[기술정보] Flow Chemistry, 장단점과 적용 가능한 솔루션

관리자
2024-05-13
조회수 706

안녕하세요, Flow Chemistry 솔루션 전문 기업인 (주)플로켐 입니다. (주)플로켐은 매주 마지막주 화요일, 고객 여러분들께 도움이 될 수 있는 기술 정보를 번역, 정리하여 뉴스레터로 보내드리고 있습니다. 이번달 주제는 요즘 다양한 분야에서 활용되는 Flow Chemistry로, Flow reactor의 장점과 단점은 무엇인지, 그리고 어떤 분야에서 어떤 Application에 활용되는지 함께 알아보고자 합니다.


1 / Flow Chemistry에 대하여


전통적으로 많은 반응 방법들이 존재하지만, 가장 꾸준히 활용되었던 방법은 역시 배치반응(Batch Reaction)입니다. 가장 간단하면서도 여러 반응을 진행할 수 있기 때문이죠. 하지만 기술이 발전하고 보다 다양한 시료에 대한 반응 니즈가 생기면서, 배치 반응으로는 수행할 수 없는 반응들이 늘어납니다. 특히 발열, 폭발 위험이 있는 반응들이 그러합니다. Batch Reaction의 경우 그 나름대로의 장점이 있지만, 안전성 측면에서는 Flow Reaction을 따라오지 못합니다. 

Flow Chemistry, 한국어로는 유동화학, 흐름화학이라고도 불리는 이 용어는 연속적인 흐름에서 실행되는 화학 반응을 의미합니다. 흐름반응, Flow Chemistry는 Batch 반응기가 가진 문제를 해결해주는 솔루션으로 각광받고 있습니다. Flow Chemistry의 장점은 높은 안전성 뿐만 아니라, 품질 관리의 개선, 탁월한 반응 결과물, 높은 효율, 그리고 장기적으로 봤을때 비용 측면에서 합리적인 관리가 가능하다는 점이 있습니다. 뿐만 아니라 최근 관심이 높아지고 있는 지속가능성(Sustainability) 측면에서도 Flow Chemistry는 혁신적입니다. 

Flow Reactor의 최대 장점은 열과 에너지 전달이 빠르다는 점입니다. 더불어 기존의 배치 반응기로는 수행이 어려웠던 반응도 위험성을 최소화하므로 안전하게 수행이 가능합니다. 특히 Flow Reaction으로 진행할 경우, 연구 설계자가 광범위한 매개 변수를 개별적으로 제어할 수 있어서 더 정교하고 안전한 실험 및 반응이 가능합니다.


💡높은 반응 수율

💡더 나은 선택성(Celectivity), 더 안전하고 효과적인 반응

💡확장(Scale-up)의 용의성

💡반응 시간 및 물질에 대한 높은 효율성

💡다양한 물질 반응시 위험 최소화

💡100% 자동화 시스템 구현 가능

💡클리닝, 유지 보수의 편리함

💡지속 가능한 프로세스


Flow Reaction에서 투입된 시약은 T자형 Mixer에서 혼합되며(아래 이미지 참조), 이를 통해서 짧은 구간에서도 확산이 가능해지며, 빠른 혼합이 가능합니다. Laminar Flow는 재현성이 높다는 점이 장점입니다. 짧은 처리 시간과 높은 재현성, 그리고 스케일업의 용이함으로 Flow Chemistry는 연구는 광범위하게 적용 가능한 솔루션으로 각광받고 있습니다. Flow Reactor의 경우 다른 시스템 또는 모듈과 결합하여 폭넓은 반응을 수행할 수 있다는 장점이 있습니다. 가장 먼저 UV 조사 장치를 추가하여 Photoreaction(광반응)을 함께 진행할 수 있습니다. 뿐만 아니라 다양한 형태의 저온용 반응모듈 / 고온용 반응모듈을 추가하여 폭넓은 온도대에서 반응을 수행할 수 있습니다. Flow Reaction 방법 자체가 발열이나 폭발 등 예기치 못한 위험 발생을 크게 줄여주는 역할을 하기 때문에, 까다로운 조건의 반응을 수월하게 진행할 수 있다는 큰 장점이 있습니다.

Flow Reactor의 원리

지난 수십년간 미국, 유럽, 일본에서는 Flow Chemistry에 대한 관심이 높아지고 있습니다. Flow Reaction Unit의 전체적인 판매량을 보면, 최근에는 이 붐이 중국에서도 일어난 것으로 보입니다. 매일 Flow Reaction을 기반으로 작성된 다양한 페이퍼와 논문들이 발표되고 있습니다. 국내에서도 Flow chemistry에 대한 관심은 지속적으로 높아지는 중입니다.


2 / Flow Reactor, 구성은 어떤가요?


Flow Reactor의 구성을 간단하게 표현하면 아래와 같습니다. 

Flow Reactor 구성

반응을 수행하되, 지속적으로 수행하는 것이 핵심입니다. 코일이나 Static Mixer, Fixed Bed Reactor 안으로 물질을 통과시켜 반응 결과물을 얻는 것이 기본으로, 이 과정에서 압이나 온도, 유속 등을 제어하여 원하는 반응 결과물을 얻을 수 있습니다. 이를 더 자세하게 도식화하면, 아래와 같습니다.

Flow Reactor 설계

흔히 Flow Reactor는 스케일업이 쉽다고 이야기합니다. 배치반응기의 경우, 반응 용량을 늘리고자 하면 반응 Vessel 사이즈를 완전히 다른 것으로 교체해야 합니다. 이에 따라 부속품이나 가열판 등 다른 설비를 바꿔야 할 때도 있죠. 하지만 Flow Reactor의 경우 시료가 지나가는 경로를 늘리거나 유속을 빠르게 조절하여 쉽게 반응 용량을 높일 수 있습니다. 그렇기에 Lab에서 주로 진행하는 소량 반응부터 Pilot, 산업용 장비 까지 효과적으로 확장이 가능하죠.  

Flow Reactor의 장점

위 이미지는 Flow Reactor와 Batch Reactor의 열 전도 차이를 비교한 표입니다. 보시는 바와 같이 Batch Reactor는 Reaction Vessel 안에 열 전달이 고르게 되지 않는다는 단점이 있습니다. 이때문에 반응 결과물의 질이 달라지죠. 하지만 Flow Reactor의 경우, 더 적은 양의 시료가 더 고르게 열에 노출되어 온도 조절이 용이하고 반응 품질이 좋아집니다. 이러한 부분때문에 반응 시간이 줄어들고 반응 결과물은 더 만족스러워지죠. 더 나아가 불필요한 시료 낭비를 줄여 비용이 절감되는 효과를 가져옵니다.


3 / Flow Reactor, 문제점은?


10년 전만 해도 Flow Reactor를 연구실에 장만하기 위해서는 많은 비용과 시간이 필요했습니다. Flow Reaction의 개념과 이론은 일찍이 정립되었지만, 그에 맞는 시스템을 구성하는데는 상당한 금액이 필요했죠. 다양한 분야에서 활용되기는 하지만, Application이 제한적인 부분도 있습니다. 굳이 Flow Reaction을 활용하지 않아도 되는 Application도 있구요. 뿐만 아니라 반응 진행 과정을 육안으로 관찰하기가 어렵다는 것도 하나의 단점입니다. 유리반응기 처럼 진행 상황을 육안으로 체크하고 조절하는 것이 불가능하죠.


다만 최근에는 다양한 제조사에서 여러가지 구성의 장비들을 출시하면서 전반적으로 가격대가 많이 낮아지는 추세입니다. 또한 기존의 일체형 장비에서 벗어나 다양한 모듈형 장비가 소개되면서 연구자가 원하는 사양으로 조합하여 제작이 가능해졌습니다. 반응기의 실시간 육안 모니터링도 코일과 믹서의 형태에 따라서 어느정도 보완이 가능해졌습니다.


Flow Chemistry가 관련 업계에서 대두된지는 꽤 되었지만, 현실적으로 폭넓게 적용 및 보급되는 것은 2010년대 이후에 활발해진 것으로 보입니다.  


4 / Applications

Application. Suzuki Coupling

Flow chemistry를 적용할 수 있는 Application은 무궁무진합니다. 다수의 Flow Reactor 제조 회사에서 이와 같은 Application 정보를 제공하고 있는데요, 다양한 시료와 조건에서의 반응 사례를 통해 여러분께서 진행하고자 하시는 반응을 계획하여 진행하실 수 있습니다. Flow Chemistry를 적용하는 대표적인 Application은 위의 이미지에 나타난 SNAr (Nucleophilic aromatic substitution works extremely well under continuous flow- through conditions), Suzuki Coupling 등이 있습니다.

Flow Reactor 전문 기업인 (주)플로켐에 문의주시면 150여 종류의 다양한 Application Note를 무료로 받아보실 수 있습니다.

Application Note 신청하기



5 / 실제로 사용되는 Flow Reaction Unit


영국은 전통적으로 Flow chemistry에 대해 꾸준한 연구를 진행하고 있는 국가입니다. 그래서 영국에는 유수의 Flow Reactor 제조 회사들이 활발하게 시스템을 개발, 생산하고 있습니다. (주)플로켐은 영국 Uniqsis사의 대한민국 공식 파트너사로, 간단한 랩용 Flow Reactor 부터 높은 처리량의 Pilot Flow Reactor까지 다양한 장비를 고객 여러분께 소개해드리고 있습니다.

Uniqsis사의 FlowSyn 시리즈는 Flow Chemistry에서 필요한 모든 종류의 실험과 연구를 진행할 수 있도록 지원합니다. 단일 반응, 자동화 반응, 연구실용 소형 장비부터 Pilot Scale의 대형 장비까지 다양한 옵션과 조합으로 구성하여 활용하실 수 있습니다. FlowSyn은 높은 반응 효율, 정교한 유속 및 온도, 압력 조절, 더 나아가 고객의 편의를 최우선으로 한 Uniqsis만의 소프트웨어로 더 편리하고 더 효과적인 연구를 지원합니다. 뿐만 아니라 Uniqsis는 전문적인 논문, 기술 자료를 주기적으로 고객 여러분께 지원하여 더 폭넓은 연구를 돕고 있습니다.

영국 Uniqsis사 Flow Reactor 자세히 보기


(주)플로켐은 영국 Uniqsis사의 대한민국 공식 파트너사로, 초소형 입문용 Flow Reactor부터 매일 kg 단위로 생산이 가능한 Pilot 시스템까지 다양한 범위의 Flow reactor를 국내에 소개해드리고 있습니다. 또한 Uniqsis사의 모듈형 Flow Reactor FlowSyn, Flow 광반응기 Borealis, Batch형 광반응기 LightHouse는 (주)플로켐에서 상시 데모장비를 구비하고 있으며, 실제로 사용하고 결정하실 수 있습니다.

Flow Reactor와 관련하여 궁금하신 부분이 있으시면 언제든지 (주)플로켐으로 문의 부탁드립니다. 감사합니다.

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