噴霧乾燥プロセスによる金属有機構造体の合成および構造・形態制御
関西大学 環境都市工学部
エネルギー環境･化学工学科
分離システム工学研究室
教授 田中 俊輔
2022年9月22日
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering1

金属有機構造体
PCP：porous coordination polymer
MOF：metal-organic framework

Pure Appl. Chem. 85 (2013) 1715.
Terminology of metal-organic frameworks and coordination polymers(IUPAC Recommendations 2013)

an open framework with potential voids
Chiral MOF

Bio-MOF (peptide-based)

Zeolitic imidazolate framework (ZIF)

Evans et al., J. Am. Chem. Soc. 123 (2001) 10395.

Rabone et al., Science 329 (2010) 1053.

Yaghi et al., Science 319 (2008) 939.

2

MOFの細孔特性
MOF

Yaghi et al., Nature 423 (2003) 705.
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

Krishna, Sep. Purif. Technol. 194 (2018) 281.

3

MOFの応用/開発動向

主要３大テーマ
吸着・分離、触媒、形態制御
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

4

MOFの多様性
金属種が多様

窒素ドナー
酸素ドナー

配位子が多様

合成手法も多様metal oxide nodes
or metal ions+organic linker unit
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

Furukawa et al., Science 341 (2013) 974.

Solvothermal
Hydrothermal
Microwave-assisted
Mechanochemical
Electrochemical…

5

MOFの合成方法
ソルボサーマルmechanochemicalelectrochemicalsolvothermal
2002

microwave
2004

hydrothermal

超音波合成

電解合成

atomic layer deposition

sonochemicalsupercritical

2006

ionothermal

2008

flow chemistry

microfluidic

2010

spray drying

vapor-phase processing

2012

2016

2014

2018

2020

aqueous-system@RT
Tanaka, ゼオライト 38 (2021) 31.

Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering6従来技術とその問題点一般的な方法はバッチ式反応でラボレベル
少量かつ長時間の合成
主要な反応溶媒は有機溶剤
大量の有機廃液が発生等の問題があり、連続合成が困難、広く利用されるまでには至っていない。

Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

7

本研究の合成法
反応溶媒：有機溶剤 → 水/アルコール系
もしくは 水スプレードライヤーをMOF合成に適用→ 食品･医薬品製造のように
mechanochemicalelectrochemicalsolvothermal
2002

microwave
2004

hydrothermal

atomic layer deposition

sonochemicalsupercritical

2006

ionothermal

2008

flow chemistry

microfluidic

2010

spray drying

vapor-phase processing

2012

2016

2014

2018

2020

aqueous-system@RT
Tanaka, Zeolite 38 (2021) 31.

Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering8

水溶液プロセス 実施例
水溶液: 2-methylimidazole (Hmim)
水溶液: Zinc salt撹拌：RT※ 溶解度：780 g/l

ZIF-8sodalite topology

粒子回収(固液分離)
洗浄、乾燥
ZIF-8 crystals

Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

Tanaka et al., Chem. Lett. 41 (2012) 1337, CrystEngComm 15 (2013) 1794.

9物質収支式

水溶液プロセスでのMOF生成条件

Hmim total = H2 mim+ + Hmim + mim− + 2 Zn mim 2Zn total = Zn2+ + Zn OH + + Zn OH 22−+ Zn OH −+ Zn mim 23 + Zn OH 4

電荷均衡式

量論比：Hmim/Zn = 2NZn

H + + H2 mim+ + 2 Zn2+ + Zn OH +− + Zn OH − + 2 Zn OH 2−= OH − + NO−
3 + mim
34Zn2+ + 2mim− ↔ Zn mim 2
𝐾𝐾ZIF =Zn mim 213.4=
10
Zn2+ OH −Tanaka et al., CrystEngComm 15 (2013) 1794.

水溶液プロセスにおける金属－配位子と金属－水分子の配位競合
配位子濃度が低いと水酸化物塩などの副生成物(不純物)が析出
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering10

噴霧乾燥支援プロセス
self-supported particle

polycrystallization

spray-dried particle
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

Tanaka et al., ACS Omega 2 (2017) 6437.

11

噴霧乾燥支援プロセス水溶液: 2-methylimidazole (Hmim)

Hmim/Zn = 2NZn

水溶液: Zinc acetate
撹拌：RT噴霧工程

feed rate: 300 ml/h 〜 400 l/h
inlet & outlet temp.: 150 ℃ & 75 ℃
spray air pressure: 70 kPa

non-porous
cross-shaped crystals

amorphous ZIF

non-porous
smooth spherical shape

結晶化

dispersion in organic solvent
room temp.
just several minutes

Zn(mim)a(Hmim)b(H2O)c (CH3COOH)dcoordinated freepolycrystalline ZIF-8
crystal-to-amorphousandamorphous-to-crystal
phase transition

インターグロース構造(多結晶体)
中空構造
hollow core

SBET ~1440 m2/gVtotal ~1.58 cm3/g

polycrystalline shell

12アモルファス→結晶転換実施例
butanol

Volume adsorbed (cc/g STP)

500

porousSBET 1300 m2/g
Vtotal 0.47 cm3/g

400

300

non-porous

non-porous
200

10000

Shunsuke TANAKA

0.2

0.4

P/P0

0.60.8Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

1

Tanaka et al., ACS Omega 2 (2017) 6437.

13微細構造の制御 実施例
一次粒子
結晶サイズ

二次粒子径(macroscopic)

吸着速度6倍RhB 12.3 Å300

qeq (µmol/g)

20017.2μmol/(g･min)polycrystalline ZIF-8

吸着容量20倍1003.4 Å

2.70μmol/(g･min)conventional ZIF-8(monocrystalline)
00 2 4 6 8 10 12Ceq (µmol/l)

14炭化水素異性体分離
実施例
ヘキサン異性体
n-hexane (0.43 nm)

吸着容量に差はない一方、吸着速度に大きな差
@45℃
n-hex

0.2

2,3-DMB

0.1

Shunsuke TANAKA

0.6
0.4
0.2

020

polycrystalline ZIF-8

0.8
2-MP

02,3-dimethylbutane (0.58 nm)

1q/qeq (−)

Adsorption capacity (g/g)

0.32-methylpentane (0.50 nm)

40
P (kPa)60

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

8000

conventional ZIF-8(monocrystalline)
200400Time (s)60015噴霧乾燥プロセスの汎用化
噴霧液滴

スラリー噴霧噴霧乾燥法

噴霧乾燥
溶媒 CD-MOF
蒸発2 µm

CD-MOF powders

従来法（蒸気拡散法）

改良法（貧溶媒晶析法）

ethanol

200 µm1 weekwater phase

CD-MOF crystals

10 µmwater phase

24 hCD-MOF crystals

methanol phase
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

16

ライフサイエンス用MOF
Triangular pore C（0.42 nm）

K++𝛾𝛾-cyclodextrin

B
Hydrophilic pore A（1.7 nm）

6個の𝛾𝛾-CDからなるキューブの内部に親水性細孔

CD-MOFの特徴

BAAB

Hydrophobic pore B（1.0 nm）

Minimal width（0.8 nm）

 両親媒性の細孔をもつ

 親水性と疎水性物質の両方を同時に内包可 結晶内拡散速度が極めて遅い

 高い比表面積（〜1000 m2/g）、高い空孔率（54%）

 水に対して易溶、アルコールやヘキサンに不溶 生分解性、生体適合性に優れる
Shunsuke TANAKA 安価

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering17

MOF-DDS(吸入製剤)
Andersen
Cascade Impactor (ACI)
CapsuleDeviceThroatFine particle
Extra-fineparticle

DeviceCapsuleDose
Flow rate
Stage：：：：：

Jethaler®
HPMC#220 mg
60 L/min 5s
2% silicone（hexane）

Emitted dose(ED)=total particle mass on all stages － mass remaining in capsule
total particle mass on all stages

Shunsuke TANAKA

Fine particle fraction (FPF)=

mass of particles on stages 2 through 7
emitted dose

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

Stage012
34
567

AerodynamicPre-separator Diameter＞11.0 μm
7.0〜11.0
4.7〜7.0
3.3〜4.7
2.1〜3.3
1.1〜2.1
0.65〜1.1
0.43〜0.65＜0.43VacuumMOF-DDS(吸入製剤)
Vapor diffusion

Poor solvent crys.

Spray drying

Levofloxacin (C18H20FN3O4)
CD-MOF

Pneumonia, Tuberculosis
Mw：370.38
mp.：226 ℃(4mg/mL)

10 µm

10 µm2 µm

10 µm

10 µm

2 µm

LVFX
CD-MOF

Vapor diffusion

Poor solvent cryst.

Spray-drying

Surface area (m2/g)

918
1172 (w/o LVFX)

1025
362 (w/o LVFX)

17.3
19.2 (w/o LVFX)

Pore volume (cm3/g)

0.40

0.49

0.04

D50 (µm)

195

81.9

4.86

Drug content (µg/mg)

－

6.46

84.03

CD-MOFの吸入特性
実施例
Deposited on stage (%)

100
Poor solvent crys.

80
60

Spray drying

40200

Stage (Aerodynamic diameter, µm)

Inhalation parameters/ Methods

Poor solvent cryst.

Spray-drying

Emitted fraction (Device – Stage 7)99.32 ± 0.34

82.83 ± 1.42

Fine Particle fraction (Stage 2 – 7)

1.89 ± 0.13

27.04 ± 2.65

Shunsuke TANAKA

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Shu et al., Cryst. Growth Des. 22 (2022) 1143.

40w/o EtOH

w/ EtOH30

amorphous

20

crystalline
結晶性(多孔性) UP!
⬇
内包量×吸入特性 UP!

10Intensity

Deposited on stage (%)

CD-MOFの吸入特性

00Stage (Aerodynamic diameter, µm)

Inhalation parameters/ Methods

1020302 theta (degree)

w/o EtOH

w/ EtOH

Surface area (m2/g)

17.3

40.3

Pore volume (cm3/g)

0.040.06

D50 (µm)

4.86

4.40

Drug content (µg/mg)

84.03

88.54

Emitted fraction (Device – Stage 7)82.83 ± 1.42

87.12 ± 0.92

Fine Particle fraction (Stage 2 – 7)

27.04 ± 2.65

35.00 ± 2.0640

新技術の特徴・従来技術との比較
 溶媒に水を使用。連続合成に成功。
 多結晶MOFの製造が可能となった結果、多彩な吸着特性が発現可能となった。
 MOFのアモルファス化を利用した構造制御とその応用、薬剤との複合化が可能となった。
 本技術の適用により、有機溶剤使用量を低減でき、粒子回収が効率化できるため、MOF製造コストが1/2～1/3程度まで削減されることが期待される。
Shunsuke TANAKA

Kansai University · Faculty of Environmental and Urban Engineering

22想定される用途
 達成された吸着特性に着目すると、炭化水素分離やCO2分離の用途に展開することも可能。
 MOFの徐放性に着目したパッケージング素材。
 バイオ医薬品、バイオ食品、生体用プローブ。
(ドラッグデリバリー、ファイトケミカル)

実用化に向けた課題と企業への期待

 種々のMOFに対する本技術の汎用性拡大が課題。
 噴霧乾燥設備を持つ、企業との共同によりMOF製造の大規模スケール化が期待できる。
 MOFの用途探索を考えている企業には本技術の導入が有効と思われる。
23

•
•
•
•
•
•
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•

本技術に関する知的財産権

発明の名称 ：多孔性錯体複合体およびその製造法
特許番号：特許第6738571号
出願人
：関西大学
発明者
：田中俊輔、宮下凌、三宅義和
発明の名称 ：金属有機構造体及びその製造方法
出願番号：特願2022-071673
出願人：関西大学、大阪医科薬科大学
発明者：田中俊輔、中島稔生、藤田脩平、門田和紀、戸塚裕一、内山博雅

産学連携の経歴

2011年－2012年 JST A-STEP フィージビリティスタディ事業に採択
2018年－2019年 JST A-STEP 機能検証フェーズ事業に採択
企業との共同研究、学術指導等：多数
Shunsuke TANAKA

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24お問い合わせ先

社会連携部

https://www.kansai-u.ac.jp/renkei/

産学官連携センター・知財センター
https://www.kansai-u.ac.jp/renkei/industry/sangakukan-mm@ml.kandai.jp
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