早稲田大学大学院先進理工学研究科博士論文審査報告書論文題目 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 2011 年化学工学研究 2 月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り、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。従って、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。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重要となる。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。擬多形結晶を選択的に回収する晶析プロセスを確立するために、転移挙動や溶媒和物の安定性に関する知見を整理することはきわめて重要と言える。以上の点を踏まえて、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ている。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、適切なプロセスと制御手法を提案した。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で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で過飽和度を生成させることなく転移させるプロセスを晶析工学の観点から提案しようとしている。本論文は全七章より構成されており、以下にその審査結果を記述する。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・体系化している。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、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ている。第二章では、擬多形を有する無機物質として UO 2(NO3 )2･6H2O 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ている。U O 2 ( N O 3 ) 2 ･ 6 H 2 O は抽出に特化した再処理プロセスにより回収･再利用されているが、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ことを明示している。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の可能性を見出すに至った。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を見出した。U O 2 ( N O 3 ) 2 ･ 6 H 2 O 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 1 必要であとしている。この結果、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見出した点は、価値が高い。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 O 3 ) 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を進めた。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ている。精製対象の母結晶は同じ硝酸塩である Ba (NO3) 2 および Al(NO3) 3･9H2O 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・解析した。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。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を見出したことは、意義深い。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ている。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。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ことは、新規な効果的操作の提案に貢献している。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 O 3 ) 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ている。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 O 3 ) 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 Sr(NO3)2 および Al(NO3)3･9H2O 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検討した。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を見出した。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提案した。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ことは、独創的で新規な成果であり、高く評価できる。第五章では、擬多形を有する有機物質として myo- inosit ol 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、貧溶媒の添加方法による結晶形状を研究している。対象物質 28°C 付近で安定形 2 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 28°C より高温条件では、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見出した。低温側では、準安定形の種結晶を添加しても、安定形への転移が確認されなかった。さらに、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し、結晶形状として双晶が一部析出する現象を見出した。この結果、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ことは工学的価値がある。第六章では、第五章にて対象とした my o- inosit ol 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。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見出した。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評価した。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見出した。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。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という新しいプロセスを提案したことは、きわめて独創的で意義ある成果と言える。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プロセスを研究している。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。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。さらに、過飽和溶液を用いることなく、効果的に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盤的概念になり得る。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見出すものである。よって、本論文は博士（工学）の学位論文として価値あるものと認める。 2 0 11 年 2 月審査員（主査）早稲田大学工学博士（早稲田大学）平澤早稲田大学工学博士（早稲田大学）酒井清孝 Martin― Luther 大学 Ph.D 3 泉 . Joachim Url ich