JP2004181298A - マイクロリアクターとそれによる反応方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】反応効率をさらに向上させることができ、反応生成物や反応に使用した触媒の分離と抽出を同時に行うことができるマイクロリアクターを提供する。
【解決手段】導入口2aから第1の反応液aを導入し、導入口2bから第1の反応液aと相溶性のない第2の反応液bをそれぞれのマイクロチャンネル1a、1bを流通させて、上下間に連続界面5を形成し、そこで界面反応を行う。そして得られた反応生成物と未反応液は回収口3aと3bから回収する。有機金属錯体や酵素などによる相溶しない流体間での触媒反応に適している。
【選択図】 図1
【解決手段】導入口2aから第1の反応液aを導入し、導入口2bから第1の反応液aと相溶性のない第2の反応液bをそれぞれのマイクロチャンネル1a、1bを流通させて、上下間に連続界面5を形成し、そこで界面反応を行う。そして得られた反応生成物と未反応液は回収口3aと3bから回収する。有機金属錯体や酵素などによる相溶しない流体間での触媒反応に適している。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックやガラスなどの基板上にマイクロチャネルを持つマイクロリアクターとそれを用いた化学反応に関する。
【0002】
【従来の技術】
このマイクロリアクター自体は、例えば、特許文献1に記載されているように広く知られており、ガラス、セラミックス基板上に10〜10,000マイクロメートルの幅と、10マイクロメートル〜1メートル長さのマイクロチャネルを形成し、そこに二つの反応流体を流して、二つの反応流体が接する界面領域で化学反応を起こす反応装置である。
【0003】
【特許文献1】
特表2001−521816号
このマイクロリアクターを利用することによって、マイクロチャネルを通過する反応流体の体積に対する表面積・界面積の比率を大きく採ることができ、とくに、界面を利用した化学反応の効率化が期待でき、触媒反応を含む流体化学反応の制御性が向上し、反応生成物の収率と純度の向上が期待できる。さらには、光学活性化合物の不斉合成法として、無機触媒に比べ高価な有機金属錯体や酵素などの有機分子を触媒に用いるプロセス化をする上で、触媒分子の再利用が可能であり、コスト面でも有利とされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、反応効率をさらに向上させることができ、反応生成物や反応に使用した触媒の分離と抽出を同時に行うことができるマイクロリアクターを提供する。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マイクロリアクターにおけるマイクロチャネル内では、レイノルズ数が小さいため、反応流体の流れが層流になるという現象を利用して、積極的に反応界面を広く長く形成して、流体間の反応をより効率化するものである。
【0006】
すなわち、本発明は、それぞれ、供給口と導出口を有する複数の反応流体流路のための複数のマイクロチャネルを多段に設け、それぞれのマイクロチャネルの中間に、それぞれのマイクロチャネルが上下に合体する合体チャネルを形成し、この合体チャネルに連続反応界面域を形成したマイクロチャネル構造を有することを特徴とする。
【0007】
これによって、それぞれの流体の体積に対する界面積の比率を大きく形成でき、この連続界面を反応場とし、反応生成物と反応触媒の反応液の分離・抽出・回収を同時に行うことができ、従来の2相分配プロセスに比べ、反応を効率化することができる。
【0008】
それぞれのマイクロチャネルの連続界面として体積に対する界面積の比率を大きく形成するためには、少なくともマイクロチャネルが合流する界面域を連続した扁平状とするのがよい。
【0009】
本発明のマイクロリアクターは、気体、液体の流体間の反応に適用できるが、界面反応を利用するので、水・気体・液体を問わずに相溶しない流体であれば形成可能であり、とくに、有機金属錯体や酵素などによる相溶しない流体間での触媒反応に適しており、反応生成物の抽出と同時に触媒の分離と回収を行うことができる。
【0010】
さらに、本発明のマイクロリアクターは、1つ反応界面に限らず、複数の反応界面を連続的に形成することができ、これによって、3種類以上の反応流体、たとえば気体、有機溶媒、水溶液、フッ化炭化水素溶媒等による反応に利用することができる。また、複数の触媒を用いることにより連続して多段階の触媒反応を効率よく行うことも可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
添付図は、本発明のマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造の実施の形態を示す。
【0012】
図1は2つの反応流体のためのマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造10を示す。図2は、図1の断面を矢印A−Aから見た反応界面の構成図を示す。
【0013】
これらの図において、1aと1bは、反応に対して不活性な材料、例えば、セラミックス基板またはガラス基板にマイクロドリルにより形成した幅400マイクロメートル、深さ400マイクロメートルの断面が基本的に正方形をなす反応流体aとbの流路をなすマイクロチャンネルを示す。2aと2bは、基板の上面または側面に形成されたそれぞれの反応流体を導入口を示し、3cと3dは、反応生成物あるいは反応触媒を回収するための回収口を示す。相溶しない反応流体の場合、比重の軽い方を上方から、比重の重い方を下方から導入し、抽出するように、導入口2aと2bと、反応生成物の回収口3cと3dを形成する。
【0014】
4は、それぞれのマイクロチャンネル1aと1bが合体した合体部分を示す。この合体部分4には、それぞれの反応流体の導入口2aと2bとから導入された反応流体a、bは、マイクロチャンネル1aと1bを経て、層流状態を維持しつつ流れ込み、上方を流れる反応流体aと下方を流れる反応流体bとの間に連続した反応界面5が形成される。
【0015】
そして、反応界面5において接触反応した反応流体aとbとの反応生成物あるいは反応済み触媒c、dは、それぞれのマイクロチャンネル1aと1bと連通した回収口3cと3dから抽出回収される。
【0016】
図3は、3つの反応流体のためのマイクロチャンネル構造20を示す。図3はマイクロリアクターの側面から見た図である。
【0017】
【実施例】
(実施例1)
図1と図2に示す2流体用のマイクロリアクタを用いて、酵素リパーゼを触媒として、DL−フェニルアラニンエチルエステル塩酸塩の加水分解を行った。
【0018】
導入口2aから、第1の反応液aとして、触媒液であるpH8.0のリン酸緩衝液に溶解した酵素リパーゼを導入し、導入口2bから、また、第2の反応液bとして、反応液であるクロロホルムに溶解したDL−フェニルアラニンエチルエステル塩酸塩を導入し、それぞれのマイクロチャンネル1a、1bを流通させて、チャンネル合体部4に導き、連続界面5を形成した。そこで、室温の条件で加水分解反応を行った。
【0019】
得られた反応生成物cを回収口3cから加水分解を受けたL―フェニルアラニンを、同時に、回収口3dからは未反応のD−フェニルアラニンを含む触媒液dを回収口3dから回収した。
【0020】
(実施例2)
実施例1の場合と同様のリアクターを用いて、導入口2aから、予め調製しておいたDL−5−フェニルヒダントインの酢酸エチル溶液と、導入口2bから、D−ヒダントイナーゼをはんリン酸緩衝液(pH8.5)に溶かした溶液をそれぞれのマイクロチャンネル1a、1bを流通させたところ、チャンネル合体部4に導き、連続界面5において触媒反応を行い、得られた反応生成物cを回収口3cから水相の酵素とD−フェニルグリシンを回収し、同時に回収口3dからは有機相である未反応のL−5−フェニルヒダントインを回収した。
【0021】
(実施例3)
実施例1で使用したものと同様のリアクターを使用し、導入口2aから、予め調製しておいたオレイン酸と1−ヘキサノールを等モル(100mol/L)溶解したクロロホルム溶液を、また、導入口2bから、リパーゼをリン酸緩衝液に溶解した溶液をそれぞれマイクロチャンネル1a、1bを流通させ、チャンネル合体部4に導き、連続界面5において、室温の条件下で、図4に示すエステル化反応を行った。そして、反応生成物cである有機相からエステルを反応生成物回収口3cから回収し、同時に、水相は回収口3dから回収し、リパーゼを回収した。反応時間4分程度で、80%の収率を得た。図5は、反応液の薄相クロマトグラフ分析の状態を示すもので、目的物であるエステルcは、ヘキサノール、オレイン酸、油層から完全に分離できる状態にあった。
【0022】
【発明の効果】
本発明によって、マイクロチャネル内に、相溶しない流体を流通させて連続界面を形成し、その界面を反応場として触媒反応と同時に、抽出・分離・回収を連続して行うことができる。
【0023】
また、化学産業で重要である有機分子を用いた触媒反応を容易に効率化することができる上、分離・抽出・回収操作をも集積化した次世代型のマイクロリアクターを提供することができる。
【0024】
さらに、マイクロチャネルの流体操作性を利用すれば、反応終了後に反応液から触媒分子を分離・回収することが可能となり、これを利用することによって効率的なプラントの構築が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造を示す。
【図2】図1の断面を矢印A−Aから見た反応界面の構成図を示す。
【図3】本発明に係るマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造の他の例を示す。
【図4】実施例3における反応を示す。
【図5】実施例3で行った反応の結果を示す。
【符号の説明】
10,20 マイクロチャンネル構造
1a、1b マイクロチャンネル
2a、2b 反応流体の導入口
3c、3d 回収口
4 チャンネル合体部
5 反応界面
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックやガラスなどの基板上にマイクロチャネルを持つマイクロリアクターとそれを用いた化学反応に関する。
【0002】
【従来の技術】
このマイクロリアクター自体は、例えば、特許文献1に記載されているように広く知られており、ガラス、セラミックス基板上に10〜10,000マイクロメートルの幅と、10マイクロメートル〜1メートル長さのマイクロチャネルを形成し、そこに二つの反応流体を流して、二つの反応流体が接する界面領域で化学反応を起こす反応装置である。
【0003】
【特許文献1】
特表2001−521816号
このマイクロリアクターを利用することによって、マイクロチャネルを通過する反応流体の体積に対する表面積・界面積の比率を大きく採ることができ、とくに、界面を利用した化学反応の効率化が期待でき、触媒反応を含む流体化学反応の制御性が向上し、反応生成物の収率と純度の向上が期待できる。さらには、光学活性化合物の不斉合成法として、無機触媒に比べ高価な有機金属錯体や酵素などの有機分子を触媒に用いるプロセス化をする上で、触媒分子の再利用が可能であり、コスト面でも有利とされている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、反応効率をさらに向上させることができ、反応生成物や反応に使用した触媒の分離と抽出を同時に行うことができるマイクロリアクターを提供する。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マイクロリアクターにおけるマイクロチャネル内では、レイノルズ数が小さいため、反応流体の流れが層流になるという現象を利用して、積極的に反応界面を広く長く形成して、流体間の反応をより効率化するものである。
【0006】
すなわち、本発明は、それぞれ、供給口と導出口を有する複数の反応流体流路のための複数のマイクロチャネルを多段に設け、それぞれのマイクロチャネルの中間に、それぞれのマイクロチャネルが上下に合体する合体チャネルを形成し、この合体チャネルに連続反応界面域を形成したマイクロチャネル構造を有することを特徴とする。
【0007】
これによって、それぞれの流体の体積に対する界面積の比率を大きく形成でき、この連続界面を反応場とし、反応生成物と反応触媒の反応液の分離・抽出・回収を同時に行うことができ、従来の2相分配プロセスに比べ、反応を効率化することができる。
【0008】
それぞれのマイクロチャネルの連続界面として体積に対する界面積の比率を大きく形成するためには、少なくともマイクロチャネルが合流する界面域を連続した扁平状とするのがよい。
【0009】
本発明のマイクロリアクターは、気体、液体の流体間の反応に適用できるが、界面反応を利用するので、水・気体・液体を問わずに相溶しない流体であれば形成可能であり、とくに、有機金属錯体や酵素などによる相溶しない流体間での触媒反応に適しており、反応生成物の抽出と同時に触媒の分離と回収を行うことができる。
【0010】
さらに、本発明のマイクロリアクターは、1つ反応界面に限らず、複数の反応界面を連続的に形成することができ、これによって、3種類以上の反応流体、たとえば気体、有機溶媒、水溶液、フッ化炭化水素溶媒等による反応に利用することができる。また、複数の触媒を用いることにより連続して多段階の触媒反応を効率よく行うことも可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
添付図は、本発明のマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造の実施の形態を示す。
【0012】
図1は2つの反応流体のためのマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造10を示す。図2は、図1の断面を矢印A−Aから見た反応界面の構成図を示す。
【0013】
これらの図において、1aと1bは、反応に対して不活性な材料、例えば、セラミックス基板またはガラス基板にマイクロドリルにより形成した幅400マイクロメートル、深さ400マイクロメートルの断面が基本的に正方形をなす反応流体aとbの流路をなすマイクロチャンネルを示す。2aと2bは、基板の上面または側面に形成されたそれぞれの反応流体を導入口を示し、3cと3dは、反応生成物あるいは反応触媒を回収するための回収口を示す。相溶しない反応流体の場合、比重の軽い方を上方から、比重の重い方を下方から導入し、抽出するように、導入口2aと2bと、反応生成物の回収口3cと3dを形成する。
【0014】
4は、それぞれのマイクロチャンネル1aと1bが合体した合体部分を示す。この合体部分4には、それぞれの反応流体の導入口2aと2bとから導入された反応流体a、bは、マイクロチャンネル1aと1bを経て、層流状態を維持しつつ流れ込み、上方を流れる反応流体aと下方を流れる反応流体bとの間に連続した反応界面5が形成される。
【0015】
そして、反応界面5において接触反応した反応流体aとbとの反応生成物あるいは反応済み触媒c、dは、それぞれのマイクロチャンネル1aと1bと連通した回収口3cと3dから抽出回収される。
【0016】
図3は、3つの反応流体のためのマイクロチャンネル構造20を示す。図3はマイクロリアクターの側面から見た図である。
【0017】
【実施例】
(実施例1)
図1と図2に示す2流体用のマイクロリアクタを用いて、酵素リパーゼを触媒として、DL−フェニルアラニンエチルエステル塩酸塩の加水分解を行った。
【0018】
導入口2aから、第1の反応液aとして、触媒液であるpH8.0のリン酸緩衝液に溶解した酵素リパーゼを導入し、導入口2bから、また、第2の反応液bとして、反応液であるクロロホルムに溶解したDL−フェニルアラニンエチルエステル塩酸塩を導入し、それぞれのマイクロチャンネル1a、1bを流通させて、チャンネル合体部4に導き、連続界面5を形成した。そこで、室温の条件で加水分解反応を行った。
【0019】
得られた反応生成物cを回収口3cから加水分解を受けたL―フェニルアラニンを、同時に、回収口3dからは未反応のD−フェニルアラニンを含む触媒液dを回収口3dから回収した。
【0020】
(実施例2)
実施例1の場合と同様のリアクターを用いて、導入口2aから、予め調製しておいたDL−5−フェニルヒダントインの酢酸エチル溶液と、導入口2bから、D−ヒダントイナーゼをはんリン酸緩衝液(pH8.5)に溶かした溶液をそれぞれのマイクロチャンネル1a、1bを流通させたところ、チャンネル合体部4に導き、連続界面5において触媒反応を行い、得られた反応生成物cを回収口3cから水相の酵素とD−フェニルグリシンを回収し、同時に回収口3dからは有機相である未反応のL−5−フェニルヒダントインを回収した。
【0021】
(実施例3)
実施例1で使用したものと同様のリアクターを使用し、導入口2aから、予め調製しておいたオレイン酸と1−ヘキサノールを等モル(100mol/L)溶解したクロロホルム溶液を、また、導入口2bから、リパーゼをリン酸緩衝液に溶解した溶液をそれぞれマイクロチャンネル1a、1bを流通させ、チャンネル合体部4に導き、連続界面5において、室温の条件下で、図4に示すエステル化反応を行った。そして、反応生成物cである有機相からエステルを反応生成物回収口3cから回収し、同時に、水相は回収口3dから回収し、リパーゼを回収した。反応時間4分程度で、80%の収率を得た。図5は、反応液の薄相クロマトグラフ分析の状態を示すもので、目的物であるエステルcは、ヘキサノール、オレイン酸、油層から完全に分離できる状態にあった。
【0022】
【発明の効果】
本発明によって、マイクロチャネル内に、相溶しない流体を流通させて連続界面を形成し、その界面を反応場として触媒反応と同時に、抽出・分離・回収を連続して行うことができる。
【0023】
また、化学産業で重要である有機分子を用いた触媒反応を容易に効率化することができる上、分離・抽出・回収操作をも集積化した次世代型のマイクロリアクターを提供することができる。
【0024】
さらに、マイクロチャネルの流体操作性を利用すれば、反応終了後に反応液から触媒分子を分離・回収することが可能となり、これを利用することによって効率的なプラントの構築が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造を示す。
【図2】図1の断面を矢印A−Aから見た反応界面の構成図を示す。
【図3】本発明に係るマイクロリアクターのマイクロチャンネル構造の他の例を示す。
【図4】実施例3における反応を示す。
【図5】実施例3で行った反応の結果を示す。
【符号の説明】
10,20 マイクロチャンネル構造
1a、1b マイクロチャンネル
2a、2b 反応流体の導入口
3c、3d 回収口
4 チャンネル合体部
5 反応界面
Claims (4)
- それぞれ、供給口と導出口を有する複数の反応流体流路のための複数のマイクロチャネルを多段に設け、それぞれのマイクロチャネルの中間に、それぞれのマイクロチャネルが上下に合体する合体チャネルを形成し、この合体チャネルの上下方向の中間に、それぞれのマイクロチャネルからの反応流体が接する連続反応界面域を形成したマイクロチャネル構造を有するマイクロリアクター。
- 連続反応界面域が複数箇所に連続して形成されたマイクロチャネル構造を有する請求項1に記載のマイクロリアクター。
- それぞれ、供給口と導出口を有する複数の反応流体流路のための複数のマイクロチャネルを多段に設け、それぞれのマイクロチャネルの中間に、それぞれのマイクロチャネルが上下に合体する合体チャネルを形成し、この合体チャネルの上下方向の中間に、それぞれのマイクロチャネルからの反応流体が接する連続反応界面域を形成したマイクロチャネル構造を有するマイクロリアクターによる反応方法であって、それぞれの供給口から供給される複数の反応流体が相溶しない反応流体であって、その一つが触媒を含む流体であり、連続反応界面域における反応によって得られた反応生成物と使用された触媒を含む流体を前記それぞれの導出口から別々に抽出回収する反応方法。
- 反応に用いる触媒が有機金属錯体、酵素、相関移動触媒である請求項3に記載の反応方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002348700A JP2004181298A (ja) | 2002-11-29 | 2002-11-29 | マイクロリアクターとそれによる反応方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002348700A JP2004181298A (ja) | 2002-11-29 | 2002-11-29 | マイクロリアクターとそれによる反応方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004181298A true JP2004181298A (ja) | 2004-07-02 |
Family
ID=32751545
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002348700A Pending JP2004181298A (ja) | 2002-11-29 | 2002-11-29 | マイクロリアクターとそれによる反応方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004181298A (ja) |
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-
2002
- 2002-11-29 JP JP2002348700A patent/JP2004181298A/ja active Pending
Patent Citations (3)
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