JP2007252979A - Method for manufacturing compound by micro-reactor, its micro-reactor and distributor for micro-reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の溶液をマイクロ流路内で反応させて、化合物を製造するためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器に関する。更に詳しくは、溶液を複数のセグメントに細分化して化学反応用のマイクロ流路内に供給して、効率的に化学反応を行うための化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器に関する。 The present invention relates to a method for producing a compound by a microreactor for producing a compound by reacting a plurality of solutions in a microchannel, the microreactor, and a shunt for the microreactor. More specifically, the present invention relates to a method for producing a compound for efficiently performing a chemical reaction by subdividing a solution into a plurality of segments and supplying the solution into a microchannel for chemical reaction, and a microreactor and a shunt for the microreactor. .
化合物の生産や製造においては、化学反応試料の供給、混合、反応活性化のための熱供給、熱除去、触媒反応の効率化等、化学反応の反応制御を向上させることに日々努力が重ねられている。反応制御の向上によって、生産安全性、反応生成物の収率、反応生成物の純度、有用な高活性中間生成物の単離の向上が可能になる。 In the production and production of chemical compounds, efforts are made every day to improve the chemical reaction reaction control, such as supply of chemical reaction samples, mixing, heat supply for reaction activation, heat removal, and efficient catalytic reaction. ing. Improved reaction control allows for improved production safety, reaction product yield, reaction product purity, and isolation of useful highly active intermediate products.
従来から化学反応には大きな反応槽が用いられることが一般的である。近年は、微細な粒子を生成する装置として、マイクロリアクタ、又はマイクロミキサー等に代表される複数の溶液供給管に繋がったマイクロ流路内で、化学反応を行う装置の研究が行われている。これらの装置を用いた化学反応の効率化、新規化合物の創製等を目的とする研究が注目されている。このマイクロミキサー又はマイクロリアクタは、サブマイクロメータからミリメータまでのオーダーの内径を有する狭い流路内で、複数の流体の拡散、混合で化学反応を起こすものである。 Conventionally, a large reaction tank is generally used for chemical reaction. In recent years, as a device for generating fine particles, a device for performing a chemical reaction in a micro flow channel connected to a plurality of solution supply pipes typified by a microreactor or a micromixer has been studied. Research aimed at increasing the efficiency of chemical reactions using these devices and creating new compounds has attracted attention. This micromixer or microreactor causes a chemical reaction by diffusion and mixing of a plurality of fluids in a narrow flow path having an inner diameter on the order of submicrometers to millimeters.
複数の流体を混合する目的のものは、マイクロミキサーと定義されることが一般的である。マイクロリアクタは、複数の流体を拡散、混合し、又は混合しながら化学反応を行うためのものである。以後は、マイクロリアクタはマイクロミキサーを含むものとして説明する。 The object for mixing a plurality of fluids is generally defined as a micromixer. The microreactor is for performing a chemical reaction while diffusing, mixing, or mixing a plurality of fluids. Hereinafter, the microreactor will be described as including a micromixer.
流路を小さくすると流路内の液体の熱容量が小さくなるので、マイクロリアクタを構成する他部から流路への熱交換を速やかに行うことが可能になる。これにより流路内の化学反応の温度制御が容易にできる。また、マイクロリアクタは高効率で、流路内を流れている溶液相間の化学反応を制御することが可能な点で、化学合成、新規化合物の造成、各種の試料の分析や解析等に革新的な変革をもたらすものとして大きく期待されている。 If the flow path is made smaller, the heat capacity of the liquid in the flow path is reduced, so that heat exchange from other parts constituting the microreactor to the flow path can be performed quickly. Thereby, temperature control of the chemical reaction in the flow path can be easily performed. In addition, the microreactor is highly efficient and can control chemical reactions between the solution phases flowing in the flow path, so it is innovative for chemical synthesis, creation of new compounds, analysis and analysis of various samples, etc. It is highly expected to bring about change.
アクティブな化学反応制御装置としては、マグネチックスターラ等のような微小な領域を機械的に混合することにより、迅速な混合を行っているものがある。マグネチックスターラは、反応液が入っている容器の中に棒状、又は板状の撹拌用の永久磁石を配置している。容器の外側に配置された駆動用の永久磁石をモータによって駆動すると、その磁力を受けて撹拌用の永久磁石が回転して、反応液を撹拌し、その反応を促すものである。 Some active chemical reaction control devices perform rapid mixing by mechanically mixing minute regions such as a magnetic stirrer. In the magnetic stirrer, a rod-like or plate-like permanent magnet for stirring is arranged in a container containing a reaction solution. When a driving permanent magnet disposed outside the container is driven by a motor, the stirring permanent magnet is rotated by receiving the magnetic force to stir the reaction solution and promote the reaction.
特許文献1には、粒子径1μm〜1mmのマイクロ流路を用いたナノ粒子の製造方法が開示されている。詳しくは、マイクロ流路内に粒子形成用の前駆体含有溶液を、連続的に供給しながら反応開始温度までに急速加熱し、反応を行わせたのち、急速冷却してナノ粒子を製造するものである。この製造方法は、加熱温度と時間制御をすることにより粒径を制御するものである。 Patent Document 1 discloses a method for producing nanoparticles using a microchannel having a particle diameter of 1 μm to 1 mm. Specifically, a precursor-containing solution for forming particles in a microchannel is rapidly heated to the reaction start temperature while being continuously supplied, and the reaction is performed, followed by rapid cooling to produce nanoparticles. It is. In this manufacturing method, the particle size is controlled by controlling the heating temperature and time.
特許文献2には、マイクロリアクタの構造が開示されている。マイクロリアクタのマイクロ流路に、流体A、Bを流体導入部から合流させて分子拡散により複合反応を行わせている。このとき、マイクロ流路の入口の径方向断面において、流体A、Bを複数の流体セグメントA、Bに分割して合流させ、これらの流体セグメントA、Bを層流として流通させつつ分子拡散により混合して複合反応を行わせる。 Patent Document 2 discloses a structure of a microreactor. The fluids A and B are merged from the fluid introduction part into the microchannel of the microreactor, and a complex reaction is performed by molecular diffusion. At this time, in the radial cross section at the inlet of the microchannel, the fluids A and B are divided into a plurality of fluid segments A and B and merged, and these fluid segments A and B are circulated as a laminar flow by molecular diffusion. Mix to allow complex reaction.
また、可動部、動力部を持たない化学反応制御装置としては、スタティックミキサー等がある。スタティックミキサーは、管内を流れる混合液の流れを複雑にして混合を促すためのものである。スタティックミキサーは、長方形の板状のエレメントをねじって管内に配置し、混合液はこのエレメントを通過するごとにその流れが変わるものである。例えば、混合液がこのエレメントを通過するとき分割されたり、エレメントのねじれに沿って管の中央部から壁部へ、または、壁部から中央部へと替えられる。 Further, as a chemical reaction control device having no movable part and no power part, there is a static mixer or the like. The static mixer is intended to facilitate mixing by complicating the flow of the mixed liquid flowing in the pipe. In the static mixer, a rectangular plate-like element is twisted and arranged in a pipe, and the flow of the mixed liquid changes every time it passes through the element. For example, the liquid mixture is split as it passes through the element, or is changed from the center of the tube to the wall or from the wall to the center along the twist of the element.
乱流ではなくカオス対流を用いた混合、反応器としてはカオス式ミキサーがある。特許文献3には、カオス式ミキサーを開示している。スタティックミキサー等では、基本的に、複数溶液の層流を交互に重ねることにより、混合を行う。カオス式ミキサーは、複数溶液の層流を3次元的に折り重ねることにより混合をおこなう。 There is a chaotic mixer as a mixing / reactor using chaotic convection instead of turbulent flow. Patent Document 3 discloses a chaotic mixer. In a static mixer or the like, basically, mixing is performed by alternately laminating a plurality of laminar flows. A chaotic mixer performs mixing by three-dimensionally folding a laminar flow of a plurality of solutions.
非特許文献1のセラミックマイクロリアクタは、層流で流れている2種類の反応溶液でナノ粒子を生成している。非特許文献2のジグザグ形のチャネルは、2種類の溶液を注入して、ナノ粒子を生成している。
非特許文献3のマイクロリアクタは、2重管を用いて同心円状の液の流れを作り、内側の液の中のみで粒子を合成することにより、合成された粒子が管壁に付着するのを抑止している。
The microreactor of Non-Patent Document 3 uses a double tube to create a concentric liquid flow and synthesize the particles only in the inner liquid to prevent the synthesized particles from adhering to the tube wall. is doing.
1秒以下の時間で反応が進行するようなナノ粒子合成反応、即ち、タンニン酸及びクエン酸を還元剤とする金ナノ粒子の合成反応や、貧溶媒の添加による晶析反応等では、混合が不均一な時点での反応の進行があると、反応が不均一になる。このため、析出速度が速く、沈殿剤と原料の反応時間に比べて十分に短時間で均一に混合する必要がある。しかし、従来から、反応器として攪拌タンク等を用いたバッチ方式の合成法では、容器の容積が大きくなると、溶液間の混合は、センチメーターオーダーのマクロ混合、ミリメーターオーダーのメゾ混合、マイクロメーターオーダーのマイクロ混合の順に混合がなされる。このために、溶液間の混合に時間がかかる。 In a nanoparticle synthesis reaction in which the reaction proceeds in a time of 1 second or less, that is, a gold nanoparticle synthesis reaction using tannic acid and citric acid as a reducing agent, a crystallization reaction by addition of a poor solvent, etc., mixing is performed. If the reaction proceeds at a non-uniform time, the reaction becomes non-uniform. For this reason, the deposition rate is fast, and it is necessary to mix uniformly in a sufficiently short time compared to the reaction time of the precipitant and the raw material. However, conventionally, in the batch-type synthesis method using a stirring tank or the like as a reactor, when the volume of the container increases, mixing between the solutions can be performed in centimeter order macro mixing, millimeter order meso mixing, or micrometer. Mixing is performed in the order of order micromixing. For this reason, it takes time to mix the solutions.
一方で、最近開発されたマイクロリアクタによる拡散混合は、混合時間が反応種の拡散速度に規定される。層流下の溶液の拡散による混合速度は、次のペクレ数Peを用いて求めることができる。
Pe=Dt/L2 …(式1)
ただし、D[m2/s]は拡散係数、t[s]は時間、L[m]は拡散のための長さ(管径)である。
On the other hand, in the recently developed diffusion mixing by the microreactor, the mixing time is defined by the diffusion rate of the reactive species. The mixing speed by the diffusion of the solution under laminar flow can be obtained using the following Peclet number Pe.
Pe = Dt / L 2 (Formula 1)
However, D [m 2 / s] is a diffusion coefficient, t [s] is time, and L [m] is a length (tube diameter) for diffusion.
完全混合するためには、ペクレ数Peが1になることが条件であり、時間tが
t<L2/D …(式2)
の時間で完全に混合する。また、拡散係数Dは、次のストークス−アインシュタインの式で大まかに計算可能である。
D=kT/(6πηα) …(式3)
ただし、k[J/K]はボルツマン定数、T[K]は絶対温度、η[Pa・s]は粘性係数、α[m]は粒子径又は分子の拡散径である。
For complete mixing, the condition is that the Peclet number Pe is 1, and the time t is t <L 2 / D (Equation 2)
Mix thoroughly in time. The diffusion coefficient D can be roughly calculated by the following Stokes-Einstein equation.
D = kT / (6πηα) (Formula 3)
Where k [J / K] is the Boltzmann constant, T [K] is the absolute temperature, η [Pa · s] is the viscosity coefficient, and α [m] is the particle diameter or molecular diffusion diameter.
式3においては、拡散係数Dは粒子径αに反比例する。例えば、水中の(粒子径α=)0.3nmの大きさの分子の拡散係数Dは、約10−9m2/sになる。(粒子径α=)3nmのときは、拡散係数Dは10−10m2/sになる。これから、2秒で完全混合させるための層幅は、0.3nmの際には30μm、3nmの際には10μmになる。よって、低分子(大きさ0.3nm程度)の場合には、10秒以下で完結する反応に関しては、30μm以下の層厚であることが望ましい。 In Equation 3, the diffusion coefficient D is inversely proportional to the particle diameter α. For example, the diffusion coefficient D of a molecule having a size of 0.3 nm (particle diameter α =) in water is about 10 −9 m 2 / s. When (particle diameter α =) 3 nm, the diffusion coefficient D is 10 −10 m 2 / s. From this, the layer width for complete mixing in 2 seconds is 30 μm at 0.3 nm and 10 μm at 3 nm. Therefore, in the case of a low molecule (size of about 0.3 nm), a layer thickness of 30 μm or less is desirable for a reaction that is completed in 10 seconds or less.
しかしながら、この場合でも数秒程度で反応が十分に(反応の種類にもよるが、例えば、最終的な収率の数10%程度)進行するような場合では、式1から考えて、拡散長Lを数μm若しくはそれ以下のオーダーに低下させなければならない。このため、反応中間体又は反応生成物が副次的反応に関与する場合や、晶析速度がサブ秒以下の速い晶析反応等では、混合が不均一な時点が起こり、複生成物の生成、粒子径分布の増大や凝集等が起こりやすいという問題がある。 However, even in this case, in the case where the reaction proceeds sufficiently in a few seconds (depending on the type of reaction, for example, about several tens of percent of the final yield), the diffusion length L Must be reduced to the order of a few μm or less. For this reason, when reaction intermediates or reaction products are involved in secondary reactions, or in crystallization reactions where the crystallization speed is sub-second or less, mixing occurs at a point in time, resulting in the formation of multiple products. There is a problem that the particle size distribution is likely to increase or agglomerate.
更に、管型反応器の場合、反応器の壁に生成物、原料物質、副生成物等が接触するとそれらが析出し、連続的操業が妨げられることもある。しかしながら、スタティックミキサーでは、流れ方向に垂直な方向でのフローパターンは、一次元的にしか制御できない。また、カオス式ミキサーは、基本的には層流を3次元的に折りたたむということを行うが、複雑な構造であるために、特に流速が高くなると部分的に乱流を起こしやすく、そのために、反応器壁への反応種の接触が起こりやすい。アクティブなマイクロミキサーは、基本的に乱流であり、反応器壁への反応種の接触を妨げることは難しい。 Furthermore, in the case of a tubular reactor, when a product, a raw material, a by-product, or the like comes into contact with the wall of the reactor, they may precipitate, preventing continuous operation. However, in the static mixer, the flow pattern in the direction perpendicular to the flow direction can be controlled only one-dimensionally. In addition, the chaotic mixer basically performs a three-dimensional folding of the laminar flow, but because of its complicated structure, it tends to cause partial turbulence especially when the flow velocity is high. Reactant species are likely to contact the reactor wall. Active micromixers are essentially turbulent and difficult to prevent reactants from contacting the reactor walls.
上記に挙げたスタティックミキサー等では、層界面が容器の壁面に接触するので、異なる溶液の接触により生じた界面も容器の壁面と接触する。このように容器の壁面と接触すると、層界面での反応により生じた生成物が管壁へ付着したり、この生成物と管壁の反応が起こることがある。このように、溶液の接触により生じた生成物が、容器の壁面との相互作用を起こし、それが全体の反応に影響を及ぼす場合がある。 In the above-described static mixers and the like, the layer interface comes into contact with the wall surface of the container, so the interface caused by the contact of different solutions also comes into contact with the wall surface of the container. When contacting with the wall surface of the container in this way, the product generated by the reaction at the layer interface may adhere to the tube wall or the reaction between this product and the tube wall may occur. Thus, the product produced by the contact of the solution may interact with the wall surface of the container, which may affect the overall reaction.
一方、管壁と反応溶液の接触を断つためには、2流管を用いる方法がある(非特許文献3を参照)。この内部は基本的に層流であるために、混合が拡散で起こる。しかし、拡散時間を短くするには、中心部の反応溶液を細くする必要があり、そのために生産量が低下し、逆に生産量を向上させるために中心部の反応溶液の層を太くすれば、混合時間が長くなる。 On the other hand, in order to break the contact between the tube wall and the reaction solution, there is a method using a two-flow tube (see Non-Patent Document 3). Since this interior is basically laminar, mixing occurs by diffusion. However, in order to shorten the diffusion time, it is necessary to make the reaction solution in the center thinner, so that the production volume decreases, and conversely if the layer of the reaction solution in the center is made thicker in order to improve the production volume , The mixing time becomes longer.
さらに、特許文献1のナノ粒子の製造方法においては、ナノ粒子を合成する際、予め2液を混合したり、ナノ材料攪拌子によって、試料溶液と試薬溶液を強制的に攪拌したりし、その後加熱を行って生成物を得ている。この場合は、管の内壁と混合溶液が接触するために、上記の相互作用が起きる場合も多い。また、管内が層流であっても、壁との摩擦により流れと垂直な方向に流速分布が出来るため、加熱時間に若干のばらつきが生じて生成されたナノ粒子の粒度分布が広がる問題がある。 Furthermore, in the nanoparticle production method of Patent Document 1, when synthesizing nanoparticles, two liquids are mixed in advance, or the sample solution and the reagent solution are forcibly stirred with a nanomaterial stirrer, The product is obtained by heating. In this case, the above interaction often occurs because the inner wall of the tube is in contact with the mixed solution. In addition, even if the inside of the tube is laminar, the flow velocity distribution can be made in the direction perpendicular to the flow due to friction with the wall, so there is a problem that the heating time varies slightly and the particle size distribution of the generated nanoparticles is widened. .
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、管壁と中間生成物、管壁と生成物との相互作用を絶ち、混合時間を抑制しながら複数の原料溶液を混合し、反応を行わせて化合物を製造するためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器を提供する。
The present invention has been made based on the technical background as described above, and achieves the following objects.
An object of the present invention is to produce a compound by mixing a plurality of raw material solutions while causing the reaction between the tube wall and the intermediate product, the tube wall and the product to be stopped, and suppressing the mixing time, and causing the reaction to occur. A method for producing a compound using a microreactor, the microreactor, and a shunt for the microreactor are provided.
本発明の他の目的は、管壁への生成物の析出を妨ぎながら、生成物の生産性を向上させるためのマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器を提供する。 Another object of the present invention is to provide a method for producing a compound by a microreactor, the microreactor, and a shunt for the microreactor in order to improve the productivity of the product while preventing the product from being deposited on the tube wall.
本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の発明1のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させて化合物を製造するマイクロリアクタによる製造方法において用いられるものであり、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに分流器によって細分化し、隣接する前記セグメントの前記溶液をマイクロ流路内に層流で合流させ、前記合流後、乱流発生手段によって前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合して前記反応を行わせることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
The method for producing a compound by the microreactor according to the first aspect of the present invention is used in a method for producing a compound by introducing a plurality of types of solutions into a microchannel and reacting them by combining them in a laminar flow to produce a compound. In the cross-section in the flow direction of the solution before the merge, each of the solutions is subdivided into a plurality of segments by a flow divider, the solutions of the adjacent segments are merged in a micro flow path in a laminar flow, and the merge Thereafter, turbulent flow is generated in the solution by turbulent flow generation means, and the solution is micromixed to perform the reaction.
本発明の発明2のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明1のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記層流で合流後に前記溶液の流れ方向の断面を絞って、前記溶液の流速を早くして前記乱流を発生させることを特徴とする。 The method for producing a compound by the microreactor according to the second aspect of the present invention is the method for producing a compound by the microreactor according to the first aspect, wherein the flow rate of the solution is increased by narrowing a cross section in the flow direction of the solution after merging in the laminar flow. The turbulent flow is generated.
本発明の発明3のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明1のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記乱流は、前記溶液を前記溶液の流れる軸線を中心にして旋回させるものであることを特徴とする。 The method for producing a compound by the microreactor according to the third aspect of the present invention is the method for producing a compound by the microreactor according to the first aspect, wherein the turbulence swirls the solution around an axis along which the solution flows. And
本発明の発明4のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明1から3中から選択される1発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記複数のセグメントに細分化された前記溶液を層流で合流させた後、隣接する前記セグメント間に分子拡散反応を行わせた後、前記乱流発生手段によって前記溶液をマイクロ混合させて前記反応を行わせることを特徴とする。
The method for producing a compound by the microreactor according to
本発明の発明5のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明1から3中から選択される1発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記反応を制御するために、前記マイクロ流路を加熱又は冷却することを特徴とする。 The method for producing a compound by the microreactor according to invention 5 of the present invention is the method for producing a compound by the microreactor according to one invention selected from the inventions 1 to 3, wherein the microchannel is heated or cooled in order to control the reaction. It is characterized by doing.
本発明の発明6のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明1から3中から選択される1発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記乱流は、Re数が200以下であることを特徴とする。 The method for producing a compound by the microreactor according to invention 6 of the present invention is the method for producing a compound by the microreactor according to one invention selected from the inventions 1 to 3, wherein the turbulent flow has a Re number of 200 or less. To do.
本発明の発明7のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、発明1から6中から選択される1発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法において、前記化合物は、粒子の代表長さが1nmから100nmのナノ粒子であることを特徴とする。 The method for producing a compound by the microreactor according to the invention 7 is the method for producing a compound by the microreactor according to one invention selected from the inventions 1 to 6, wherein the compound is a nanoparticle having a typical particle length of 1 nm to 100 nm. It is characterized by being.
本発明の発明8のマイクロリアクタは、複数の種類の溶液をマイクロ流路に導入して層流で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路(14)と、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに細分化するためのもので、前記試料供給流路(14)に接続された分流器(20)と、前記セグメントを合流させるためのもので、分流器(20)に接続された合流流路(16)と、前記合流後の流路に接続され、前記溶液を混合し反応させるためのマイクロ流路(12)と、隣接する前記セグメントの前記溶液を層流で合流させた後、前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合するための乱流発生手段(17、26、30、31)と、及び前記マイクロ流路(12)で反応が行われた後、前記反応後の反応生成物を排出させるために前記マイクロ流路(12)と接続された試料排出流路(18)とからなることを特徴とする。 The microreactor according to the eighth aspect of the present invention is a microreactor in which a plurality of types of solutions are introduced into a microchannel and combined to react in a laminar flow, and a plurality of sample supply channels for supplying the plurality of types of solutions. (14) and a shunt connected to the sample supply channel (14) for subdividing each of the solutions into a plurality of segments in a cross section in the flow direction of the solution before the merging. 20) for joining the segments, connected to the flow path (16) connected to the flow divider (20), and connected to the flow path after the flow for mixing and reacting the solution A turbulent flow generating means (17, 26, for micro-mixing the solution by generating a turbulent flow in the solution after merging the solution in the micro flow channel (12) and the adjacent segment in a laminar flow 3 , 31) and after the reaction is performed in the microchannel (12), a sample discharge channel (18) connected to the microchannel (12) to discharge the reaction product after the reaction. ).
本発明の発明9のマイクロリアクタは、発明8のマイクロリアクタにおいて、前記合流流路(16)は、前記合流した溶液の流速を早くするために前記断面を段階的に小さくして絞るための合流部(16)とを備えていることを特徴とする。 The microreactor according to the ninth aspect of the present invention is the microreactor according to the eighth aspect, wherein the merging channel (16) is a merging portion (for constricting the section by reducing the section stepwise in order to increase the flow rate of the merging solution. 16).
本発明の発明10のマイクロリアクタは、発明8又は9のマイクロリアクタにおいて、前記乱流発生手段(17)は、前記マイクロ流路内を流れている前記溶液を攪拌するために前記溶液の流れを一部堰き止めるためのじゃま板(26)であることを特徴とする。 The microreactor according to the tenth aspect of the present invention is the microreactor according to the eighth or ninth aspect, wherein the turbulent flow generation means (17) partially circulates the flow of the solution to stir the solution flowing in the microchannel. It is a baffle plate (26) for damming.
本発明の発明11のマイクロリアクタは、発明8又は9において、前記乱流発生手段(17)は、前記溶液の流れる方向を軸線とする固定された螺旋状の固定翼(30)であることを特徴とする。 A microreactor according to an eleventh aspect of the present invention is the microreactor according to the eighth or ninth aspect, wherein the turbulent flow generation means (17) is a fixed helical fixed blade (30) whose axis is the direction in which the solution flows. And
本発明の発明12のマイクロリアクタは、発明8又は9において、前記乱流発生手段(17)は、前記容器の流れる方向を軸線とする回転自在な螺旋翼(31)であることを特徴とする。 A microreactor according to a twelfth aspect of the present invention is characterized in that, in the eighth or ninth aspect, the turbulent flow generation means (17) is a rotatable spiral blade (31) whose axis is the direction in which the container flows.
本発明の発明13のマイクロリアクタは、発明8又は9において、前記乱流発生手段(17)は、前記マイクロ流路(12)の管の内径の大きさを小さく/又は大きくしたものであることを特徴とする。 A microreactor according to a thirteenth aspect of the present invention is the microreactor according to the eighth or ninth aspect, wherein the turbulent flow generation means (17) has a smaller / larger inner diameter of the tube of the microchannel (12). Features.
本発明の発明14のマイクロリアクタは、発明8又は9において、前記乱流発生手段(17)は、超音波を発生させる装置であり、前記超音波を前記マイクロ流路(12)に照射して、前記溶液に乱流を発生させることを特徴とする。 A microreactor according to a fourteenth aspect of the present invention is the microreactor according to the eighth or ninth aspect, wherein the turbulent flow generation means (17) is a device that generates ultrasonic waves, and irradiates the micro flow path (12) with the ultrasonic waves, A turbulent flow is generated in the solution.
本発明の発明15のマイクロリアクタは、発明8又は9において、前記乱流発生手段(17)は、前記合流流路(16)の排出端の内径を小さして前記溶液に乱流を発生させることを特徴とする。 The microreactor according to the fifteenth aspect of the present invention is that, in the eighth or ninth aspect, the turbulent flow generation means (17) generates a turbulent flow in the solution by reducing an inner diameter of the discharge end of the merging channel (16). Features.
本発明の発明16のマイクロリアクタは、発明8から15の中から選択される1発明のマイクロリアクタにおいて、前記マイクロ流路(12)内に前記溶液の温度を加熱又は冷却して制御するための温度制御手段と、前記温度を測定するための温度センサ手段とを有することを特徴とする。 The microreactor according to the sixteenth aspect of the present invention is the microreactor according to one aspect selected from the eighth to fifteenth aspects, wherein the temperature of the solution is controlled by heating or cooling in the microchannel (12). And temperature sensor means for measuring the temperature.
本発明の発明17のマイクロリアクタは、発明9から14の中から選択される1発明のマイクロリアクタにおいて、前記分流器(20)から排出されて前記マイクロ流路(12)に導入される前記セグメントは、1mm以下に細分化され、並列に配置されたことを特徴とする。 The microreactor according to the seventeenth aspect of the present invention is the microreactor according to the first aspect of the invention selected from the ninth to fourteenth aspects, wherein the segment discharged from the flow divider (20) and introduced into the microchannel (12) includes: It is characterized by being subdivided into 1 mm or less and arranged in parallel.
本発明の発明18のマイクロリアクタは、発明8のマイクロリアクタにおいて、
前記マイクロ流路(20)の断面積の直径は、前記絞りの後、1mm以下であることを特徴とする。
The microreactor of the
A diameter of a cross-sectional area of the microchannel (20) is 1 mm or less after the restriction.
本発明の発明19のマイクロリアクタ用の分流器は、発明8から18の中から選択される1発明のマイクロリアクタにおいて、前記分流器(20)は、前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路(14)に接続され、前記試料供給流路(14)それぞれに接続された導入部(21、22、51、52)と、前記導入部(21、22、51、52)に接続され、前記溶液毎に流れの方向を変えて複数の流れに分流して、前記導入部(21、22、51、52)からの前記溶液の種類毎に複数のセグメントに細分化して排出する中間部(23、24、53、54、55、56)と、前記中間部(23、24、53、54、55、56)から排出され、細分化された前記溶液の各種類を合流させて前記溶液を混合させ、かつ、前記導入部、前記中間部で各セグメント間に生じる圧力損失差を相対的に小さくするための排出孔を有する排出部(16,25、40、56)とからなることを特徴とする。 The flow divider for the microreactor of the invention 19 of the present invention is the microreactor of one invention selected from the inventions 8 to 18, wherein the flow divider (20) is in a cross section in the flow direction of the solution before the merging. , Connected to a plurality of sample supply channels (14) for supplying the plurality of types of solutions, and connected to each of the sample supply channels (14) (21, 22, 51, 52); , Connected to the introduction part (21, 22, 51, 52), changing the direction of flow for each solution and diverting into a plurality of flows, and from the introduction part (21, 22, 51, 52) An intermediate part (23, 24, 53, 54, 55, 56) that is subdivided into a plurality of segments for each type of solution and the intermediate part (23, 24, 53, 54, 55, 56) Of the subdivided solution A discharge section (16, 25, 40, having a discharge hole for mixing the types to mix the solution, and relatively reducing the pressure loss difference between the segments at the introduction section and the intermediate section. 56).
本発明の発明20のマイクロリアクタ用の分流器は、発明19のマイクロリアクタ用の分流器において、前記孔の大きさを調整して圧力損失を調整し、セグメント流量を調整することにより、前記排出部(16、25、40、56)から排出された後のセグメントの流れに垂直な方向の厚みを調整することを特徴とする。 The microreactor for the microreactor according to the twentieth aspect of the present invention is the shunt for the microreactor according to the nineteenth aspect of the present invention. 16, 25, 40, 56), the thickness in the direction perpendicular to the flow of the segments after being discharged is adjusted.
本発明の発明21のマイクロリアクタ用の分流器は、発明19のマイクロリアクタにおいて、前記合流流路(16)は、排出部に底面が連結され、頂点が前記マイクロ流路(12)に連結された円錐形であることを特徴とする。 The shunt for a microreactor according to a twenty-first aspect of the present invention is the microreactor according to the nineteenth aspect of the present invention, wherein the converging channel (16) has a conical surface whose bottom is connected to the discharge portion and whose apex is connected to the microchannel (12). It is characterized by its shape.
本発明の発明1から7のマイクロリアクタによる化合物の製造方法は、ナノ粒子を製造するための方法であると良い。更に、前記マイクロリアクタによる化合物の製造方法は、良溶媒に溶解させたナノ粒子原料を貧溶媒と短時間に混合してナノ粒子を製造する方法であると良い。 The method for producing a compound by the microreactor according to inventions 1 to 7 of the present invention is preferably a method for producing nanoparticles. Further, the compound production method using the microreactor may be a method of producing nanoparticles by mixing a nanoparticle raw material dissolved in a good solvent with a poor solvent in a short time.
本発明によると、次の効果が奏される。
本発明のマイクロリアクタは、化合物の製造に必要な反応溶液を細かいセグメントに細分化して均一に混合し、隣接するセグメント間の異種の反応溶液同士の接触反応によって化合物を製造する。また、マイクロリアクタ内を流れている反応溶液に乱流を発生させてマイクロ混合して化合物を製造する。これにより、反応溶液はマイクロ混合され、混合時間が抑制できるので、反応溶液の均一な混合ができる。
According to the present invention, the following effects can be obtained.
In the microreactor of the present invention, a reaction solution necessary for producing a compound is subdivided into fine segments and uniformly mixed, and a compound is produced by a contact reaction between different reaction solutions between adjacent segments. In addition, a turbulent flow is generated in the reaction solution flowing in the microreactor to produce a compound by micromixing. Thereby, the reaction solution is micro-mixed and the mixing time can be suppressed, so that the reaction solution can be uniformly mixed.
また、セグメントの大きさ、及び配置を制御してセグメントの最適化を図ることで、管壁への析出を妨ぎ、生成物の生産効率が向上した。
更に、セグメントの大きさ、及び配置を制御することで、品質の揃った、より粒度分布の細かいナノ粒子を連続的に生産することが可能になった。更に、本発明のマイクロリアクタ用の分流器は、通常の機械加工方法で製造可能であるから、大量生産も可能である。
Moreover, by optimizing the segment by controlling the size and arrangement of the segment, precipitation on the pipe wall was prevented and the production efficiency of the product was improved.
Furthermore, by controlling the size and arrangement of the segments, it became possible to continuously produce nanoparticles with a uniform quality and a finer particle size distribution. Furthermore, since the shunt for the microreactor according to the present invention can be manufactured by an ordinary machining method, it can be mass-produced.
以下、本発明のマイクロリアクタによる化合物の製造方法、そのマイクロリアクタ、及びマイクロリアクタ用の分流器について、図に従って説明する。 図1は、本発明の実施の形態のマイクロリアクタ10の全体を示す概略図である。このマイクロリアクタ10は、複数の供給管14から供給された化合物生成用の溶液を分流器20内で複数のセグメントに分流し、合流部16内で混合し、マイクロ流路12内で反応させて化合物を生成する。
Hereinafter, a method for producing a compound using the microreactor of the present invention, the microreactor, and a shunt for the microreactor will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing an
分流器20は3次元的な流路配置を持ち、この内部は溶液を複数のセグメントに分流して、マイクロ流路12に層流、又は乱流で供給する構造である。分流器20は、溶液を流すための貫通した孔を空けた複数の平板を組み合わせて、流路に沿って積層して構成されており、3次元的な流路が形成されている。また、マイクロリアクタ10は、マイクロ流路12を流れている溶液に乱流を発生させるための乱流発生手段17を有する。
The
以下、本実施の形態のマイクロリアクタ10、マイクロリアクタ10の分流器20、乱流を発生させるための乱流発生手段17等を図面を参照しながら更に詳細に説明する。図2は、分流器20を溶液の流れ線に沿ってある断面で切断したときの構造を示す断面図である。図3は、分流器20を構成する各層の構造を示す図である。
Hereinafter, the
〔マイクロリアクタ10の構造〕
マイクロリアクタ10の反応器としては、1μmから1mmの管路、空間を備えた反応器が利用される。例えば、本例では1μmから1mmの管内径を持つマイクロ流路12を利用した。図1に図示するように、マイクロリアクタ10は、溶液を供給する供給管14、供給された溶液を複数のセグメントに分流するための分流器20、溶液を絞るための合流部16、反応を行わせるためのマイクロ流路12、及び反応後の液体と生成粒子を取り出すための排出管18を有する。また、マイクロ流路12内には、この中を流れている溶液に乱流を発生させるための乱流発生手段17を有している。
[Structure of microreactor 10]
As the reactor of the
供給管14は、原料となる溶液をマイクロリアクタ10に導入するためのものであり、1種、又は複数の溶液を同時又は、時間差をおいて供給するために互いに平行に複数本配置されている。供給管14には、溶液を一定の圧力、流速で導入することが好ましい。そのためには、この供給管14には、溶液を入れたシリンジと、シリンジを供給管14と接続するためのシリンジコネクタと、シリンジから供給管14に供給される溶液の注入量を調整するためのポンプ、流量調整弁(図示せず)等が連結されている。
The
本実施の形態においては、2種類の溶液(溶液Aと溶液B)をマイクロリアクタ10に導入し、その反応を行わせるものである。しかしながら、生成物の種類、反応の制御によっては、3以上の種類の溶液をマイクロリアクタ10に導入し、全溶液同士、又はその一部の溶液同士の反応を、同時、又は時間差を置いて供給して反応を行わせても良い。
In the present embodiment, two types of solutions (solution A and solution B) are introduced into the
分流器20は、反応溶液を細かいセグメントに分流するためのものである。溶液Aと溶液Bは、供給管14から分流器20に供給される。分流器20に供給された溶液Aと溶液Bは、それぞれ複数の流れ、即ちセグメントに分流(分岐)されて、分流器20から排出される。この流れを、セグメントと定義して説明を行う。セグメントの形状は、分流器20の構造によるもので、分流器20の構造を変えることで変更することができる。
The
図2に示すように、溶液Aは、2以上のセグメントAに分流される。同様に、溶液Bは、2以上のセグメントBに分流される。分流器20から排出されとき、セグメントAとセグメントBは、所定の配列をして配置される。例えば、セグメントAと隣接するセグメントは全てセグメントBになるように配置することができる。セグメントBは同様である。この配置は、分流器20の構造によるもので、その内部の区画を設計変更することによってセグメントAとBの互いの配置を変更することができる。
As shown in FIG. 2, the solution A is divided into two or more segments A. Similarly, solution B is diverted into two or more segments B. When discharged from the
本実施の形態においては、図3(e)に図示したように、最終的にはセグメントAとセグメントBが交互に配置されている構造になる。図2と図3に示すように、分流器20は、積層された複数の層、言い換えると所定の厚みを有した隔壁からなる。分流器20は、所定の形状の複数の貫通孔を空けた板を重ねたような構造になっている。これらの貫通孔は、溶液を通すための3次元的な流路を形成する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3E, the segment A and the segment B are finally arranged alternately. As shown in FIGS. 2 and 3, the
図2には、分流器20の断面図を示している。分流器20は、溶液の流れに沿って第1層21から第5層25の5層に構成されている。第1層21は、分流器20を供給管14に接続し、かつ分流器20に2本の供給管14から溶液を導入するためのものである。第1層21は、2本の供給管14から供給される溶液を貯留し、第2層22に供給するように、供給管14の本数に対応して2部屋に区画されている。
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the
第2層22から第4層24は、溶液の流れる流路を分岐し、溶液を各セグメントに分流するための層である。第2層22から第4層24から形成される3次元的な流路によって、第1層21から供給された溶液の流れの方向を変更、及びこの溶液を複数の流れに分流する。第5層25は、複数のセグメントに分流された溶液を合流部16に排出するためのものである。第5層25の前端面は、円錐状の合流部16の底面に接続されている。
The
第1層21から第5層25の構造を、図3(a)から図3(e)に図示している。即ち、図3(a)は第1層21の切断面図、図3(b)は第2層22の切断面図、図3(c)は第3層23の切断面図、図3(d)は第4層24の切断面図、図3(e)は第5層25の切断面図である。第1層21は、区画された貫通孔である2つの三角形状の三角孔21A、及び三角孔21Bとから構成されている。各第1層21〜第5層25は、実線で示す複数の貫通孔を有する構造になっており、点線は想像線である。各層の孔には、「A」、「B」の文字を示しているが、それぞれ溶液A、溶液Bの通路を意味する。
The structure of the
文字「A」は、溶液Aがこの孔を通って流れることを意味する。文字「B」は、溶液Bがこの孔を通って流れることを意味する。また、分流器20中の溶液の流れを理解しやすくするために、図3(b)〜(e)には想像線で各層と隣接する前層の孔を重ねて想像線で図示している。例えば、図3(a)の三角孔21A、三角孔21Bを図3(b)に想像線で図示している。同様に、図3(c)から図3(e)には、前の層から各層に溶液が流れ込むとき、前の層の孔を各層に想像線で図示している。
The letter “A” means that solution A flows through this hole. The letter “B” means that solution B flows through this hole. Further, in order to facilitate understanding of the flow of the solution in the
前述したように、第1層21は、図3(a)に図示するように、区画された空間である三角形の2つの三角孔21A、21Bを有している。三角孔21Aには、溶液Aが供給管14から供給される。三角孔21Bには、溶液Bが供給管14から供給される。第2層22は、図3(b)に図示するように、第1層21から第2層22に分岐しており、供給された溶液Aを3つの流れに分流している。同様に、第1層21の三角孔21Bから供給される溶液Bは、第2層22で4つの流れに分流している。
As described above, the
この分岐のみでは、図3(b)に示すように、溶液A、溶液Bは矩形の対角線で結んだ一方側のみに、それぞれ流れることになる。第3層23は、図3(c)に図示するように、第2層22の各孔から供給された溶液の一部を横方向(角度90度曲げた方向)に方向変換して流れる。これによって、図3(c)に示すように、第3層23の溶液Aは、細長い3本の流れとなり、溶液Bは4本の流れとなる。第4層24は、図3(d)に図示するように、小さい四角形の孔を複数個有し、第3層23の各孔から供給された溶液それぞれを更に複数の流れに分流している。
With only this branch, as shown in FIG. 3B, the solution A and the solution B flow only on one side connected by a rectangular diagonal line. As illustrated in FIG. 3C, the
第5層25は、第4層24の孔を1ないし2個をまとめるような構造になっている。結果的に溶液Aと溶液Bは、交互に配置された複数のセグメントに分流されている。合流部16の内部空間は、角錐状の形をしており、分流器20の第5層25に接続され固定されている。合流部16は、内部は区画されておらず1つの流路からなる。分流器20の第5層25から排出される各セグメントは、全て合流部16に供給される。
The
合流部16の内径は、溶液の流れが下流になるほど細くなって、それにともない連続の理により溶液の流速が速くなる。マイクロ流路12の後端は、合流部16の前端に接続されている。マイクロ流路12内では、溶液Aと溶液B同士の反応が行われる。合流部16に接続されていないマイクロ流路12の前端は排出管18に接続されている。排出管18は、マイクロ流路12の下流の一部とするものであっても良い。排出管18からは、溶液Aと溶液Bの反応生成物と、残留溶液が排出される。
The inner diameter of the merging
なお、上述したように合流部16の内径は溶液の流れが下流になるほど細くなる構造でなくても良い。合流部16の内径は、反応に大きな影響を及ぼさない場合は、必ずしも溶液の流れが下流になるほど細くする必要はない。合流部16は、分流器20から排出された溶液をマイクロ流路12内に導くためのものであるので、合流部16の内径は、合流部16の排出端の径と、マイクロ流路12の内径をスムースに接続できるような構造になることが望ましい。
Note that, as described above, the inner diameter of the merging
〔マイクロリアクタ10の材質〕
マイクロリアクタ10の材質は、基本的に原料溶液および副生成物との反応により操業に悪影響を与えない物を使用する。マイクロリアクタ10のマイクロ流路12、分流器20、合流部16、排出管18等には、次ぎのような材質を使用する。例えば、ステンレス、ニッケル(Ni)、ハステロイ等の耐薬品制の高い金属材料、ガラス、アルミナ、ムライト、炭化珪素等のセラミックス製品等の無機材料、及びPTFE,PEEK、ポリイミド、ポリプロピレン等の高分子材料を、原料溶液、副産物との反応、及び、マイクロリアクタ10の操作時の圧力、温度、更に、熱伝導等を勘案して選択する。
[Material of microreactor 10]
The material of the
〔分流器20の製造方法〕
分流器20は、3次元的な流路を形成する第1層21から第5層25の5層からなる。第1層21から第5層25までをそれぞれ平板に孔を開け作成し、これを重ねてボルト、接着剤、溶接、拡散接合、圧着等で組み立てることにより、製造することが可能である。このために、低コストで大量生産が可能である。更に、第1層21から第5層25の各層を独立して設計することができ、分流器20の設計変更も容易にできる。分流器20は、
第1層21から第5層25を組み立てるとき、各層間の接合部から他のセルに溶液が流入したり、溶液の流れが大きく妨げられないようにする必要があることが好ましい。
[Production Method of Shunt 20]
The
When assembling the
〔分流器20の大きさ〕
ここで、マイクロリアクタ10の構成部分の代表的な大きさを示す。分流器20によって分流されたそれぞれのセグメントは、1mm以下の直径であることが好ましい(図3(e)を参照)。つまり、供給管14から供給された溶液は、辺の長さが1mm以下の断面が円形、又は矩形の流れに細分化される。これらの細分化されたセグメント全てを合流部16で合流させている。それから、合流部16の内径を小さくすることで、合流された溶液を収縮させている。このとき、各セグメントの幅は狭い方が混合速度の向上には望ましく、100μm以下になることが特に好ましい。
[Size of shunt 20]
Here, representative sizes of the constituent parts of the
分流器20の代表的なディメンジョンは、以下の通りである。外観は、1cm四方の立方体であり、これが上述のように6層に分割されている。各層の厚みは、2mmである。マイクロリアクタ10は、これらの大きさに制限されるものではなく、必要に応じて設計変更し、使用することが可能である。
Typical dimensions of the
〔様々なセグメントの配置〕
分流器20から合流部16に供給される各セグメントの形状は、第5層25の設計変更によって決まるので、第5層25の設計を変更して分流器20を製造することで、様々形状のセグメントに対応できる。例えば、図3(e)に図示した第5層25の正方形の形状を、四角、円形、楕円形、三角形、その他の多角形に自由に変更することが可能である。
[Various segment arrangements]
Since the shape of each segment supplied from the
分流器20から合流部16に供給される各セグメントの断面配置は、基本的に第1層21から第5層25の設計を変更することで代えることができる。図3(e)には、溶液Aと溶液Bのセグメント同士が交互に配置されるように設計しているが、これを変更して、特定の形状に変更することが可能である。例えば、図5に図示したように断面が円形のセグメントにすることが可能である。
The cross-sectional arrangement of each segment supplied from the
〔乱流発生手段17について〕
セグメントを配列した溶液の束に乱流を生じさせることにより、直接ミクロ混合を施する。このミクロ混合により、混合時間を抑制し、均一な混合を達成する。乱流を発生させるための乱流発生手段17としては、次のような手段をとる。
[Regarding Turbulent Flow Generation Means 17]
Direct micromixing is performed by creating a turbulent flow in the bundle of solutions in which the segments are arranged. By this micromixing, the mixing time is suppressed and uniform mixing is achieved. As the turbulent flow generation means 17 for generating the turbulent flow, the following means are adopted.
第1の乱流発生手段
マイクロ流路12の管の内径の大きさを変えることにより、流体の線速(m/s)を調整し、乱流を発生させる。乱流の強さは、基本的にはRe数に依存するので、それを制御することで溶液の混合を制御できる。マイクロ流路12の内径、溶液の粘度からRe数が計算できる。マイクロ流路12の内径を大きくしたり小さくしたりする操作を繰り返すことで、乱流を発生させたりすることが可能である。Re数が、例えば200以下(Re<200)の低い場合は、その乱流は抑えられ、溶液は元の層流になる。このように、マイクロ流路12の一部にのみに乱流を生じさせることが可能である。
First turbulent flow generating means By changing the size of the inner diameter of the tube of the
第2の乱流発生手段
図4に示すように、マイクロ流路12の中にじゃま板26や羽根車等の装置を配置する。マイクロ流路12を流通している溶液は、これらの装置を通るときに、溶液の層流が局所的に乱れ乱流になる。上記と同様に、Re数が、例えば200以下(Re<200)の低い場合は、乱流は元の層流になり、マイクロ流路12の一部にのみに乱流を生じさせる。図4の(a)の断面図には、マイクロ流路12の中にじゃま板26を乱流発生手段17として設置している概要を図示している。図4(b)には、図4(a)のA−A断面図を図示している。領域27は、マイクロ流路12に乱流が起こる部分を示している。溶液がこの領域27より下流になると層流になる。
Second Turbulent Flow Generation Means As shown in FIG. 4, devices such as a
第3の乱流発生手段
図5は、第3の乱流発生手段を示すマイクロ流路12の断面図である。マイクロ流路12内には、螺旋固定翼30が固定配置されている。螺旋固定翼30の中心線は、マイクロ流路12の中心線と一致する位置に配置されている。螺旋固定翼30は、板金材を螺旋状に捻って作られたものである。合流部16から送られた混合された溶液Aと溶液Bとは、固定螺旋翼30でその翼に沿って螺旋状に捻られて送られている間に混合が促進される。
Third Turbulent Flow Generation Unit FIG. 5 is a cross-sectional view of the
第4の乱流発生手段
図6(a)及び図6(b)は、回転するプロペラをマイクロ流路12に配置した例である。近年は、微細な金属、合成樹脂等の機械加工が可能となり、マイクロ流路12内でも回転するマイクロ機器である回転するプロペラ機構を製造できる。2枚の羽根を備えたプロペラ31は、軸受32で回転自在に支持されている。軸受32は、支持部材33でマイクロ流路12内で固定されている。従って、溶液が流れてくると、プロペラ31は回転を開始し、溶液を攪拌することになる。
Fourth Turbulent Flow Generation Means FIGS. 6A and 6B are examples in which a rotating propeller is arranged in the
第5の乱流発生手段
マイクロ流路12を超音波で照射し、マイクロ流路12を流通する溶液を擾乱させて乱流を発生させる。
Fifth turbulent flow generation means The
第6の乱流発生手段
混合部16の排出端の内径を溶液に乱流を発生するまでに絞って小さくする。上述した混合部16の排出端は、各セグメントを0.1mm以下になるように絞っているが、それより細くなるまでに絞り、乱流を発生させる。
Sixth turbulent flow generation means The inner diameter of the discharge end of the mixing
第7の乱流発生手段
混合部16から排出された溶液は、スパイラル状又はカーブを形成しているマイクロ流路12に導入される。溶液がマイクロ流路12に流入し、すぐにスパイラル状又はカーブのところで乱流を発生させる。
Seventh Turbulent Flow Generation Unit The solution discharged from the mixing
第8の乱流発生手段
上記の第1から第7の乱流発生手段を繰り返して又は組み合わせて利用する。Re数が低い場合は、乱流はすぐに層流になるので、溶液が更に分子拡散し、反応が行われる。第1から第7の乱流発生手段の一つを繰り返して又は組み合わせて実施すると、溶液に部分的に乱流を発生されてマイクロ混合を行い、それから分子拡散で反応を行わせてから再度乱流を発生されてマイクロ混合を行って反応を行うようになる。これによって、リアクター内での反応が均一になり、副生成物の生成量が低下し、製造される粒子の大きさが均一になる。
Eighth turbulent flow generating means The above first to seventh turbulent flow generating means are used repeatedly or in combination. When the Re number is low, the turbulent flow immediately becomes a laminar flow, so that the solution further undergoes molecular diffusion and the reaction takes place. When one of the first to seventh turbulent flow generating means is repeated or combined, turbulent flow is partially generated in the solution, micromixing is performed, and then reaction is performed by molecular diffusion and then turbulent again. A flow is generated and the reaction is carried out by micromixing. As a result, the reaction in the reactor becomes uniform, the amount of by-products produced decreases, and the size of the produced particles becomes uniform.
混合部16と、マイクロ流路12に設置されている乱流発生手段17との間にはマイクロ流路12を流れる溶液は、そのセグメント間に分子拡散を起こしながら反応が行われる。この混合部16と乱流発生手段17との距離を変更することで、反応の制御を行うこともできる。この距離が短くし、セグメントが混合されてからできるだけ短距離で乱流によってマイクロ混合されることが、生成物が単一大きさの粒子になる。
Between the mixing
〔乱流の強さについて〕
Re数で規定される乱流の強さを制御することにより、混合速度と、管壁への付着の抑止を両立させる。
[About the strength of turbulence]
By controlling the strength of the turbulent flow defined by the Re number, both the mixing speed and the suppression of adhesion to the tube wall are achieved.
〔加熱・冷却〕
マイクロリアクタ10は、必要に応じて、熱交換板を配置し、温度分布の発生を防ぐことができる。また、所定の温度にしたオイルバス等の液体中にマイクロ流路12を配置させて、反応溶液を加熱又は冷却することができる。
[Heating / Cooling]
The
〔ナノ粒子〕
本実施の形態のマイクリアクタ10は、粒径1nm〜100nmのナノ粒子を生成する反応に適応することができるものである。このナノ粒子を生成するためのものとしては、貧溶媒中での晶析反応、タンニン酸およびクエン酸を還元剤・保護材とする金ナノ粒子の合成、反応溶液を反応温度まで加熱した後に急速に混合する半導体ナノ粒子の合成が掲げられる。
[Nanoparticles]
The
〔他の実施の形態〕
以下に、本発明の他の実施の形態を示す。本発明の他の実施の形態は、本発明の実施の形態と基本的に同じであり、その異なる部分だけの説明を行う。
[Other Embodiments]
Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described. The other embodiments of the present invention are basically the same as the embodiments of the present invention, and only different portions will be described.
〔圧力損失の調整〕
図10には、分流器20の他の実施の形態の概要を図示している。図10のぶんりゅう20器の構成と構成部分の機能は図3の分流器20と同じであり、次の点が異なる。図10(b)の第2層22は溶液Aが流れるための孔が5を備えている。これに伴い、図10(c)、図10(d)、図10(e)にも溶液A用の孔が備えられている。図10では、孔の大きさを適切に調節することで、各孔を通過する溶液の分布を調節することができる。すなわち、孔の大きさが大きいほど孔通過時の圧力損失が小さくなるために、孔を通過する溶液の量は大きくなる。
[Adjustment of pressure loss]
FIG. 10 shows an outline of another embodiment of the
第4層24の後に孔の大きさを小さくする層を設けることで、圧力損失調整を行うことも可能である。例えば、図10(f)で図示した層40を第5層25の後に設ける。層40では、孔の大きさを図10(d)の孔より小さくし、全体の圧力損失が大きくなりすぎない程度(操業に問題がない程度)とすることが望ましい。これにより、図10(a)〜(d)で生じる、各セグメント間の圧力損失の差を相対的に小さくすることが可能になる。
It is also possible to adjust the pressure loss by providing a layer for reducing the size of the holes after the
〔不活性な溶媒の活用〕
管壁への析出を妨ぎながら、生産性を向上させるために、セグメントの配置を最適化する。例えば、マイクロ流路12の管内を流れる溶液の外周に不活性な溶媒(もしくは沈殿剤の溶媒)を配置しておき(図7を参照)、内側に原料と沈殿剤を市松模様のように交互に組み合わせて配置する。図7には、マイクロ流路12の断面図を図示しており、円28の外側が不活性溶媒C、円28の内側が溶液A、Bになっている。外側の不活性層の厚さは、分流器20の構造により制御することができる。つまり、反応用の溶液A、Bとは別に不活性溶媒Cを分流器20に供給し、分流器20から排出されるときに溶液A、BのセグメントA、Bの外側に不活性溶媒のセグメントCが配置されるようにする。
[Utilization of inert solvent]
In order to improve productivity while preventing precipitation on the tube wall, the arrangement of segments is optimized. For example, an inert solvent (or a precipitant solvent) is placed on the outer periphery of the solution flowing in the tube of the microchannel 12 (see FIG. 7), and the raw material and the precipitating agent are alternately arranged in a checkered pattern inside. Place them in combination. FIG. 7 shows a cross-sectional view of the
〔反応温度のコントロールについて〕
複数の原料溶液および溶媒が接触したあと、(若しくは接触する前に)途中に適切な熱交換器を設置することにより、反応温度をコントロールすることが可能である。分流器20よりも上流では、伝熱ヒーター、熱媒体や熱交換器等による加熱等、通常用いられている方法で熱交換してから分流器20に流し込む方法が用いられる。分流器20よりも下流では、マイクロ流路12が細いので、適切な温度に設定したオイルバスの中をマイクロ流路12を流通させる方法が用いられる。
[Reaction temperature control]
The reaction temperature can be controlled by installing an appropriate heat exchanger in the middle of (or before contacting) the plurality of raw material solutions and the solvent. Upstream from the
また、分流器20の出るセグメント全てを合流部16によって合流させて、第2分流器34によってこれを2以上に再度分流させて、それぞれ別々のマイクロ流路35に供給し、それぞれのマイクロ流路35を熱交換器36によって温度制御することが可能である。この場合は、第2分流器34の構造を適切に設計する(図8を参照)。
Further, all the segments that exit the
〔分流器20の他の構成〕
図9は、分流器20を構成する各層の構造を示す図である。分流器20は、第1層51から第6層56の6層から構成される。第1層51から第6層56の構造を、図9(a)から図9(f)に図示している。第1層51は、区画された貫通孔である2つの三角形状の三角孔21A、及び三角孔21Bとから構成されている。各第1層51〜第6層56は、実線で示す複数の貫通孔を有する構造になっており、点線は想像線である。各層の孔には、「A」、「B」の文字を示しているが、それぞれ溶液A、溶液Bの通路を意味する。
[Other configuration of the shunt 20]
FIG. 9 is a diagram showing the structure of each layer constituting the
文字「A」は、溶液Aがこの孔を通って流れることを意味する。文字「B」は、溶液Bがこの孔を通って流れることを意味する。また、分流器20中の溶液の流れを理解しやすくするために、図9(b)〜(f)には想像線で各層と隣接する前層の孔を重ねて想像線で図示している。第1層51は、図9(a)に図示するように、区画された空間である三角形の2つの三角孔51a、51bを有している。
The letter “A” means that solution A flows through this hole. The letter “B” means that solution B flows through this hole. Further, in order to facilitate understanding of the flow of the solution in the
三角孔51aには、溶液Aが供給管14から供給される。三角孔51bには、溶液Bが供給管14から供給される。第2層52は、図9(b)に図示するように、第1層51から第2層52に分岐しており、供給された溶液Aを5つの流れに分流している。同様に、第1層51の三角孔51bから供給される溶液Bは、第2層52で4つの流れに分流している。この分岐のみでは、図9(b)に示すように、溶液A、溶液Bは矩形の対角線で結んだ一方側のみに、それぞれ流れることになる。
The solution A is supplied from the
第3層53は、図9(c)に図示するように、第2層52の各孔から供給された溶液の一部を横方向(角度90度曲げた方向)に方向変換して流れる。これによって、図9(c)に示すように、第3層53の溶液Aは、細長い5本の流れとなり、溶液Bは4本の流れとなる。第4層54は、図9(d)に図示している。第5層55は、図9(e)に図示している。 第4層54と第5層55は、溶液A、Bの流れを大きくしたり、小さくしたりしている。
As illustrated in FIG. 9C, the
更に、溶液A、Bを合流、分流している。第6層56は、第5層55の孔を流れる溶液を1以上に分流するような構造になっている。結果的に溶液Aと溶液Bは、複数のセグメントに分流されている。合流部16の内部空間は、分流器20の第6層56に接続され固定される。合流部16は、内部は区画されておらず1つの流路からなる。分流器20の第6層56から排出される各セグメントは、全て合流部16に供給される。
Further, the solutions A and B are joined and shunted. The
本発明は、新材料開発分野、バイオ技術分野、医療分野に利用すると良い。 The present invention is preferably used in the field of new material development, biotechnology, and medical fields.
10…マイクロリアクタ
12、35…マイクロ流路
14…供給管
16…合流部
17…乱流発生手段
18…排出管
20…分流器
21、51…第1層
22、52…第2層
23、53…第3層
24、54…第4層
25、55…第5層
26…じゃま板
30…固定螺旋翼
31…プロペラ
33…支持部材
32…軸受
36…熱交換器
34…第2分流器
56…第6層
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに分流器によって細分化し、
隣接する前記セグメントの前記溶液をマイクロ流路内に層流で合流させ、
前記合流後、乱流発生手段によって前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合して前記反応を行わせる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。 In a production method using a microreactor in which a plurality of types of solutions are introduced into a microchannel and combined with each other in a laminar flow to produce a compound,
In the cross section in the flow direction of the solution before the merge, each of the solutions is subdivided into a plurality of segments by a flow divider,
Laminating the solution of adjacent segments in a microchannel in a laminar flow;
After the merging, a turbulent flow is generated in the solution by a turbulent flow generating means, and the solution is micromixed to perform the reaction. A method for producing a compound using a microreactor.
前記層流で合流後に前記溶液の流れ方向の断面を絞って、前記溶液の流速を早くして前記乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。 In the manufacturing method of the compound by the microreactor of Claim 1,
A method for producing a compound using a microreactor, wherein the turbulent flow is generated by narrowing a cross section in the flow direction of the solution after joining in the laminar flow to increase the flow rate of the solution.
前記乱流は、前記溶液を前記溶液の流れる軸線を中心にして旋回させるものである
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。 In the manufacturing method of the compound by the microreactor of Claim 1,
The turbulent flow is a method for producing a compound by a microreactor, wherein the solution is swirled around an axis line through which the solution flows.
前記複数のセグメントに細分化された前記溶液を層流で合流させた後、隣接する前記セグメント間に分子拡散反応を行わせた後、前記乱流発生手段によって前記溶液をマイクロ混合させて前記反応を行わせる
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。 In the manufacturing method of the compound by the microreactor of Claim 1 selected from Claim 1 to 3,
After the solution subdivided into the plurality of segments is joined together in a laminar flow, a molecular diffusion reaction is performed between the adjacent segments, and then the solution is micromixed by the turbulent flow generation means to perform the reaction A method for producing a compound using a microreactor, wherein
前記反応を制御するために、前記マイクロ流路を加熱又は冷却する
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。 In the manufacturing method of the compound by the microreactor of Claim 1 selected from Claim 1 to 3,
In order to control the reaction, the microchannel is heated or cooled. A method for producing a compound using a microreactor.
前記乱流は、Re数が200以下である
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。 In the manufacturing method of the compound by the microreactor of Claim 1 selected from Claim 1 to 3,
The turbulent flow has a Re number of 200 or less. A method for producing a compound using a microreactor.
前記化合物は、粒子の代表長さが1nmから100nmのナノ粒子である
ことを特徴とするマイクロリアクタによる化合物の製造方法。 In the manufacturing method of the compound by the microreactor of 1 selected from 1 to 6,
The compound is a nanoparticle having a typical particle length of 1 nm to 100 nm. A method for producing a compound using a microreactor.
前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路(14)と、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記溶液それぞれを複数のセグメントに細分化するためのもので、前記試料供給流路(14)に接続された分流器(20)と、
前記セグメントを合流させるためのもので、分流器(20)に接続された合流流路(16)と、
前記合流後の流路に接続され、前記溶液を混合し反応させるためのマイクロ流路(12)と、
隣接する前記セグメントの前記溶液を層流で合流させた後、前記溶液に乱流を発生させて前記溶液をマイクロ混合するための乱流発生手段(17、26、30、31)と、及び
前記マイクロ流路(12)で反応が行われた後、前記反応後の反応生成物を排出させるために前記マイクロ流路(12)と接続された試料排出流路(18)と
からなることを特徴とするマイクロリアクタ。 In a microreactor that introduces multiple types of solutions into a microchannel and reacts them by joining them in a laminar flow,
A plurality of sample supply channels (14) for supplying the plurality of types of solutions;
A flow divider (20) connected to the sample supply channel (14) for subdividing each of the solutions into a plurality of segments in a cross-section in the flow direction of the solution before the merging;
A merging channel (16) connected to a flow divider (20) for merging the segments;
A microchannel (12) connected to the channel after the merging, for mixing and reacting the solution;
Turbulent flow generating means (17, 26, 30, 31) for generating a turbulent flow in the solution and micro-mixing the solution after joining the solutions of the adjacent segments in a laminar flow; and A sample discharge channel (18) connected to the microchannel (12) for discharging the reaction product after the reaction after the reaction is performed in the microchannel (12). A microreactor.
前記合流流路(16)は、前記合流した溶液の流速を早くするために前記断面を段階的に小さくして絞るための合流部(16)と
を備えている
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 The microreactor according to claim 8, wherein
The merging flow path (16) includes a merging portion (16) for narrowing and narrowing the cross section stepwise in order to increase the flow rate of the merged solution.
前記乱流発生手段(17)は、前記マイクロ流路内を流れている前記溶液を攪拌するために前記溶液の流れを一部堰き止めるためのじゃま板(26)である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 The microreactor according to claim 8 or 9,
The turbulent flow generation means (17) is a baffle plate (26) for partially blocking the flow of the solution to stir the solution flowing in the microchannel. .
前記乱流発生手段(17)は、前記溶液の流れる方向を軸線とする固定された螺旋状の固定翼(30)である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 In claim 8 or 9,
The microreactor characterized in that the turbulent flow generation means (17) is a fixed spiral fixed blade (30) whose axis is the direction in which the solution flows.
前記乱流発生手段(17)は、前記容器の流れる方向を軸線とする回転自在な螺旋翼(31)である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 In claim 8 or 9,
The microreactor characterized in that the turbulent flow generation means (17) is a rotatable spiral blade (31) whose axis is the direction in which the container flows.
前記乱流発生手段(17)は、前記マイクロ流路(12)の管の内径の大きさを小さく/又は大きくしたものである
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 In claim 8 or 9,
The microreactor characterized in that the turbulent flow generation means (17) has a smaller or larger inner diameter of the tube of the microchannel (12).
前記乱流発生手段(17)は、超音波を発生させる装置であり、
前記超音波を前記マイクロ流路(12)に照射して、前記溶液に乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 In claim 8 or 9,
The turbulent flow generation means (17) is a device that generates ultrasonic waves,
A microreactor characterized by irradiating the microchannel (12) with the ultrasonic wave to generate turbulent flow in the solution.
前記乱流発生手段(17)は、前記合流流路(16)の排出端の内径を小さして前記溶液に乱流を発生させる
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 In claim 8 or 9,
The microreactor characterized in that the turbulent flow generating means (17) generates a turbulent flow in the solution by reducing an inner diameter of a discharge end of the confluence channel (16).
前記マイクロ流路(12)内に前記溶液の温度を加熱又は冷却して制御するための温度制御手段と、
前記温度を測定するための温度センサ手段と
を有することを特徴とするマイクロリアクタ。 16. A microreactor according to claim 1 selected from among claims 8 to 15.
Temperature control means for controlling the temperature of the solution by heating or cooling in the microchannel (12);
And a temperature sensor means for measuring the temperature.
前記分流器(20)から排出されて前記マイクロ流路(12)に導入される前記セグメントは、1mm以下に細分化され、並列に配置された
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 15. A microreactor according to claim 1 selected from among claims 9 to 14.
The microreactor characterized in that the segments discharged from the flow divider (20) and introduced into the microchannel (12) are subdivided into 1 mm or less and arranged in parallel.
前記マイクロ流路(20)の断面積の直径は、前記絞りの後、1mm以下である
ことを特徴とするマイクロリアクタ。 The microreactor according to claim 8, wherein
The diameter of the cross-sectional area of the microchannel (20) is 1 mm or less after the restriction.
前記分流器(20)は、
前記合流の前に前記溶液の流れ方向の断面において、前記複数の種類の溶液を供給するための複数の試料供給流路(14)に接続され、前記試料供給流路(14)それぞれに接続された導入部(21、22、51、52)と、
前記導入部(21、22、51、52)に接続され、前記溶液毎に流れの方向を変えて複数の流れに分流して、前記導入部(21、22、51、52)からの前記溶液の種類毎に複数のセグメントに細分化して排出する中間部(23、24、53、54、55、56)と、
前記中間部(23、24、53、54、55、56)から排出され、細分化された前記溶液の各種類を合流させて前記溶液を混合させ、かつ、前記導入部、前記中間部で各セグメント間に生じる圧力損失差を相対的に小さくするための排出孔を有する排出部(16,25、40、56)と
からなることを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。 19. A microreactor according to claim 1 selected from among claims 8 to 18.
The shunt (20)
Before the merging, in the cross section in the solution flow direction, the solution is connected to a plurality of sample supply channels (14) for supplying the plurality of types of solutions, and is connected to each of the sample supply channels (14). Introduction part (21, 22, 51, 52),
The solution from the introduction part (21, 22, 51, 52) is connected to the introduction part (21, 22, 51, 52), changes the flow direction for each solution, and is divided into a plurality of flows. An intermediate portion (23, 24, 53, 54, 55, 56) that is subdivided into a plurality of segments for each type, and
Each type of the solution discharged and subdivided from the intermediate part (23, 24, 53, 54, 55, 56) is joined to mix the solution, and each of the introduction part and the intermediate part is mixed. A shunt for a microreactor comprising a discharge section (16, 25, 40, 56) having a discharge hole for relatively reducing a pressure loss difference generated between segments.
ことを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。 20. A flow divider for a microreactor according to claim 19, wherein the discharge is made from the discharge part (16, 25, 40, 56) by adjusting the size of the hole, adjusting the pressure loss, and adjusting the segment flow rate. A shunt for a microreactor characterized by adjusting a thickness in a direction perpendicular to the flow of segments after being formed.
前記合流流路(16)は、排出部に底面が連結され、頂点が前記マイクロ流路(12)に連結された円錐形である
ことを特徴とするマイクロリアクタ用の分流器。 The microreactor according to claim 19, wherein
The confluence channel (16) has a conical shape having a bottom surface connected to a discharge portion and a vertex connected to the micro channel (12).
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