasonicsの高度な超音波装置は、温度上限に達すると超音波を一時停止し、設定した∆Tの下限値に達すると直ちに超音波処理を再開できます。これは、熱に敏感な反応物を使用する場合に特に重要です。

ソノケミストリーによる反応速度の改善

超音波処理は強い振動とキャビテーションを発生させるため、化学反応速度に影響を及ぼします。化学系の反応速度はキャビテーション気泡の膨張と崩壊に密接に相関し、それによって気泡運動の動力学に大きな影響を及ぼします。化学反応溶液中の溶存ガスは、熱的効果と化学的効果の両方を通じてソノケミカル反応の特性に影響します。熱的効果は、キャビテーション空洞内で気泡が崩壊する際に到達する最高温度に影響します。一方、化学的効果は、反応に直接関与するガスの作用を変化させます。
鈴木カップリング反応、沈殿、結晶化、エマルション化学など、反応速度の遅い不均一系および均一系反応は、高出力超音波とそのソノケミカル効果によって開始し、促進するのに適しています。
例えば、フェルラ酸の合成では、出力180 Wの低周波（20kHz）超音波処理により、60°C、3 hで94%のフェルラ酸収率が得られました。Truong et al. (2018)によるこれらの結果は、低周波の使用（ホーン型および高出力照射）が転化率を大幅に改善し、90%を超える収率をもたらしたことを示しています。

超音波によるエマルション化学の強化

エマルション化学などの不均一系反応は、高出力超音波の適用によって大きな恩恵を受けます。超音波キャビテーションは各相の液滴を微細化し、互いの相の中に均一に分散させ、サブマイクロメートルエマルションまたはナノエマルションを形成します。ナノサイズの液滴は、異なる液滴と相互作用するための表面積が飛躍的に増大するため、物質移動と反応速度が大幅に改善されます。通常は反応速度が遅いことで知られる反応も、超音波処理下では転化率が劇的に改善し、収率が高まり、副生成物や廃棄物が減少し、全体的な効率が向上します。超音波で改善するエマルション化学は、ポリマーブレンド、水性接着剤、特殊ポリマーの製造など、乳化重合によく用いられます。

化学反応器を購入する前に知っておくべき10のこと

化学プロセス用の化学反応器を選ぶ際には、最適な反応器設計に影響する多くの要因があります。化学プロセスが多相の不均一系化学反応を伴い、反応速度が遅い場合、反応器内の撹拌とプロセスの活性化は、化学的転化を成功させ、化学反応器の運転コストを経済的にするために不可欠な影響因子です。
超音波処理は、化学バッチ反応器やインライン反応容器内の液液および液固化学反応の反応速度を大幅に改善します。そのため、化学反応器に超音波プローブを組み込むことで、反応器のコストを削減し、全体的な効率と最終製品の品質を向上させることができます。
化学反応器の設計では、超音波を利用したプロセス改善に関する知識が不足していることが非常に多くあります。高出力超音波、超音波撹拌、音響キャビテーション、ソノケミカル効果が化学反応器の性能に及ぼす影響について深い知識がなければ、化学反応器の解析と従来の設計原則からは、劣った結果しか得られません。以下では、化学反応器の設計と最適化における超音波の基本的な利点を概説します。

超音波で強化した連続撹拌槽型反応器（CSTR）の利点

• • 実験室および生産用の超音波で強化した反応器：
    容易なスケールアップ： 実験室規模、パイロット規模、大規模生産に対応する超音波プロセッサーを容易に入手できます
    再現性・反復性のある 結果を、精密に制御できる超音波パラメーターによって得られます
    処理能力と反応速度：超音波で強化した反応はより速く、そのためより経済的です（コストが低下します）
  • ソノケミストリーは一般的な用途にも特殊な用途にも適用できます

– 適応性と汎用性。例えば、柔軟な設置・構成の選択肢や、分野を横断した利用

• 超音波処理は爆発性雰囲気で使用できます
  – パージ（例えば、窒素ブランケット）
  – 開放された液面なし
• 簡単な洗浄：自己洗浄（CIP – 定置洗浄）
• ご希望の構成材料を選択できます
  – ガラス、ステンレス鋼、チタン
  – 回転シールなし
  – 幅広いシール材の選択肢
• 超音波装置は幅広い温度範囲で使用できます
• 超音波装置は幅広い圧力範囲で使用できます
• 電気化学（超音波電気化学）、触媒反応（超音波触媒反応）、結晶化（超音波結晶化）など、他の技術との相乗効果
• 超音波処理は、発酵などのバイオリアクターによるプロセスを強化するのに最適です。
• 溶解：溶解プロセスでは、例えば固体粒子が液体に溶けるときのように、粒子が一方の相から他方の相へ移行します。撹拌の程度がプロセスの速度に影響することが分かっています。多数の小さな結晶は、超音波キャビテーション下では、従来の撹拌式バッチ反応器内の一個の結晶よりもはるかに速く溶解します。ここでも、速度が異なる理由は粒子表面での物質移動速度の違いにあります。例えば、結晶化プロセス（超音波結晶化）などで過飽和溶液を作製するために、超音波処理が効果的に用いられています。
• 超音波で促進する化学的抽出：
  – 液固系：例えば、植物抽出、化学的抽出
  – 液液系：液液抽出系に超音波を適用すると、一方の相が他方の相に分散したエマルションが形成されます。このエマルション形成によって、互いに混和しない二つの相の間の界面積が増大し、相間の物質移動流束が高まります。

超音波処理は撹拌槽型反応器内の化学反応をどのように改善するのでしょうか？

• より大きな接触表面積： 不均一な相にある反応物同士の反応では、界面で互いに衝突する粒子だけが反応できます。界面が大きいほど、より多くの衝突が起こり得ます。物質の液体部分や固体部分が、連続相の液体中に懸濁するより小さな液滴や固体粒子へと分割されると、その物質の表面積が増加します。さらに、サイズが小さくなる結果、粒子数が増加し、粒子間の平均距離が短くなります。これにより、連続相と分散相の接触が増えます。したがって、分散相の細分化の程度に伴って反応速度が高まります。分散液やエマルション中の多くの化学反応では、超音波による粒径の縮小によって反応速度が劇的に改善します。
• 触媒反応（活性化エネルギー）： 触媒は、実験室での開発や工業生産における多くの化学反応で非常に重要です。触媒は固相または液相であることが多く、一種類の反応物またはすべての反応物と混和しません。そのため、触媒反応は多くの場合、不均一系化学反応です。硫酸、アンモニア、硝酸、エテン、メタノールといった最も重要な基礎化学品の製造では、触媒が重要な役割を果たします。環境技術の幅広い分野が触媒プロセスに基づいています。粒子の衝突が化学反応、すなわち原子の再配列を引き起こすのは、粒子が十分な運動エネルギーを持って衝突する場合に限られます。超音波処理は、化学反応器内の反応速度を高める非常に効率的な手段です。不均一系触媒プロセスでは、化学反応器の設計に超音波を追加することで、触媒に対する要求を下げることができます。その結果、触媒の使用量を減らしたり、性能が劣り、貴金属としての性質が低い触媒を使用したりできる場合があります。
• 接触頻度の増加／物質移動の改善： 超音波による混合と撹拌は、反応に利用できる活性表面積がより大きい微細な液滴や粒子（すなわち、サブマイクロメートル粒子やナノ粒子）を生成する非常に有効な方法です。高出力超音波によってさらに生じる強い撹拌と微小な動きにより、粒子間の接触頻度が飛躍的に増加し、転化率が大幅に改善します。
• 圧縮プラズマ： 多くの反応では、反応器温度が10ケルビン上昇すると、反応速度はおよそ二倍になります。超音波キャビテーションは、化学反応器内の液体全体を大幅に加熱することなく、液体内に最大5000Kの局所的で反応性の高いホットスポットを生み出します。
• 熱エネルギー： 化学反応器の設計に加える超音波エネルギーは、最終的にはすべて熱エネルギーに変換されます。そのため、そのエネルギーを化学プロセスに再利用できます。超音波処理では、発熱体や蒸気による熱エネルギーの投入に代わって、高周波振動によってプロセスを活性化する機械的エネルギーを投入します。化学反応器内では、これによって超音波キャビテーションが発生し、化学プロセスを複数のレベルで活性化します。最終的に、化学物質に対する非常に強い超音波せん断によって、エネルギーが熱エネルギー、すなわち熱へと変換されます。化学反応のプロセス温度を一定に保つため、ジャケット付きバッチ反応器やインライン反応器を使用して冷却できます。

CSTR内の化学反応を改善する高性能超音波装置

Hielscher Ultrasonicsは、連続撹拌槽型反応器（CSTR）に組み込むための高性能超音波ホモジナイザーと分散装置を設計、製造、販売しています。Hielscherの超音波装置は、化学反応を促進、強化、加速、改善するために世界中で使用されています。
Hielscher Ultrasonicsの超音波プロセッサーは、小型の実験室用装置からフローケミストリー用途の大型産業用プロセッサーまで、あらゆるサイズで提供されています。最も重要なパラメーターである超音波振幅を精密に調整することで、Hielscherの超音波装置を低振幅から非常に高い振幅まで運転でき、個々の化学反応系で必要とされる超音波プロセス条件に振幅を正確に微調整できます。
Hielscherの超音波発生器は、自動データ記録機能を備えた高機能ソフトウェアを搭載しています。装置の電源を入れると直ちに、超音波エネルギー、温度、圧力、時間などの重要な処理パラメーターがすべて内蔵SDカードに自動保存されます。
プロセスの監視とデータ記録は、継続的なプロセスの標準化と製品品質にとって重要です。自動記録されたプロセスデータにアクセスすることで、過去の超音波処理の実施内容を見直し、その結果を評価できます。
使いやすさを高めるもう一つの機能は、当社のデジタル超音波システムをブラウザーから遠隔操作できることです。ブラウザーによる遠隔操作を通じて、どこからでも超音波プロセッサーの起動、停止、調整、監視を遠隔で行えます。
当社の高性能超音波ホモジナイザーが、お客様の連続撹拌槽型反応器（CSTR）をどのように改善できるかについて、今すぐお問い合わせください！
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています：