JP2004195433A

JP2004195433A - マイクロリアクターチップ

Info

Publication number: JP2004195433A
Application number: JP2002370406A
Authority: JP
Inventors: Koichi Mikami; 幸一三上; Masahiro Yamanaka; 正浩山中; Kenichi Kudo; 憲一工藤; Shinichi Soma; 伸一相馬; Masanori Shinoda; 正紀篠田; Nobuko Kiyono; 信子清野
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】反応用の触媒等を再利用可能とするマイクロリアクターチップを提供すること。
【解決手段】注入された液体を流す微細１２な流路と、複数の流路が合流する反応路１４と、が基板上に形成され、前記反応路１４にて複数の層流を接触させるマイクロリアクターチップにおいて、前記基板上で環状に形成された閉流路１６と、該閉流路１６内で液体を循環させるための循環用マイクロポンプ１８と、を備え、前記流路１２を流れる層流と前記閉流路１６内を循環する層流とを前記反応路１４にて反応させることを特徴とするマイクロリアクターチップ。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロリアクター、特にその流路機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化学合成・分析のダウンサイジングが注目され、微細加工技術を用いてマイクロチップ上に微小化学分析装置を組み込んだマイクロリアクター等の装置が研究・開発されている(例えば、特許文献１参照)。
マイクロリアクターの流路(チャンネル)の幅は２００μｍ以下のマイクロスケールであり、また流される液体の流速も小さいため、レイノルズ数が２００以下の流れを扱うことになる。このため、マイクロリアクターでは、通常の反応装置のような乱流支配ではなく、層流支配の流れを考慮する必要がある。
【０００３】
２つの液体の層流が接触して流れている場合、２つの層流間には安定な界面が形成され、その界面を通した分子拡散によってしか混合しない。また、２つの層流の界面において反応がおこるため、流層の体積に比べその表面積が大きいマイクロスケールでは、反応効率が増大する。また、流路の幅が小さいため、熱交換効率が高く、精密な温度制御が可能である。
マイクロリアクターでの反応は通常フロー状態で行うため、反応路に滞在する時間で反応を制御できることや、温度制御が容易であることから反応の選択性が向上する。また、相分離などが簡単になるので、その特徴を生かした二相系の反応や生成物の分離精製も可能になる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２９８０７９号公報
【特許文献２】
特開平１０−１１０６８１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方でマイクロリアクターは反応をフロー状態で行うため、高価な触媒等、本来であれば繰り返し使用できるものも消費量が大きくなってしまうという課題があった。
本発明は、前記従来技術の課題に鑑みたものであり、その目的は上記のマイクロリアクターの特性を生かして、反応用の触媒等を再利用可能とするための技術を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のマイクロリアクターチップは、注入された液体を流す微細な流路と、複数の流路が合流する反応路と、が基板上に形成され、前記反応路にて複数の層流を接触させるマイクロリアクターチップにおいて、前記基板上で環状に形成された閉流路と、該閉流路内で液体を循環させるための循環用マイクロポンプと、を備え、前記流路を流れる層流と前記閉流路内を循環する層流とを前記反応路にて反応させることを特徴とする。
【０００７】
さらに上記のマイクロリアクターチップにおいて、前記チップ外部から注入された液体を送液するためのマイクロポンプを基板上に設けることが好適である。
また、前記反応路上に振動手段を備えることで、該振動手段により流路形状を変形させ、前記反応路での反応を促進するようにすることも好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明のマイクロリアクターチップの説明を行う。図１は本発明のマイクロリアクターチップの平面図である。
図１のマイクロリアクターチップ１０は、チップ１０外部から流入される液体の流路となる開流路１２と、チップ内で触媒を循環させるための閉流路１６と、が基板に溝として形成されたものである。これらの流路の幅、深さはそれぞれ数十μｍ〜数百μｍである。上記の閉流路１６と開流路１２は、その一部が合流し反応路１４を形成している。閉流路１６と開流路１２とからの層流は、反応路１４にて互いに接触し安定な界面を形成する。反応路１４の下流の分岐点では、再びそれぞれの方向へ分岐して行く。開流路１２の両端は、流入口２０／流出口２２となっており、ここからチップへの液体の流入／流出を行う。閉流路１６上には、閉流路１６内の液体を循環させるために循環用マイクロポンプ１８が備えられている。閉流路１６の一部分は、液体を貯めて置く貯液槽２６が設けられており、閉流路１６内を循環する液体を外部から注入するために、注入口２８が設けられている。この注入口２８は使用時には閉じられる。
【０００９】
マイクロリアクターチップの断面は、図２のようになっている。図２のマイクロチップは流路としての溝が刻まれた基板３４と、その上に積層されたカバー３８とから形成される。基板３４とカバー３８の接合は、熱接合や接着等により行えばよい。また、カバーには、開流路の流入口／流出口や、貯液槽への注入口となる直径１ｍｍ程度の穴が形成されている。
これらの基板３４やカバー３８の材質としては、マイクロチップに使用される従来公知のものが使用される。例えば、シリコン、ガラス、金属、セラミックス、プラスチックなどが可能である。また、基板に刻む溝は、化学エッチングや、フォトリソグラフィー等の技術をもちいて形成される。
【００１０】
次にこのマイクロリアクターチップの使用時の動作を、図１を参照して説明する。
あらかじめ貯液槽２６に貯められた触媒等の液体が、循環用マイクロポンプ１８により、閉流路内１６を循環する。また、外部のマイクロポンプ(図示せず)等により開流路１２の流入口２０から反応液が注入され、流路を流れていく。触媒、反応液の流れは、それぞれ層流ａ、層流ｂとして図１に示してある。これらの層流は、反応路１４において互いに接触しながら流れて行く。流路の幅はマイクロメートルのオーダーであるので、反応路１４中の層流間の界面は安定して存在することができ、反応は界面を通してのみ行われる。層流の体積に対して界面の表面積が大きいので反応効率は良く、また層流間で起こる拡散は界面を通しての分子拡散のみでマクロな混合は起こらず、相分離を行い易い。このため、流路出口付近の分岐点において、触媒の多くは閉流路１６へと流れ、反応後の生成物の多くは開流路１２の下流にある流出口２２へと向かって行く。また、反応路１４における２層流の接触の仕方は、上記では左右(基板面に対して平行な方向)に並べたが、上下(基板面に垂直な方向)に重なった流し方でもよい。この場合、反応路の溝をやや深くし、反応液と触媒の比重等を考慮してマイクロチップを設計する。
【００１１】
このように、層流として流す触媒の流路が閉流路を形成したチップを使用することにより、高価な触媒等の再利用を図ることができる。また、一つのチップ上で閉流路を形成しているので、多段階の反応を制御するため多数のチップを組み合わせることも容易となる。
また、図１に示すように、反応液の流速を制御するため、マイクロチップ上に直接マイクロポンプ３０を設けることも可能である。
【００１２】
循環用ポンプ１８やマイクロポンプ３０として使用されるマイクロポンプは、例えば図４に示したようなディフューザー／ノズル型のマイクロポンプを用いればよい(例えば、特許文献２を参照)。図４のマイクロポンプでは基板３４の一部分が振動部４６とされ、その部分に圧電素子４４が設置されている。圧電素子は駆動回路５６に接続され、圧電素子４４により振動部４６を変形させる。
【００１３】
このポンプの作動原理は次のとおりである。図５（a）に示す吸引時には、振動部４６の変形により、圧力室４８の体積が広がり液体を室内に吸引する。この吸引時には、図中右方向の吐出口５０側がノズルとして機能し流体抵抗が大きくなるため、図中左方向の吸引口５４から吸引される流体の量の方が、入口から吸引される量よりも大きくなる。また、逆に図５(b)に示されるような吐出時には、吸引口５４側がノズルとして働くため、出口側から吐出される量のほうが大きくなる。この結果、正味の流体の流れは、吸引口５４側から吐出口５０側への一方向の流れとなる。
本発明で使用されるマイクロポンプは上記のものに限られるものではなく、もちろん他の作動原理のものを用いてもよい。
【００１４】
なお、反応路における反応を促進させるため図１に示したように、反応路である流路の途中に振動手段３２としての圧電素子等を設けることも可能である。図３は振動手段を取りつけた部分の断面図である。反応路上のカバー３８部分に駆動回路４２に接続された圧電素子４０を設置した。圧電素子４０を設置した部分のカバーが振動板３８として働き、流路内の液体が変形を受けるため、層流間の接触面積の増大が起こり反応が促進される。
【００１５】
【発明の効果】
本発明のマイクロリアクターチップによれば、一つのマイクロチップのみで高価な触媒等のリサイクルを行うことができる。また、一つのチップ上で閉流路を形成しているので、多段階の反応を制御するため多数のチップを組み合わせることも容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロリアクターチップの平面図。
【図２】本発明のマイクロリアクターチップの断面図。
【図３】振動手段を設置した本発明のマイクロリアクターチップの断面図。
【図４】マイクロポンプの一例。
【図５】マイクロポンプの作動方式の説明図。
【符号の説明】
１０…マイクロリアクターチップ
１２…開流路
１４…反応路
１６…閉流路
１８…循環用ポンプ

Claims

注入された液体を流す微細な流路と、複数の流路が合流する反応路と、が基板上に形成され、前記反応路にて複数の層流を接触させるマイクロリアクターチップにおいて、
前記基板上で環状に形成された閉流路と、
該閉流路内で液体を循環させるための循環用マイクロポンプと、を備え、
前記流路を流れる層流と前記閉流路内を循環する層流とを前記反応路にて反応させることを特徴とするマイクロリアクターチップ。
請求項１のマイクロリアクターチップにおいて、
前記チップ外部から注入された液体を送液するためのマイクロポンプを基板上に設けたことを特徴とするマイクロリアクターチップ。
請求項１または２のマイクロリアクターチップにおいて、
前記反応路上に振動手段を備え、
該振動手段により流路形状を変形させることで前記反応路での反応を促進することを特徴とするマイクロリアクターチップ。