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マイクロリアクターの開発と応用

(2003年「マイクロリアクター―新時代の合成技術―」普及版)

商品コード: B0855

  • 監修: 吉田潤一
  • 発行日: 2008年9月
  • 価格(税込): 3,456 円
  • 体裁: A5判、233ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0022-1

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刊行にあたって

 最近“マイクロリアクター”に対する関心が非常に高まってきている。これは、“マイクロリアクター”が化学産業に大きな変革をもたらす可能性があると期待されているためであろう。本書は、この“マイクロリアクター”に関する国内外の研究・開発状況を概観し、今後の発展に資するように企画したものである。
 筆者が“マイクロリアクター”という言葉に出会ったのは、1997年7月に関西化学工業協会で「合成化学の新しい手法―自動有機合成システムとマイクロリアクターの最新動向―」という題目で講演を引き受けた時である。この講演の依頼を受けた時点では“マイクロリアクター”についてはほとんど情報をもっていなかったが、銅金巌氏(当時・住友化学(株)有機合成研究所所長、現・住化技術情報センター社長)のたっての依頼であったので、必死に情報を集めて話題提供を行った次第であった。同氏の先見の明に感服し、感謝している。
 当時、有機化学者が通常読むジャーナルには本書で対象にしている“マイクロリアクター”に関する論文は皆無であった。文献検索を行うと“マイクロリアクター”に関するものが数多く出てきたが、それらはいずれも小さい実験用の触媒反応装置であり、工業的な大きな装置と比べてミクロであるという意味でマイクロリアクターと呼ばれていた。大きさもセンチメートルオーダーのものであった。しかし、インターネットで調べてみるとマイクロメートルオーダーの空間内で化学反応を行う“マイクロリアクター”に関する情報がどんどん見つかってきた。それらのWeb情報をもとに、IMMのリアクターやIMRETについて紹介した。
 翌年(1998年)、筆者が代表幹事をしている近畿化学協会合成部会ロボット合成研究会(現・ロボット・マイクロ合成研究会)で第2回公開講演会を行った時には、S.DeWitt氏(当時・OrchidBiocomputer Inc.)に「Miniaturization of Automated Organic Synthesis」と題して、W.Ehrfeld氏(当時・Institutfur Mikrotechnik Mainz、IMM)には「Microreaction Technology―A Nobel Approachto Chemistry」と題して講演をしていただいた。また、本書の執筆者の一人である藤井輝夫氏(当時・理化学研究所、現・東京大学生産技術研究所)には「マイクロワークベンチの開発―微小スケール反応の自動化に向けて―」と題して、そして柳日馨氏(当時・大阪大学工学研究科、現・大阪府立大学総合科学部)には「マイクロリアクターとは」と題して講演をしていただいた。おそらくこの講演会は”マイクロリアクター”に関するまとまった講演会としては日本で最初のものではなかったかと思っている。
 それ以降、日本でも“マイクロリアクター”に関する関心が次第に深まってきた。(財)化学技術戦略推進機構や(財)マイクロリアクターでの調査研究など活発に情報収集が行われるとともに、実際の研究も進められるようになり、現在の熱い状況を迎える。2002年にはNEDOのプロジェクトである高効率マイクロ化学プロセス技術プロジェクト(委員長:小宮山宏東大教授、マイクロ化学プラント技術グループリーダー:吉田潤一京大教授、マイクロチップ技術グループリーダー:北森武彦東大教授、マイクロ化学プロセスの体系化グループリーダー:黒田千秋東工大教授)も始まった。本書が、国内外の研究開発の現状認識と今後の発展の方向を探る上で幅広い分野の研究者、技術者、学生の方々にお役に立てれば幸いである。
 最後に、本書の各章の執筆および翻訳を快く引き受けてくださった諸先生方に厚く御礼申し上げます。

2003年1月  吉田潤一

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2003年に『マイクロリアクター―新時代の合成技術―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり、内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので、ご了承ください。

2008年9月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

吉田潤一   京都大学大学院 工学研究科 合成・生物化学専攻 教授
菅原 徹   (株)ケムジェネシス 開発本部
細川和生   (現)(独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 先任研究員
藤井輝夫   (現)東京大学 生産技術研究所 教授
Klavs F.Jensen   Departments of Chemical Engineering and Materials Science and EngineeringMassachusetts Institute of Technology
J. Brandner   Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Institute for Micro Process Engineering
L. Bohn   Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Institute for Micro Process Engineering
U. Schygulla   Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Institute for Micro Process Engineering
A. Wenka   Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Institute for Micro Process Engineering
K. Schubert   Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Institute for Micro Process Engineering
Holger Lowe   Institut fur Mikrotechnik Mainz GmbH
Volker Hessel   Institut fur Mikrotechnik Mainz GmbH
Katharina Russow   Institut fur Mikrotechnik Mainz GmbH
菅 誠治   (現)京都大学大学院 工学研究科 准教授
港 晶雄   京都薬科大学 薬学教育研究センター 講師
柳 日馨   (現)大阪府立大学大学院 理学系研究科 分子科学専攻 教授
佐藤正明   (現)大阪府立大学 総合教育研究機構 教授
前 一廣   京都大学大学院 工学研究科 化学工学専攻 教授
長谷部伸治   (現)京都大学 工学研究科 化学工学専攻 教授
佐藤忠久   (現)富士フイルム(株) R&amp;D統括本部 有機合成科学研究所 研究主幹


翻訳
井上朋也   旭化成(株) 化学・プロセス研究所
         (現)(独)産業技術総合研究所 コンパクト化学プロセス研究センター 研究員  
和田康裕   (現)三菱化学(株) イノベーションセンター 主席研究員
柏村成史   (現)近畿大学 理工学部 教授
石船 学   (現)近畿大学 理工学部 准教授
大寺純蔵   岡山理科大学 工学部 応用化学科 教授

 執筆者の所属表記は、注記以外は2003年当時のものを使用しております。

目次

はじめに

【第I編 マイクロリアクターとは何か】
第1章 総論
1. はじめに 
2. マイクロリアクターとは
3. マイクロリアクターの特長
4. マイクロリアクターを用いた化学研究
5. マイクロリアクターの化学産業への応用
6. マイクロリアクター研究の世界の動向
7. マイクロリアクターの今後の展望

第2章 マイクロリアクターの特長
1. はじめに
2. マイクロチップとマイクロリアクター
3. マイクロリアクターの特長と利点
3.1 マイクロリアクターの特長
3.2 マイクロリアクターの実用面における利点
3.3 マイクロリアクターの工業的応用面における潜在的利点
4. マイクロチャンネルの特長を活かした応用
4.1 分析(アッセイを含む)分野への応用
4.1.1 μTAS
4.1.2 Electrophoresis-on-a-chip
4.2 合成への応用
4.2.1 マイクロミキサー
4.2.2 マイクロ熱交換器
4.2.3 溶液反応への適用
5. おわりに

第3章 化学合成用マイクロリアクターの開発(構造体・製作技術)
1. はじめに
2. 微細な溝を加工する技術
2.1 フォトリソグラフィー
2.2 エッチング
2.3 LIGA
2.4 厚膜レジストSU-8
2.5 成形加工
2.6 逐次加工
3. 接合技術
3.1 陽極接合(anodic bonding)
3.2 直接接合(direct bonding)
3.3 拡散接合(diffusion bonding)
3.4 融接(fusion bonding)
3.5 接着剤
4. おわりに

第4章 マイクロリアクターにおける流体の制御と計測技術
1. はじめに
2. マイクロスケールでの流体の特徴
2.1 低レイノルズ数
2.2 表面積体積比
2.3 表面張力
3. マイクロリアクターにおける流体の制御
3.1 圧力による送液と分子拡散
3.2 層流の利用
3.3 表面張力の利用
3.4 電気浸透流
4. マイクロリアクターにおける流体の計測
5. おわりに

【第II編 世界の最先端の研究動向】
Chapter 5 Microsystems for Chemical Synthesis、Energy Conversion、 andBioprocess Applications
第5章 マイクロシステムの応用―化学合成・エネルギー変換・バイオプロセス―
1. はじめに
2. マイクロ化学システム
2.1 集積分光デバイス
2.2 触媒評価
2.3 多相反応用マイクロリアクター
2.4 反応性の高い反応へのマイクロリアクターの応用
3. マイクロ化学システムにおける“分離”
4. エネルギー変換のためのマイクロシステム
5. マイクロシステムのバイオプロセスへの応用
6. おわりに

Chapter 6 Microstructure Devices for Thermal and Chemical Process Engineering
第6章 熱化学工業に用いられる微細構造装置
1. 概要
2. 序論と要約
3. 作成方法
3.1 微細加工法
3.2 多薄層化と接合
3.3 液体への適応
3.4 品質の制御
4. 微細構造熱交換器
4.1 クロスフローマイクロチャンネル
4.1.1 熱移動の実験結果
4.1.2 数値の研究
4.2 カウンターフロー装置
4.3 熱移動を向上させた装置
4.4 微細構造加熱器とエバポレーター
5. スタティックミキサー
6. 微細構造反応装置
6.1 触媒活性金属により造られた微細構造反応装置
6.2 電極酸化
6.3 ゾルゲル法
6.4 ナノ粒子の固定化

Chapter 7 Microreactors―An Emerging Technology for Chemical Industry
第7章 マイクロリアクター―化学工業のための新生技術―
1. はじめに
2. マイクロ反応系の基本的特徴
3. マイクロリアクターの構成部分の組立て技術
4. 製造および研究におけるマイクロリアクターの利点
5. 最先端のマイクロ反応技術
5.1 マイクロミキサー―研究とプロセス開発のための柔軟な手段―
5.2 落下フィルムマイクロリアクター―気液接触型モジュールの縮小化によるプロセス改善―
5.3 触媒のスクリーニング
6. おわりに

【第III編 マイクロ合成化学】
第8章 マイクロリアクターの有機合成反応
1. はじめに
2. 有機合成におけるマイクロリアクターの特長
3. 均一系有機合成反応
3.1 ジアゾカップリング反応
3.2 カルボニル化合物と有機金属反応剤との反応
3.3 Wittig反応および関連反応
3.4 Michael付加反応
3.5 アルドール反応
3.6 エナミン合成
3.7 尿素誘導体の反応
3.8 エステル合成
3.9 ペプチド合成
3.10 酵素反応
3.11 光化学反応
4. 気-液界面反応
5. 液-液界面反応
5.1 芳香族化合物のニトロ化反応
5.2 相間移動ジアゾカップリング
6. 固-液界面反応
6.1 マイクロリアクターを用いる有機電極反応
6.2 マイクロリアクターによる電気化学的プロセスの理論的研究
6.3 アミノ化合物の電解酸化反応
6.4 芳香族側鎖の酸化
6.5 カチオンフロー法とコンビナトリアル合成
7. 反応条件の最適化
8. 多段階反応
9. 反応のスケールアップ
10. 今後の展望

第9章 マイクロリアクターによる触媒反応と重合反応
1. 触媒反応とマイクロリアクター
1.1 シクロドデカトリエンの選択的水素添加反応
1.2 マイクロリアクターによる不均一系での鈴木・宮浦カップリング
1.3 マイクロリアクターを用いるKumada-Corriu反応
1.4 微小空間における光化学反応
1.5 メタセシス反応を用いる不飽和化合物の合成
1.6 マイクロリアクターを用いるエチレンの酸素酸化
1.7 マイクロミキサーを利用した1-ヘキセン-3-オールの触媒的熱異性化反応
1.8 均一系触媒反応:イオン性流体による薗頭反応のマイクロリアクターによる実施
2. 重合反応とマイクロリアクター
2.1 ラジカル重合
2.2 アニオン重合
2.3 金属触媒重合
2.4 逐次反応による高分子合成
2.5 不均一触媒を用いる高分子合成
2.6 微粒子の製造
3. 今後の展望

【第IV編 マイクロ化学工学】
第10章 マイクロ単位操作研究
1. はじめに
2. マイクロ単位操作の役割
3. マイクロ流路でのスケーリング効果
4. マイクロ混合操作
5. マイクロ反応操作
6. マイクロ分離操作
7. おわりに

第11章 マイクロ化学プラントの設計と制御
1. マイクロ化学プラントの可能性
2. マイクロ化学プラントの設計問題
2.1 マイクロ単位操作の設計
2.2 マイクロ化学プラントのシンセシス
2.3 ナンバーリングアップ
3. マイクロ化学プラントの計測と制御
3.1 マイクロ化学プラントにおける計測
3.2 マイクロプラントの制御
4. おわりに

【第V編 展望】
第12章 化学産業におけるマイクロリアクターへの期待
1. はじめに
2. 化学産業が着目するマイクロリアクターの特徴
2.1 マイクロリアクターのとらえ方
2.2 マイクロリアクターの特徴
3. 化学産業はマイクロリアクターに何を期待しているか
3.1 研究・開発のスピードアップ
3.2 スケールアップ技術の革新
3.3 安全性上懸念される反応への適用
3.4 反応の高度制御実現
3.5 新しい材料開発への利用
4. おわりに

【第VI編 原著論文】
Microsystems for Chemical Synthesis、Energy Conversion、and Bioprocess Applications(本書第5章)
Microstructure Devices for Thermal and Chemical Process Engineering(本書第6章)
Microreactors―An Emerging Technology for Chemical Industry(本書第7章)
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