JP2002119841A - マイクロスフィアの製造方法および製造装置 - Google Patents
マイクロスフィアの製造方法および製造装置Info
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Abstract
できる方法と装置を提供する。 【解決手段】 ケース1は下半体1aと上半体1bとから
なり、下半体1aに形成された凹部2に、順次、シール
リング3、ガラス板やプラスチック板などの透明板から
なる第1プレート4、環状スペーサ5、シリコン基板な
どからなる中間プレート6、環状スペーサ7、第2プレ
ート8及びシールリング9を入れ、この上から上半体1
bを重ね、ボルトなどで上半体1bを下半体1aに固着す
ることで装置が組み立てられる。
Description
いは化粧品製造等に利用されるエマルション、DDS
(ドラッグデリバリーシステム)用のエマルション、マ
イクロカプセル、イオン交換樹脂、クロマトグラフィー
担体などとして用いられる固体微粒子や液体微粒子であ
るマイクロスフィア(微粒子)の製造方法およびその装
置に関する。
している状態が安定状態である二相系を乳化によって準
安定な状態であるエマルションとする技術が従来から知
られている。
の化学(朝倉書店:1971)に記載されるように、ミ
キサー、コロイドミル、ホモジナイザー等を用いる方法
や超音波等で分散させる方法が知られている。
にあっては、連続相中の分散相粒子(マイクロスフィ
ア)の粒径分布の幅が大きいという欠点がある。そこ
で、ポリカーボネイトからなる膜を用いて濾過を行う方
法(Biochimica et Biophysica Acta, 557(1979) Nort
h-Holland Biochemical Press)、PTFE(ポリテトラフ
ルオロエチレン)膜を用いて繰り返し濾過を行う方法
(化学工学会第26回秋期大会講演要旨集:199
3)、均一な細孔を持つ多孔質ガラス膜を通して連続相
に送り込み均質なエマルションを製造する方法(特開平
2−95433号公報)も提案されている。また、ノズ
ルや多孔板を用いるエマルションの製造方法として、層
流滴下法(化学工学第21巻第4号:1957)も知ら
れている。
を行う方法とPTFE膜を用いて繰り返し濾過を行う方法に
あっては、原理的に膜の細孔より大きいものは製造でき
ず、膜の細孔よりも小さいものは分別できないという問
題点がある。従って、特に大きいサイズのエマルション
を製造する場合には適さない。
用いる方法にあっては、膜の平均細孔径が小さい場合に
は粒径分布が広がらず、均質なエマルションを得ること
が出来るが、膜の平均細孔径を大きくすると粒径分布が
広がり、均質なエマルションを得ることができない。更
に、層流滴下法では1000μm以上の粒径となり、分
布も広く、均質なエマルションが得られない。
3号公報に連続的に均質なエマルションの製造をし得る
装置を提案している。図8及び図9に当該装置の構造を
示す。図8は、同装置の縦断面図、図9は基板とプレー
トを分解して示した図である。エマルションの製造装置
は、ケース100に保持された本体101に連続相の供
給口102、分散相の供給口103、エマルションの取
出口104を形成し、本体101と基板105の間に設
けた隔壁部材106にて分散相の供給口103とエマル
ションの取出口104とを隔離し、更に、基板105の
中央部には分散相の供給口107が形成され、基板10
5と対向して配置されたプレート108との間に隙間が
形成され、また基板105に設けた境界部109にて分
散相と連続相を分けるとともに、境界部109に形成し
たマイクロチャネル110にて分散相と連続相を接触せ
しめた構成としている。
壁部材106の内側に供給された分散相は基板105の
開口107を介して基板105とプレート108との隙
間に入り、更に、マイクロチャネル110を通過して連
続相に入り込みエマルションが形成される。
ア(微粒子)の製造に関する先行技術としては、噴霧乾
燥機(スプレードライ)がある。噴霧乾燥機には遠心ノ
ズル法、加圧ノズル法および2流体ノズル法の3つのタ
イプがあるが、いずれもノズルを高速回転させるか、噴
出する液体を高速にすることで乱流を形成し、この乱流
に起因する剪断場で液体をマイクロスフィア(微粒子)
としている。
しては造粒装置がある。造粒装置には、押し出し式、遠
心流動式、流動層式、気流式、攪拌式など多くの種類が
あるが、いずれも乱流による剪断場でマイクロスフィア
(液滴)を形成している。
ション製造装置、噴霧乾燥機或いは各種造粒装置にあっ
ては、マイクロスフィアが押し出される多孔質膜やノズ
ル等の貫通孔の開口形状が円形かあるいは円形に近い形
状となっている。
の開口形状が円形または円形に近い形状であると、開口
から押し出される分散相の界面に垂直方向の力が均一に
作用するため、開口から分散相が分離するきっかけが得
られない。このため従来にあっては、前記したように乱
流場を形成し、この乱流場に起因する剪断力で、強制的
に分散相を開口から分離して微粒子にしている。
マイクロスフィア(微粒子)を形成する場合には、前記
したように開口から分散相が液滴として分離するきっか
けを得にくいため、製造されるマイクロスフィアの粒径
が均一にならないという課題がある。
課題が存在する。即ち、図8、図9で説明したエマルシ
ョン製造装置について言えば、マイクロチャネルは基板
中央に設けられた開口の周縁に直線的に形成される必要
があり、一つの基板上に形成されるマイクロチャネルの
総数はマイクロチャネルの大きさが小さい場合において
も5000個程度が限界であるとともに、マイクロチャ
ネルの大きさが大きくなるにつれてその数は更に減少し
ていく。よって、高生産速度で連続相の中に均質な分散
相粒子を分散させることは容易ではなく、コスト的に改
良の余地がある。
ため、本発明に係るマイクロスフィアの製造方法は、貫
通孔を形成した隔壁を介して分散相と連続相を分離し、
分散相に連続相にかかる圧力よりも大きな圧力をかける
ことで分散相を連続相中にマイクロスフィアとして押し
出すようにしたマイクロスフィアの製造方法において、
前記貫通孔から連続相中に押し出される分散相の界面に
不均一な剪断力を作用せしめてマイクロスフィアを形成
するようにした。
の界面に不均一な剪断力が作用すると、分散相が分離し
てマイクロスフィアになるきっかけが容易に得られ、均
一な粒径のマイクロスフィアを製造することができる。
これは、貫通孔の形状をスロット状等の歪みをもった形
状とすることで達成できる。即ち、分散相が貫通孔から
押し出される際に、その歪みに起因して界面に対して垂
直で外側から内側の方向の力の大きさに分布が生じるこ
とにより、分散相と連続相の界面の状態が不安定にな
り、界面の剪断が促進され、細かく均質なマイクロスフ
ィアが生成される。
を目的とする場合には、分散相および連続相とも液体と
し、また噴霧乾燥などを目的とする場合には、分散相は
液体で連続相は気体とする。
の駆動圧力で制御することができる。そこで、安定的に
マイクロスフィアが生成される範囲内においてマイクロ
スフィアの生成量が最大になる分散相の駆動圧力を検出
し、この圧力で運転する。
界面が剪断される時に、界面の周囲に存在する連続相が
界面に向けて移動・供給されることが必要となるため
に、ある程度の割合で連続相が界面の周囲に存在するこ
とが必要となる。また、生成したマイクロスフィアを回
収するためにも連続相の供給が必要であるとともに、連
続相の流速を変化させることによりエマルション中の分
散相の割合を任意に設定することができる。そこで、上
記の条件を満たす最適な連続相の流速を検出し、この速
度で運転する。上記のように、連続相を一定流速で流す
ことで、界面への連続相の供給を図るほかに、超音波な
どの機械的力を連続相に加えて、連続相の供給を図り、
マイクロスフィアのチャネル出口からの離脱を促進する
こともできる。この場合も、このような外力は、液滴の
剪断ではなく、単に、生成後の離脱に有効なものであ
る。
法を実施する装置の一例としては、ケースに第1プレー
ト、中間プレート及び第2プレートが間隔をあけて取り
付けられ、前記第1プレートと中間プレートとの間に分
散相が流れる液密な第1流路が形成され、前記中間プレ
ート及び第2プレートとの間に連続相とマイクロスフィ
アを含む相が流れる液密な第2流路が形成され、前記中
間プレートには前記第1流路と第2流路とを連通する多
数の貫通孔が形成され、この貫通孔の形状は連続相に押
し出される分散相の界面に不均一な剪断力が作用せしめ
る非円形をなす構成としたものが考えられる。
あたりの貫通孔の数を大幅に増加(例えば1000/c
m2以上)して、マイクロスフィアの大量製造を行うこ
とが可能となる。
形状としては、例えば、スロット状若しくはスロットを
組み合わせた形状とするが、これに限定されるものでは
ない。また貫通孔を中間プレートに形成する手段として
は、エッチング処理、電子線照射、CVD法等の精密加
工手法、更にはドライエッチングの一つである高密度プ
ラズマエッチング処理が適当である。
トの少なくとも一部を透明とすることで、マイクロスフ
ィアの生成状態をCCDカメラ等を用いて外部から監視す
ることが可能になる。
図面に基づいて説明する。図1は本発明方法を実施する
装置の一例であるマイクロスフィアの製造装置の断面
図、図2は中間プレートの平面図、図3は中間プレート
の断面図、図4はマイクロスフィア発生前の状態の中間
プレートの一部の拡大斜視図、図5はマイクロスフィア
発生後の状態の中間プレートの一部の拡大斜視図であ
る。
ケース1内に複数のプレートおよびスペーサを組み付け
て構成される。即ち、ケース1は下半体1aと上半体1b
とからなり、下半体1aに形成された凹部2に、順次、
シールリング3、ガラス板やプラスチック板などの透明
板からなる第1プレート4、弾性体からなる環状スペー
サ5、シリコン基板などからなる中間プレート6、環状
スペーサ7、第2プレート8及びシールリング9を入
れ、この上から上半体1bを重ね、ボルトなどで上半体1
bを下半体1aに固着することで装置が組み立てられ
る。
間には環状スペーサ5によって分散相が流れる液密な第
1流路11が形成され、前記第2プレート8と中間プレ
ート6との間には環状スペーサ7によって連続相とエマ
ルションが流れる液密な第2流路12が形成される。
間プレート6の略中央部には多数の貫通孔13が形成さ
れている。この貫通孔13は、例えば励起されたフッ素
化合物ガスを反応ガスとして用いたプラズマエッチング
にて形成され、その開口部の形状は、幅(T1)が9.
5μm、長さ(T2)が23.6μmのスロット状をな
している。但し、上記した貫通孔13の寸法はこれに限
定されず任意である。
よいが、細かく均一なマイクロスフィアを形成するに
は、形状に歪みがあるものが好ましく、例えば、図6
(a)〜(e)に示すような、L字状、T字状、+状、
H字状、或いは円筒に針金等を挿入した形状が好まし
い。
ト6の対向する隅部には開口14が形成され、この開口
14と一致する個所に、前記環状スペーサ7及び第2プ
レート8にも開口15,16が形成され、これら開口1
4,15,16にて分散相の導入流路を形成している。
なお、本装置では2本の分散相の導入流路が形成される
が1本は盲栓17によって閉塞している。
開口18、19が形成され、一方の開口18を連続相の
導入流路とし、他方の開口19をエマルションの回収流
路としている。
を介して分散相のリザーバ21がつながり、前記開口1
8には配管22及びポンプP2を介して連続相のリザー
バ23がつながり、前記開口19には配管24及びポン
プP3を介してエマルションのリザーバ25がつながっ
ている。なお、各配管と開口とは図示しないジョイント
を介して液密に接続されている。
a、8bからなり、これら板材8a、8bの中央部を窓
部とし、この窓部にガラス板或いはプラスチック板から
なる透明プレート8cをシールを介して保持している。
このような構成とすることで、外部からCCDカメラ2
6等の光学的読取装置を介して第2流路12内でのマイ
クロスフィアの生成が正常になされているか等を監視す
ることができ、駆動圧力の変動に伴うマイクロスフィア
の製造速度を精密に制御することが可能である。
であり、この実施例にあっては、中間プレート6、第2
プレート8に開口を形成せずに、ケース1に分散相の導入
(回収)流路31、連続相の導入(回収)流路32、エ
マルションの回収(供給)流路33を形成している。
アを生成するには、リザーバ21内の分散相をポンプP
1、配管20を介して第1流路11内に所定の圧力で供
給し、これと同時にリザーバ23内の連続相をポンプP
2、配管22を介して第2流路12内に所定の圧力で供
給する。
レート6の貫通孔13を介して、図5に示すように、マ
イクロスフィアとなって連続相中に分散し、エマルショ
ンが形成される。 形成されたエマルションは、配管2
4、ポンプP3を介してリザーバ25に回収される。
口部形状が円形ではなく、歪をもった形状をしているた
め、分散相が貫通孔から押し出される際に、その歪みに
起因して界面に対して垂直で外側から内側の方向に力の
大きさに分布が生じることにより、分散相と連続相の界
面の状態が不安定になり、界面の剪断が促進され、細か
く均質なマイクロスフィアが生成される。
第1流路11内の分散相の流速或いは第2流路12内の
連続相の流速を制御することで調整することができる。
応じて製造するマイクロスフィアのタイプを変えること
が可能である。即ち、親水性のプレートを用いた場合に
はO/W型のマイクロスフィア、疎水性のプレートを用い
た場合にはW/O型のマイクロスフィアを製造することが
できる。
る。 (実施例1)分散相として大豆油、連続相として0. 3 wt
%のドデシル硫酸ナトリウムを含む水を用い、駆動圧力
を0. 90 kPa、1. 80 kPa、連続相流量を10 ml/hとし
て、マイクロスフィアの製造を試みた。
散相を連続相中に強制的に送り込むことができず、マイ
クロスフィアが作成されなかった。しかしながら、駆動
圧力を1. 80 kPaまで上げることで分散相が貫通孔を介
して連続相中に送り込まれた。
て粒径が揃った均質なものであった。これは、前記貫通
孔の断面が長方形状(スロット状)であるために、分散
相が貫通孔を通過した時に、膜表面部に存在する分散相
と連続相との界面は貫通孔の断面形状により歪みを生
じ、その歪みに起因して界面に対して垂直で外側から内
側方向の力の大きさに分布が生じることに起因して、界
面の状態を不安定にさせ、界面が剪断されるのを促進さ
れ、結果として均質なマイクロスフィアを安定的に製造
できることが判明した。従って、長方形状等の界面に歪
みを与える断面形状を有する貫通型マイクロチャネルが
均質なサイズのマイクロスフィアの作成に有効であるこ
とがわかる。
の流量を200 ml/hまで変化させたが、製造されたマイク
ロスフィアのサイズおよびその分布に変化は生じないこ
とが判明した。この場合において、各々の貫通孔におけ
るマイクロスフィアの最大生産速度は100個/s程度で
あり、基板当たり最大で125 ml/hの高い生産速度でマイ
クロスフィアを生成可能であることが判明した。
ャネルを用いた時は、膜表面部に存在する分散相と連続
相との界面の状態が安定であり、界面の剪断が促進され
にくいため、製造されたマイクロスフィアのサイズが大
きくなった上に、サイズ分布の点においても長方形状の
断面を有する貫通型マイクロチャネルと比較して劣って
いることが分かり、連続相の流量の影響も大きく受ける
ことが分かった。ただし、この場合でも従来の装置に比
較すれば十分な量のエマルションを生成できる。
マルションの生成に限定されるものではなく、多くの用
途に利用できる。その一例を以下に述べる。 (クロマトグラフィー担体の製造)界面活性剤を含むト
ルエンに高純度ケイ酸ソーダを本発明方法により均一分
散せしめた。この分散液(エマルション)に炭酸ガスを
吹き込んでゲル化し、次いで固液分離し、塩酸に固体部
分(微粒子)を浸漬し、蒸留水で洗浄後脱水し、180
℃で乾燥せしめ、550℃で焼成し界面活性剤を除去
し、次いで塩酸に浸漬し、水洗浄して高純度シリカ微粒
子を得た。この後、ODS(ジメチルオクタデシルモノ
クロロシラン)微粒子を調整するために、前記高純度シ
リカ微粒子にトルエン中でODSを加え、反応させるこ
とでODSシリカ微粒子を得た。
性スペーサー、メタリック塗料、環境浄化用微粒子、難
燃剤、触媒、蓄熱剤、抗菌剤、フェロモン、食用油、生
理活性物質、酵素、アルミフレーク、マイカ、肥料、生
分解性マイクロカプセルの製造にも本発明は適用され
る。
を分散した熱媒体にあっては、相変化物質の大きな潜熱
によって少量の熱媒体で大量の熱を輸送することができ
る。特に相変化物質をマイクロカプセル中に閉じ込める
ことにより流動性を確保できる。マイクロカプセル熱媒
体は新しい熱媒体であり、普通の液体に比べて伝熱特性
に優れている。この特性は原子力発電プラントの排熱な
ど、比較的低温の未利用熱を利用するのに有効である。
はフィルム化することも可能である。例えば、数μmの
大きさのマイクロカプセル内に香り成分を封じ込め、こ
れをテレホンカードなどにオフセット印刷する。する
と、印刷面を擦ることでカプセルが壊れ、芳香が漂う機
能性インクに本発明を応用することもできる。
品のカプセル化、電気泳動ディスプレイ等への応用も考
えられる。
クロスフィア製造方法によれば、スロット状或いはスロ
ットを組み合わせた非円形形状の貫通孔を介して、加圧
された分散相を連続相中に強制的に送り込むようにした
ので、分散粒子の径が大きくなった場合においても粒径
分布が広がらず、均質なマイクロスフィアを得ることが
できる。
置によれば、均質なマイクロスフィアを効率よく生産す
ることができる。
レート、マーガリン、ファットスプレッドなどの製造に
応用した場合、分散相粒子を微細且つ均一にすることが
できるので、長期保存しても分離しにくく、且つ食感も
向上する。
面図。
フィア発生前)。
フィア発生後)。
関係を示す斜視図。
シールリング、4…第1プレート、5,7…環状スペー
サ、6…中間プレート,8…第2プレート、9…シールリン
グ、11…第1流路、12…第2流路、13…貫通孔、
14、15、16、18、19…開口、17…盲栓、2
0、22、24…配管、21、23、25…リザーバ、
26…CCDカメラ。
Claims (10)
- 【請求項1】 貫通孔を形成した隔壁を介して分散相と
連続相を分離し、分散相に連続相にかかる圧力よりも大
きな圧力をかけることで分散相を連続相中にマイクロス
フィアとして押し出すようにしたマイクロスフィアの製
造方法において、前記貫通孔から連続相中に押し出され
る分散相の界面に不均一な剪断力を作用せしめてマイク
ロスフィアとすることを特徴とするマイクロスフィアの
製造方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載のマイクロスフィアの製
造方法において、前記分散相および連続相とも液体であ
ることを特徴とするマイクロスフィアの製造方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載のマイクロスフィアの製
造方法において、前記分散相は液体で連続相は気体であ
ることを特徴とするマイクロスフィアの製造方法。 - 【請求項4】 請求項1に記載のマイクロスフィアの製
造方法において、前記分散相の駆動圧力を制御すること
で、マイクロスフィアを安定的に生成される範囲内にお
いて最大の生成量を達成できるようにしたことを特徴と
するマイクロスフィアの製造方法。 - 【請求項5】 請求項1に記載のマイクロスフィアの製
造方法において、前記連続相の流速を制御することで、
界面の周囲に必要な割合の連続相を存在させるようにす
るとともに、回収したエマルション中の分散相の割合を
任意に設定できるようにすることを特徴とするマイクロ
スフィアの製造方法。 - 【請求項6】 ケースに第1プレート、中間プレート及
び第2プレートが間隔をあけて取り付けられ、前記第1
プレートと中間プレートとの間に分散相が流れる液密な
第1流路が形成され、前記中間プレート及び第2プレー
トとの間に連続相とマイクロスフィアを含む相が流れる
液密な第2流路が形成され、前記中間プレートには前記
第1流路と第2流路とを連通する多数の貫通孔が形成さ
れ、この貫通孔の形状は連続相に押し出される分散相の
界面に不均一な剪断力を作用せしめる非円形をなすこと
を特徴とするマイクロスフィアの製造装置。 - 【請求項7】 請求項6に記載のマイクロスフィアの製
造装置において、前記中間プレートに形成した貫通孔の
開口形状は、スロット状若しくはスロットを組み合せた
形状をなすことを特徴とするマイクロスフィアの製造装
置。 - 【請求項8】 請求項6に記載のマイクロスフィアの製
造装置において、前記中間プレートに形成した貫通孔の
数は1000/cm2以上としたことを特徴とするマイ
クロスフィアの製造装置。 - 【請求項9】 請求項6に記載のマイクロスフィアの製
造装置において、前記中間プレートを多数重ねた積層構
造とすることにより、生産性を高めるようにしたことを
特徴とするマイクロスフィア製造装置。 - 【請求項10】請求項6に記載のマイクロスフィアの製
造装置において、生成されたマイクロスフィアの出口部
と流路を隔てて存在するプレートの少なくとも一部を透
明プレートとされていることを特徴とするマイクロスフ
ィアの製造装置。
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
JP2000313577A JP3511238B2 (ja) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | マイクロスフィアの製造方法および製造装置 |
US09/791,085 US6576023B2 (en) | 2000-10-13 | 2001-02-22 | Method and apparatus for manufacturing microspheres |
EP01301870A EP1197262B1 (en) | 2000-10-13 | 2001-03-01 | Method and apparatus for manufacturing microspheres |
DE60123728T DE60123728T2 (de) | 2000-10-13 | 2001-03-01 | Verfahren sowie Vorrichtung zur Herstellung von Mikrosphären |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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