博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
Selective crystallization process to recover desired pseudopolymorph crystals
希望の品質を有する擬多形結晶を選択的に 回収する晶析プロセス
申 請 者
神代 瑞希 Mizuki Kumashiro
応用化学専攻 化学工学研究
2010 年 12 月
Ｎｏ.
1
晶 析 は 固 液 間 の 異 相 界 面 現 象 を 取 り 扱 っ た 化 学 工 学 の 単 位 操 作 で あ る 。 晶 析 の 特 徴 と し て 、 希 望 す る 結 晶 群 を 生 産 す る 操 作 で あ る こ と と 同 時 に 、 目 的 成 分 を 純 度 高 く 分 離 ･ 回 収 す る 操 作 で あ る こ と が 挙 げ ら れ る 。晶 析 は 製 造 プ ロ セ ス の 最 終 段 階 を 担 う た め 、 製 品 の 品 質 （ 粒 径 、 形 状 、 分 散 性 等 ） は 晶 析 の 操 作 手 法 に 大 き く 影 響 を 受 け る 。 晶 析 に お け る 多 形 現 象 は そ う し た 結 晶 品 質 に 関 わ る 研 究 対 象 で あ り 、 医 薬 品 の 製 造 等 に お い て 深 く 注 目 さ れ て い る 。 多 形 は 、 結 晶 を 構 成 す る 原 子 や 分 子 、 イ オ ン の 配 列 の 仕 方 が 異 な る た め に 、 融 点 、 沸 点 、 溶 解 性 等 の 物 理 学 的 性 質 が 異 な る も の で あ る 。 あ る 多 形 が 別 の 異 な る 多 形 へ 変 化 す る 現 象 は 転 移 と 呼 ば れ 、 多 形 転 移 の 制 御 が 希 望 す る 結 晶 を 安 定 し て 生 産 す る た め に 求 め ら れ る 。 と り わ け 多 形 の 中 で も 、 結 晶 中 に 溶 媒 分 子 が 一 定 の 割 合 で 取 り 込 ま れ る 溶 媒 和 物 結 晶 は 擬 多 形 と 分 類 さ れ 、 溶 媒 数 が 変 化 す る こ と で 転 移 が 生 じ る 。 擬 多 形 は 、 温 度 や 湿 度 、 乾 燥 方 法 に 影 響 を 受 け 、 そ の 転 移 メ カ ニ ズ ム は 複 雑 で あ る こ と が 報 告 さ れ て い る 。 し た が っ て 希 望 の 品 質 を 有 す る 擬 多 形 結 晶 を 工 業 的 に 生 産 す る た め に は プ ロ セ ス の 制 御 が 必 要 で あ る 。 擬 多 形 結 晶 を 選 択 的 に 回 収 す る 晶 析 操 作 を 確 立 す る た め に 、 転 移 挙 動 や 溶 媒 和 物 の 安 定 性 に 関 す る 知 見 を 整 理 す る 必 要 が あ る 。 以 上 の 点 を 踏 ま え て 本 論 文 で は 、 擬 多 形 を 有 す る 無 機 物 質 お よ び 有 機 物 質 を 対 象 に 、 希 望 す る 品 質 の 結 晶 を 選 択 的 に 回 収 す る 晶 析 プ ロ セ ス つ い て 研 究 し た 。 無 機 物 質 と 有 機 物 質 の 結 晶 は 溶 媒 と の 結 合 力 が 異 な る た め 、 転 移 メ カ ニ ズ ム や 制 御 手 法 が 異 な る こ と が 考 え ら れ る 。 し た が っ て 各 々 の 結 晶 が 希 望 す る 品 質 を 考 慮 し た 上 で 、 適 切 な プ ロ セ ス を 選 択 し 、 適 切 な 制 御 手 法 を 研 究 し た 。 無 機 物 質 に つ い て は 冷 却 晶 析 と 融 解 晶 析 を 組 み 合 わ せ る こ と に よ り 希 望 の 結 晶 を 高 度 に 分 離 ･ 回 収 す る プ ロ セ ス を 、 有 機 物 質 に つ い て は 貧 溶 媒 に 種 結 晶 を 添 加 す る こ と に よ り 過 飽 和 度 を 生 成 さ せ る こ と な く 転 移 さ せ る プ ロ セ ス を 結 晶 工 学 の 観 点 か ら 研 究 し た 。
本 論 文 は 全 七 章 よ り 構 成 さ れ て お り 、 以 下 に そ の 概 要 を 示 す 。
第 一 章 で は 、 緒 言 と し て 擬 多 形 の 定 義 と 特 徴 、 課 題 に つ い て 整 理 し た 。 特 に 本 研 究 の 対 象 と な る 擬 多 形 の 立 場 を 明 確 に し 、 関 連 し た 研 究 報 告 を 調 査 し た 上 で 現 状 を 整 理 し た 。 導 出 さ れ た 課 題 を 踏 ま え た 上 で 、 本 論 文 の 位 置 づ け を 明 ら か に し た 。
第 二 章 で は 、 擬 多 形 を 有 す る 無 機 物 質 と し て U O2( N O3)2･6 H2O を 対 象 と し た 冷 却 晶 析 お よ び 融 解 晶 析 の プ ロ セ ス に つ い て 、 既 往 研 究 お よ び 現 状 の 課 題 を 整 理 し た 。U O2( N O3)2･6 H2O は 抽 出 に 特 化 し た 再 処 理 プ ロ セ ス に よ り 回 収 ･ 再 利 用 さ れ て い る 。 し か し 課 題 と し て 、 操 作 数 が 多 く 、 多 量 の 抽 出 剤 を 使 用 す る た め コ ス ト が 高 い 問 題 点 が あ る 。 し た が っ て 、 効 率 的 な 再 処 理 プ ロ セ ス が 希 求 さ れ て お り 、 晶 析 法 に よ る 新 規 再 処 理 プ ロ セ ス が 期 待 さ れ て い る 。 晶 析 法 の 課 題 と し て 、 冷 却 晶 析 時 に 結 晶 中 に 含 有 す る 液 体 不 純 物 、 及 び 同 時 に 析 出 す る 固 体 不 純 物 の 除 去 プ ロ セ ス の 確 立 が 挙 げ ら れ て い る が 、 冷 却 晶 析 後 に 融 解 工 程 を 組 み 込 む こ と に よ り 結
晶 と 不 純 物 を 高 度 に 分 離 す る 可 能 性 が 示 唆 さ れ て い る 。U O2( N O3)2･6 H2O は 、放 射 性 を 有 す る 点 と 、 試 験 に 際 し て 法 律 上 の 制 約 を 受 け る 点 か ら 、 成 立 性 の 判 断 に 十 分 な 試 行 回 数 を 満 た せ な い 課 題 が あ る た め 模 擬 物 質 を 用 い た 分 離 精 製 メ カ ニ ズ ム の 研 究 が 必 要 で あ る 。 模 擬 物 質 に よ る 簡 易 試 験 の 結 果 、 不 純 物 の 形 態 に よ り 適 切 な 分 離 精 製 プ ロ セ ス の 選 択 が 必 要 で あ る こ と を 明 ら か に し た 。
第 三 章 で は 、 第 二 章 に お い て 不 純 物 の 形 態 に よ り 分 離 精 製 プ ロ セ ス を 選 択 す る 必 要 が 生 じ た こ と か ら 、液 体 不 純 物 と し て S r ( N O3)2 を 含 有 し た 結 晶 の 冷 却 晶 析 お よ び 融 解 晶 析 に お け る 精 製 効 果 に つ い て 研 究 し た 。 不 純 物 は 実 際 の 再 処 理 工 程 に 存 在 す る 典 型 的 な 不 純 物 を 選 択 し た 。 精 製 対 象 の 母 結 晶 は 同 じ 硝 酸 塩 で あ る B a ( N O3)2 お よ び A l ( N O3)3･9 H2O を 選 択 し 、 冷 却 晶 析 に よ る 不 純 物 の 取 り 込 み 、 融 解 晶 析 に よ る 不 純 物 の 除 去 に つ い て 研 究 し た 。 そ の 結 果 、 不 純 物 濃 度 に 関 係 せ ず 冷 却 晶 析 に よ っ て 得 ら れ た 結 晶 の 除 染 係 数 が ほ ぼ 一 定 の 値 を 示 し 、 結 晶 純 度 は 原 料 溶 液 の 不 純 物 濃 度 の 影 響 を 受 け る こ と が 明 ら か に な っ た 。 し た が っ て 冷 却 晶 析 に よ り 高 純 度 の 結 晶 を 回 収 す る に は 、 原 料 の 不 純 物 濃 度 を 調 整 す る 方 法 お よ び 再 結 晶 法 が 効 果 的 で あ る こ と が 示 唆 さ れ た 。 ま た 冷 却 パ タ ー ン の 制 御 に よ り 結 晶 の 粒 径 制 御 お よ び 純 度 向 上 に つ い て 研 究 し た 。 そ の 結 果 、 冷 却 パ タ ー ン の 制 御 に よ り 結 晶 の 高 純 度 化 が 確 か め ら れ 、 高 い 除 染 係 数 を 得 た 。 ま た 、 冷 却 晶 析 に よ り 結 晶 中 に 含 有 す る 液 体 不 純 物 を 除 去 す る た め に 、 融 解 晶 析 に よ る 精 製 プ ロ セ ス を 研 究 し た 。 そ の 結 果 、 液 体 不 純 物 は 融 解 晶 析 に よ り 除 去 さ れ 、 結 晶 純 度 お よ び 除 染 係 数 の 値 が 向 上 す る こ と を 見 出 し た 。
第 四 章 で は 、 第 二 章 に お い て 不 純 物 の 形 態 に よ り 分 離 精 製 プ ロ セ ス を 選 択 す る 必 要 が 生 じ た こ と か ら 、固 体 不 純 物 と し て B a( N O3)2 が 存 在 す る 結 晶 の 冷 却 晶 析 お よ び 融 解 晶 析 に お け る 精 製 効 果 に つ い て 研 究 し た 。 不 純 物 は 実 際 の 再 処 理 工 程 に 存 在 す る 典 型 的 な 物 質 と し て B a( N O3)2 を 選 択 し 、不 純 物 挙 動 の 可 視 化 を 目 的 と し て S U S 粉 を 選 択 し た 。 精 製 対 象 の 母 結 晶 は 硝 酸 塩 と し て S r ( N O3)2 お よ び A l ( N O3)3･9 H2O を 選 択 し 、 冷 却 晶 析 に よ る 不 純 物 の 取 り 込 み 、 融 解 晶 析 に よ る 不 純 物 の 除 去 に つ い て 研 究 し た 。 そ の 結 果 、 冷 却 晶 析 に よ り 析 出 す る 固 体 不 純 物 に は 溶 解 度 の 特 性 が あ る こ と を 明 確 に し た 。 固 体 不 純 物 の 溶 解 度 は 溶 媒 の 濃 度 お よ び 他 成 分 の 溶 質 の 影 響 を 大 き く 受 け 、溶 解 度 が 著 し く 低 下 す る 機 構 が 示 唆 さ れ た 。 し た が っ て 固 体 不 純 物 の 析 出 挙 動 が 明 ら か に な り 、 冷 却 晶 析 で 析 出 す る 固 体 不 純 物 を 融 解 晶 析 に よ り 除 去 す る プ ロ セ ス を 研 究 し た 。 そ の 結 果 、 固 体 不 純 物 が 融 液 の 流 れ に 伴 っ て 下 部 へ と 移 動 す る 性 質 を 明 確 に し た 。 ま た 母 結 晶 と 比 較 し て 粒 径 の 小 さ な 固 体 不 純 物 が 攪 拌 操 作 に よ っ て 分 級 さ れ 、 下 部 へ と 移 動 す る 性 質 も 明 確 に し た 。 以 上 の 結 果 よ り 、 固 体 不 純 物 が 融 解 操 作 に よ り 分 離 精 製 さ れ 、 母 結 晶 の 高 純 度 化 が 期 待 で き る こ と を 見 出 し た 。
第 五 章 で は 、 擬 多 形 を 有 す る 有 機 物 質 と し て m y o - i n o s i t o l を 対 象 と し た 冷 却 晶 析 お よ び 貧 溶 媒 添 加 晶 析 に つ い て 、 晶 析 温 度 に よ る 結 晶 の 安 定 性 、 貧 溶 媒 の 添 加
Ｎｏ.
3
方 法 に よ る 結 晶 形 状 を 研 究 し た 。 対 象 物 質 の 溶 解 度 は 2 8 ° C 付 近 で 安 定 形 と 準 安 定 形 が 入 れ 替 わ る エ ナ ン チ オ ト ロ ピ ッ ク 系 の 溶 解 度 を 有 す る こ と を 明 ら か に し た 。 晶 析 温 度 が 2 8 ° C よ り 高 温 の 条 件 と 2 8 ° C 度 よ り 低 音 の 条 件 に お い て 、 準 安 定 形 の 種 結 晶 を 添 加 す る こ と に よ り 冷 却 晶 析 し た 結 果 、 高 温 条 件 で は 、 オ ス ト ワ ル ド の 段 階 則 に 従 っ て 、 準 安 定 形 が 安 定 形 に 転 移 す る 挙 動 を 確 認 し た 。 し か し 低 温 側 で は 、 準 安 定 形 の 種 結 晶 を 添 加 す る こ と で 安 定 形 へ の 転 移 が 確 認 さ れ な か っ た 。 ま た 、 貧 溶 媒 添 加 法 の 晶 析 に よ り 擬 多 形 結 晶 の 生 成 頻 度 が 上 昇 す る こ と が 明 ら か に さ れ 、 結 晶 形 状 と し て 双 晶 が 一 部 析 出 す る 現 象 を 見 出 し た 。 以 上 の 結 果 よ り 、 擬 多 形 の 結 晶 形 状 を 制 御 す る た め に 無 水 和 物 を 選 択 的 に 析 出 さ せ る プ ロ セ ス を 提 案 し た 。
第 六 章 で は 、 第 五 章 に て 対 象 と し た m y o - i n o s i t o l の 種 結 晶 を 貧 溶 媒 中 に 添 加 す る こ と で 生 じ る 転 移 現 象 に 着 目 し 、 転 移 速 度 を 解 析 し た 。 有 機 溶 媒 の 種 類 を パ ラ メ ー タ と し た 転 移 現 象 の 研 究 に よ り 、 親 水 基 を 有 す る 溶 媒 が 転 移 現 象 に 関 係 す る こ と を 明 ら か に し た 。 し た が っ て 親 水 基 を 有 す る 単 純 な 溶 媒 と し て 、 炭 素 鎖 の 異 な る ア ル コ ー ル 溶 媒 を 選 定 し 、 転 移 速 度 を 算 出 し た 。 そ の 結 果 、 炭 素 鎖 が 長 く な る に 従 い 、 転 移 速 度 が 遅 く な り 、 親 水 性 が 擬 多 形 転 移 に 影 響 す る こ と を 明 ら か に し た 。 こ の 結 果 を 受 け て 、 エ タ ノ ー ル と 水 の 分 率 を 任 意 に 選 定 す る こ と で 、 溶 媒 分 率 が 転 移 速 度 に 与 え る 影 響 を 研 究 し た 。 溶 媒 に お け る エ タ ノ ー ル の 分 率 が 大 き い ほ ど 転 移 速 度 が 速 く 、 エ タ ノ ー ル の 分 率 が 低 い ほ ど 転 移 速 度 が 遅 い 傾 向 を 確 認 し た 。 以 上 の 結 果 よ り 、 溶 媒 を 利 用 し て 希 望 の 擬 多 形 結 晶 を 析 出 さ せ る プ ロ セ ス に 関 す る 知 見 を 得 た 。 多 形 転 移 に 多 く の 研 究 報 告 が あ る 中 で 、 過 飽 和 度 を 生 成 す る こ と な く 溶 媒 に 種 結 晶 を 添 加 す る だ け で 希 望 す る 擬 多 形 を 選 択 的 に 晶 析 す る 新 し い プ ロ セ ス を 提 案 し た 。
第 七 章 で は 、 総 括 と 展 望 を 述 べ た 。
以 上 本 論 文 で は 、 希 望 の 品 質 を 有 す る 擬 多 形 結 晶 を 選 択 的 に 回 収 す る 晶 析 操 作 に つ い て 研 究 し た 。 希 望 の 品 質 に 高 純 度 が 希 求 さ れ る 無 機 物 質 の 擬 多 形 を 制 御 す る 手 法 と し て 、 冷 却 晶 析 に 融 解 晶 析 を 組 み 合 わ せ た 二 段 階 の 操 作 が 効 果 的 で あ る こ と を 明 ら か に し た 。 擬 多 形 を 有 す る 無 機 物 質 に 対 す る 融 解 晶 析 の 適 用 は 新 規 性 が あ り 、 特 に 固 体 不 純 物 を 分 離 す る こ と に よ り 高 純 度 結 晶 を 回 収 す る プ ロ セ ス を 確 立 す る た め の 基 礎 概 念 と し て 寄 与 す る も の で あ る 。 ま た 、 希 望 の 品 質 に 結 晶 形 状 が 希 求 さ れ る 有 機 物 質 の 擬 多 形 を 制 御 す る 手 法 と し て 、 貧 溶 媒 中 に 種 結 晶 を 添 加 す る 方 法 が 効 果 的 で あ る こ と を 明 ら か に し た 。 擬 多 形 を 有 す る 有 機 物 質 に 対 し て 、 溶 液 中 に 過 飽 和 度 を 生 じ さ せ ず 転 移 を 進 行 さ せ る 手 法 は 新 規 性 が あ り 、 希 望 の 擬 多 形 結 晶 を 回 収 す る プ ロ セ ス を 確 立 す る た め の 基 礎 概 念 と し て 寄 与 す る も の で あ る 。 本 論 文 で 提 出 し た 晶 析 工 学 に 基 づ く 擬 多 形 結 晶 の 制 御 手 法 は 高 品 位 結 晶 の 工 業 的 生 産 に お い て 新 た な 展 開 を 導 く も の で あ る 。
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 神代 瑞希 印
（２０１１年 ２月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
論文
○
○
○
○ 国際会議
Mizuki Kumashiro, Takuya Hoshino, Yoshinori, Izumi, Yusuke, Fujita and Izumi Hirasawa “Separation of solid impurity by melt crystallization of aluminum nitrate nonahydrate”, Journal of Chemical Engineering and Technology (accepted)
Mizuki Kumashiro, Syunki Saitoh, Azusa Kobayakawa and Izumi Hirasawa
“Solvent-induced transformation of myo-inositol crystal”, Journal of Chemical Engineering of Japan (accepted)
Mizuki Kumashiro, Yoshinori, Izumi, Takuya Hoshino, Yusuke, Fujita and Izumi Hirasawa “Purification of aluminum nitrate nonahydrate by melt crystallization”, Journal of Chemical Engineering of Japan, 44, 105-109(2011)
Mizuki Kumashiro, Tomoyuki Koide and Izumi Hirasawa “Formation of pseudopolymorph and irregular shape crystals in the process of myo-inositol anti-solvent crystallization”, Journal of Chemical Engineering of Japan (submitted)
Mizuki Kumashiro, Yoshinori Izumi, Takuya Hoshino, Yusuke Fujita and Izumi Hirasawa
“Separation of solid impurity by melt crystallization of aluminum nitrate nonahydrate”, 17th International Workshop on Industrial Crystallization , Halle, Germany, September (2010)
Mizuki Kumashiro, Izumi Hirasawa “Effect of impurity on cooling crystallization of nitrate”, The 4th Global COE International Symposium on Practical Chemical Wisdom
~Joint Symposium with MANA, NIMS~, Tokyo, January (2010)
Mizuki Kumashiro, Izumi Hirasawa “Effect of impurity on cooling crystallization of nitrate”, The 4th Global COE International Symposium on Practical Chemical Wisdom, Tokyo, January (2010)
Mizuki Kumashiro, Izumi Hirasawa “Two-step cooling crystallization of nitrate in the presence of impurity”, The 3rd Global COE International Symposium on Practical Chemical Wisdom, Tokyo, January (2009)
Mizuki Kumashiro, Yoshinori Izumi and Izumi Hirasawa “Effect of impurity on cooling crystallization of Strontium nitrate”, 8th International Conference on Separation Science and Technology, Karuizawa, October (2008)
Minoru Hagisawa, Mizuki Kumashiro, Tomoyuki Koide, Syunki Saitoh, Kaname Konuki and Izumi Hirasawa “Formation of pseudopolymorph and irregular shape crystals in the process of myo-inositol crystallization”, 15th International Workshop on Industrial Crystallization, Magdeburg, Germany, September (2008)
Ｎｏ.2
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
講演
星野拓也，神代瑞希，平沢 泉，“硝酸アルミニウムの融解晶析における固体不純物の分 離”，化学工学会第42回秋季大会，京都，2010年9月
神代瑞希，星野拓也，藤田裕亮，平沢 泉，“硝酸アルミニウムの融解晶析による固体不 純物の分離”，化学工学会関東支部大会，宇都宮，2010年8月
神代瑞希，泉良範，星野拓也，藤田裕亮，平沢 泉，“晶析工程における硝酸塩の結晶精 製技術に関する研究開発”，分離技術会年会2010，東京，2010年6月
藤田裕亮，神代瑞希，平沢 泉，“硝酸バリウムの結晶純度に及ぼす不純物の影響”，分 離技術会年会2010，東京，2010年6月
神代瑞希，泉良範，平沢 泉，“発汗・融解晶析法を用いた硝酸アルミニウムの精製”，
化学工学会第75回年会，鹿児島，2010年3月
星野拓也，神代瑞希，泉良範，平沢 泉，“発汗・融解晶析を用いた融解晶析による硝酸 アルミニウム結晶に及ぼす精製効果”，化学工学会第75回年会，鹿児島，2010年3月
神代瑞希，泉良範，平沢 泉，“冷却晶析法を用いた多成分溶液における硝酸塩の分離”， 化学工学会第41回秋季大会，広島，2009年9月
泉良範，神代瑞希，平沢 泉，“硝酸塩の発汗・融解による精製”，化学工学会山形大会，
山形，2009年8月
泉良範，神代瑞希，平沢 泉，“硝酸塩の発汗・融解操作による精製”，分離技術会年会 2009，東京，2009年6月
神代瑞希，小出智幸，平沢 泉，“myo-イノシトール晶析過程における結晶の擬多形およ び結晶形状”，化学工学会新潟大会，新潟，2008年7月
神代瑞希，平沢 泉，“硝酸ストロンチウムの冷却晶析に及ぼす不純物の影響”，分離技 術会年会2007，愛知，2007年6月
