JP2003525116A - 毛細管反応器の分散装置と方法 - Google Patents
毛細管反応器の分散装置と方法Info
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Abstract
Description
2つの非混和性流体を界面接触させるための方法に関する。
極めて制御性の高い反応器を開発するための新しい機会を開いた。流体移動に小
さな寸法を使用することにより、流体間の迅速な物質及び熱移動を工学的に利用
して反応器とすることもある。熱及び分子拡散のための短い経路長さは、層流の
条件を維持しながら迅速な発熱/吸熱反応のための理想的な環境を提供すること
ができる。次式を用いて効率的な混合拡散のためのスケール条件を計算すること
ができる(Crank,J.,1975年,「The Mathematics
of Diffusion」,第2版,Clarendon Press,O
xford):
滞留時間(s)であり、Foは混合のレベルを決定するフーリエ数である。大多
数の系に対しては、Fo=1が選ばれている。この手法から最もメリットを得る
反応は、液体−気体、液体−固体、気体−固体及び非混和性液体流などの相が混
合して、単一相を形成することができない反応である。
的な方法が使用可能である。第1の方法は、WO97/39814とWO99/
22858に記述されているような平行な液流の使用であり、ここでは、拡散は
流れ方向に垂直である。第2の方法は、分散された/連続的な相流れの使用であ
り、ここでは、一方の相は各相が一連の小塊(スラグ)の形である他方の相また
は小塊流れ内の小液滴の形である。拡散性の物質移動は、Clift,R.,G
race,J.R.及びWeber,M.E.(1978年,「Bubbles
,drops and particles」,Academic Press
,New York)により示されているように、せん断流れで生成される液滴
内の内部循環により助けられることもある。
用においては、著しく異なる粘性または流速の液体に対して、安定性と類似の滞
留時間を得ることが困難である。他方、液滴流に対しては、分散された相と連続
的な相の速度は類似のまま保たれ、更に広範囲の流速比を許容することができる
。しかしながら、平行流は、遠心作用または重力作用により液滴と小塊を分離す
る必要があるが、反応後の液体のバルクの分離が容易である利点を有している。
り、それゆえ、上記の式(1)から、反応器内の拡散に対する長さスケールは迅
速な反応に対しては100μmのオーダーであることが必要とされ、1ないし1
0秒の滞留時間を必要としている。しかしながら、液滴/小塊流中の内部渦によ
る物質移動の増進はこのプロセスを促進させ、速い反応時間を維持しながら更に
大きなチャンネルを使用することを可能とするものである。
から遠ざかって、T接合部を形成するミクロ流体のサブミリ秒の混合器を提供す
ることが米国特許第5,921,678号により既知である。そして、2つの混
和性流体は最初の2つの毛細管経路を通り、接合部で出会い、乱流の条件で混合
し、次に第3の毛細管経路により流れ、そこで反応が起こる。第3の毛細管経路
は極めて短く、反応時間をサブミリ秒の時間スケールに制約し、反応物を冷却(
クエンチ)して分離する。この従来技術の混合器は、非混和性流体での使用に適
していない。
の接合部から遠ざかる第3の毛細管経路を含んでいる毛細管反応器分散装置であ
って、第1及び第2の非混和性流体を予め決められた層流条件下でそれぞれ第1
及び第2の毛細管経路から供給する場合、第1及び第2の流体を相互に小さく切
断して離散した小塊とし、第3の毛細管経路に通すように、当該毛細管経路の寸
法が決められている装置が提供される。
あって、第1の流体を層流条件下で第1の毛細管経路から供給し、そして第2の
流体を層流条件下で第2の毛細管経路から供給し、第1及び第2の毛細管経路を
接合部から遠ざかる第3の毛細管経路を有する接合部で出会わせ、第1及び第2
の流体を相互に小さく切断して離散した小塊とし、第3の毛細管経路に通すよう
に、第1及び第2の毛細管経路の各々の流れ条件を選ぶ方法が提供される。
方法で行ってもよいが、一般に、この2つの非混和性流体は両方とも液相状態に
ある。固体/液体/液体と固体/液体/気体の反応の場合には、液体/液体また
は液体/気体の反応に対して、例えば、触媒被膜の形でこの固相を第3の毛細管
経路の表面に被覆してもよい。
度で出会うように配置されてもよいが、好ましい態様においては、第1及び第2
の毛細管経路は接合部において実質的に真正面で出会うようにしている。例えば
、第1及び第2の毛細管経路は、実質的に90度の角度、90度と180度との
間の角度、または0度と90度との間の角度で配置されてもよい。ある態様にお
いては、第1及び第2の毛細管経路を90度ないし300度の角度で出会うよう
に配置してもよく、第1及び第2の毛細管経路の間の実質的に中間で、あるいは
第1の毛細管経路に実質的に180度で第3の毛細管経路を配置してもよい。 この毛細管経路は、フルオロポリマー(例えば、PTFEまたはPVDF)な
どの非粘着性あるいは低表面エネルギー材料により形成されるか、あるいは内張
りされるのが有利である。
であると考えられる。各流体がこの接合部に一定の流速で接近すると仮定し、第
1及び第2の毛細管経路が実質的に真正面で出会う場合を考えると、第1の流体
は第3の出口の毛細管経路の中に優先的に流入し、一方で第2の流体がこの接合
部で界面を形成する。第2の流体からの粘性せん断による助けを受け、第1の流
体供給からの駆動圧力により、この界面は動かされて第3の毛細管経路の中に入
る。第1の流体が第3の経路に入るのを阻止するサイズまでこの界面が成長する
と、このプロセスは切り換わり、第2の流体は第3の経路の中に優先的に流入し
、一方で第1の流体が界面を形成し、次に、このプロセスが再度元に切り換わる
前に第3の経路内に移動する。この第1及び第2の流体の交替する流れは、第3
の経路中に一連の小塊を生成する。この小塊の長さは、入口及び出口毛細管経路
の幅の比と、この毛細管経路の壁の表面エネルギーと、第1及び第2の流体の流
速の比により最も顕著に支配を受けると考えられる。特に、小塊の長さの比は流
体流速の比と概して実質的に同一である。また、この小塊の長さは、程度は少な
いが、第1及び第2の流体の全体の流体流と粘性によっても、また界面現象によ
っても支配される。小塊の生成は、最も好ましくはこの流体のいずれかと極めて
低い接触角を有しない材料において得られる。
散により、また各小塊内の内部循環によっても、第1及び第2の流体の分子レベ
ルでの混合が得られるが、後者が概して優勢なプロセスである。小塊の長さが減
少するにつれて、両方の形の混合が概して増大することになる。迅速な混合のた
めには、この最小の小塊の長さは第3の毛細管経路の幅のオーダーでなければな
らず、そして最長の小塊の長さは、この幅の100倍以下であり、好ましくはこ
の幅の10倍以下であるのがよい。最長の小塊の長さは、第3の毛細管経路の幅
の2倍以下であることが特に好ましい。
のブロックから構成されてもよい。流体をこのブロックにポンプ供給し、それか
ら当該ブロックの中に穿孔されている毛細管経路に接続されている標準の毛細管
で取り出してもよい。この毛細管は、当該ブロックの外部の表面で、あるいはそ
の近くで毛細管経路に接続してもよく、あるいは当該ブロック体内の接合部の近
くで毛細管経路に接続してもよい。あるいは、この毛細管をぴったりと受け入れ
るように当該ブロック中に通路を穿孔してもよいが、この接合部は毛細管自身の
末端により規定され、ここでこれらの毛細管がブロック内で出会うようにしても
よい。好ましくは、O−リングまたは類似のシールが設けられ、ここで、当該毛
細管がブロックに入って、流体を接合部に向かってポンプ供給する場合の圧力損
失を防止している。当該ブロック内の毛細管経路の内部容積を可能な限り小さく
保つのが有利である。
であり、好ましい流速は100nl秒-1から10μl秒-1までの範囲である。第
1及び第2の毛細管経路中の流体間の流速比は10:1以下であることが有利で
あり、好ましくは、混合効率を高くするためには1に近いほどよい。 あるいは、一方の板の表面が他方の板の表面と接触するように、一方の板の上
面に他方の板を直接に載せた少なくとも2つの概ね層状の板によって本発明の装
置を形成してもよく、この表面の少なくとも一つにはこの毛細管経路を規定する
役割の形状が設けられている。これら板は、概して相互に位置合せされている。
この少なくとも一つの表面は、これら板の表面が接触した場合、必要とされる毛
細管経路が当該板の間で規定されるように、チャンネルまたは稜状の突起または
両方を含んでもよい。このチャンネル及び/またはこの突起をエッチングプロセ
スにより形成してもよく、あるいは微細機械加工あるいは型成形してもよい。好
適な表面形状の更なる板は、少なくとも2つの板の上部に積み重ねて、多層装置
を製作してもよい。
り、この毛細管経路を閉塞するのを防止するのを助ける流体フィルターを設けて
もよい。本発明のむくのブロックの態様においては、好ましくはこの入力毛細管
と第1あるいは第2の毛細管経路のいずれか一方あるいは両方の間にこの流体フ
ィルターを配置するのがよい。
降で述べるベンゼンとトルエンのニトロ化を行うのに特に有用である。他の用途
は、液体−液体抽出用の迅速な物質移動と分析目的の小容積の反応試験を含んで
いる。
付の図面を参照することとする。
mmの第1、第2及び第3の管状の毛細管経路2,3,4が穿孔されている。第
1及び第2の毛細管経路2,3は接合部5において真正面で出会い、第3の毛細
管経路4は第1及び第2の毛細管経路2,3に対し実質的に直角で接合部5から
遠ざかっている。穿孔6,7,8は、0.15mmの内径のPTFE毛細管9,
10,11をブロック1の中にぴったりと挿入し、それぞれ毛細管経路2,3,
4に接続するのが可能となるように設けられている。各毛細管9,10,11に
はOリングシール12が設けられており、ここで、ブロック1内の圧力損失を低
減するように各毛細管がブロック1に入るようになっている。そして、フィルタ
ー13は、供給毛細管9,10が第1及び第2の毛細管経路2,3と接続する箇
所に設けられている。
まで延びており、0.15mmの内径の毛細管9,10,11が出会って、接合
部5を形成することが可能となっている。
,3,4が接合部5からブロック1の外部の表面まで延びており、ここで毛細管
9,10,11が接続されている。 ある態様においては、2つの供給毛細管経路2,3が実質的に直角で出会うよ
うに、毛細管経路3及び毛細管10の位置を毛細管経路4及び毛細管11の位置
と交換してもよいことに注目すべきである。
て、毛細管9及び毛細管経路2に着色ケロシン14を注入し、また毛細管10及
び毛細管経路3に水15を注入することにより、一連の小塊16,17が毛細管
経路4及び毛細管11中に形成された。
15が毛細管経路3から毛細管経路4の中に優先的に流れ、一方、ケロシン14
は接合部5で界面18を形成している。図5及び図6に示すように、ケロシン1
4の背後の駆動圧力により、界面18は水15からの粘性せん断の助けで動かさ
れて、接合部5の中で、毛細管経路4に向かって入ることになる。図7に示すよ
うに、界面18が動いて毛細管経路4の中に完全に入ると、水15の流れが阻止
され、次いでケロシン14が毛細管経路4の中に優先的に流れ、水15が界面1
8’を形成する。そして、界面18’が動いて毛細管経路4の中に入り、再度水
15が毛細管経路4の中に優先的に流れるまで、このプロセスが反転する。図8
に示すように、界面18,18’の交替する動きによって、一連のケロシン小塊
16と水小塊17が毛細管経路4及び毛細管11中に形成される。
試験した。図1の態様では2.1ないし5.5mmの小塊16,17の長さを生
じ、図2の態様では0.3ないし0.9mmの長さを生じ、図3の態様では18
ないし30mmの長さを生じることが判明した。これは、図2の態様の内部流れ
容積が低ければ、小塊16,17の短い長さの生成が助けられることを示してい
る。
流れる水性相ポンプ19と有機相ポンプ20を含んでなる反応器を示している。
出力毛細管11は装置1からヒーター21を通るが、ヒーター21の中で毛細管
11は、空間の効率的な使用のためにコイル状となっている。そして、毛細管1
1はヒーター21から捕集瓶22まで通っている。次の実施例においては、水性
相反応物をポンプ19により毛細管9からポンプ注入し、有機相反応物をポンプ
20により毛細管10から注入した。水性相と有機相反応物の小塊(図示せず)
は、装置1により毛細管11中に形成され、次に毛細管11によりヒーター21
から捕集瓶22まで流れるが、捕集瓶は反応物間の反応を止め、この有機相反応
物を希釈化するための溶媒を入れている。次の実施例で述べる有機転化物の分析
は、ガスクロマトグラフィを用いて行ったものである。
レススチールで作製した毛細管を有する分散装置を組み立てた。注射器駆動装置
を使用して、この反応用の液体を供給し、加熱浴を使用して、反応器温度をコン
トロールした。このニトロ化反応はベンゼンの流れを硝酸と濃硫酸の流れと接触
させることを含むものであった。種々の酸強度と反応器温度をこのニトロ化試験
で使用し、反応速度と副生物の形成について比較した。このプロセスに対する反
応速度の計算にはシェル反応モデルを使用した。これは、ニトロ化がこの有機相
を取り囲む酸境界層で起こることを仮定している。このモデルに対しては、当該
領域の中への物質移動と、この領域内での動力学的反応速度が観測される全速度
において等しく重要である。式(2)に示すように、この工程を支配する生成式
を1.5次の反応として書くことができる。ここで、Xは時間tで残存する初期
の硝酸の比率である。
応速度により決められる。式(2)を積分することによって、時間tでの硝酸濃
度について次式を得る。
よる。この工程のスタートにおける反応速度としてこれを定義し、式(2)と(
3)から次式として計算することができる。
により置き換えることにより、この有機物の反応速度に対して類似の式を得るこ
とができる。127μm及び254μmの穿孔毛細管の配管に対して観測される
反応速度の類似の条件下での比較を図10で示している。高硫酸濃度を使用して
、高速のニトロ化の反応速度を確認し、物質移動律速の条件を促進した。この2
つの毛細管の直径に対する結果を比較することによって、更に小規模での性能の
増進が示され、混合の改善が示唆される。
の動力学での条件に対して、この反応器により高速流を流した場合に、反応速度
の増大が観測された。このことは、速度の増加の結果、混合の増大が得られるこ
とを示している。小塊の長さの若干の変動にも寄与するかもしれないが、この改
善の主要な源は、液体内の内部循環の増大によることが最も可能性がある。
られた。PTFEの使用によって、閉塞の危険性の低減した更に耐食性の高い系
が得られた。ステンレススチール系中ではおそらく硫酸腐食によるのであろうが
、運転の間に閉塞が時々起こることが見出された。しかしながら、このような問
題はPTFEベースの系では起こらなかった。2つのHPLCポンプを使用して
、この流れを反応器に供給し、運転時間能力の改善が得られた。
ンのニトロ化を行った。その結果は、75°C以上の温度を使用した場合、反応
速度に及ぼす温度の影響がベンゼンのニトロ化よりも小さいことを示した。ある
範囲の酸と有機物の流れの比に対するこの系の通常の硝酸反応速度を表1に示し
ている。観測された速度は類似の条件下でベンゼンに対するよりも概して高い。
反応速度(実験は7%HNO3と共に78%H2SO4を使用した)
ている。この結果は、当該反応器において酸の有機物に対するよりも大きな比を
使用する場合、ニトロトルエンの生成が増加することを示した。しかしながら、
より多くの酸がニトロ化に使用可能であるが、5:1を超える流れ比については
転化の改善が殆ど観察されていない。また、これは表1で示した高流れ比に対す
る低反応速度にも反映されている。これは、高流れ比に対して、おそらく酸の小
塊の長さが増加したことにより混合環境が劣化したことを示唆するものである。 ベンゼン及びトルエンの両方のニトロ化に対して、後反応器ニトロ化からの終
端効果も検討した。異なる長さの反応器管からの出力を比較して、長さの増加が
高転化をもたらし、この反応が毛細管内で起こり、サンプリング系内では起こら
ないことを示唆することをチェックした。図12は、同一条件を用いる3つの異
なる反応器長さからの結果を示し、長い管ほど高転化が得られることを概ね示し
ている。
での長さを有する有機/水性の交替する小塊のパターンを生成できることを示し
た。この試験もまた生成される液体−液体の流れのパターンを制御するために、
分散装置設計における低内部容積が重要であることを示した。 ベンゼン及びトルエンのニトロ化に対する反応結果は、1ないし8分-1の範囲
の反応速度を毛細管反応器から得ることができることを示した。これは、完全な
転化に対する滞留時間が10ないし60秒の領域内であることを示している。い
くつかの現行のベンゼンのニトロ化工程(表記した米国特許に記述したような)
との比較を表2に示す。これは、178μmの穿孔配管によってもこの毛細管反
応器の方法は競合性があることを示している。
効率を改善し、副生物の生成を低下させるために、拡散用のより短い経路長さを
必要としている。更に、この液体をより小さな小塊または液滴に小さく切断する
ためには、高度の分散を付けた微細加工された装置の使用が必要とされる。平行
チャンネルを使用することにより薬品製造用の装置のスケールアップが達成され
、一方小さなオンチップのバージョンにより分析用へのこれらの使用が促進され
る。
1の上面に一方の板40を取付けた2つの層状板40,41を含んでなる本発明
の代替の態様が示されている。板40,41はPTFEなどの非粘着性材料で作
られており、板40の上表面42には、毛細管経路43,44,45を規定し、
接合部46で出会うエッチングされたチャンネルが設けられている。入力毛細管
経路43,44は接合部46で実質的に真正面で出会い、出力毛細管経路45は
毛細管経路43,44に実質的に直角でそこから遠ざかっている。他方の板41
は、板40の上面に取付けた場合に、毛細管経路43,44,45に対する上部
表面を提供している。溶接、接着剤、機械的クランプまたは他の好適な手段によ
り、板41が板40に固定されてもよい。
奥行きの毛細管経路チャンネルを有するガラス毛細管反応器分散装置の物質移動
性能を、滴定反応を用いて検討した。1リットル当り0.65モルの酢酸により
装填されたケロシンは、フェノールレッドpH指示薬を含む種々の濃度のNaO
Hの水酸化ナトリウム水溶液と一緒に使用した。等流速の各液相は当該ガラス装
置から供給され、当該水性の系での色変化により示されるように、異なる量の酢
酸が移動するのに要する時間を2つの異なる流れ速度で測定した。生成される通
常の小塊の長さは、1.1mmないし1.6mmの長さであった。その結果を図
13に示した。これらは、このスケールで純粋な拡散から期待されるものと比較
して、小塊内部での渦混合により得られる性能の著しい増進を示し、また、流れ
速度が高いほど速い物質移動を生じることも示している。
16,17の流れのダイナミックスを図示している。全般的な流れの方向が矢印
Aで示されるが、内部循環パターンは各小塊16,17に対して示され、これら
が経路45を進行するに従い経路45の壁と小塊16,17の境界層との間の摩
擦によりこれらのパターンが生じる。小塊間の拡散は、小塊16,17間の界面
50で起こっている。
る。
ある。
流れの比に対するニトロトルエン濃度のグラフである。
酸の移動時間のグラフである。
Claims (33)
- 【請求項1】 接合部で出会う第1及び第2の毛細管経路と、前記接合部か
ら遠ざかる第3の毛細管経路を含んでいる毛細管反応器分散装置であって、第1
及び第2の非混和性流体を予め決められた層流条件下でそれぞれ前記第1及び第
2の毛細管経路から供給する場合、前記第1及び第2の流体を相互に小さく切断
して離散した小塊とし、前記第3の毛細管経路に通すように、前記毛細管経路の
寸法が決められている、装置。 - 【請求項2】 前記第1及び第2の毛細管経路が実質的に真正面で出会って
いる、請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 前記第1及び第2の毛細管経路が実質的に直角で出会ってい
る、請求項1に記載の装置。 - 【請求項4】 前記第1及び第2の毛細管経路が90度と180度との間の
角度で出会っている、請求項1に記載の装置。 - 【請求項5】 前記第1及び第2の毛細管経路が0度と90度との間の角度
で出会っている、請求項1に記載の装置。 - 【請求項6】 前記第1及び第2の毛細管経路が90度と300度との間の
角度で出会っている、請求項1に記載の装置。 - 【請求項7】 前記毛細管経路が穿孔あるいは他の方法で形成されたむくの
ブロックを含んでいる、先行する請求項のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項8】 前記むくのブロックが非粘着性材料で作られている、請求項
7に記載の装置。 - 【請求項9】 前記むくのブロックが低表面エネルギーを有する材料で作ら
れている、請求項7または8に記載の装置。 - 【請求項10】 前記毛細管経路が非粘着性材料で内張りされている、請求
項7に記載の装置。 - 【請求項11】 前記毛細管経路が低表面エネルギーを有する材料で内張り
されている、請求項7または10に記載の装置。 - 【請求項12】 前記毛細管経路がむくのブロックの内部からその外表面に
向かって延び、外部の毛細管を前記毛細管経路に取付けるための取付け手段が設
けられている、請求項7ないし11のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項13】 前記取付け手段が前記むくの物体の外表面に設置されてい
る、請求項12に記載の装置。 - 【請求項14】 前記取付け手段が前記むくのブロック内に設置されている
か、あるいは延びている、請求項12に記載の装置。 - 【請求項15】 前記取付け手段がOリングシールを含んでいる、請求項1
2ないし14のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項16】 前記毛細管経路が前記むくのブロック中に設けられた穿孔
の中に挿入されている毛細管により規定され、該毛細管の相互の突合せ末端が前
記接合部を形成するように位置合わせされている、請求項14または15に記載
の装置。 - 【請求項17】 一方の板の表面が他方の板の表面に接触するように、一方
の板の上面に他方の板を直接に取付けた少なくとも2つの概ね層状の板を含み、
前記表面の少なくとも一つに前記毛細管経路を規定する役割の形状が設けられて
いる、請求項1ないし5のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項18】 前記表面形状がチャンネルを構成している、請求項17に
記載の装置。 - 【請求項19】 前記表面形状が稜状の突起を構成している、請求項17ま
たは18に記載の装置。 - 【請求項20】 前記板が非粘着性材料で作られている、請求項17ないし
19のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項21】 前記板が低表面エネルギーを有する材料で作られている、
請求項17ないし20のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項22】 前記板の接触表面が非粘着性材料により被覆されている、
請求項17ないし19のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項23】 前記板の接触表面が低表面エネルギーを有する材料により
被覆されている、請求項17ないし19及び22のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項24】 前記第1及び第2の毛細管経路の少なくとも一つにはフィ
ルターが設けられている、先行する請求項のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項25】 前記第1、第2あるいは第3の毛細管経路の少なくとも一
つが化学反応性のある材料で内張りされている、先行する請求項のいずれか一つ
に記載の装置。 - 【請求項26】 前記材料が固体不均質触媒である、請求項25に記載の装
置。 - 【請求項27】 2つの非混和性流体を接触するための方法であって、第1
の流体を層流条件下で第1の毛細管経路から供給し、第2の流体を層流条件下で
第2の毛細管経路から供給し、前記第1及び第2の毛細管経路を接合部から遠ざ
かる第3の毛細管経路を有する接合部で出会わせ、前記第1及び第2の流体を相
互に小さく切断して離散した小塊とし、前記第3の毛細管経路に通すように、前
記第1及び第2の毛細管経路の各々の流れの条件を選ぶ、方法。 - 【請求項28】 前記第1及び第2の毛細管経路が実質的に真正面で出会う
、請求項27に記載の方法。 - 【請求項29】 前記第1及び第2の毛細管経路が実質的に直角で出会う、
請求項27に記載の方法。 - 【請求項30】 前記第1及び第2の毛細管経路が90度と180度との間
の角度で出会う、請求項27に記載の方法。 - 【請求項31】 前記第1及び第2の毛細管経路が0度と90度との間の角
度で出会う、請求項27に記載の方法。 - 【請求項32】 前記第1及び第2の毛細管経路が90度と300度との間
の角度で出会う、請求項27に記載の方法。 - 【請求項33】 前記流体が両方とも液体である、請求項27ないし32の
いずれか一つに記載の方法。
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