안녕하세요.
분리/정제/반응/추출공정 전문 기업
(주)케미스카이 입니다.
흐름 속에서 혁신을 찾다 - Flow Chemistry
복잡한 유기합성, 제약, 정밀화학 산업에서 보다 빠르고 안전하며 지속 가능한 반응 방식을 고민하고 계시나요?
지금 화학 공정의 패러다임이 '연속성(Continuity)'으로 바뀌고 있습니다.
Flow Chemistry, 즉 연속 흐름 반응은 정밀한 반응 제어, 빠른 스케일업, 그리고 안전한 공정 구현이 가능한 차세대 합성 플랫폼으로 주목받고 있습니다.
이번 시리즈에서는,
단계적으로 풀어갑니다.
오늘은 그 첫 번째 이야기, "연속 반응의 기초"를 시작합니다.
Flow Chemistry란?
Flow Chemistry는 화학 반응을 연속적으로 처리하는 프로세스로, 얇은 튜브에 시료를 흘려 연속 화학 반응을 일으키는 화학반응 분야입니다.
연구, 실험, 제약, 의학, 미용 등 다양한 분야에서 활용되며, 우리 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 기반을 제공합니다. 특히 위험한 유독성, 발열성 물질들의 실험 중 일어날 수 있는 여러 사고를 막을 수 있으며 더욱 안전한 연구 및 효과적인 제어 방식을 통해 작은 실험실에서 합성 조건을 생산용까지 적용할 수 있습니다.
연속식 반응기(Flow Reactor)와 배치식 반응기(Batch Reactor)의 차이점
연속식 반응기는 기존 일반형 반응기에서 할 수 없었던 고위험 물질 반응 (강산, 염기 등)과 극한 조건에서의 반응(고온, 저온)을 안전하고 효과적으로 제어하며, 시료를 소량씩 지속적으로 공급하여 유도하기 때문에 위험 물질 반응으로 인한 폭발, 화재로부터 안전합니다.
일반형 반응은 하나의 공정이 끝난 후 다른 공정을 진행할 때 분석, 정제 등 사용자의 별도의 추가 작업이 필요하지만, 연속식 반응에서는 반응부터 분석, 정제까지 하나의 공정으로 간편하게 수행할 수 있습니다.
[표] 연속식 반응기와 배치식 반응기의 차이점
| 연속식 반응기 (Flow Reactor) | 배치식 반응기 (Batch Reactor)
|
| 낮은 위험성 | 높은 위험성 |
| 일정한 온도 | 일정하지 않은 온도 |
| 높은 반응 수율 | 낮은 반응 수율 |
| 광범위한 온도, 압력 범위 | 좁은 온도, 압력 범위 |
연속식 반응기의 장점
정밀 화학 물질의 연속식 반응기가 전통적인 배치식 반응기와 비교하여 갖는 장점은 다음과 같습니다.
1 위험 물질을 취급할 때 더 안전한 반응
연속식 반응기의 높은 표면적 대 부피 비율은 열 제거 효율을 향상시킵니다. 이는 고열 방출 반응을 안전하게 제어할 수 있도록 합니다. 연속식 반응기는 위험한 중간체를 순간적으로 소량 생성한 경우 원하는 (그리고 덜 위험한) 제품을 얻기 위해 반응시킬 수 있습니다. 연속식 공정에서는 배치식 공정과 비교할 때 특정 시점에 처리되는 위험 물질의 재고량을 최소화할 수 있습니다.
2 가스 발생을 동반한 반응 시 안전성 향상
가스 발생을 동반하는 반응은 연속식 반응 공정에서 훨씬 안전합니다. 가스 발생 속도는 반응물에 펌핑 되는 속도에 의해 제한되기 때문입니다. 배치식 반응기에서 모든 반응물이 동시에 존재할 경우, 반응이 '통제 불능' 상태가 되면 가스 발생 속도가 통제되지 않아 폭발로 이어질 수 있습니다.
3 고압에서의 안전한 반응
연속식 반응기는 '헤드 스페이스(Head Space)'가 필요하지 않습니다. 전통적인 배치식 반응기에서는 액체 위쪽에 빈 공간(헤드 스페이스) 가 있어, 반응 중 발생하는 가스나 증기가 이 공간에 차고, 반응기 내 압력도 이 가스를 압축하면서 조절됩니다. 하지만 이는 압축된 가스/증기의 부피가 커질수록 폭발 위험도 증가하게 됩니다.
반면, 연속식 반응기에서는 배압 조절기(BPR)를 사용해 압력을 제어하기 때문에 헤드 스페이스가 필요 없습니다. 반응기 내부에 가스가 쌓여 압력을 높이는 방식이 아니라, 배압 조절기를 통해 원하는 압력 수준을 정확하게 맞출 수 있어 고압가스나 증기와 관련된 위험을 줄일 수 있습니다.
4 배치식 반응기에서는 불가능한 반응 조건 수행
배치식 반응기는 한 번에 한 단계씩 반응을 진행해야 하고, 각 단계가 끝나면 중간 생성물을 꺼내고 다음 반응을 준비해야 합니다. 이런 방식으로는 매우 짧은 시간 (몇 초 이하) 안에 일어나는 빠른 반응이나 반응성 높은 중간체(unstable intermediates)를 다루기가 어렵습니다.
반면에, 연속식 반응기는 반응 시간을 몇 초 이하로도 정밀하게 조절할 수 있어서, 순간적으로 생성되는 중간체를 바로 다음 반응 단계로 넘겨서 처리할 수 있습니다. 따라서 중간체를 꺼내서 별도로 분리∙︎정제하는 복잡한 과정을 생략할 수 있고, 연속적인 다단계 반응이나 중첩된 복잡한 유기합성도 효과적으로 수행할 수 있습니다.
5 더 빠른 반응 속도
연속식 반응기는 쉽고 안전하게 압력을 가할 수 있습니다(Vapourtec 사의 R-Series는 반응기 압력 200bar를 달성할 수 있습니다). 이는 용매의 정상 끓는점보다 훨씬 높은 반응 온도 (예: 에탄올을 사용한 액상 반응 시 250°C)를 가능하게 하여, 환류 조건 하에서보다 1,000배 이상 빠른 반응 속도를 제공합니다.
6 손쉬운 스케일업
배치식 반응의 스케일업 어려움은 잘 알려져 있습니다. 연속식 반응기를 이용한 생산은 단순히 더 오래 작동하거나 더 높은 유속과 이에 상응하는 더 큰 반응기를 사용함으로써 훨씬 쉽게 스케일업할 수 있습니다. 그러나 더 큰 반응기에서의 질량 전달 및 열전달 요구사항을 고려해야 합니다.
7 연속식 반응기를 이용한 광화학 반응의 장점
전통적인 배치식 반응기에서 광화학 반응을 할 때 가장 큰 문제는 스케일업(대량 생산 확대)이 어렵다는 점입니다. 빛이 반응 용액 깊숙이 침투하지 못하거나, 용액이 고르게 빛을 받지 못해 반응 효율이 떨어지기 때문입니다.
하지만 연속식 반응기를 사용하면 광화학 반응을 훨씬 효율적이고 안전하게 진행할 수 있습니다.
주요 장점은 다음과 같습니다.
- 반응 생성물이 빛을 받는 구역(조사 영역)을 지나면 바로 제거되기 때문에, 불필요하게 오래 빛을 쬐는 일이 없습니다. → 과반응 방지
- 얇은 유로(Flow Channel)를 통해 빛이 쉽게 침투하고, 용액도 잘 혼합됩니다. → 광자 침투 깊이 문제 해결
- 램프 근처에 위치한 용매의 양이 매우 적어 고온의 램프 열로 인한 안전 위험도 줄어듭니다. → 과열/화재 위험 감소
또한, 연속식 광화학 반응을 통해 단일 상태(Single State)와 삼중 상태(Triple State)를 이용하는 복잡한 반응 경로도 안정적으로 구현할 수 있어, 강력한 유기합성 도구로 활용됩니다.
8 다운스트림 공정 통합
다운스트림 공정, 정제∙︎분석은 연속식 공정 내에서 통합될 수 있습니다. 수성 정제(aqueous workup), 금속 제거 칼럼, 이온 교환 수지 등과 같은 작업은 연속식 공정 내에 추가될 수 있습니다. 또한 UV, 전도도, pH, 심지어 FTIR과 같은 온라인 분석 기술은 쉽게 구현될 수 있습니다. LC/MS와 같은 오프라인 기술은 자동 분획 수집을 통해, 또는 샘플링 밸브/희석기를 사용하여 실시간 분석에 접근한 결과를 얻기 위하여 통합될 수 있습니다.
9 반응 최적화 및 시약 스크리닝
연속식 반응에 자동화를 추가하면 반응 조건을 빠르게 변동할 수 있으며, Vapourtec 반응기를 사용해 500µ l의 용액으로 소규모 반응을 수행할 수 있으며, 반응 비율, 반응 시간, 온도 등 파라미터를 빠르게 변동할 수 있습니다. 반응 사이마다 용매를 사용해 반응기를 세척합니다. 이 방식으로 동역학 데이터를 신속하게 도출할 수 있습니다. 시스템에 자동 샘플러를 추가하면 각 반응마다 시약을 무인 자동 방식으로 변경할 수 있어 라이브러리 합성 또는 시약/촉매 스크리닝이 가능합니다.
이처럼 연속식 반응은 기존 배치식 방식으로는 어려웠단 고위험∙︎고정밀 화학 합성을 더 안전하고, 더 빠르게, 더 효율적으로 가능하게 합니다.
하지만 실제 실험에서는 어떤 장비들이 필요할까요?
다음 편에서는
- 연속 반응 장비의 구성 요소와
- 각 장비들이 어떻게 유기적으로 작동하는지,
- Flow Chemistry를 실현하는 핵심 구성요소들을 하나씩 짚어드립니다.
2편 연속 반응 장비 구성도 많은 관심 부탁드립니다. 감사합니다.
안녕하세요.
분리/정제/반응/추출공정 전문 기업
(주)케미스카이 입니다.
복잡한 유기합성, 제약, 정밀화학 산업에서 보다 빠르고 안전하며 지속 가능한 반응 방식을 고민하고 계시나요?
지금 화학 공정의 패러다임이 '연속성(Continuity)'으로 바뀌고 있습니다.
Flow Chemistry, 즉 연속 흐름 반응은 정밀한 반응 제어, 빠른 스케일업, 그리고 안전한 공정 구현이 가능한 차세대 합성 플랫폼으로 주목받고 있습니다.
이번 시리즈에서는,
연속 반응의 기본 원리부터
주요 장비와 기술 소개
Photochemistry, Electrochemistry 등 특수 응용 사례
그리고 실험실에서 공장까지 이어지는 스케일업 전략까지
단계적으로 풀어갑니다.
오늘은 그 첫 번째 이야기, "연속 반응의 기초"를 시작합니다.
Flow Chemistry는 화학 반응을 연속적으로 처리하는 프로세스로, 얇은 튜브에 시료를 흘려 연속 화학 반응을 일으키는 화학반응 분야입니다.
연구, 실험, 제약, 의학, 미용 등 다양한 분야에서 활용되며, 우리 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 기반을 제공합니다. 특히 위험한 유독성, 발열성 물질들의 실험 중 일어날 수 있는 여러 사고를 막을 수 있으며 더욱 안전한 연구 및 효과적인 제어 방식을 통해 작은 실험실에서 합성 조건을 생산용까지 적용할 수 있습니다.
연속식 반응기는 기존 일반형 반응기에서 할 수 없었던 고위험 물질 반응 (강산, 염기 등)과 극한 조건에서의 반응(고온, 저온)을 안전하고 효과적으로 제어하며, 시료를 소량씩 지속적으로 공급하여 유도하기 때문에 위험 물질 반응으로 인한 폭발, 화재로부터 안전합니다.
일반형 반응은 하나의 공정이 끝난 후 다른 공정을 진행할 때 분석, 정제 등 사용자의 별도의 추가 작업이 필요하지만, 연속식 반응에서는 반응부터 분석, 정제까지 하나의 공정으로 간편하게 수행할 수 있습니다.
[표] 연속식 반응기와 배치식 반응기의 차이점
정밀 화학 물질의 연속식 반응기가 전통적인 배치식 반응기와 비교하여 갖는 장점은 다음과 같습니다.
1 위험 물질을 취급할 때 더 안전한 반응
연속식 반응기의 높은 표면적 대 부피 비율은 열 제거 효율을 향상시킵니다. 이는 고열 방출 반응을 안전하게 제어할 수 있도록 합니다. 연속식 반응기는 위험한 중간체를 순간적으로 소량 생성한 경우 원하는 (그리고 덜 위험한) 제품을 얻기 위해 반응시킬 수 있습니다. 연속식 공정에서는 배치식 공정과 비교할 때 특정 시점에 처리되는 위험 물질의 재고량을 최소화할 수 있습니다.
2 가스 발생을 동반한 반응 시 안전성 향상
가스 발생을 동반하는 반응은 연속식 반응 공정에서 훨씬 안전합니다. 가스 발생 속도는 반응물에 펌핑 되는 속도에 의해 제한되기 때문입니다. 배치식 반응기에서 모든 반응물이 동시에 존재할 경우, 반응이 '통제 불능' 상태가 되면 가스 발생 속도가 통제되지 않아 폭발로 이어질 수 있습니다.
3 고압에서의 안전한 반응
연속식 반응기는 '헤드 스페이스(Head Space)'가 필요하지 않습니다. 전통적인 배치식 반응기에서는 액체 위쪽에 빈 공간(헤드 스페이스) 가 있어, 반응 중 발생하는 가스나 증기가 이 공간에 차고, 반응기 내 압력도 이 가스를 압축하면서 조절됩니다. 하지만 이는 압축된 가스/증기의 부피가 커질수록 폭발 위험도 증가하게 됩니다.
반면, 연속식 반응기에서는 배압 조절기(BPR)를 사용해 압력을 제어하기 때문에 헤드 스페이스가 필요 없습니다. 반응기 내부에 가스가 쌓여 압력을 높이는 방식이 아니라, 배압 조절기를 통해 원하는 압력 수준을 정확하게 맞출 수 있어 고압가스나 증기와 관련된 위험을 줄일 수 있습니다.
4 배치식 반응기에서는 불가능한 반응 조건 수행
배치식 반응기는 한 번에 한 단계씩 반응을 진행해야 하고, 각 단계가 끝나면 중간 생성물을 꺼내고 다음 반응을 준비해야 합니다. 이런 방식으로는 매우 짧은 시간 (몇 초 이하) 안에 일어나는 빠른 반응이나 반응성 높은 중간체(unstable intermediates)를 다루기가 어렵습니다.
반면에, 연속식 반응기는 반응 시간을 몇 초 이하로도 정밀하게 조절할 수 있어서, 순간적으로 생성되는 중간체를 바로 다음 반응 단계로 넘겨서 처리할 수 있습니다. 따라서 중간체를 꺼내서 별도로 분리∙︎정제하는 복잡한 과정을 생략할 수 있고, 연속적인 다단계 반응이나 중첩된 복잡한 유기합성도 효과적으로 수행할 수 있습니다.
5 더 빠른 반응 속도
연속식 반응기는 쉽고 안전하게 압력을 가할 수 있습니다(Vapourtec 사의 R-Series는 반응기 압력 200bar를 달성할 수 있습니다). 이는 용매의 정상 끓는점보다 훨씬 높은 반응 온도 (예: 에탄올을 사용한 액상 반응 시 250°C)를 가능하게 하여, 환류 조건 하에서보다 1,000배 이상 빠른 반응 속도를 제공합니다.
6 손쉬운 스케일업
배치식 반응의 스케일업 어려움은 잘 알려져 있습니다. 연속식 반응기를 이용한 생산은 단순히 더 오래 작동하거나 더 높은 유속과 이에 상응하는 더 큰 반응기를 사용함으로써 훨씬 쉽게 스케일업할 수 있습니다. 그러나 더 큰 반응기에서의 질량 전달 및 열전달 요구사항을 고려해야 합니다.
7 연속식 반응기를 이용한 광화학 반응의 장점
전통적인 배치식 반응기에서 광화학 반응을 할 때 가장 큰 문제는 스케일업(대량 생산 확대)이 어렵다는 점입니다. 빛이 반응 용액 깊숙이 침투하지 못하거나, 용액이 고르게 빛을 받지 못해 반응 효율이 떨어지기 때문입니다.
하지만 연속식 반응기를 사용하면 광화학 반응을 훨씬 효율적이고 안전하게 진행할 수 있습니다.
주요 장점은 다음과 같습니다.
또한, 연속식 광화학 반응을 통해 단일 상태(Single State)와 삼중 상태(Triple State)를 이용하는 복잡한 반응 경로도 안정적으로 구현할 수 있어, 강력한 유기합성 도구로 활용됩니다.
8 다운스트림 공정 통합
다운스트림 공정, 정제∙︎분석은 연속식 공정 내에서 통합될 수 있습니다. 수성 정제(aqueous workup), 금속 제거 칼럼, 이온 교환 수지 등과 같은 작업은 연속식 공정 내에 추가될 수 있습니다. 또한 UV, 전도도, pH, 심지어 FTIR과 같은 온라인 분석 기술은 쉽게 구현될 수 있습니다. LC/MS와 같은 오프라인 기술은 자동 분획 수집을 통해, 또는 샘플링 밸브/희석기를 사용하여 실시간 분석에 접근한 결과를 얻기 위하여 통합될 수 있습니다.
9 반응 최적화 및 시약 스크리닝
연속식 반응에 자동화를 추가하면 반응 조건을 빠르게 변동할 수 있으며, Vapourtec 반응기를 사용해 500µ l의 용액으로 소규모 반응을 수행할 수 있으며, 반응 비율, 반응 시간, 온도 등 파라미터를 빠르게 변동할 수 있습니다. 반응 사이마다 용매를 사용해 반응기를 세척합니다. 이 방식으로 동역학 데이터를 신속하게 도출할 수 있습니다. 시스템에 자동 샘플러를 추가하면 각 반응마다 시약을 무인 자동 방식으로 변경할 수 있어 라이브러리 합성 또는 시약/촉매 스크리닝이 가능합니다.
이처럼 연속식 반응은 기존 배치식 방식으로는 어려웠단 고위험∙︎고정밀 화학 합성을 더 안전하고, 더 빠르게, 더 효율적으로 가능하게 합니다.
하지만 실제 실험에서는 어떤 장비들이 필요할까요?
다음 편에서는
2편 연속 반응 장비 구성도 많은 관심 부탁드립니다. 감사합니다.