JP2007000719A - マイクロリアクター用注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期に安定してマイクロリアクターに試料を注入・供給することができるマイクロリアクター用注入装置を提供すること。特に、長期に安定した濃度の微粒子分散液を注入・供給することのできるマイクロリアクター用注入装置を提供すること。
【解決手段】 シリンジ、該シリンジ内に配置された磁性回転部材及び、該磁性回転部材をシリンジ外部から非接触で回転可能な磁性回転動力部を有することを特徴とするマイクロリアクター用注入装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は、マイクロリアクター用注入装置に関し、特に微粒子分散液の注入に好適に使用されるマイクロリアクター用注入装置に関する。

マイクロリアクターに試料を注入する装置として、シリンジポンプ、プランジャーポンプ、ダイアフラムポンプなどを用いたものがある。マイクロリアクターは微細加工により作製された化学装置であり、微量の試料を高い精度で注入する必要があり、短期の脈動や長時間使用の不安定性などが課題となる。

特に、マイクロリアクターに微粒子分散液を注入する場合は、その微粒子の比重が媒体より大きい場合は沈降が問題となり、小さい場合は浮上が問題となる。マイクロリアクター注入装置内で、沈降、あるいは浮上が起こると、安定した濃度の微粒子分散液を注入・供給することができないという問題が発生する。

特許文献１には、シリンジの内容物を撹拌し注入する注射器型薬剤カプセルが提案されている。これは、シリンジ内にプランジャの穿孔ロッドを介して撹拌翼を装着し、シリンジ内媒体を撹拌するものである。この装置では、撹拌翼は外部からロッドを介して係止されているため、媒体の漏れが生じる、あるいは、軸磨耗部の削れカスが混入することがあり、特に長期の使用では問題となる。

一方、特許文献２及び特許文献３には、ピストン内の撹拌を非接触で外部から行う注入装置が提案されている。前者は、通常のシリンジのピストン内部に動力・電源を設置するため、大型化が問題となり、後者は、シリンジを鉛直方向に設置する必要があり、通常用いられるようなシリンジポンプが使用できないという課題がある。

特開２００４−１６７０７号公報 特開２０００−２２７４２８号公報 特開２００４−１２１９６３号公報

本発明は、上記課題を解決するものである。即ち、本発明は、長期に安定してマイクロリアクターに試料を注入・供給することができるマイクロリアクター用注入装置を提供することである。特に長期に安定した濃度の微粒子分散液を注入・供給することのできるマイクロリアクター用注入装置を提供することである。

本発明の上記課題は、以下の手段＜１＞によって解決された。
＜１＞ シリンジ、該シリンジ内に配置された磁性回転部材及び、該磁性回転部材をシリンジ外部から非接触で回転可能な磁性回転動力部を有することを特徴とするマイクロリアクター用注入装置。

本発明によれば、微粒子濃度が一定な微粒子分散液等の試料を安定に長時間注入することできる。特に、小型のシリンジを用いた場合でも安定に微粒子分散液等の試料をマイクロリアクターに注入することができる。
また、加圧、減圧が必要な場合でも、シリンジからの漏れなどの発生なく、微粒子分散液等の試料をマイクロリアクターに注入することが可能である。
さらに、本発明のマイクロリアクター用注入装置は、シリンジそのものに加工が不要であり、通常のシリンジポンプの使用が可能である。
特に、本発明のマイクロリアクター用注入装置は、微粒子の比重が分散媒体より大きい場合であっても、小さい場合であっても、微粒子分散液を安定に注入できる。

本発明のマイクロリアクター用注入装置は、シリンジ、該シリンジ内に配置された磁性回転部材及び、該磁性回転部材をシリンジ外部から非接触で回転可能な磁性回転動力部を有することを特徴とする。

本発明の注入装置は、外部動力により、シリンジ内撹拌部材を非接触で高速かつ強力に回転させ、シリンジ内の微粒子分散液等の試料を均一化し、注入することができるものであり、外部動力をロッド（軸）などを介してシリンジ内の撹拌翼に伝えるものではない。
一方、本発明においては、シリンジ内の磁性回転部材の回転軸は、シリンジの長手方向と直交する方向である。シリンジ外部から非接触で磁性回転部材を回転させることにより、回転軸をシリンジの長手方向と直交する方向とすることが可能である。

シリンジは加圧あるいは減圧を伴い作動させるものであるため、外部からロッド（軸）などを介して動力を伝える撹拌は、ロッド（軸）での漏れなどの発生のため、マイクロリアクター用注入装置としての使用に十分耐えられなかった。そこで、磁力を用いて非接触でシリンジ内の回転部材を回転させ、微粒子分散液等の試料（注入液）を均一化し、注入できる装置を鋭意検討した。本発明者らは、シリンジ内にシリンジの軸と直交する方向に回転軸を有する磁性回転部材を有し、外部から非接触で該磁性回転部材を回転させることにより、微粒子分散液等の試料を均一化し、長期間に亘り安定に濃度変動のない微粒子分散液等の試料を注入できる装置を完成した。

本発明において、マイクロリアクターとは、流体流路の一辺または直径が５，０００μｍ以下の装置であり、５０〜５，０００μｍであることが好ましく、より好ましくは、１００〜２，０００μｍであり、さらに好ましくは、２００〜１，０００μｍである。最外円芯流流路の外径が５０μｍ以上であると、閉塞など生じることがないので好ましい。また、５，０００μｍ以下であると、流速にもよるが、層流が安定化するので好ましい。
マイクロ流路における流速は、好ましくは１ｍｍ／ｓ〜１，０００ｍｍ／ｓであり、より好ましくは１０ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓである。流速が上記範囲内であると、実用性に優れ、また層流が安定であるので好ましい。
流速は、流量と流路径から計算で求めることができる。

以下、図１〜図６を参照しながら本発明について詳述する。
図１は、本発明のマイクロリアクター用注入装置のシリンジの一例を示す側面概略図である。シリンジ１は、ピストン２及びシリンジ円筒３を有している。ピストンは、シリンジポンプ（不図示）に接続されており、所望の量の試料（特に、微粒子分散液）を安定的に注入口２６からマイクロリアクター（不図示）に注入することができる。
本発明において、シリンジポンプは一般のシリンジを装着可能なものであれば使用可能であり、特に限定されない。
また、シリンジは一般に使用されるもので良く、プラスチック製、ガラス製などが使用可能である。本発明のマイクロリアクター用注入装置は、シリンジそのものに加工が必要でないため、公知のシリンジを適用可能である。
図示したシリンジは、断面形状が真円形のシリンジ円筒を有するが、断面形状がいずれの形状のものも使用することができる。断面形状は、多角形や、角を丸くした多角形も可能であるが、楕円形または真円形であることが好ましく、真円形であることがより好ましい。

図２に図１のａ−ａ’面におけるシリンジ円筒の断面概略図の一例を示す。シリンジ円筒３は、内部に磁性回転部材１０を有する。
シリンジ円筒の内径（半径ｒ）１２は、適宜選択することができる。
具体的には、シリンジ円筒が真円形である場合、シリンジ円筒の内径の直径（２ｒ）は、１０ｍｍ〜５０ｍｍであることが好ましく、１５ｍｍ〜４０ｍｍであることがより好ましい。シリンジの直径が上記範囲内であると、回転部材の回転が安定であり、さらにシリンジ内を充分に撹拌することができるので好ましい。

シリンジが曲率１／ｒを有する円筒形シリンジである場合、磁性回転部材のシリンジ内壁と対向する面の曲率は１／１．５ｒ〜１／０．２５ｒであることが好ましく、より好ましくは、１／１．２ｒ〜１／０．５ｒであり、さらに好ましくは、１／ｒ〜１／０．５ｒであり、特に好ましくは１／ｒ〜１／０．７５ｒである。
曲率が上記範囲内であると、回転部材が動力により回転する回転動力部に充分に追従し、また、回転がスムーズに行われ、安定な回転が得られるので好ましい。

シリンジ内の磁性回転部材の長軸の長さは、好ましくは０．２５ｒ〜ｒであり、より好ましくは０．３５ｒ〜０．８ｒである。
シリンジ内の撹拌部材の長軸の長さが上記範囲内であると、回転動力部により回転する回転磁石に回転部材が充分に追従し、また、シリンジ内の注入液の回転、撹拌がスムーズに行われて安定であるので好ましい。

図３は、本発明のマイクロリアクター用注入装置の一実施態様を中心線に沿って一部破断して示す側面概略図である。
本発明のマイクロリアクター用注入装置５は、シリンジ円筒３内に磁性回転部材１０を有している。さらに、本発明のマイクロリアクター用注入装置は、シリンジ円筒外部に、非接触の磁石の磁力で前記磁性回転部材１０を回転させる回転動力部２０を有している。回転動力部２０は、回転用動力２４、回転軸２８及び回転磁石２２を有する。回転磁石２２は、回転軸２８を介して回転用動力２４に接続されており、回転用動力により回転磁石が回転される。また、回転磁石の磁力により、非接触的にシリンジ円筒内の磁性回転部材が回転し、シリンジ内の微粒子分散液等の注入液の撹拌が行われる。
磁性回転部材は、後述するように、必要に応じて撹拌翼や、撹拌翼を有する棒状部材が付設されててもよい。このような回転子の全体を指して、「回転部材」ともいう。
回転動力部２０の回転軸２８に接続された回転磁石２２は、回転軸面にＮ極とＳ極を少なくとも１つずつ有することが好ましい。

シリンジ内の磁性回転部材の磁力は、回転用動力に接続している回転磁石と、シリンジ円筒を介して吸引される強度である必要がある。好ましくは、３００ガウス〜１，５００ガウスであり、より好ましくは４００ガウス〜１，５００ガウスであり、さらに好ましくは、５００ガウス〜１，５００ガウスである。
磁性回転部材の磁力が上記範囲内であると、回転部材が回転動力に接続している磁石と充分に追従し、またシリンジ内の回転部材とシリンジ内筒との摩擦が少なく、摩耗などの問題が生じないので好ましい。

回転用動力に接続している回転磁石の磁力は、５００ガウス〜１，５００ガウスが好ましく、より好ましくは、６００ガウス〜１，５００ガウスであり、さらに好ましくは、７００ガウス〜１，５００ガウスである。
回転用動力に接続している回転磁石の磁力が上記範囲内であると、シリンジ内の回転部材を充分にコントロールすることができ、回転が安定であるので好ましい。さらに、シリンジ内の回転部材とシリンジ内筒との摩擦が少なく、摩耗などの問題を生じないので好ましい。

回転用動力となるモータは小型のモータであれば、一般に使用されている公知のものを適宜選択して使用することができる。
回転磁石の回転速度は、微粒子分散液等の試料の種類や注入量等によって、適宜選択することができるが、５０〜５００ｒｐｍであることが好ましく、１００〜３００ｒｐｍであることがより好ましい。
回転速度を上記範囲内であると、回転部材を安定して回転させることができると共に、試料を好適に撹拌することができるので好ましい。

シリンジ円筒内の磁性回転部材は、磁性を帯びており、磁石を主要構成部品としていることが好ましい。磁性回転部材は、本発明の装置に適した形状に加工したものが用いられる。磁石は一般に、衝撃に弱く、また、水媒体中でさびなどが発生するため、そのままでは用いず、樹脂でコーティングあるいは、密閉された樹脂容器の中に入れて使用することが好ましい。コーティング樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標））が例示できる。

また、磁性回転部材を含む回転部材の形状は、回転により媒体を撹拌できる形状が選択される。単純な形でも良いが、撹拌能力のない球形のみの形状は選択されない。また、撹拌を強化するため、撹拌翼形状の樹脂あるいはゴムなどに磁石を埋め込み使用することや、磁石に撹拌翼を備えさせて用いることが好ましい。また、形状は、船などに用いられるスクリュー形状であると撹拌効率が格段に良くなるので好ましい。

図４及び図５は、本発明のマイクロリアクター用注入装置の他の実施態様を中心線に沿って一部破断して示す側面概略図である。符番は図３と共通に使用した。
図４及び図５のマイクロリアクター用注入装置は、回転部材として、球形の磁性回転部材１０に、さらに撹拌翼３０が付設されている。磁性回転部材の形状は、球形に限定されず、楕円形等の他のいかなる形状も選択することができる。
図４および図５に示される回転部材は、球状の磁性回転部材にスクリュウ状の撹拌翼を付設して使用する態様である。
回転部材が回転動力により非接触的に回転することにより、微粒子分散液等の試料の撹拌が行われる態様であれば、撹拌翼の形状及び付設する位置は適宜選択することが可能である。
図４では、撹拌翼３０は磁性回転部材１０の回転軸に直交する撹拌面を有し、磁性回転部材１０の表面近くに設けられており、磁性回転部材の回転軸と同じ軸を中心として回転する。撹拌翼は、磁性回転部材の回転動力と対峙する側に（シリンジ内方向）に付設されている。
図５では、撹拌翼３０は磁性回転部材１０のほぼ中央部に直接付設されている。

図６は、本発明のマイクロリアクター用注入装置の他の一実施態様を中心線に沿って一部破断して示す側面概略図である。
図６において、シリンジ内の回転部材が棒状部材４０を有し、その棒状部材には、撹拌翼３０が固設されている。図６に示すような回転部材は、その棒の軸を中心に回転させるため、撹拌性、安定性などで好ましい形態である。
棒状部材の一方端部には、磁性回転部材１０を有しており、シリンジ円筒外の回転動力部の非接触の磁力により回転する。前記磁性回転部材と対向する面のシリンジ断面方向の曲率を１／ｒとしたとき、磁石のシリンジ内壁と対向する面の曲率は１／１．５ｒ〜１／０．２５ｒであることが好ましく、より好ましくは、１／１．２ｒ〜１／０．５ｒであり、さらに好ましくは、１／ｒ〜１／０．５ｒであり、特に好ましくは１／ｒ〜１／０．７５ｒである。
棒状部材の長さが、１．５ｒ以上２ｒ未満であることが好ましく、１．９ｒ以上２ｒ未満であることが好ましい。より好ましくは、１．９５ｒ以上２ｒ未満である。棒状部材の長さが上記範囲内であると、シリンジ内で動作可能であり、さらに回転が安定で、長時間の撹拌をすることができるので好ましい。
また、棒状部材は、他方の端部におもり、あるいは磁石５０を有していることが好ましい。他端が磁石の場合、この磁石をシリンジ外部から非接触で回転可能な別の磁性回転動力部を設けても良いこのようにおもりあるいは磁石を他方端部に付設することにより、棒状部材を安定して回転させることができるので好ましい。
この場合の棒の材質は、媒体に犯されないものであれば、種々使用可能であるが、合成樹脂や金属などが用いられる。

本発明において、回転部材の回転半径は、２／３ｒ〜１／３ｒであることが好ましい。回転部材の回転半径を上記範囲内とすることによって、回転部材によってピストンを押し出すことのできない領域が少なく、長期間にわたって注入することが可能であるので好ましい。

本発明において、注入液（試料）としては、撹拌を必要とする限りにおいて、いずれの試料をも使用することができるが、注入液として微粒子分散液を注入することが好ましい。
本発明のマイクロリアクター用注入装置で使用することができる微粒子は、樹脂微粒子、無機微粒子、金属微粒子、セラミック微粒子等が例示できる。前記微粒子の種類は、以下に列挙したものが含まれるが、それらに限定されるものではない。例えば、高分子微粒子、顔料のごとき有機物の結晶あるいは凝集体、無機物の結晶あるいは凝集体、金属微粒子、あるいは金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物のごとき金属化合物の微粒子などである。

前記高分子微粒子としては、ポリビニルブチラール樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリ塩化ビニリデン樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、スチレン−アクリル樹脂、スチレン−メタクリル樹脂、ポリアクリルアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリビニルピリジン樹脂、セルロース系樹脂、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、カゼイン、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、変性塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル−無水マレイン酸共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、塩化ビニリデン−アクリロニトリル共重合体、スチレン−アルキッド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂等の微粒子が例示できる。

また、前記金属あるいは金属化合物の微粒子としては、カーボンブラック、亜鉛、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、クロム、チタニウム等の金属、あるいはその合金、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｓｂ₂Ｏ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＭｇＯ、酸化鉄等の金属酸化物やこれらの化合物、窒化ケイ素などの金属窒化物などやそれらを組合せた微粒子が例示できる。

これら微粒子の製法は多岐に渉るが、合成により媒体中で微粒子を作製し、そのまま微粒子の処理を行う場合が多い。塊状物を機械的に解砕して作製した微粒子を媒体中に分散し処理する場合もある。この場合は、媒体中で解砕することが多く、この場合はそのまま、微粒子分散液として使用することも可能である。

一方、乾式で作製された粉体（微粒子）を処理する場合には、予め、媒体に分散しておく必要がある。媒体中に乾燥粉体を分散させる方法としては、サンドミル、コロイドミル、アトライター、ボールミル、ダイノーミル、高圧ホモジナイザー、超音波分散機、コボールミル、ロールミル等が挙げられるが、この際、分散によって１次粒子が粉砕されない条件で行なうことが好ましい。

微粒子分散液の分散媒としては、例えば、水、あるいは水系媒体、有機溶剤系媒体などが挙げられ、適宜選択することが好ましい。

前記水としては、イオン交換水、蒸留水、電解イオン水などが挙げられる。また、前記有機溶剤系媒体としては、具体的には、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ベンジルアルコール、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、酢酸ｎ−ブチル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、メチレンクロライド、クロロホルム、クロルベンゼン、トルエン、キシレンなど、及びこれらの２種以上の混合物が挙げられる。

また、好ましい媒体液体は前記微粒子の種類によって異なる。前記微粒子の種類別の好ましい前記媒体液体としては、高分子微粒子（一般的に比重が１．０５〜１．６程度である。）と組み合わされる媒体液体として、微粒子を溶解させない水系、アルコール類、キシレンなどの有機溶媒、酸あるいはアルカリ水などが好ましく挙げられる。
また、金属あるいは金属化合物の微粒子（一般的に比重が２〜１０程度である。）と組み合わされる媒体液体としては、金属などを酸化、還元などで侵さない水、アルコール類、キシレンなどの有機溶媒、あるいは油類が好ましく挙げられる。

本発明において、より好ましい微粒子と媒体液体との組み合わせとしては、高分子微粒子と水系媒体との組み合わせ、金属あるいは金属化合物と低粘度油性媒体との組み合わせが挙げられ、この中でも高分子微粒子と水系媒体との組み合わせが特に好ましい。
好ましい微粒子と媒体液体との組み合わせとしては、スチレン−アクリル系微粒子と水系媒体、スチレン−メタクリル系微粒子と水系媒体、ポリエステル系微粒子と水系媒体が挙げられる。

また、前記微粒子分散液における微粒子の含有率は、０．１〜６０体積％であることが好ましく、５〜３０体積％であることがより好ましい。前記微粒子分散液における微粒子の割合が０．１体積％未満であると、回収が難しくなる場合があり、６０体積％を超えると、流路に詰まる可能性が高くなる場合がある。

以下、本発明を実施例で詳しく説明するが、本発明を何ら限定するものではない。

本実施例で使用したマイクロリアクター用注入装置について以下に説明する。
シリンジは直径４０ｍｍの円筒形シリンジを使用した。
磁性回転部材の形状は、太鼓形状とし、特に、内壁との接触面の曲率は０．０６（１／ｍｍ）、長軸長は２０ｍｍ、短軸長は１０ｍｍとした。磁性回転部材にはテフロン（登録商標）コーティングを施した。
磁性回転部材の磁力を６００Ｇとし、回転動力部の回転磁石の磁力は１０００Ｇとした。
回転部材には、撹拌翼を付設し、撹拌翼の形状は、太鼓形状とした。
回転磁石の回転速度を２００ｒｐｍとした。

試料として、微粒子分散液を使用した。微粒子分散液は、微粒子として体積平均粒径約１０μｍ、真比重１．０５のスチレン−アクリル系微粒子を２０重量％み、分散媒が水である。

上記の微粒子分散液を、注入速度１ｍｌ／ｈｒとして、マイクロリアクターに注入した。マイクロリアクターへの約１０時間の長期注入においても、安定した濃度の微粒子分散液を送液できた。

本発明のマイクロリアクター用注入装置のシリンジを示す側面概略図である。 図１のａ−ａ’面におけるシリンジ円筒の断面概略図の一例である。 本発明のマイクロリアクター用注入装置の一実施態様を中心線に沿って一部破断して示す側面概略図である。 本発明のマイクロリアクター用注入装置の他の一実施態様を中心線に沿って一部破断して示す側面概略図である。 本発明のマイクロリアクター用注入装置の他の一実施態様を中心線に沿って一部破断して示す側面概略図である。 本発明のマイクロリアクター用注入装置の他の一実施態様を中心線に沿って一部破断して示す側面概略図である。

符号の説明

１ シリンジ
２ ピストン
３ シリンジ円筒
５ マイクロリアクター用注入装置
１０ 磁性回転部材
１２ シリンジ円筒の内径（半径ｒ）
２０ 回転動力部
２２ 回転磁石
２４ 回転用動力
２６ 注入口
２８ 回転軸
３０ 撹拌翼
４０ 棒状部材
５０ おもり又は磁石

Claims (1)

1. シリンジ、
   該シリンジ内に配置された磁性回転部材及び、
   該磁性回転部材をシリンジ外部から非接触で回転可能な磁性回転動力部を有することを特徴とする
   マイクロリアクター用注入装置。

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