JP7276301B2 - 反応解析装置、反応解析システム、および反応解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、反応解析装置、反応解析システム、および反応解析方法に関する。

有機化学反応を用いる医薬品やファインケミカル素材の生産時には、生産の効率化のために反応条件の最適化が重要である。反応条件には、例えば、溶媒種や試薬の選択、濃度、温度、および反応時間等がある。最適化の工程では、効率化のために、高い収率を得られる条件を探索する。最適化の工程では、各項目を順に最適化していくが、その指標としては主に反応時間における生成物の濃度をサンプリングにより計測した収率や反応速度が使用される。なお、生成物の合成には、例えば第１の溶液と第２の溶液を供給装置に注入し、ミキサーで混合して合成するフローリアクタが用いられる（例えば特許文献１参照）。

特開２０２０－１１９４８号公報

しかしながら、従来の技術では、実験から反応速度を求めるためにある反応時間における反応流体をサンプリングし、そのサンプリングした反応流体に対して生成物の抽出や濃度計測等を行う工程が必要であり、１つの条件下における濃度を算出するまでに少なくとも数時間の作業時間を要する。従来の技術では、最適化項目の数によっては数十回以上、条件変更と抽出を行うトライアンドエラーの工程を繰り返す必要がある。また、従来の技術では、複数の温度条件下での濃度データが必要となるため、より多くの工数を要する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、複数の実験を実施することなく従来よりも短時間で反応速度等の反応状態を検出することが可能になる反応解析装置、反応解析システム、および反応解析方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る反応解析装置は、フローリアクタを流れる反応流体の反応状態を特定する反応解析装置であって、反応流体の流れ方向に沿う反応開始直後の反応流体の温度分布から得られる反応流体の反応状態を示す反応パラメータに基づいて、反応流体の反応状態を特定する処理部、を備える。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記処理部は、反応流体の温度を実測することにより得られる実測結果と、反応開始直後の反応流体の温度分布を推定することにより得られる推定温度分布とを比較することにより、前記反応パラメータを取得するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記第１パラメータは、前記推定温度分布は、反応開始直後の反応流体の温度分布を推定する支配方程式により求められるものであり、前記支配方程式は、反応開始直後の反応流体の温度分布のピーク値に関連する第一の反応パラメータと、反応開始直後の反応流体の温度分布のピーク位置に関連する第二の反応パラメータとを有するものであるようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記第一の反応パラメータは、単位物質量当たりの発熱量を示すものであり、前記第二の反応パラメータは、反応速度の温度依存性を示すものであるようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記処理部は、前記実測結果と前記推定温度分布との差が所定値以内になるように、前記第一の反応パラメータおよび前記第二の反応パラメータを調整し、調整された前記第一の反応パラメータおよび前記第二の反応パラメータを記憶部に記憶するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記処理部は、前記記憶部に記憶された前記第一の反応パラメータおよび前記第二の反応パラメータに基づいて、反応流体の反応速度、複数の反応物の濃度、反応流体に含まれる生成物の濃度または収率の少なくとも一つを算出するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記処理部によって特定した反応流体の反応状態と、当該反応状態の目標値とを比較し、前記フローリアクタにおける反応流体の反応条件を制御する制御部を、備えてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記制御部は、前記フローリアクタの流路出口における前記反応状態を、前記目標値以上とする第１制御を行ってもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析装置において、前記制御部は、前記反応状態が前記目標値に達してから前記フローリアクタの流路出口までの、反応流体の滞留時間を最小化する第２制御を行ってもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る反応解析システムは、フローリアクタを流れる反応流体の反応状態を特定する反応解析システムであって、前記フローリアクタの反応流路に沿う反応流体の温度を実測する温度測定部と、先に記載の反応解析装置と、前記処理部は、前記温度測定部により得られる実測結果から得られる反応流体の反応状態を示す反応パラメータに基づいて、反応流体の反応状態を特定する。

また、本発明の一態様に係る反応解析システムにおいて、前記温度測定部は、前記反応流路において、少なくとも反応流体の温度分布のピーク位置を挟むように設けられていてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析システムにおいて、前記フローリアクタは、化学反応に供される複数の反応物をそれぞれ供給する複数の供給流路と、前記複数の供給流路と接続されて複数の反応物を混合する混合器と、前記混合器と接続されて複数の反応物が混合されて得られる反応流体が流通される反応流路と、を備えてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析システムにおいて、前記フローリアクタは、反応流体の化学反応を進行させる触媒を備えてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析システムにおいて、前記フローリアクタを流れる反応流体に対し、電磁波を照射する電磁波照射装置を備えてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析システムにおいて、前記フローリアクタを流れる反応流体を加熱する加熱装置を備えてもよい。

また、本発明の一態様に係る反応解析システムにおいて、前記フローリアクタを流れる反応流体に対して通電する通電装置を備えてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る反応解析方法は、フローリアクタを流れる反応流体の反応状態を特定する反応解析方法であって、反応流体の流れ方向に沿う反応開始直後の反応流体の温度分布から得られる反応流体の反応状態を示す反応パラメータに基づいて、反応流体の反応状態を特定する。

本発明によれば、複数の実験を実施することなく従来よりも短時間で反応速度等の反応状態を検出することが可能になる。

第１実施形態に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 位置と温度の関係、時間と温度の関係を示す図である。 第１実施形態に係る反応場の温度分布から反応パラメータを算出する方法を説明するための図である。 第１実施形態に係る反応解析の処理手順であって、反応流体の流れ方向に沿う混合直後の反応流体の温度分布に基づいて反応流体の反応状態を特定するためのフローチャートである。 反応物と生成物の濃度の位置変化（時間変化）を示す図である。 第１実施形態に係る反応解析装置の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る反応解析装置の接続例と構成例を示す図である。 第２実施形態に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 第２実施形態の一変形例に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 第２実施形態の一変形例に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 第２実施形態の一変形例に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 第２実施形態の一変形例に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 第２実施形態の一変形例に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 第３実施形態の一変形例に係る反応解析システムの構成例を示すブロック図である。 第３実施形態に係る反応解析からの反応条件制御の処理手順を示すフローチャートである。 位置と推定温度の関係、位置と推定濃度の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
先ず、本発明の第１実施形態について説明する。

＜反応解析システム１の構成＞
図１は、第１実施形態に係る反応解析システム１の構成例を示すブロック図である。図１のように、反応解析システム１は、第１ポンプ１１、送液管１１１、第２ポンプ１２、送液管１１２、混合器１３、反応管１４（反応流路）、温度調整器１５、温度測定部１６、および反応解析装置２０を備えている。温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１（温度測定部）、第２の温度測定部１６２（温度測定部）、第３の温度測定部１６３（温度測定部）、および第４の温度測定部１６４（温度測定部）を備えている。フローリアクタ１０は、第１ポンプ１１、送液管１１１、第２ポンプ１２、送液管１１２、混合器１３、および反応管１４を備える。反応解析装置２０は、ＣＰＵ２３（処理部）を備えている。

図１に示すフローリアクタ１０は、化学反応に供される複数の反応物をそれぞれ供給する複数の供給流路（第１ポンプ１１と送液管１１１、第２ポンプ１２と送液管１１２）と、これら複数の供給流路に接続されて複数の反応物を混合する混合器１３とを備えたものであり、流路状に形成される。

第１ポンプ１１は、送液管１１１を介して混合器１３の第１の導入口に接続されている。第２ポンプ１２は、送液管１１２を介して混合器１３の第２の導入口に接続されている。混合器１３は、２つの導入口と１つの排出口を備えている。混合器１３の排出口は、複数の反応物が混合されて得られる反応流体が流通される反応管（反応流路）１４に接続されている。

温度測定部１６は、反応管１４に沿う複数の位置における反応流体の温度を測定可能なように、例えば、混合器１３の前後で流路に沿って複数配置される第１の温度測定部１６１、第２の温度測定部１６２、第３の温度測定部１６３、および第４の温度測定部１６４を有する。
第１の温度測定部１６１は、混合器１３の入力側に設置され、この第１の温度測定部１６１により、複数の反応物を混合させて得られる反応流体の初期温度（混合器１３の排出口における反応流体の温度）を計測（推定）することができる。
第２の温度測定部１６２、第３の温度測定部１６３、および第４の温度測定部１６４は、混合器１３の出力側の反応管１４に設置され、これら第２の温度測定部１６２～第４の温度測定部１６４により、反応流体の流れ方向に沿う混合直後（反応開始直後）の反応流体の温度（温度分布）を計測することができる。なお、「反応開始直後」とは、反応流体が実際に反応を開始した直後の意味ではなく、反応が開始される状態に反応流体が置かれた直後（第１実施形態では、複数の反応物が混合された直後）の意味である。
送液管１１１、送液管１１２、混合器１３および反応管１４は、温度調整器１５内に設置される。

＜反応解析システム１の動作（反応解析方法）＞
反応解析システム１は、フロー合成型の化学反応装置における反応流体の反応状態を特定するものである。反応解析システム１は、反応前の温度と、反応後の複数箇所の温度とを計測し、計測した温度に基づいて反応パラメータを推定する。第１ポンプ１１と第２ポンプ１２に投入される反応物は、液体であっても気体であってもよい。反応パラメータは、反応流体の反応状態を示すものであって、後述するように、例えば化学反応場の温度分布に影響を及ぼすパラメータである。反応解析システム１によって生成される生成物は、例えばペプチド合成物である。

第１ポンプ１１には、第１反応物Ａが投入される。第１ポンプ１１は、投入された第１反応物Ａを、例えば第１流速、第１流量で、送液管１１１（第１流路）を介して混合器１３に供給する。

第２ポンプ１２には、第２反応物Ｂが投入される。第２ポンプ１２は、投入された第２反応物Ｂを、例えば第２流速、第２流量で、送液管１１２（第２流路）を介して混合器１３に供給する。

混合器１３は、第１ポンプ１１から供給された第１反応物Ａと、第２ポンプ１２から供給された第２反応物Ｂと、を混合し、混合した生成物を反応管１４に供給する。

反応管１４には、混合器１３の排出口から生成物が供給される。混合器１３内部の空間内では、第１反応物Ａと第２反応物Ｂとの混合が開始される。そして、フローリアクタでは、混合器１３内部から反応管１４内部において反応が起き、生成物を含む例えば溶液が反応管１４内を移動する。そして、フローリアクタでは、生成物を含む例えば溶液が、反応管１４を通して反応管１４の外部に排出される。

温度調整器１５は、例えば恒温水槽であり、反応解析装置２０の制御に応じて、混合器１３、反応管１４の温度を所定の温度に調整する。

温度測定部１６は、化学反応場の温度を測定するセンサであり、例えば熱電対である。
温度測定部１６は、非接触型の、例えば光学式温度センサであってもよい。温度測定部１６は、反応管１４（反応流路）に沿う反応流体の温度分布を検出し、検出した温度を示す温度情報（実測温度分布）を反応解析装置２０に出力する。なお、化学反応場は、混合器の下流側において混合された反応物の化学反応が生ずる領域である。

第１の温度測定部１６１は、反応前の位置ｐ１に設置されている。なお、設置箇所は、第１ポンプ１１側および第２ポンプ１２側のうち少なくとも１つであってもよく、第１ポンプ１１側および第２ポンプ１２側の両方であってもよい。第１ポンプ１１側および第２ポンプ１２側の両方に第１の温度測定部１６１を設置する場合は、第１ポンプ１１側の温度と、第２ポンプ１２側の温度と、の平均値を反応解析装置２０に出力するようにしてもよい。なお、平均値は、反応解析装置２０が算出するようにしてもよい。なお、混合器の上流側の温度を測定することは、必ずしも必須ではない。例えば、反応物の温度が一定に保たれている場合に第１の温度測定部１６１は不要である。

第２の温度測定部１６２は、反応後の位置ｐ２に設置されている。位置ｐ２は、位置ｐ２～ｐ４の中で最も混合器１３の排出口に近い位置である。第２の温度測定部１６２は、位置ｐ２の温度を測定し、測定した温度を示す情報を反応解析装置２０に出力する。

第３の温度測定部１６３は、反応後の位置ｐ３に設置されている。位置ｐ３は、位置ｐ２と位置ｐ４の間の位置であり、位置ｐ２より混合器１３の排出口からの距離が長い。第３の温度測定部１６３は、位置ｐ３の温度を測定し、測定した温度を示す情報を反応解析装置２０に出力する。

第４の温度測定部１６４は、反応後の位置ｐ４に設置されている。位置ｐ４は、位置ｐ２～ｐ４の中で最も混合器１３の排出口から遠い位置である。第４の温度測定部１６４は、位置ｐ４の温度を測定し、測定した温度を示す情報を反応解析装置２０に出力する。

反応解析装置２０は、温度調整器１５を制御する。反応解析装置２０は、第１ポンプ１１と第２ポンプ１２の流量の制御を行う。反応解析装置２０は、温度測定部１６が出力する測定された温度を示す情報を取得する。反応解析装置２０は、取得した温度を示す情報を用いて、複数の反応物を混合させて得られる反応流体の反応状態を特定する。反応状態は、例えば、反応流体の反応速度、複数の反応物の濃度、反応流体に含まれる生成物の濃度または収率である。反応解析装置２０は、例えば位置と温度の関数を推定することで反応を解析する。なお、推定方法等は後述する。

なお、図１に示した構成は一例であり、これに限らない。例えば、第１反応物と第２反応物とを第１の混合器で混合して第１の生成物を生成し、この第１の生成物と第３反応物とを第２の混合器で混合して第２の生成物を生成する構成であってもよい。この場合は、第１の混合器の前後（上下流側）または下流側のみに温度測定部を取り付け、第２の混合器の前後（上下流側）または下流側のみに温度測定部を取り付けることにより、第１の混合器による第１反応物と第２反応物の混合直後の反応流体の温度分布を検出すると共に、第２の混合器による第１の生成物と第３反応物の混合直後の反応流体の温度分布を検出するようにしてもよい。

＜温度分布の例＞
次に、位置ｘと温度の関係例を説明する。
図２は、位置と温度の関係および時間と温度の関係、具体的には反応管１４における混合器１３からの流路距離に対する反応流体の温度分布および混合器１３による混合後の経過時間（反応時間）に対する反応流体の温度分布を示す図である。図２において、下の横軸は時間であり、上の横軸は位置であり、縦軸は温度（℃）である。

曲線ｇ２１は、フローリアクタ１０において第１反応物Ａと第２反応物Ｂを混合した場合に温度測定部１６により得られる実測温度分布を示す曲線である。この場合、反応の約ｔ１１後（混合器１３の排出口からＬ１１の位置）の実測温度がＴ１２であり、反応のｔ１２後（混合器１３の排出口からＬ１２の位置）の実測温度がＴ１３であり、反応のｔ１３後（混合器１３の排出口からＬ１３の位置）の実測温度がＴ１４である。第１反応物Ａと第２反応物Ｂを混合した場合の反応パラメータは、ΔＨ（第一の反応パラメータ）が例えば１８０ｋＪ／ｍｏｌであり、ΔＧ^‡（第二の反応パラメータ）が例えば７４ｋＪ／ｍｏｌである。なお、反応パラメータΔＨ、ΔＧ^‡については後述する。

ここで、温度測定部１６の取り付け位置について説明する。
温度測定部１６のうち、第１の温度測定部１６１は、反応前の位置（図１のｐ１）に取り付ける。第２の温度測定部１６２～第４の温度測定部１６４は、反応後の位置（図１のｐ２～ｐ４）に位置に取り付ける。第２の温度測定部１６２～第４の温度測定部１６４を取り付ける位置は、図２のように、第１反応物Ａと第２反応物Ｂとの反応熱による反応直後の反応流体の温度の変化を捉える箇所が好ましい。反応直後の反応流体の温度の変化とは、温度変化の最大値または極大値のように、短時間での温度変化である。反応直後においては、反応物の濃度が最も高いので、反応速度が大きく、単位時間当たりの発熱量が大きいことから、短時間での温度変化が生じやすい。また、反応直後の反応流体の温度の変化を捉える箇所とは、温度変化のピーク位置（最大値または極大値となる混合器１３からの流路距離または混合後の経過時間の位置）を挟むような配置箇所であり、少なくとも温度変化のピーク値（最大値または極大値の温度値）に向けて昇温している箇所と温度変化のピーク値から降温している箇所とを含む。
このため、最大値の位置がＬ４の場合は、この位置の最大値の変化を捉える位置、例えばＬ３、Ｌ５、Ｌ６の位置に第２の温度測定部１６２～第４の温度測定部１６４を取り付けるようにする。

なお、最大値が発生する時間や位置が不明の場合、例えば反応後に３つ以上の温度測定部１６を取り付けるようにしてもよい。そして、反応解析装置２０は、測定された温度に基づいて反応直後の温度の変化を捉える箇所の温度測定部１６を選択するようにしてもよい。

＜反応場の温度分布から反応パラメータの算出方法＞
次に、反応場の温度分布から反応パラメータを算出する方法について説明する。
図３は、第１実施形態に係る反応場の温度分布から反応パラメータを算出する方法を説明するための図である。符号ｇ１の領域の図は、パラメータ調整前またはパラメータ調整中の温度分布例である。符号ｇ１の領域の図において、横軸は位置、縦軸は温度である。

実測値Ｔ１は、位置ｐ１における温度である。実測値Ｔ２は、位置ｐ２における温度である。実測値Ｔ３は、位置ｐ３における温度である。実測値Ｔ４は、位置ｐ４における温度である。

関数Ｔ_１（ｘ）は、混合直後の反応流体の温度分布を推定する支配方程式の解であり、位置ｘに対する温度の関数である。
推定値Ｔ_１（ｐ１）は、関数Ｔ_１（ｘ）による位置ｐ１の温度の推定値である。推定値Ｔ_１（ｐ２）は、関数Ｔ_１（ｘ）による位置ｐ２の温度の推定値である。推定値Ｔ_１（ｐ３）は、関数Ｔ_１（ｘ）による位置ｐ３の温度の推定値である。推定値Ｔ_１（ｐ４）は、関数Ｔ_１（ｘ）による位置ｐ４の温度の推定値である。
つまり、図３における符号ｇ１の領域の図（関数Ｔ１（ｘ）のグラフ）は、混合直後の反応流体の温度分布を推定することにより得られる推定温度分布を示している。

△ｔ１は、位置ｐ１における推定値Ｔ_１（ｐ１）と実測値Ｔ１との差である。△ｔ２は、位置ｐ２における推定値Ｔ_１（ｐ２）と実測値Ｔ２との差である。△ｔ３は、位置ｐ３における推定値Ｔ_１（ｐ３）と実測値Ｔ３との差である。△ｔ４は、位置ｐ４における推定値Ｔ_１（ｐ４）と実測値Ｔ４との差である。

つまり、反応流体の温度を実測することにより得られる実測結果（ここでは実測温度分布）と、混合直後の反応流体の温度分布を推定することにより得られる推定温度分布とを比較すると、符号ｇ１の領域に示す例では、用いた関数Ｔ_１（ｘ）が適切ではないため、推定値と実測値との間に大きい差が生じている。

符号ｇ２の領域の図は、パラメータ調整後の温度分布例である。符号ｇ２の領域の図において、横軸は位置、縦軸は温度である。

関数Ｔ_ｎ（ｘ）は、混合直後の反応流体の温度分布を推定する支配方程式の解であり、位置ｘに対する温度の関数である。
推定値Ｔ_ｎ（ｐ１）は、関数Ｔ_ｎ（ｘ）による位置ｐ１の温度の推定値である。推定値Ｔ_ｎ（ｐ２）は、関数Ｔ_ｎ（ｘ）による位置ｐ２の温度の推定値である。推定値Ｔ_ｎ（ｐ３）は、関数Ｔ_ｎ（ｘ）による位置ｐ３の温度の推定値である。推定値Ｔ_ｎ（ｐ４）は、関数Ｔ_ｎ（ｘ）による位置ｐ４の温度の推定値である。
つまり、図３における符号ｇ１の領域の図（関数Ｔ_ｎ（ｘ）のグラフ）は、混合直後の反応流体の温度分布を推定することにより得られる推定温度分布を示している。

図３における符号ｇ１の領域の図（関数Ｔ_ｎ（ｘ）のグラフ）において、位置ｐ１における推定値Ｔ_ｎ（ｐ１）と実測値Ｔ１との差である△ｔ１、位置ｐ２における推定値Ｔ_ｎ（ｐ２）と実測値Ｔ２との差である△ｔ２、位置ｐ３における推定値Ｔ_ｎ（ｐ３）と実測値Ｔ３との差である△ｔ３、および位置ｐ４における推定値Ｔ_ｎ（ｐ４）と実測値Ｔ４との差である△ｔ４は、所定値以内で微小であるため図示を省略している。

つまり、反応流体の温度を実測することにより得られる実測温度分布と、混合直後の反応流体の温度分布を推定することにより得られる推定温度分布とを比較すると、符号ｇ２の領域に示す例では、用いた関数Ｔ_ｎ（ｘ）が適切であるため、推定値と実測値との差が所定値以内である。第１実施形態では、推定値と実測値との差が所定値以内を、実測値と関数Ｔ_ｎ（ｘ）とが一致していると見なす。

第１実施形態では、温度測定部１６（第２の温度測定部１６２～第４の温度測定部１６４）による各温度測定位置（各位置ｘに相当）における反応流体の温度の実測値と、関数Ｔ_ｎ（ｘ）による各位置ｘにおける反応流体の温度の推定値との差が所定値内になる反応パラメータを設定する。

ここで、反応パラメータ、関数Ｔ_ｎ（ｘ）について説明する。
関数Ｔ_ｎ（ｘ）は、混合直後の反応流体の温度分布を推定する支配方程式の解であり、次式（１）のように、位置ｘ、反応パラメータΔＨ、ΔＧ^‡の関数である。

または、関数Ｔ_ｎ（ｘ）は、次式（２）のように、位置ｘ、反応パラメータΔＨ、Ｅ_ａの関数である。

反応パラメータΔＨは、反応モルエンタルピー（ｋＪ／ｍｏｌ）である。反応モルエンタルピーとは、モルあたり（単位物質量当たり）の反応熱を表す量である。反応パラメータΔＨは、位置と温度の関係の図３のグラフにおける最大値（または極大値）すなわち混合直後の反応流体の温度分布のピーク値に関連する。

反応パラメータΔＧ^‡は、活性化自由エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）である。活性化自由エネルギーとは、反応前と反応遷移状態の自由エネルギーの差であり、反応速度の温度依存性を示すものである。反応パラメータΔＧ^‡は、混合直後の反応流体の温度分布のピーク値およびピーク位置に関連する。

反応パラメータＥ_ａは、活性化エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）である。活性化エネルギーとは、反応速度と温度の関係を表したアレニウスの式のパラメータであって反応前と反応遷移状態のエネルギーの差であり、反応速度の温度依存性を示すものである。反応パラメータＥ_ａは、混合直後の反応流体の温度分布のピーク値およびピーク位置に関連する。

また、以下の説明では、温度の実測値（温度分布計測値）Ｔ_０（ｘ）は、次式（３）で表す。

次に、反応解析システム１における反応解析の処理手順例を説明する。
図４は、第１実施形態に係る反応解析の処理手順であって、反応流体の流れ方向に沿う混合直後の反応流体の温度分布に基づいて反応流体の反応状態を特定するためのフローチャートである。なお、以下の処理では、反応パラメータがΔＨ、ΔＧ^‡である場合を説明する。

（ステップＳ１１）反応解析装置２０は、温度測定部１６が計測した温度に関する情報（反応流体の温度を実測することにより得られる実測温度分布）を取得する。これにより、反応解析装置２０は、温度分布計測値Ｔ_０（ｘ）を読み込む。なお、反応解析装置２０は、温度測定部１６が設置されている位置ｘ（図１のｐ１～ｐ４）を記憶している。

（ステップＳ１２）反応解析装置２０は、反応パラメータΔＨｎ、ΔＧ^‡ _ｎを仮設定して、温度分布計算値Ｔ_ｎ（ｘ）を算出する（混合直後の反応流体の温度分布を推定することにより得られる推定温度分布を取得する）。なお、反応解析装置２０は、ステップＳ１２の処理が一回目の場合、反応パラメータΔＨ_１、ΔＧ^‡ _１を自部が記憶する例えば初期値に設定して、温度分布計算値Ｔ_１（ｘ）を算出する。

（ステップＳ１３）反応解析装置２０は、関数Ｔ_ｎ（ｘ）により推定される各位置ｐｍ（ｍは例えば１～４の整数）の温度推定値と、温度測定部１６により実測される各位置ｐｍの温度実測値Ｔｍとの差Δｔｍを算出する（実測温度分布と推定温度分布とを比較する）。反応解析装置２０は、温度の測定箇所が４つの場合、Δｔ１（＝Ｔ１－Ｔ_ｎ（ｐ１））、Δｔ２（＝Ｔ２－Ｔ_ｎ（ｐ２））、Δｔ３（＝Ｔ３－Ｔ_ｎ（ｐ３））、Δｔ４（＝Ｔ４－Ｔ_ｎ（ｐ４））が全て、自装置の記憶する所定値以内であるか否かを判別することで、Ｔ_ｎ（ｘ）がＴ_０（ｘ）にほぼ一致するか否かを判別する。反応解析装置２０は、Ｔ_ｎ（ｘ）がＴ_０（ｘ）にほぼ一致すると判別した場合（ステップＳ１３；ＹＥＳ）、ステップＳ１５の処理に進める。反応解析装置２０は、Ｔ_ｎ（ｘ）がＴ_０（ｘ）にほぼ一致しないと判別した場合（ステップＳ１３；ＮＯ）、ステップＳ１４の処理に進める。なお、実測温度分布と推定温度分布との比較に用いられる所定値は、各測定箇所に対して共通して設定されるものであってもよく、また各測定箇所に対して各々設定されるものであってもよい。

（ステップＳ１４）反応解析装置２０は、反応パラメータの値を調整する。例えば、Δｔ１～Δｔ４が全て正の場合、最大値の高さを高くするように反応パラメータΔＨをΔＨ_１より大きな値にする。例えば、Δｔ１～Δｔ４が全て負の場合、最大値の高さを低くするように反応パラメータΔＨをΔＨ_１より小さな値にする。処理後、反応解析装置２０は、ステップＳ１２の処理に戻す。また、仮にΔｔ２のみが負で、その他が正の場合（例えば推定温度分布のピーク位置が計測した温度分布に比べて後方に位置している場合）、推定温度分布のピーク位置が前方に来るようにΔＧ^‡ _１を小さな値にする。

（ステップＳ１５）反応解析装置２０は、反応パラメータΔＨ、ΔＧ^‡を出力する。

（ステップＳ１６）反応解析装置２０は、生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）を算出し、算出した生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）を出力する。

なお、反応解析装置２０が算出して出力する生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）は、反応パラメータがΔＨ、ΔＧ^‡である場合、次式（４）の微分方程式を解くことで得られる。

式（４）において、［Ａ］は第１反応物Ａの濃度、［Ｂ］は第２反応物Ｂの濃度、ｈはプランク定数（６．６２６０７００４×１０^－３４（ｍ^２ｋｇ／ｓ））、ｋ_Ｂはボルツマン定数（１．３８０６４９×１０^－２３（ＪＫ^－１））、Ｒは気体定数、Ｔは流体の温度である。

また、反応解析装置２０が算出して出力する生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）は、反応パラメータがΔＨ、Ｅ_ａである場合、次式（５）のように表される。

式（５）において、［Ａ］は第１反応物Ａの濃度、［Ｂ］は第２反応物Ｂの濃度、Ａはアレニウスの式における頻度因子、Ｒは気体定数、Ｔは流体の温度である。

図５は、反応物と生成物の濃度の位置変化（時間変化）を示す図である。図５において、下の横軸は時間であり、上の横軸は位置であり、縦軸は反応物および生成物の濃度である。なお、第１反応物Ａと第２反応物Ｂに対する縦軸の値は、反応物の濃度を表している。また、図５は、反応解析装置２０が、求めた反応パラメータと式（４）または式（５）を用いて生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）を求め、求めた濃度を収率に換算した結果例である。なお、収率とは、反応において収量の理論収量に対する比率である。収量は、実際に得られた生成物の量である。理論収量は、用いた基質あるいは試薬に対して理論上得ることができる最大量である。

曲線ｇ３１は、混合後の第１反応物Ａの時間と濃度の関係、位置と濃度の関係である。
曲線ｇ３２は、混合後の第２反応物Ｂの時間と濃度の関係、位置と濃度の関係である。
曲線ｇ３３は、混合後の生成物の時間と収率の関係、位置と収率の関係である。
図５の例では、ｔ１～ｔ２で第１反応物Ａの濃度がほぼ０になり、ｔ１～ｔ２で第２反応物Ｂの濃度が［Ｂ］ｘに収束し、ｔ１～ｔ２で生成物の濃度が［Ｐ］ｘに収束している。

このように、第１実施形態では、実測値を用いて反応パラメータを推定することで、フローリアクタ中の任意の位置および任意の時間における反応物と生成物の濃度と反応速度を推定することができる。
また、濃度を推定することで、フローリアクタ中の任意の位置および任意の時間における生成物の収率を推定することができる。

＜反応解析装置２０の構成例＞
次に、反応解析装置２０の構成例を説明する。
図６は、第１実施形態に係る反応解析装置２０の構成例を示す図である。図６のように、反応解析装置２０は、外部記憶装置２１、内部記憶装置２２、ＣＰＵ２３、入力装置２４、および出力装置２５を備えている。外部記憶装置２１は、実験データ記憶部２１１、流体物性データ記憶部２１２、反応器熱特性データ記憶部２１３、反応データ記憶部２１４、演算データ記憶部２１５、および反応解析プログラム記憶部２１６を備えている。

外部記憶装置２１、内部記憶装置２２、ＣＰＵ２３、入力装置２４、および出力装置２５は、システムバス２６を介して接続されている。

実験データ記憶部２１１は、実験データ（例えば、各種センサ等によって実測された温度など）を記憶する。流体物性データ記憶部２１２は、解析に必要な定数または変数としての流体物性データ（例えば、密度、比熱、熱伝導率、粘性係数など）を記憶する。反応器熱特性データ記憶部２１３は、解析に必要な定数または変数としての反応器熱特性データ（例えば、フローリアクタにおける壁面の熱伝導率、比熱など）を記憶する。反応データ記憶部２１４は、反応データ（例えば、化学反応式に関するデータであって、反応パラメータ等）を記憶する。演算データ記憶部２１５は、演算データ（例えば、数式で解かれた温度、流速、濃度などの各種分布）を記憶する。反応解析プログラム記憶部２１６は、反応解析プログラム（例えば、推定温度分布の算出に用いられるシミュレーションを解くプログラムなど）を記憶する。

内部記憶装置２２は、解析中のデータ（例えば、反応パラメータ、各種分布など）を一時的に記憶する。
ＣＰＵ２３は、例えばパーソナルコンピュータであり、反応解析システム１の制御、データの取得、データの解析、推定を行う。
入力装置２４は、例えばキーボード、マウス、表示装置上に設けられたタッチパネルセンサー等であり、利用者の操作を検出する装置である。
出力装置２５は、液晶表示装置、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置、プリンタ等の出力装置である。

図７は、第１実施形態に係る反応解析装置２０の接続例と構成例を示す図である。図７のように、ＣＰＵ２３は、制御部２３１、算出部２３２、判定部２３３、およびパラメータ調整部２３４を備えている。実験データ記憶部２１１、流体物性データ記憶部２１２、反応器熱特性データ記憶部２１３、反応データ記憶部２１４、演算データ記憶部２１５は、制御部２３１に接続されている。

制御部２３１は、温度測定部１６による反応流体の温度の実測値の取得を行う（図４のステップＳ１１の処理）。制御部２３１は、推定した反応パラメータΔＨ、ΔＧ^‡（またはＥ_ａ）を反応データ記憶部２１４に出力する（図４のステップＳ１５の処理）。また、制御部２３１は、温度調整器１５の設定温度（反応物および反応流体の温度）を制御してもよい。また、制御部２３１は、第１ポンプ１１と第２ポンプ１２の設定流量（反応物および反応流体の流量）を制御してもよい。

算出部２３２は、温度分布計算値Ｔ_ｎ（ｘ）を算出する（図４のステップＳ１２の処理）。算出部２３２は、生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）を算出する（図４のステップＳ１６の処理）。

判定部２３３は、温度測定部１６による温度の実測値と温度分布計算値Ｔ_ｎ（ｘ）による温度の推定値との差が全て、自装置の記憶する所定値以内であるか否かを判別することで、Ｔ_ｎ（ｘ）がＴ_０（ｘ）にほぼ一致するか否かを判別する（図４のステップＳ１３の処理）。

パラメータ調整部２３４は、反応パラメータΔＨ、ΔＧ^‡（またはＥ_ａ）を調整する（図４のステップＳ１４の処理）。

なお、図６、図７に示した構成は一例であり、これに限らない。例えば、外部記憶装置２１は、内部記憶装置２２とＣＰＵ２３と入力装置２４と出力装置２５に、ネットワークを介して接続されていてもよい。また、外部記憶装置２１の各記憶部は、内部記憶装置２２が備えていてもよい。

＜温度分布を表す関数Ｔ_ｎ（ｘ）＞
ここで、温度分布を表す関数Ｔ_ｎ（ｘ）の求め方の一例を説明する。
ＣＰＵ２３は、温度分布を表す関数Ｔ_ｎ（ｘ）を、下の３つの式を例えば空間一次元に近似して解いて求める。なお、ＣＰＵ２３は、近似の際、３つの式を例えば空間二次元以上に近似して解いて求めるようにしてもよい。

流体シミュレーションにおける支配方程式は、次式（６）の質量保存式、次式（７）の運動量保存式、次式（８）のエネルギー保存式の３つからなる。

式（６）～式（８）において、ρ_ｓは化学種ｓの密度であり、ｕは反応流体の流速ベクトルであり、Ｍ_ｓは化学種ｓの分子量であり、Ｊ_ｓは化学種ｓの拡散質量流束であり、ω^・ _ｓは化学種ｓのモル生成速度であり、ρは反応流体の密度であり、ｐは反応流体の圧力である。Ｉは単位テンソルであり、Ｖは粘性応力テンソルであり、Ｔは反応流体の温度であり、ｈ_ｓは化学種ｓの生成モルエンタルピーであり、Ｎは生成物の数（種類）であり、ｃｖは反応流体の定積比熱である。
なお、上述した例では、第１反応物と第２反応物を混合した際に得られる生成物が１つの例を説明したが、生成物は２つ以上であってもよい。

従来の手法でフローリアクタ中の反応物の濃度と生成物の濃度および収率とこれらの反応速度とを推定した場合は、カットアンドトライで行うため、処理に１日程度かかる。
第１実施形態によれば、流路状の反応器（フローリアクタ）の温度分布を計測することで、複数の実験を実施することなく短時間で化学反応の活性化自由エネルギー等の反応パラメータを算出することが可能になる。第１実施形態によれば、算出された反応パラメータを用いて反応シミュレーションを実施することで、濃度や温度等の運転条件やリアクタの構造を変更した場合においても反応中の任意の位置における生成物の生成速度や濃度を解析することが可能となる。

また、第１実施形態によれば、混合器前後の温度計測を行うことで、混合直後から進行する反応にも対応することができる。
また、第１実施形態によれば、運動量保存則を含む流体シミュレーションを用いることで、流体そのものが反応物となる気体のように流速変化の大きい対象であっても対応できる。

また、第１実施形態によれば、推定した反応パラメータを用いて、流路状の任意の位置における生成物の濃度を数秒程度のリアルタイムに推定することが可能となる。
また、第１実施形態によれば、流路状の任意の位置における生成物の濃度を数秒程度のリアルタイムに推定できるので、反応条件の最適化に要する工数が従来の１／１００以下程度に短縮することが可能となる。なお、従来手法では、パラメータが多いため、トライアンドエラーを行う必要があったため、工数が多かった。

また、第１実施形態によれば、濃度計測やパラメータ算出等の工数を短縮できるので、ケモインフォマティクスにおいて課題であった条件に対するデータ取得の効率が１００倍以上程度とハイスループット化が可能となる。
また、第１実施形態によれば、流路状の任意の位置における生成物の推定した濃度から収率に換算することで、最適な流路長さや反応器の流路内径・流路壁肉厚・材質等の熱的特性といった反応器のハード設計にも活用することができる。
ここで、収率に関し、第１反応物Ａと第２反応物Ｂから１つの生成物Ｐが生じる場合の時間ｔにおける収率は、次式（９）のように表される。

上式において、［Ｐ］（ｔ）は時間ｔにおける生成物Ｐの濃度、［Ａ］_０は第１反応物Ａの投入濃度、［Ｂ］_０は第２反応物Ｂの投入濃度であり、ｍｉｎは最小値を抽出する関数である。

＜応用例＞
第１実施形態の反応解析システム１は、例えば以下のような装置やシステムに適用可能である。
第１の応用例は、反応モニタリングのためのソフトセンサである。この応用例では、温度計測結果から反応物・生成物の濃度をリアルタイムに算出することが可能となる。

第２の応用例は、第１の応用例のソフトセンサの出力結果をもとに、温度や流量、材料の濃度、後述する反応流路の切り替えなどの運転条件を制御することで化学反応を制御するシステムである。この応用例では、反応流体をサンプリングして生成物の濃度計測等を行うことなく、インラインで反応をリアルタイムモニタリングしながら反応を制御することが可能となる。

第３の応用例は、第２の応用例の反応制御システムを用いて、医薬品の原薬やファインケミカル系の機能性素材を生産する生産技術である。この応用例では、反応流体をサンプリングして生成物の濃度計測等を行うことなく、インラインで反応流体（反応）をリアルタイムモニタリングしながら素材を生産することが可能となる。

なお、上述した応用例は一例であり、これに限らない。反応解析システム１を他のシステム、装置、工程等に適用してもよい。

以上のような反応解析システム１及び反応解析装置２０は、複数の反応物の混合により反応流体の化学反応が進行するフローリアクタ１０のみならず、以下の第２実施形態に示すようなフローリアクタ１０にも適用可能である。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図８は、第２実施形態に係る反応解析システム１Ａの構成例を示すブロック図である。
図８に示す反応解析システム１Ａは、反応流体と触媒３０との接触により反応流体の化学反応が進行するフローリアクタ１０を備えている。フローリアクタ１０は、送液管１１１、反応管１４、排出管１１３、及び触媒３０を備えている。

反応管１４には、触媒３０が収容されている。反応管１４は、１つの導入口と、１つの排出口を備えている。反応管１４の導入口には、送液管１１１が接続されている。反応管１４の排出口には、排出管１１３が接続されている。

温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１～第５の温度測定部１６５を備えている。第１の温度測定部１６１は、反応管１４より上流側（反応前）の送液管１１１の位置ｐ１に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、反応管１４において、反応流体の流れに沿って位置ｐ２～位置ｐ５の順に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、反応流体の流れ方向に沿う触媒３０との接触直後（反応開始直後）の反応流体の温度（温度分布）を計測することができる。

反応解析装置２０は、温度測定部１６が出力する測定された温度を示す情報を取得する。反応解析装置２０は、取得した温度を示す情報を用いて、反応流体と触媒３０との接触による反応流体の反応状態を特定する。

図９は、第２実施形態の一変形例に係る反応解析システム１Ｂの構成例を示すブロック図である。
図９に示す反応解析システム１Ｂは、反応流体に対する電磁波３１Ａの照射により反応流体の化学反応が進行するフローリアクタ１０を備えている。反応解析システム１Ｂは、電磁波照射装置３１を備えている。電磁波照射装置３１は、フローリアクタ１０の反応流路に電磁波３１Ａを照射する。

温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１～第５の温度測定部１６５を備えている。第１の温度測定部１６１は、電磁波３１Ａの照射範囲より上流側（反応前）の位置ｐ１に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、電磁波３１Ａの照射範囲において、反応流体の流れに沿って位置ｐ２～位置ｐ５の順に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、反応流体の流れ方向に沿う電磁波３１Ａの照射直後（反応開始直後）の反応流体の温度（温度分布）を計測することができる。

反応解析装置２０は、温度測定部１６が出力する測定された温度を示す情報を取得する。反応解析装置２０は、取得した温度を示す情報を用いて、反応流体に対する電磁波３１Ａの照射による反応流体の反応状態を特定する。

図１０は、第２実施形態の一変形例に係る反応解析システム１Ｃの構成例を示すブロック図である。
図１０に示す反応解析システム１Ｃは、図９に示す反応解析システム１Ｂと同様に、反応流体に対する電磁波３１Ａの照射により反応流体の化学反応が進行するフローリアクタ１０を備えている。フローリアクタ１０は、送液管１１１、螺旋状の反応管１４、排出管１１３、及び電磁波照射装置３１を備えている。

反応管１４は、電磁波照射装置３１の周囲を螺旋状に周回している。電磁波照射装置３１は、螺旋状の反応管１４の径方向内側から外側に向かって電磁波３１Ａを照射する。

温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１～第５の温度測定部１６５を備えている。第１の温度測定部１６１は、電磁波３１Ａの照射範囲より上流側（反応前）の送液管１１１の位置ｐ１に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、電磁波３１Ａの照射範囲である反応管１４において、反応流体の流れに沿って位置ｐ２～位置ｐ５の順に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、反応流体の流れ方向に沿う電磁波３１Ａの照射直後（反応開始直後）の反応流体の温度（温度分布）を計測することができる。

反応解析装置２０は、温度測定部１６が出力する測定された温度を示す情報を取得する。反応解析装置２０は、取得した温度を示す情報を用いて、反応流体に対する電磁波３１Ａの照射による反応流体の反応状態を特定する。

図１１は、第２実施形態の一変形例に係る反応解析システム１Ｄの構成例を示すブロック図である。
図１１に示す反応解析システム１Ｄは、反応流体に対する加熱により反応流体の化学反応が進行するフローリアクタ１０を備えている。反応解析システム１Ｄは、フローリアクタ１０を流れる反応流体を加熱する加熱装置３２（ヒーター）を備えている。加熱装置３２は、フローリアクタ１０の反応流路に沿って配置されている。

温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１～第４の温度測定部１６４を備えている。第１の温度測定部１６１は、加熱装置３２との対向領域より上流側（反応前）の位置ｐ１に設置されている。第２の温度測定部１６２～第４の温度測定部１６４は、加熱装置３２との対向領域において、反応流体の流れに沿って位置ｐ２～位置ｐ４の順に設置されている。第２の温度測定部１６２～第４の温度測定部１６４は、反応流体の流れ方向に沿う加熱直後（反応開始直後）の反応流体の温度（温度分布）を計測することができる。

反応解析装置２０は、温度測定部１６が出力する測定された温度を示す情報を取得する。反応解析装置２０は、取得した温度を示す情報を用いて、反応流体に対する加熱による反応流体の反応状態を特定する。

図１２は、第２実施形態の一変形例に係る反応解析システム１Ｅの構成例を示すブロック図である。
図１２に示す反応解析システム１Ｅは、図１１に示す反応解析システム１Ｄと同様に、反応流体に対する加熱により反応流体の化学反応が進行するフローリアクタ１０を備えている。フローリアクタ１０は、送液管１１１、螺旋状の反応管１４、排出管１１３、及び加熱装置３２を備えている。

反応管１４は、加熱装置３２の周囲を螺旋状に周回している。加熱装置３２は、螺旋状の反応管１４を径方向内側から加熱する。

温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１～第５の温度測定部１６５を備えている。第１の温度測定部１６１は、反応管１４より上流側（反応前）の送液管１１１の位置ｐ１に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、加熱装置３２との対向領域である反応管１４において、反応流体の流れに沿って位置ｐ２～位置ｐ５の順に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、反応流体の流れ方向に沿う加熱直後（反応開始直後）の反応流体の温度（温度分布）を計測することができる。

反応解析装置２０は、温度測定部１６が出力する測定された温度を示す情報を取得する。反応解析装置２０は、取得した温度を示す情報を用いて、反応流体に対する加熱によるによる反応流体の反応状態を特定する。

図１３は、第２実施形態の一変形例に係る反応解析システム１Ｆの構成例を示すブロック図である。
図１３に示す反応解析システム１Ｆは、反応流体に対する電流の通電により反応流体の化学反応が進行するフローリアクタ１０を備えている。反応解析システム１Ｆは、フローリアクタ１０を流れる反応流体に対して通電する通電装置３３を備えている。通電装置３３は、フローリアクタ１０の反応流路を挟んで配置された一対の電極３３ａを備えている。

温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１～第５の温度測定部１６５を備えている。第１の温度測定部１６１は、一対の電極３３ａの対向領域より上流側（反応前）の位置ｐ１に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、一対の電極３３ａの対向領域において、反応流体の流れに沿って位置ｐ２～位置ｐ５の順に設置されている。第２の温度測定部１６２～第５の温度測定部１６５は、反応流体の流れ方向に沿う通電直後（反応開始直後）の反応流体の温度（温度分布）を計測することができる。

反応解析装置２０は、温度測定部１６が出力する測定された温度を示す情報を取得する。反応解析装置２０は、取得した温度を示す情報を用いて、反応流体に対する電流の通電による反応流体の反応状態を特定する。

以上のような反応解析システム１（１Ａ～１Ｆ）及び反応解析装置２０は、各種様々なフローリアクタ１０における反応流体の反応状態を特定するのみならず、以下の第３実施形態に示すような特定した反応状態の推定値（反応物の推定濃度等）に基づく、反応流体の反応条件の制御にも適用可能である。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成については同一の符号を付し、その説明を簡略若しくは省略する。

図１４は、第３実施形態に係る反応解析システム１Ｇの構成例を示すブロック図である。
図１４に示す反応解析システム１Ｇは、送液管１１１、反応管１４、及び複数の排出管１１３Ａ～１１３Ｄを備えている。また、反応管１４には、上述した触媒３０、電磁波照射装置３１、加熱装置３２、及び通電装置３３のいずれか一つが設けられている。

温度測定部１６は、第１の温度測定部１６１～第１０の温度測定部１７０を備えている。第１の温度測定部１６１は、反応管１４より上流側（反応前）の送液管１１１の位置ｐ１に設置されている。第２の温度測定部１６２～第１０の温度測定部１７０は、反応管１４において、反応流体の流れに沿って位置ｐ２～位置ｐ１０の順に設置されている。

反応管１４には、複数のバルブ１１４ａ～バルブ１１４ｃが設けられている。具体的に、バルブ１１４ａは、位置ｐ４と位置ｐ５との間に設置されている。バルブ１１４ｂは、位置ｐ７と位置ｐ８との間に設置されている。バルブ１１４ｃは、位置ｐ１０の下流側に設置されている。

排出管１１３Ａは、反応管１４のバルブ１１４ａの上流側であって、位置ｐ３と位置ｐ４との間に接続されている。排出管１１３Ａには、バルブ１１３ａが設置されている。排出管１１３Ｂは、反応管１４のバルブ１１４ａの下流側且つバルブ１１４ｂの上流側であって、位置ｐ６と位置ｐ７との間に接続されている。排出管１１３Ｂには、バルブ１１３ｂが設置されている。

排出管１１３Ｃは、反応管１４のバルブ１１４ｂの下流側且つバルブ１１４ｃの上流側であって、位置ｐ９と位置ｐ１０との間に接続されている。排出管１１３Ｃには、バルブ１１３ｂが設置されている。排出管１１３Ｄは、反応管１４のバルブ１１４ｃの下流側であって、反応管１４の排出口に接続されている。

バルブ１１３ａ～バルブ１１３ｃ及びバルブ１１４ａ～バルブ１１４ｃは、反応解析装置２０に接続されると共に、制御部２３１（上述した図７参照）に制御され、反応流路の切り替えや、反応流体の流量の調整を行う。制御部２３１は、上記特定した反応流体の反応状態を示す推定値と、所定の目標値とを比較し、フローリアクタ１０における反応流体の反応条件を制御する。

例えば、反応管１４に触媒３０が設けられている場合、反応流体の反応条件は、フローリアクタ１０における反応流路を切り替えることで制御できる。具体的に、反応管１４のバルブ１１４ａを閉じ、排出管１１３Ａのバルブ１１３ａを開くことで、排出管１１３Ａから反応流体が排出され、反応流体が反応管１４において触媒３０に触れる距離を短くすることができる。同様に、排出管１１３Ａ～排出管１１３Ｄのいずれか一つから反応流体が排出されるようにバルブ１１３ａ～バルブ１１３ｃ及びバルブ１１４ａ～バルブ１１４ｃを開閉することで、反応流体の反応条件を制御することができる。

また、反応管１４に電磁波照射装置３１、加熱装置３２、及び通電装置３３のいずれか一つが設けられている場合も同様に、反応流体の反応条件は、フローリアクタ１０における反応流路を切り替えることで制御できる。なお、電磁波照射装置３１、加熱装置３２、及び通電装置３３の場合、反応流体の反応条件は、反応流路を切り替えなくても制御可能である。例えば、電磁波照射装置３１の場合は、図示しない電磁波遮蔽壁を移動させ、電磁波３１Ａの照射範囲を可変させたり、電磁波の照射の出力を可変させることで、反応条件を制御できる。また、加熱装置３２の場合は、加熱温度を可変させることで、反応条件を制御できる。また、通電装置３３の場合は、通電量を可変させることで、反応条件を制御できる。

図１５は、第３実施形態に係る反応解析からの反応条件制御の処理手順を示すフローチャートである。図１６は、位置と推定温度の関係、位置と推定濃度の関係を示す図である。
制御部２３１は、図１５に示すフローチャートに従って、反応流体の反応条件を制御する。なお、第３実施形態において、流体シミュレーションにおける支配方程式は、上述した式（８）を改良した、次式（１０）に示すエネルギー保存式を用いる。

式（１０）は、上述した式（８）にＱを追加したものである。Ｑは、フローリアクタ１０において、反応流体に対する電磁波の照射により反応流体の化学反応が進行する場合に、次式（１１）で表される。また、Ｑは、フローリアクタ１０において、反応流体に対する電流の通電により反応流体の化学反応が進行する場合に、次式（１２）で表される。また、Ｑは、上記以外の場合は０（ゼロ）である。

式（１１）は、反応流体の電磁波の照射による輻射発熱に伴う発熱を考慮したものであり、κは輻射の吸収係数であり、Ｉは電磁波照射装置３１の出力である。なお、式（１１）は、厳密には輻射解析または電磁場解析から算出されるとよい。式（１２）は、反応流体の通電による電熱発熱を考慮したものであり、σは電気伝導率であり、ｉは電流値である。なお、式（１２）は、厳密には電磁場解析から算出されるとよい。

図１５に示すフローチャートは、上述した図４に示すステップＳ１１～ステップＳ１６に、ステップＳ１７及びステップＳ１８を追加したものである。よって、ステップＳ１１～ステップＳ１６に係る説明は、重複のため割愛する。

（ステップＳ１７）制御部２３１は、ステップＳ１６にて算出した生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）から、フローリアクタ１０の流路出口（ｘ＝反応管１４の排出口）における推定値Ｐを求め、推定値Ｐが所定の目標値Ｐ_ｓｅｔ以上か否かを判定する。さらに、推定値Ｐが所定の目標値Ｐ_ｓｅｔに達してからフローリアクタ１０の流路出口までの、反応流体の滞留時間（ｔｉｍｅ）が最小化（ｍｉｎｉｍｕｍ）であるか否かを判定する。制御部２３１は、ステップＳ１７における判定がＮＯの場合、ステップＳ１８に移行する。

（ステップＳ１８）制御部２３１は、フローリアクタ１０の流路出口における推定値Ｐを、目標値Ｐ_ｓｅｔ以上とする第１制御と、推定値Ｐが目標値Ｐ_ｓｅｔに達してからフローリアクタ１０の流路出口までの、反応流体の滞留時間を最小化する第２制御と、を行う。なお、第２制御は、反応流体の副反応抑制のための制御である。

第１制御の具体例としては、フローリアクタ１０の流路出口における推定値Ｐ（推定濃度）が目標値Ｐ_ｓｅｔ（目標濃度）を下回る場合（Ｐ！（ｘ）＜Ｐ_ｓｅｔの場合）、制御部２３１は、バルブ１１４ａ～バルブ１１４ｃを制御し、反応流体の流量を下げ、反応流路中の滞留時間を延ばすことで反応時間を延長する。また、例えば、制御部２３１は、バルブ１１３ａ～バルブ１１３ｃ及びバルブ１１４ａ～バルブ１１４ｃを制御し、反応流路を切り替え、流路長を伸ばすことで反応時間を延長する。また、例えば、制御部２３１は、アクチュエーター（電磁波照射装置３１、加熱装置３２、及び通電装置３３）の出力を上げ、反応流体の反応性を上げる等する。

第２制御の具体例としては、推定値Ｐ（推定濃度）が目標値Ｐ_ｓｅｔ（目標濃度）に達してからフローリアクタ１０の流路出口までの滞留時間が長い場合、制御部２３１は、バルブ１１４ａ～バルブ１１４ｃを制御し、反応流体の流量を上げ、反応流路中の滞留時間を短縮する。また、例えば、制御部２３１は、バルブ１１３ａ～バルブ１１３ｃ及びバルブ１１４ａ～バルブ１１４ｃを制御し、反応流路を切り替え、流路長を短くすることで反応時間を短縮する。また、例えば、制御部２３１は、アクチュエーター（電磁波照射装置３１、加熱装置３２、及び通電装置３３）の出力を下げ、反応流体の反応性を下げることで、目標値Ｐ_ｓｅｔ（目標濃度）に到達するまでの時間を延ばす。

ステップＳ１８の次は、ステップＳ１１に戻り、上述した第１実施形態と同様に生成物と反応物の濃度分布Ｐ（ｘ）を求める。そして、ステップＳ１７の判定でＹＥＳになった場合、理想の反応条件が得られたとして処理を終了する。
以上のような第３実施形態によれば、各種様々なフローリアクタ１０における反応流体の反応状態を特定するのみならず、反応流体の副反応を抑制しつつ目標濃度の反応物が得られるように、フローリアクタ１０における反応条件を制御することが可能となる。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、上記一実施形態では、反応流体の温度分布のピーク位置を把握するため、温度測定部１６の一部（例えば反応流体の温度分布のピーク位置を挟むように配置された第２の温度測定部１６２及び第３の温度測定部１６３）から反応流体の温度分布のピーク位置を検出していた。このように、温度測定部は、フローリアクタの反応流路において複数個所に設けられていたが、反応流体の温度分布のピーク位置が、１点目の温度測定部の前後のどちらかにあるか事前に想定できる場合は、温度測定部は当該１点目だけでも構わない。具体的には、１点目の温度測定部を反応流体の反応開始点の近傍に設置するケースが該当する。このケースにおいて、反応流体の流速が十分に速い場合は、当該１点目の温度測定部よりも後方に温度ピークが来ると想定されるため、温度測定部が１点だけであっても、その実測結果から上述した支配方程式より推定温度分布を得ることができる。

また、上記一実施形態では、図１５に示すステップＳ１８において、フローリアクタ１０の流路出口における推定値Ｐを、目標値Ｐ_ｓｅｔ以上とする第１制御と、推定値Ｐが目標値Ｐ_ｓｅｔに達してからフローリアクタ１０の流路出口までの、反応流体の滞留時間を最小化する第２制御と、を行う、としたが、第２制御は不要な場合もあるため、第１制御のみでも構わない。

１…反応解析システム、１０…フローリアクタ、１１…第１ポンプ、１２…第２ポンプ、１３…混合器１３、１４…反応管、１５…温度調整器、１６，１６１，１６２，１６３，１６４…温度測定部、２０…反応解析装置、２１…外部記憶装置、２２…内部記憶装置、２３…ＣＰＵ、２４…入力装置、２５…出力装置、２６…システムバス、３０…触媒、３１…電磁波照射装置、３２…加熱装置、３３…通電装置、２１１…実験データ記憶部、２１２…流体物性データ記憶部、２１３…反応器熱特性データ記憶部、２１４…反応データ記憶部、２１５…演算データ記憶部、２１６…反応解析プログラム記憶部、２３１…制御部、２３２…算出部、２３３…判定部、２３４…パラメータ調整部

Claims (17)

1. フローリアクタを流れる反応流体の反応状態を特定する反応解析装置であって、
   反応流体の流れ方向に沿う反応開始直後の反応流体の温度分布から得られる反応流体の反応状態を示す反応パラメータに基づいて、反応流体の反応状態を特定する処理部、
   を備える反応解析装置。
2. 前記処理部は、反応流体の温度を実測することにより得られる実測結果と、反応開始直後の反応流体の温度分布を推定することにより得られる推定温度分布とを比較することにより、前記反応パラメータを取得する、
   請求項１に記載の反応解析装置。
3. 前記推定温度分布は、反応開始直後の反応流体の温度分布を推定する支配方程式により求められるものであり、
   前記支配方程式は、反応開始直後の反応流体の温度分布のピーク値に関連する第一の反応パラメータと、反応開始直後の反応流体の温度分布のピーク位置に関連する第二の反応パラメータとを有するものである、
   請求項２に記載の反応解析装置。
4. 前記第一の反応パラメータは、単位物質量当たりの発熱量を示すものであり、
   前記第二の反応パラメータは、反応速度の温度依存性を示すものである、
   請求項３に記載の反応解析装置。
5. 前記処理部は、前記実測結果と前記推定温度分布との差が所定値以内になるように、前記第一の反応パラメータおよび前記第二の反応パラメータを調整し、調整された前記第一の反応パラメータおよび前記第二の反応パラメータを記憶部に記憶する、
   請求項３または請求項４に記載の反応解析装置。
6. 前記処理部は、前記記憶部に記憶された前記第一の反応パラメータおよび前記第二の反応パラメータに基づいて、反応流体の反応速度、複数の反応物の濃度、反応流体に含まれる生成物の濃度または収率の少なくとも一つを算出する、
   請求項５に記載の反応解析装置。
7. 前記処理部によって特定した反応流体の反応状態と、当該反応状態の目標値とを比較し、前記フローリアクタにおける反応流体の反応条件を制御する制御部を、備える、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の反応解析装置。
8. 前記制御部は、前記フローリアクタの流路出口における前記反応状態を、前記目標値以上とする第１制御を行う、
   請求項７に記載の反応解析装置。
9. 前記制御部は、前記反応状態が前記目標値に達してから前記フローリアクタの流路出口までの、反応流体の滞留時間を最小化する第２制御を行う、
   請求項８に記載の反応解析装置。
10. フローリアクタを流れる反応流体の反応状態を特定する反応解析システムであって、
    前記フローリアクタの反応流路に沿う反応流体の温度を実測する温度測定部と、
    請求項１～９のいずれか一項に記載の反応解析装置と、を備え、
    前記処理部は、前記温度測定部により得られる実測結果から得られる反応流体の反応状態を示す反応パラメータに基づいて、反応流体の反応状態を特定する、
    反応解析システム。
11. 前記温度測定部は、前記反応流路において、少なくとも反応流体の温度分布のピーク位置を挟むように設けられている、
    請求項１０に記載の反応解析システム。
12. 前記フローリアクタは、
    化学反応に供される複数の反応物をそれぞれ供給する複数の供給流路と、
    前記複数の供給流路と接続されて複数の反応物を混合する混合器と、
    前記混合器と接続されて複数の反応物が混合されて得られる反応流体が流通される反応流路と、を備える、
    請求項１０または請求項１１に記載の反応解析システム。
13. 前記フローリアクタは、反応流体の化学反応を進行させる触媒を備える、
    請求項１０または請求項１１に記載の反応解析システム。
14. 前記フローリアクタを流れる反応流体に対し、電磁波を照射する電磁波照射装置を備える、
    請求項１０または請求項１１に記載の反応解析システム。
15. 前記フローリアクタを流れる反応流体を加熱する加熱装置を備える、
    請求項１０または請求項１１に記載の反応解析システム。
16. 前記フローリアクタを流れる反応流体に対して通電する通電装置を備える、
    請求項１０または請求項１１に記載の反応解析システム。
17. フローリアクタを流れる反応流体の反応状態を特定する反応解析方法であって、
    反応流体の流れ方向に沿う反応開始直後の反応流体の温度分布から得られる反応流体の反応状態を示す反応パラメータに基づいて、反応流体の反応状態を特定する、
    反応解析方法。

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