CN108367265A - 微反应器 - Google Patents

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冈本一男
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Abstract

提供能够更廉价地制造的微反应器。微反应器10具备通过气体的压力运送液体原料的运送单元。微反应器10具备用于储存液体原料的原料罐12。运送液体原料的运送单元能够通过原料罐12内的气体的压力而运送储存于原料罐12内的液体原料。优选在连接原料罐12与下一装置的配管18上设有小径部28。

Description

微反应器
技术领域
本发明涉及微反应器。
背景技术
微反应器作为替代现有的分批型反应器的反应器而备受关注，并且针对微反应器进行了各种各样的研究。微反应器是指进行化学和生物化学反应的、反应体系的空间尺度为例如微米程度的流动型反应装置的总称。微反应器具有输送反应中使用的物质的输送通路。该输送通路的内径例如为微米程度。根据微反应器，能够高效地将多种物质混合并使其反应。此外，能够在恒定的温度下使反应均匀地进行。因此，根据微反应器，能够在改善反应选择性的同时，增大反应速度。进一步，微反应器与现有的分批式的反应器相比，可以说容易从实验室水平过渡成生产工艺。但是，微反应器的制造成本高，技术课题也多。因此，以生产为目的的微化学工厂并未大规模实现。
微反应器与现有的分批式反应器相比生产率低。为了增加微化学工厂的生产量，研究了数增放大这一方法。数增放大是指将多个微反应器并联化的方法。
可以将多台包含泵的相同装置并联化从而实现数增放大。该数增放大的方法存在的问题在于，装置的制造成本变高。该方法能够在不改变反应条件等的情况下从实验室水平过渡成生产工艺，因此容易实现工业化。
专利文献1中记载了使流路分支的数增放大的方法。该方法是将从泵送出的液体原料分配至分支的多个流路中，并且将混合器并联排布的方法。
专利文献2中记载了向多个微反应器中均匀分配液体而不使用分支的配管的方法。
专利文献3中记载了由层叠的多个流路单元构成的微通道反应器。
专利文献4中记载了以微化学工厂的低成本化、小型化为目的的微反应器。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2007-136253号公报
专利文献2：日本特开2011-36773号公报
专利文献3：日本特开2014-217823号公报
专利文献4：日本特开2010-94660号公报
发明内容
发明所要解决的问题
使流路分支的数增放大据称难以将液体原料在多个流路中均等地流动。此外，在1个流路阻塞时其他流路中流速发生变化，因此需要防止阻塞。并且，存在的缺点在于，需要一直监测各流路中是否发生阻塞。
这样一来，通过使流路分支而进行的数增放大包含许多技术课题。因此，通过装置的并联化而进行的数增放大更容易实现工业化。但是，在该数增放大中装置的制造成本变得庞大，因此期望更廉价地实现能够数增放大的微反应器。
作为影响微反应器的制造成本的要因之一，举出泵的价格和性能。通常，作为在微反应器中运送所反应的物质(液体原料和/或原料的溶液)的手段，使用注射泵、柱塞泵。
注射泵虽不进行脉动，但为了连续运转每1个系统需要2台以上的泵。为了精密控制流量，需要昂贵的注射泵系统。此外，由于存在注射泵在连续运转中劣化导致液体泄漏、或破损的危险性，因此在运送禁水试剂时需要特别注意。
柱塞泵虽然容易实现连续运转，但如果活塞为1个则会导致脉动变大，反应条件产生偏差。因此，需要使用连接2个或者3个活塞的昂贵的2连或者3连泵。
本发明鉴于上述那样的课题而完成，其目的在于，提供能够更廉价制造的微反应器。
解决问题的手段
用于解决课题的手段是下述发明。
(1)一种微反应器，具备通过气体的压力运送液体原料的运送单元。
(2)根据(1)所述的微反应器，所述微反应器具备用于储存所述液体原料的原料罐，所述运送单元通过所述原料罐内的气体的压力而运送储存于所述原料罐内的液体原料。
(3)根据(2)所述的微反应器，所述微反应器具备向所述原料罐内供给气体的气体供给单元。
(4)根据(2)或(3)所述的微反应器，所述微反应器具备用于调整所述原料罐内的气体的压力的压力调整单元。
(5)根据(2)至(4)中任一项所述的微反应器，其中，所述原料罐由耐压罐构成。
(6)根据(2)至(5)中任一项所述的微反应器，所述微反应器具备用于将所述液体原料与其他原料混合的混合器，在连接所述原料罐与所述混合器的配管上设有小径部。
(7)根据(6)所述的微反应器，其中，所述小径部由内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小的管构成。
(8)根据(6)或(7)所述的微反应器，其中，连接所述原料罐与所述小径部的配管的内部的压力为1.5MPa以下。
(9)根据(6)至(8)中任一项所述的微反应器，所述微反应器具有多个所述原料罐，通过所述混合器混合从所述多个原料罐运送来的液体原料。
(10)根据(1)至(9)中任一项所述的微反应器，其中，所述气体为氮气。
(11)一种微化学工厂，具备(1)至(10)中任一项所述的多个微反应器，将所述多个微反应器并联连接。
(12)一种微化学工厂，具备(1)至(10)中任一项所述的微反应器，所述原料罐连接有多个流路。
发明效果
根据本发明，可以提供一种能够更廉价制造的微反应器。
附图说明
图1示出了第1实施方式所涉及的微反应器的流动。
图2示出了第2实施方式所涉及的微反应器的流动。
图3示出了第3实施方式所涉及的微反应器的流动。
图4示出了第4实施方式所涉及的微反应器的流动。
图5是小径部的放大剖视图。
图6示出了小径部的另一个例子。
图7示出了小径部的另一个例子。
图8示出了实施例5所涉及的微反应器的流动。
图9示出了实施例6所涉及的微反应器的流动。
图10示出了实施例7所涉及的微反应器的流动。
图11示出了实施例8所涉及的微反应器的流动。
具体实施方式
＜第1实施方式＞
以下，参照附图详细说明本发明的第1实施方式。
图1示出第1实施方式所涉及的微反应器的流动。
如图1所示，第1实施方式所涉及的微反应器10具备原料罐12、恒温槽14、和反应物罐16。原料罐12是用于储存液体原料的罐。恒温槽14是用于加热液体原料的槽。通过加热液体原料而得到的反应物被储存于反应物罐16。原料罐12与后述的小径部28通过配管18连接。小径部28与反应物罐16通过配管20连接。在配管20中流动的液体原料通过恒温槽14内，由此被加热至规定的温度。
本实施方式所涉及的微反应器10是能够通过加热液体原料而得到目标物质的装置。本说明书中液体原料是指所反应的液体的物质。或者，液体原料是指包含所反应的物质的溶液。微反应器10将对象物质加热至反应温度。微反应器10通过将对象物质加热而使其反应，从而能够得到目标物质。
原料罐12只要能够储存液体原料则没有特别限制，例如可以由金属制、树脂制或者玻璃制的罐构成。本实施方式中，原料罐12由聚乙烯制的耐压罐构成。通过用耐压罐构成原料罐12，能够将原料罐12的内部维持为高压。
恒温槽14只要能够将液体原料加热至规定的温度则没有特别限制，例如可以由市场上出售的公知恒温槽构成。
反应物罐16只要能够储存通过加热液体原料而得到的反应物则没有特别限制，例如可以由金属制、树脂制或者玻璃制的罐构成。
微反应器10具备未图示的氮气罐。可以由氮气罐向原料罐12内供给氮气(N2气体)。氮气罐与原料罐12通过氮气供给配管22而连接。在氮气供给配管22上设有压力调整阀24(调节器)。通过压力调整阀24能够调整原料罐12内的氮气压力。
氮气对应于本发明的“气体”。用于供给氮气的氮气罐和氮气供给配管22对应于本发明的“气体供给单元”。调整原料罐12内填充的氮气压力的压力调整阀24对应于本发明的“压力调整单元”。通过压力调整阀24能够调整从原料罐12运送至恒温槽14的液体原料的流量。供给至原料罐12的气体的压力范围为1kPa至200MPa，优选为10kPa至15MPa。
在原料罐12内储存液体原料。在所储存的液体原料的上方空间中填充氮气。通过存在于液体原料上方的氮气的压力可以将液体原料从原料罐12经由配管18而运送至恒温槽14。即，原料罐12可以通过填充于其内部的氮气(气体)的压力将液体原料运送至下一装置。原料罐12和填充于其内部的氮气对应于本发明的“运送单元”。
连接原料罐12与小径部28的配管18例如由内径为1.0mm的PTFE(聚四氟乙烯)制的管构成。在配管18上设有开关阀26。开关阀26是用于控制在配管18的内部流动的液体原料的流通/截止的阀。开关阀26例如由电磁阀构成。连接原料罐12与小径部28的配管18的内部压力优选不超过开关阀26的允许压力。在开关阀26由电磁阀构成的情况下，连接原料罐12与小径部28的配管18的内部压力优选为1.5MPa以下，更优选为0.8MPa以下。
在配管18上设有小径部28。小径部28的内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小。小径部28可以为内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小的管。小径部28的内径例如优选为小径部28例如由内径为0.2mm的PEEK(聚醚醚酮)制的管构成。配管18与小径部28如图5所示那样，通过连结器19a而连结。小径部28与其下游侧的配管20通过连结器19b而连结。
连接小径部28与反应物罐16的配管20例如由内径为1.0mm的PTFE(聚四氟乙烯)制的管构成。储存于原料罐12中的液体原料通过恒温槽14而被加热至反应温度以上后，经由配管20而运送至反应物罐16。通过加热液体原料，液体原料中包含的物质发生反应。通过反应而得到的目标物质被储存在反应物罐16内。
说明如上述那样构成的第1实施方式所涉及的微反应器10的作用和效果。
现有的微反应器为了运送液体原料而具备昂贵的注射泵、柱塞泵。因此，存在的问题在于装置整体的制造成本变得庞大。
根据本实施方式所涉及的微反应器10，能够通过填充于原料罐12中的氮气的压力而运送液体原料，因此不需要注射泵、柱塞泵。因此，能够大幅削减装置整体的制造成本。
根据本实施方式所涉及的微反应器10，能够通过压力调整阀24而将原料罐12内的氮气的压力维持为恒定，因此，能够防止在配管20中流动的液体原料的流量发生变动。
进一步，在连接原料罐12与配管20的配管18上设有小径部28。通过该小径部28能够调整压力损失。通过调整压力损失能够调整在配管18中流动的液体原料的流量。其结果是，能够将在配管20中流动的液体原料的流量维持为恒定。此外，能够使反应均匀进行，能够稳定地制造具有恒定品质的目标物。
＜第2实施方式＞
以下，参照附图详细说明本发明的第2实施方式。
图2示出第2实施方式所涉及的微反应器的流动。
如图2所示，第2实施方式所涉及的微反应器110具备2个原料罐112a、112b、混合器114、和反应物罐116。原料罐112a、112b是用于储存2种液体原料的罐。从原料罐112a、112b送出的液体原料通过混合器114而被混合。混合液体原料而得到的反应物被储存于反应物罐116。原料罐112a与混合器114通过配管118a而连接。原料罐112b与混合器114通过配管118b而连接。混合器114与反应物罐116通过配管120而连接。
本实施方式所涉及的微反应器110是能够混合2种液体原料的装置。通过混合2种液体原料并使其反应，能够得到目标反应物。
原料罐112a、112b只要能够储存液体原料则没有特别限制，例如可以由金属制、树脂制或者玻璃制的罐构成。本实施方式中，原料罐112a、112b由聚乙烯制的耐压罐构成。通过用耐压罐构成原料罐112a、112b，能够将原料罐112a、112b的内部维持为高压。
混合器114只要能够混合2种液体原料则没有特别限制，可以使用任意的混合器。作为混合器114，例如可以使用市场上出售的公知的金属制、树脂制、或者玻璃制的微混合器。微混合器是指具备用于混合多种液体原料的微小流路的混合器。微混合器可以通过例如下述方式被制造：在金属板的一个表面上形成微小流路，在该金属板的形成了微小流路的表面上重合另一张金属板。微小流路的形状没有特别限制，可以使用例如形成有T字型微小流路的混合器、形成有Y字型微小流路的混合器。微小流路的宽度没有特别限制，可以使用例如形成有宽度的尺寸为0.01～1000μm左右的微小流路的微混合器。
反应物罐116只要能够储存混合液体原料而得到的反应物则没有特别限制，例如可以由金属制、树脂制或者玻璃制的罐构成。
微反应器110具备未图示的氮气罐。可以从氮气罐向2个原料罐112a、112b内供给氮气(N2气体)。氮气罐与原料罐112a、112b分别通过氮气供给配管122a、122b而连接。在氮气供给配管122a、122b上分别设有压力调整阀124a、124b(调节器)。通过压力调整阀124a、124b可以将原料罐112a、112b内的氮气压力分别维持为恒定。此外，通过压力调整阀124a、124b可以分别调整从2个原料罐112a、112b运送至混合器114的液体原料的流量。供给至原料罐112a、112b的气体的压力范围为1kPa至200MPa，优选为10kPa至15MPa。
氮气对应于本发明的“气体”。用于供给氮气的氮气罐和氮气供给配管122a、122b对应于本发明的“气体供给单元”。调整原料罐112a、112b内填充的氮气压力的压力调整阀124a、124b对应于本发明的“压力调整单元”。
在2个原料罐112a、112b内储存液体原料。在所储存的液体原料的上方空间中分别填充氮气。通过存在于液体原料上方的氮气的压力，可以将液体原料从2个原料罐112a、112b经由配管118a、118b而运送至混合器114。即，2个原料罐112a、112b可以通过填充于其内部的氮气(气体)的压力将液体原料运送至下一装置。2个原料罐112a、112b和分别填充于其内部的氮气对应于本发明的“运送单元”。
将2个原料罐112a、112b与混合器114连接的配管118a、118b例如由内径为1.0mm的PTFE(聚四氟乙烯)制的管构成。在配管118a、118b上分别设有开关阀126a、126b。开关阀126a、126b是用于控制在配管118a、118b的内部流动的液体原料的流通/截止的阀。开关阀126a、126b例如由电磁阀构成。连接原料罐112a、112b与小径部128a、128b的配管118a、118b的内部压力优选不超过开关阀126a、126b的允许压力。在开关阀126a、126b由电磁阀构成的情况下，连接原料罐112a、112b与小径部128a、128b的配管118a、118b的内部压力优选为1.5MPa以下，更优选为0.8MPa以下。
在连接2个原料罐112a、112b与混合器114的配管118a、118b上分别设有小径部128a、128b。小径部128a、128b可以为内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小的管。小径部128a、128b例如由内径为0.2mm的PEEK(聚醚醚酮)制的管构成。配管118a、118b与小径部128a、128b分别通过未图示的连结器而连结。
连接混合器114与反应物罐116的配管120例如由内径为1.0mm的PTFE(聚四氟乙烯)制的管构成。储存于2个原料罐112a、112b中的液体原料通过混合器114而被混合后，经由配管120而运送至反应物罐116。由此，通过使2种液体原料中包含的物质发生反应而得到的目标物质被储存于反应物罐116内。
说明如上述那样构成的第2实施方式所涉及的微反应器110的作用和效果。
现有的微反应器为了运送液体原料而具备昂贵的注射泵、柱塞泵。因此，存在的问题在于装置整体的制造成本变得庞大。
根据本实施方式所涉及的微反应器110，能够通过填充于原料罐112a、112b中的氮气的压力而运送液体原料，因此不需要注射泵、柱塞泵。因此，能够大幅削减装置整体的制造成本。
根据本实施方式所涉及的微反应器110，能够通过压力调整阀124a、124b而将2个原料罐112a、112b内的氮气的压力维持为恒定，因此，能够防止运送至混合器114的液体原料的流量发生变动。
进一步，在连接2个原料罐112a、112b与混合器114的配管118a、118b上分别设有小径部128a、128b。通过该小径部128a、128b能够调整压力损失。通过调整压力损失能够调整在配管118a、118b中流动的液体原料的流量。此外，能够防止液体原料向原料罐112a、112b逆流。其结果是，能够将供给至混合器114的液体原料的流量调整为恒定。此外，能够使反应均匀进行，能够稳定地制造具有恒定品质的目标物。
进一步，根据本实施方式所涉及的微反应器110，能够将从2个原料罐112a、112b运送至混合器114的液体原料的流量比控制为恒定。例如，在2个原料罐112a、112b中装入的氮气的压力产生差异时，容易发生液体原料从压力高的原料罐向压力低的原料罐逆流。根据本实施方式所涉及的微反应器110，在小径部128a、128b中调整压力损失，因此液体原料的流量变小。由此，防止了液体原料的逆流，因此将供给至混合器114的2种液体原料的流量比维持为恒定。
这样一来，根据本实施方式所涉及的微反应器110，在连接原料罐与混合器的配管118a、118b上分别设有小径部128a、128b，因此将供给至混合器114的2种液体原料的流量比维持为恒定。
本实施方式所涉及的微反应器110能够通过原料罐内的气体压力而运送液体原料。并且，本实施方式所涉及的微反应器110具备小径部128a、128b，因此能够通过气体压力稳定地运送液体原料。本实施方式所涉及的微反应器110在能够实现这些技术效果的方面上是崭新的、划时代的发明。
＜第3实施方式＞
以下，参照附图详细说明本发明的第3实施方式。
第3实施方式与上述说明的第2实施方式几乎相同，不同之处在于，使3种液体原料以2阶段进行反应。以下，有时省略说明与第2实施方式相同的部分。
图3示出本发明的第3实施方式所涉及的微反应器的流动。
如图3所示，本实施方式所涉及的微反应器210具备3个原料罐212a、212b、212c、2个混合器214a、214b、和反应物罐216。原料罐212a、212b、212c是用于储存3种液体原料的罐。从原料罐212a、212b、212c送出的液体原料通过2个混合器214a、214b而被混合。混合3种液体原料而得到的反应物被储存于反应物罐216。原料罐212a与混合器214a通过配管218a而连接。原料罐212b与混合器214a通过配管218b而连接。原料罐212c与混合器214b通过配管218c而连接。混合器214a与混合器214b通过配管218d而连接。混合器214b与反应物罐216通过配管220而连接。
本实施方式所涉及的微反应器210是能够将3种液体原料以2阶段进行混合的装置。
最初，将从第1原料罐212a送出的液体原料与从第2原料罐212b送出的液体原料通过第1混合器214a混合。接着，将由第1混合器214a混合了的2种液体原料与从第3原料罐212c送出的液体原料通过第2混合器214b混合。由此，能够将3种液体原料以2阶段混合并使其反应。
微反应器210具备未图示的氮气罐。可以从氮气罐向3个原料罐212a、212b、212c内供给氮气(N2气体)。氮气罐与原料罐212a、212b、212c分别通过氮气供给配管222a、222b、222c而连接。在氮气供给配管222a、222b、222c上分别设有压力调整阀224a、224b、224c(调节器)。通过压力调整阀224a、224b、224c可以将原料罐212a、212b、212c内的氮气压力分别维持为恒定。此外，通过压力调整阀224a、224b、224c可以分别调整从3个原料罐212a、212b、212c运送至混合器214a、214b的液体原料的流量。供给至原料罐212a、212b、212c的气体的压力范围为1kPa至200MPa，优选为10kPa至15MPa。
氮气对应于本发明的“气体”。用于供给氮气的氮气罐和氮气供给配管222a、222b、222c对应于本发明的“气体供给单元”。调整原料罐212a、212b、212c内填充的氮气压力的压力调整阀224a、224b、224c对应于本发明的“压力调整单元”。
在3个原料罐212a、212b、212c内储存液体原料。在所储存的液体原料的上方空间中分别填充氮气。通过存在于液体原料上方的氮气的压力可以将液体原料运送至下一装置。即，可以将储存于第1原料罐212a中的液体原料运送至第1混合器214a。可以将储存于第2原料罐212b中的液体原料运送至第1混合器214a。可以将储存于第3原料罐212c中的液体原料运送至第2混合器214b。3个原料罐212a、212b、212c和分别填充于其内部的氮气对应于本发明的“运送单元”。
连接原料罐与混合器的配管218a、218b、218c例如由内径为1.0mm的PTFE(聚四氟乙烯)制的管构成。在配管218a、218b、218c上分别设有开关阀226a、226b、226c。开关阀226a、226b、226c是用于控制在配管218a、218b、218c的内部流动的液体原料的流通/截止的阀。开关阀226a、226b、226c例如由电磁阀构成。连接原料罐212a、212b、212c与小径部228a、228b、228c的配管218a、218b、218c的内部压力优选不超过开关阀226a、226b、226c的允许压力。在开关阀226a、226b、226c由电磁阀构成的情况下，连接原料罐212a、212b、212c与小径部228a、228b、228c的配管218a、218b、218c的内部压力优选为1.5MPa以下，更优选为0.8MPa以下。
在连接原料罐与混合器的配管218a、218b、218c上分别设有小径部228a、228b、228c。小径部228a、228b、228c可以为内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小的管。小径部228a、228b、228c例如由内径为0.2mm的PEEK(聚醚醚酮)制的管构成。配管218a、218b、218c与小径部228a、228b、228c分别通过未图示的连结器而连结。
连接混合器214b与反应物罐216的配管220例如由内径为1.0mm的PTFE(聚四氟乙烯)制的管构成。储存于3个原料罐212a、212b、212c中的液体原料通过混合器214a、214b而以2阶段进行了混合后，经由配管220而运送至反应物罐216。由此，通过使3种液体原料中包含的物质发生反应而得到的目标物质被储存于反应物罐216内。
说明如上述那样构成的第3实施方式所涉及的微反应器210的作用和效果。
现有的微反应器为了运送液体原料而具备昂贵的注射泵、柱塞泵。因此，存在的问题在于装置整体的制造成本变得庞大。
根据本实施方式所涉及的微反应器210，能够通过填充于原料罐212a、212b、212c中的氮气的压力而运送液体原料，因此不需要注射泵、柱塞泵。因此，能够大幅削减装置整体的制造成本。
根据本实施方式所涉及的微反应器210，能够通过压力调整阀224a、224b、224c而将3个原料罐212a、212b、212c内的氮气压力维持为恒定，因此，能够防止运送至混合器214a、214b的液体原料的流量发生变动。
进一步，在连接原料罐212a、212b、212c与混合器214a、214b的配管218a、218b、218c上分别设有小径部228a、228b、228c。通过该小径部228a、228b、228c能够调整压力损失。通过调整压力损失能够调整在配管218a、218b、218c中流动的液体原料的流量。并且，能够防止液体原料向原料罐212a、212b、212c逆流。其结果是，能够将供给至混合器214a、214b的液体原料的流量调整为恒定。此外，能够使反应均匀进行，能够稳定地制造具有恒定品质的目标物。
进一步，根据本实施方式所涉及的微反应器210，能够将从2个原料罐212a、212b运送至混合器214a的液体原料的流量比控制为恒定。例如，在2个原料罐212a、212b中装入的氮气的压力产生差异时，容易发生液体原料从压力高的原料罐向压力低的原料罐逆流。根据本实施方式所涉及的微反应器210，由于在小径部228a、228b中调整了压力损失，因此液体原料的流量变小。由此，防止了液体原料的逆流，因此将供给至混合器214a的2种液体原料的流量比维持为恒定。同样地，在第2混合器214b中也将从原料罐212c和混合器214a运送来的液体原料的流量比维持为恒定。
这样一来，根据本实施方式所涉及的微反应器210，在连接原料罐与混合器的配管218a、218b、218c上分别设有小径部228a、228b、228c，因此将供给至混合器214a、214b的3种液体原料的流量比维持为恒定。
本实施方式所涉及的微反应器210能够通过原料罐内的气体压力而运送液体原料。此外，本实施方式所涉及的微反应器210具备小径部228a、228b、228c，因此能够通过气体压力稳定地运送液体原料。本实施方式所涉及的微反应器210在能够实现这些技术效果的方面上是崭新的、划时代的发明。
＜第4实施方式＞
以下，参照附图详细说明本发明的第4实施方式。
第4实施方式与上述说明的第2实施方式几乎相同，不同之处在于，并非混合2种液体原料，而是混合液体原料和气体原料。以下，有时省略说明与第2实施方式相同的部分。
图4示出本发明的第4实施方式所涉及的微反应器的流动。
如图4所示，本实施方式所涉及的微反应器310具备原料罐312、原料罐313、混合器314、和反应物罐316。原料罐312是用于储存液体原料的罐。原料罐313是用于储存气体原料的罐。液体原料与气体原料通过混合器314而被混合。混合液体原料与气体原料而得到的反应物被储存于反应物罐316中。原料罐312与混合器314通过配管318a而连接。原料罐313与混合器314通过配管318b而连接。混合器314与反应物罐316通过配管320而连接。
本实施方式所涉及的微反应器310是能够混合液体原料与气体原料而得到反应物的装置。
微反应器310具备未图示的氮气罐。可以从氮气罐向原料罐312内供给氮气(N2气体)。氮气罐与原料罐312通过氮气供给配管322而连接。在氮气供给配管322上设有压力调整阀324(调节器)。通过压力调整阀324能够将原料罐312内的氮气压力维持为恒定。此外，通过压力调整阀324能够调整从原料罐312运送至混合器314的液体原料的流量。供给至原料罐312的气体的压力范围为1kPa至200MPa，优选为10kPa至15MPa。
氮气对应于本发明的“气体”。用于供给氮气的氮气罐和氮气供给配管322对应于本发明的“气体供给单元”。调整原料罐312内填充的氮气压力的压力调整阀324对应于本发明的“压力调整单元”。
在原料罐312内储存液体原料。在所储存的液体原料的上方空间中填充氮气。通过存在于液体原料上方的氮气的压力可以将储存于原料罐312中的液体原料运送至混合器314。原料罐312和填充于其内部的氮气对应于本发明的“运送单元”。
在连接原料罐312与混合器314的配管318a上设有小径部328。小径部328可以为内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小的管。小径部328例如由内径为0.2mm的PEEK(聚醚醚酮)制的管构成。配管318a与小径部328通过未图示的连结器而连结。
在连接原料罐313与混合器314的配管318b上设有压力调整阀325(调节器)。通过压力调整阀325能够调整从原料罐313供给至混合器314的气体原料的压力。此外，通过压力调整阀325能够将供给至混合器314的气体原料的流量维持为恒定。
根据第4实施方式所涉及的微反应器310，能够得到与第2实施方式所涉及的微反应器110相同的作用效果。
本发明的微反应器不仅能够应用于混合2种液体原料的反应体系，还能够应用于混合液体原料与气体原料的反应体系。
＜其他实施方式＞
(1)上述实施方式中示出原料罐的数量为1个、2个、或3个的例子，但原料罐的数量不限于这些。
(2)上述实施方式中示出配管的材质为树脂的例子，但配管的材质不限于此。配管可以例如由金属形成。
(3)上述实施方式中示出了小径部为树脂制的管的例子，但小径部不限于此。小径部可以例如由金属的管形成。此外，为调整HPLC(高效液相色谱)、离子色谱的背压而使用的公知的背压管、背压调节器也可以被用作小径部。
(4)上述实施方式中示出了用于运送液体原料的气体为氮气的例子，但气体的种类不限于此。用于运送液体原料的气体可以为例如空气、氩气。
(5)上述实施方式中示出了运送所反应的物质(液体原料和/或原料的溶液)的例子，但也可以运送原料的稀释用溶剂、反应终止剂、或者萃取用溶剂等。
上述实施方式中示出了原料罐与小径部通过1根配管连接的例子，但与原料罐连接的配管可以分支为2根以上。即，可以从原料罐分支出多个配管，并且该分支出的配管的每一个与小径部连接。
小径部的内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小。优选地，小径部的内径比其上游侧和下游侧的配管的内径更小。以下，针对小径部进一步详细说明。
小径部可以由阀构成。例如，可以将能够调整流路的大小的具备阀体、阀芯的阀用作小径部。例如，可以将闸阀、球心阀(globe valve)用作小径部。例如，可以将能够调整流路的大小的“二通阀”(GL Sciences制造)用作小径部。
小径部可以由孔构成。例如，可以将在薄的树脂制或者金属制的板上形成有开口的孔用作小径部，该开口比上游侧和下游侧的配管的内径小。孔可以在1张板上形成1个开口，也可以在1张板上形成多个开口。例如，可以将用于HPLC、离子色谱的内联过滤器用作小径部。例如，可以将用于HPLC的、PEEK制造的柱前过滤器(Shimadzu GLC Ltd.制造)用作小径部。
如图6所示，小径部400可以通过下述方式制造：在金属板402a的一个表面上形成微小流路404，在该金属板402a的形成了微小流路404的表面上重合另一张金属板402b。即，小径部400可以与上述微混合器同样地在金属板402a上形成微小流路404。微小流路404的内径比小径部400的上游侧的配管406和下游侧的配管408的内径更小。
如图7所示，小径部410可以是使金属制或者树脂制的管412物理变形而部分地将该管412的内径变小得到的物体。管412的变形部分的内径414的内径比其上游侧和/或下游侧的配管的内径更小。
以下，说明将本发明进一步具体化的实施例。
(实施例1)
将实施方式1中说明的微反应器10应用于下述式(1)所示的狄尔斯-阿尔德(Diels-Alder)反应。
[化1]
使马来酸酐(A)9.8g(10mmol)和1,3-环己二烯(B)8.0g(10mmol)溶解于甲苯100ml，由此得到液体原料。将所得液体原料储存于原料罐中。
通过填充于原料罐内的氮气的压力而将储存于原料罐中的液体原料运送至恒温槽。此时，将原料罐内的氮气的压力调整为0.02MPa。在连通原料罐与恒温槽的配管上安装内径为0.2mm、长度为15cm的管作为小径部。通过恒温槽的配管的内径为1.0mm、长度为4m。恒温槽的设定温度为80℃。
通过将液体原料以恒定的流速运送至恒温槽，能够定量地得到狄尔斯-阿尔德加成体(C)。
(实施例2)
将实施方式2中说明的微反应器110应用于下述式(2)所示的咔唑的溴代反应。
[化2]
使咔唑(D)25g(0.15mol)溶解于DMF，由此得到液体原料250ml。将所得液体原料储存于第1原料罐。
使N-溴代丁二酰亚胺(NBS)26.6g(0.15mol)溶解于DMF，由此得到液体原料250ml。将所得液体原料储存于第2原料罐。
通过填充于原料罐内的氮气的压力而将储存于原料罐中的液体原料运送至混合器。此时，将第1原料罐内的氮气的压力调整为0.14MPa。将第2原料罐内的氮气的压力调整为0.03MPa。
使用形成有内径为1.0mm的T字型微小流路的混合器(YMC公司制造YMC-P-0020)混合2种液体原料。在连接第1原料罐与混合器的配管上安装内径为0.2mm、长度为5cm的管作为小径部。
混合器与反应物罐通过其周围被冷却至-5℃的内径为1.0mm、长度为1m的配管而连接。将由混合器混合了的2种液体原料在该配管中流动，由此进行溴代反应，以80％的反应转化率得到溴咔唑(E)。此时，生成7％的二溴体(F)。
(实施例3)
将实施方式2中说明的微反应器110应用于下述式(3)所示的苯乙烯磺酸钠(PSSNa)(H)的合成反应。
[化3]
使苯乙烯磺酸钠单体(G)50g溶解于水，由此得到液体原料250ml。将所得液体原料储存于第1原料罐。
使过硫酸钠0.5g溶解于水，得到液体原料250ml。将所得液体原料储存于第2原料罐。
通过填充于原料罐内的氮气的压力而将储存于原料罐中的液体原料运送至混合器。此时，将第1原料罐内的氮气的压力调整为0.03MPa。将第2原料罐内的氮气的压力调整为0.03MPa。
使用形成有内径为1.0mm的T字型微小流路的混合器(YMC公司制造YMC-P-0020)混合2种液体原料。在连接2个原料罐与混合器的配管上分别安装内径为0.2mm、长度为10cm的管作为小径部。
混合器与反应物罐通过其周围被加热至80℃的内径为1.0mm、长度为10m的配管而连接。将由混合器混合了的2种液体原料在该配管中流动，由此得到聚苯乙烯磺酸钠(H)(Mn：83191,Mw：148234,Mw/Mn：1.78)作为反应物。
虽然连续进行了18小时的微反应器的运转，但能够稳定地运送液体原料。此外，能够稳定地制造反应物。
(实施例4)
将实施方式3中说明的微反应器210应用于下述式(4)所示的萘基硼酸的合成反应。
[化4]
使1-溴萘(I)6.3g溶解于THF，得到液体原料100ml(0.31M)。将所得液体原料储存于第1原料罐。
将1.6M n-BuLi己烷溶液25ml用环戊基甲基醚(CPME)75ml稀释，由此得到液体原料100ml(0.4M)。将所得液体原料储存于第2原料罐。
使硼酸三异丙酯(B(OiPr)3)11.6g溶解于THF，由此得到液体原料100ml(0.62M)。将所得液体原料储存于第3原料罐。
通过填充于原料罐内的氮气的压力而将储存于第1原料罐和第2原料罐中的液体原料运送至第1混合器。此时，将第1原料罐内的氮气的压力调整为0.07MPa。将第2原料罐内的氮气的压力调整为0.07MPa。通过第1混合器将2种液体原料在室温下混合，在内径为1.0mm、长度为20cm的配管内使混合后的液体原料Li化。
通过填充于原料罐内的氮气的压力而将储存于第3原料罐中的液体原料运送至第2混合器。此时，将第3原料罐内的氮气的压力调整为0.07MPa。
使用形成有内径为1.0mm的T字型微小流路的混合器(YMC公司制造YMC-P-0020)混合液体原料。在连接原料罐与混合器的配管上分别安装内径为0.2mm、长度为5cm的管作为小径部。
通过第2混合器将由第1混合器混合了的2种液体原料和储存于第3原料罐中的液体原料混合，在内径为1mm、长度为100cm的配管内使混合后的液体原料进行反应。由此，得到目标反应物、即1-萘基硼酸(K)。
将所得反应物通过HPLC进行分析的结果是，1-萘基硼酸(K)为92％，1-溴萘(I)为0.4％，作为脱溴体的萘(L)为4％。未确认到在高温条件下容易生成的丁基加成体(M)的生成。
(实施例5)
使用2个原料罐来组装图8所示的装置。使用该装置研究3流路的数增放大。
如图8所示，从共通的氮气供给源向原料罐A和原料罐B供给氮气。在氮气供给源的出口侧的配管上安装压力调整阀(调节器)。使压力调整阀的前方分支，该分支的前方分别连接旋塞和原料罐。
原料罐A连接2根1/8英寸、内径为1.58mm、长度为1300mm(连接800mm和500mm的管而得到的管)的PTFE制管。将这些管称为流路A1、流路A2。
原料罐B连接1根与上述相同的PTFE制管。将该管称为流路B。
各个管的前方连接三通阀、排出器以及1/16英寸、内径为1mm、长度为300mm的PTFE制管。该管的前方连接1/16英寸、内径为0.25mm、长度为80mm的PEEK制管。该PEEK制的管相当于本发明的小径部。该小径部的前方连接反应物罐。
向各原料罐中投入水。将供给至原料罐的气体的压力设定为50kPa。在打开流路A1的阀起30秒后打开流路A2的阀。在打开流路A2的阀起30秒后打开流路B的阀。在打开阀起10分钟后关闭各个阀。关闭阀后测量反应物罐的重量。根据所测量的反应物罐的重量求出各流路的流速。通过这样的流程测定流速3次。将测定结果示于下述表1。
[表1]
在比较3根流路的流速时成为偏差的指标的RSD(相对标准偏差)为0.5％左右，流速的偏差小。这样一来，根据本发明的微反应器，能够从原料罐几乎均等地向多个流路流动液体。
根据本发明的微反应器，能够通过装置的并联化进行数增放大，并且能够通过在1个原料罐上连接多个流路而进行数增放大。
在原料罐A上连接2根流路，在原料罐B上连接1根流路。尽管在原料罐A和原料罐B上连接的流路的数量不同，但各个流路的流速相同。可知，通过本发明的微反应器使液体在多个流路中几乎均等地流动。这样的特征的效果是通过使用小径部而得到的。与此相对地，在使用现有的注射泵、柱塞泵的情况下，流路A1和流路A2的流速达到流路B的约一半。
(实施例6)
在1个原料罐上连接10根流路来组装图9所示的装置。使用该装置研究10流路的数增放大。
如图9所示，从氮气供给源向原料罐供给高压氮气。该原料罐连接10根1/8英寸、内径为1.58mm、长度为1300mm(连接800mm和500mm的管而得到的管)的PTFE制管。各个管的前方连接三通阀以及1/16英寸、内径为1mm、长度为300mm的PTFE制管。该管的前方连接内径为0.25mm、长度为200mm的PEEK制管。该PEEK制的管相当于本发明的小径部。该小径部的前方分别连接反应物罐。
向原料罐中投入水。将供给至原料罐的气体的压力设定为0.1MPa。每隔5秒依次打开分别设置在10根流路上的阀。在打开阀起10分钟后关闭各个阀。关闭阀后测量反应物罐的重量。根据所测量的反应物罐的重量求出各流路的流速。通过这样的流程测定流速3次。将测定结果示于下述表2和表3。
[表2]
[表3]
平均流速 标准偏差 RSD
(ml/min) (ml/min) (％)
第1次测定 3.50 0.04 1.27
第2次测定 3.49 0.04 1.29
第3次测定 3.46 0.04 1.28
在比较10根流路的流速时，成为偏差的指标的RSD(相对标准偏差)为1％左右，流速的偏差较小。这样一来，根据本发明的微反应器，能够从1个原料罐向分支的多个流路几乎均等地流动液体。根据本发明的微反应器，能够通过在1个原料罐上连接多个流路而进行数增放大。
接着，不改变原料罐内的压力和装置的构成，使用10个流路中的一部分，对比各流路的流速。具体而言，使用10个流路之中的1个流路、2个流路、和5个流路。将测定结果示于下述表4。
[表4]
1个流路 2个流路 5个流路 10个流路 平均流速 标准偏差 RSD
(ml/min) (ml/min) (ml/min) (ml/min) (ml/min) (ml/min) (％)
3.41 3.46 3.48 3.48 3.46 0.03 0.96
如表4所示，在不改变原料罐内的压力而使流路的数量变化的情况下，流路的流速不发生变化。具体而言，使流路的数量变化为1、2、5、和10时，流路的流速不发生变化。
在使用现有的注射泵、柱塞泵的情况下需要根据流路的数量而使泵的流速变化。在一部分流路阻塞的情况下也需要使泵的流速变化。因此，现有的微反应器难以通过分支流路而进行数增放大。
与此相对地，根据本发明的微反应器不需要根据流路的数量而使原料罐内的压力变化。此外，在一部分流路阻塞的情况下也几乎不对其他流路的流速造成影响。因此，容易通过分支流路进行数增放大。
(实施例7)
在1个原料罐上连接10根流路来组装图10所示的装置。使用该装置研究10流路的数增放大。具体而言，将图10所示的装置应用于下述式(2)所示的咔唑的溴代反应。
[化5]
使用形成有内径为1.0mm的T字型微小流路的混合器(YMC公司制造YMC-P-0020)混合2种液体原料。在连接第1原料罐与混合器的配管上安装内径为0.25mm、长度为20cm的管作为小径部。在连接第2原料罐与混合器的配管上安装内径为0.25mm、长度为10cm的管作为小径部。混合器与反应物罐通过内径为1.0mm、长度为1m的配管而连接。
使咔唑(D)10g(60mmol)溶解于DMF，由此得到液体原料1000ml。将所得液体原料储存于第1原料罐。
使N-溴代丁二酰亚胺(NBS)7.5g(42mmol)溶解于DMF，由此得到液体原料1000ml。将所得液体原料储存于第2原料罐。
将第1原料罐内的压力设定为56kPa。将第2原料罐内的压力设定为48kPa。通过原料罐内的压力将2种液体原料输送至混合器。将由混合器混合了的2种液体原料输送至配管。在配管内进行溴代反应，以平均80.2％的反应转化率、RSD2.1％得到溴咔唑(E)。将结果示于下述表5。
[表5]
(实施例8)
将图11所示的装置应用于下述式(4)所示的1-萘基硼酸的合成反应。
[化6]
如图11所示，准备用于储存3种液体原料的6个原料罐(每1种液体原料2个原料罐)。在各个原料罐上连接2根流路。即，进行了针对每1种液体原料使用4个流路的数增放大的研究。
3组原料罐分别连接氮气供给源。各原料罐连接1/8英寸、130cm的PTFE制管。在该管上安装三通旋塞和小径部。在原料罐A的管线中使用内径为0.25mm、长度为20cm、1/16英寸的PEEK制管作为小径部。在原料罐B的管线中使用内径为0.25mm、长度为5cm、1/16英寸的PEEK制管作为小径部。在原料罐C的管线中使用内径为0.2mm、长度为5cm、1/16英寸的PEEK制管作为小径部。
使用内径为1mm的T字型混合器混合3种液体原料。在混合器与混合器之间连接内径为1.0mm、长度为20cm、1/16英寸的PTFE制管。在混合器与反应物罐之间连接长度为100cm、内径为1.0mm、1/16英寸的PTFE制管。
向n-BuLi 31ml添加CPME 94ml，制备0.4M的n-BuLi-己烷/CPME溶液125ml。将所制备的液体原料储存于原料罐A1、A2中。
使1-溴萘16.27g溶解于500ml的THF，制备0.15M的1-溴萘-THF溶液。将所制备的液体原料储存于原料罐B1、B2中。
使硼酸三异丙酯34.24g溶解于125ml的THF，制备0.6M的硼酸三异丙酯-THF溶液。将所制备的液体原料储存于原料罐C1、C2中。
将各原料罐内的压力设定为0.1MPa。通过原料罐内的气体的压力将3种液体原料运送至混合器。通过3种液体原料的反应得到硼酸。所得反应物储存于反应物罐中。将反应物的测定结果示于下述表6。
[表6]
在全部4个流路中使上述式(4)所示的反应均进行，合成了1-萘基硼酸。通过本发明的微反应器可以确认到能够进行4个流路的数增放大。硼酸的RSD被抑制为1％以下，测定结果的偏差较小。
(比较例1)
以下，针对比较例进行说明。
通过使用注射泵来运送液体原料，从而进行上述式(4)所示的萘基硼酸的合成反应。
使1-溴萘(I)6.3g溶解于THF，得到液体原料100ml(0.31M)。将所得液体原料储存于第1注射泵。
将1.6M n-BuLi己烷溶液25ml用环戊基甲基醚(CPME)75ml稀释，由此得到液体原料100ml(0.4M)。将所得液体原料储存于第2注射泵。
使硼酸三异丙酯(B(OiPr)3)11.6g溶解于THF，由此得到液体原料100ml(0.62M)。将所得液体原料储存于第3注射泵。
使用形成有内径为1.0mm的T字型微小流路的混合器(YMC公司制造YMC-P-0020)混合液体原料。
第1、第2和第3注射泵的流量设定为5ml/min。
通过第1混合器将2种液体原料在室温下混合，在内径为0.5mm、长度为20cm的配管内使混合后的液体原料Li化。
通过第2混合器混合由第1混合器混合了的2种液体原料、和储存于第3原料罐中的液体原料，在内径为1mm、长度为100cm的配管内使混合后的液体原料进行反应。由此，得到目标反应物、即1-萘基硼酸。
将所得反应物通过HPLC进行分析的结果是，1-萘基硼酸(K)为89％，原料的1-溴萘(I)为0.3％，作为脱溴体的萘(L)为6.8％。在高温条件下容易生成的丁基加成体(M)为1.9％。
(比较例2)
拆卸图8所示的装置的小径部，进行与上述实施例5同样的测定。由此，验证通过安装小径部而得到的效果。
与上述实施例5同样地，向各原料罐中投入水。将供给至原料罐的气体的压力设定为50kPa。在打开流路A1的阀起30秒后打开流路A2的阀。在打开流路A2的阀起30秒后打开流路B的阀。在打开阀起10分钟后关闭各个阀。关闭阀后测量反应物罐的重量。根据所测量的反应物罐的重量求出各流路的流速。将测定结果示于下述表7。
[表7]
流路A1 流路A2 流路B 平均流速 标准偏差 RSD
(ml/min) (ml/min) (ml/min) (ml/min) (ml/min) (％)
25.8 25.6 29.9 27.1 2.43 8.96
根据表7所示的结果可知，与比较例2相比，实施例5的流速的偏差更小。即，在连接原料罐与反应物罐的配管上安装小径部的情况与拆卸小径部的情况相比，流速的偏差更小。这样一来，通过在与原料罐连接的多个流路上安装小径部，各流路的流速的偏差变小。
标号说明
10、110、210、310 微反应器
12、112a、112b、112c、212a、212b、212c、312 原料罐
14 恒温槽
16、116、216、316 反应物罐
18、20、118a、118b、120、218a、218b、218c、218d、220、318a、318b、320 配管
19a、19b 连结器
22、122a、122b、222a、222b、222c、322 氮气供给配管
24、124a、124b、224a、224b、224c、324 压力调整阀
26、126a、126b、226a、226b、226c 开关阀
28、128a、128b、228a、228b、228c、328、400、410 小径部
114、214a、214b、314 混合器

Claims (12)

1.一种微反应器，具备通过气体的压力运送液体原料的运送单元。
2.根据权利要求1所述的微反应器，其中，所述微反应器具备用于储存所述液体原料的原料罐，
所述运送单元通过所述原料罐内的气体的压力而运送储存于所述原料罐内的液体原料。
3.根据权利要求2所述的微反应器，其中，所述微反应器具备向所述原料罐内供给气体的气体供给单元。
4.根据权利要求2或3所述的微反应器，其中，所述微反应器具备用于调整所述原料罐内的气体的压力的压力调整单元。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的微反应器，其中，所述原料罐由耐压罐构成。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的微反应器，其中，所述微反应器具备用于将所述液体原料与其他原料混合的混合器，
在连接所述原料罐与所述混合器的配管上设有小径部。
7.根据权利要求6所述的微反应器，其中，所述小径部由内径比位于所述小径部上游侧和/或下游侧的配管的内径更小的管构成。
8.根据权利要求6或7所述的微反应器，其中，连接所述原料罐与所述小径部的配管的内部的压力为1.5MPa以下。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的微反应器，其中，所述微反应器具有多个所述原料罐，
通过所述混合器混合从所述多个原料罐运送来的液体原料。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的微反应器，其中，所述气体为氮气。
11.一种微化学工厂，具备多个权利要求1至10中任一项所述的微反应器，所述微化学工厂的特征在于，所述多个微反应器并联连接。
12.一种微化学工厂，具备权利要求1至10中任一项所述的微反应器，所述微化学工厂的特征在于，所述原料罐连接有多个流路。
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