JP2007044678A - Method for implementing chemical reaction - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微小空間において化学反応を行うのに好適な方法に関する。 The present invention relates to a method suitable for performing a chemical reaction in a minute space.
近年、インクジェットプリンタに用いられる顔料等の製造に係る化学工業、および医薬品、試薬等の製造に係る医薬品工業の分野では、マイクロミキサー又はマイクロリアクターと呼ばれる微小容器を用いた新しい製造プロセスの開発が進められている。マイクロミキサー及びマイクロリアクターには、その断面を円形に換算した場合の等価直径が数μm〜数百μm程度の複数本のマイクロチャンネル及び、これらのマイクロチャンネルと繋がる混合空間が設けられている。 In recent years, in the chemical industry related to the manufacture of pigments used in inkjet printers and the pharmaceutical industry related to the manufacture of pharmaceuticals, reagents, etc., development of new manufacturing processes using micro containers called micromixers or microreactors has progressed. It has been. The micromixer and the microreactor are provided with a plurality of microchannels having an equivalent diameter of about several μm to several hundreds of μm when the cross section thereof is converted into a circle, and a mixing space connected to these microchannels.
このマイクロミキサー及びマイクロミキサーでは、複数本のマイクロチャンネルを通して複数の流体をそれぞれ混合空間へ導入することで、複数の溶液を混合し、又は混合と共に化学反応を生じさせる。なお、マイクロミキサーとマイクロリアクターとは基本的な構造が共通とされているが、特に、複数の溶液を混合する際に化学反応を伴うものをマイクロリアクターと言う場合がある。このことから、マイクロミキサーには、マイクロリアクターが含まれるものとして以下の説明を行う。 In this micromixer and micromixer, a plurality of fluids are respectively introduced into a mixing space through a plurality of microchannels, thereby mixing a plurality of solutions or causing a chemical reaction together with the mixing. The micromixer and the microreactor have the same basic structure. In particular, a microreactor may be referred to as a microreactor that involves a chemical reaction when mixing a plurality of solutions. From this, the following description will be made assuming that the micromixer includes a microreactor.
このようなマイクロミキサーとしては、特許文献1に開示されているものがある。図7は従来のマイクロリアクターを説明する概念図である。図7(a)はマイクロリアクターの断面概念図、図7(b)及び(c)はマイクロリアクターの一部とミキサー流路部の拡大図である。給液路101,102の先端部にはそれぞれ円環状の軌跡に沿って開口し、互いに略同心状となるように配設された2個の給液口103,104が設けられている。これらの給液口103,104の開口幅W1,W2は1μm以上で500μm以下という微小幅とされている。これにより、給液口103,104を通してそれぞれミキシング流路内へ導入される2種類の溶液106及び溶液107が、給液口103,104の開口幅W1,W2にそれぞれ対応する薄片状の層流となってミキシング流路105内を流通する。流通する層流間の接触界面では溶液106,107の分子が相互に拡散することで、溶液106,107が短時間で均一に混合し、又は混合と共に化学反応が進行し、ミキシング流路105内から流出する。
As such a micromixer, there is one disclosed in
次に、上記のようなマイクロミキサーによる混合及び反応がタンク等を用いたバッチ方式と異なる点を説明する。液相の化学反応は、一般に反応液の界面において分子同士が出会うことによって反応が起こるので、微小空間内で反応を行うと相対的に界面の面積が大きくなり、反応効率は著しく増大する。また分子の拡散そのものも拡散時間は距離の二乗に比例する。このことは、スケールを小さくするに従って反応液を能動的に混合しなくても、分子の拡散によって混合が進み、反応が起こり易くなることを意味している。また、微小空間においては、スケールが小さいために層流支配の流れとなり、溶液同士が層流状態となって互いに拡散し、混合されて行く。 Next, the difference in the mixing and reaction by the micromixer as described above from the batch method using a tank or the like will be described. The liquid phase chemical reaction generally occurs when molecules meet at the interface of the reaction solution. Therefore, when the reaction is carried out in a minute space, the area of the interface is relatively increased, and the reaction efficiency is remarkably increased. In addition, the diffusion time of the molecule itself is proportional to the square of the distance. This means that even if the reaction solution is not actively mixed as the scale is reduced, mixing proceeds by molecular diffusion and the reaction is likely to occur. Also, in the micro space, since the scale is small, the flow is dominated by laminar flow, and the solutions are in a laminar flow state and are diffused and mixed with each other.
上記のような特徴を有するマイクロミキサーを用いれば、例えば、混合及び反応の場として大容積のタンク等を用いた従来のバッチ法と比較し、溶液同士の反応時間及び温度の精密な制御が可能となる。また、バッチ方式の場合には、反応速度が速い溶液間では混合初期の反応接触面で反応が進行し、さらに溶液間の反応により生成された一次生成物が容器内で引き続き反応を受けることから、生成物の不均一や混合容器内で凝集や析出が生じてしまう恐れがある。 Using a micromixer with the above characteristics, for example, it is possible to precisely control the reaction time and temperature between solutions compared to the conventional batch method using a large volume tank as a mixing and reaction field. It becomes. In the case of the batch method, the reaction proceeds at the reaction contact surface at the initial stage of mixing between solutions having a high reaction rate, and further, the primary product generated by the reaction between the solutions is continuously subjected to the reaction in the container. There is a risk that the product is non-uniform or agglomeration or precipitation occurs in the mixing container.
これに対して、マイクロミキサーによれば、溶液が混合容器内に殆ど滞留することなく連続的に流通するので、溶液間の反応により生成された一次生成物が混合容器に滞留する間に引き続き反応を受けてしまうことを抑止できる。また、従来では取り出すことが困難であった純粋な一次生成物を取り出すことも可能になり、また混合容器内での凝集や析出も生じ難くなる。 On the other hand, according to the micromixer, the solution circulates continuously with almost no stagnation in the mixing container, so that the primary product generated by the reaction between the solutions continues to react while staying in the mixing container. Can be deterred. Moreover, it becomes possible to take out a pure primary product which was difficult to take out in the past, and aggregation and precipitation in the mixing vessel are less likely to occur.
また、実験的な製造設備により製造された少量の化学物質を大規模の製造設備により多量に製造(スケールアップ)する際には、従来、実験的な製造設備に対し、バッチ方式による大規模の製造設備で再現性を得るために多大の労力及び時間を要していた。これに対し、必要となる製造量に応じてマイクロミキサーを用いた製造ラインを並列化することにより、このような再現性を得るための労力及び時間を大幅に減少できる可能性がある。 In addition, when a small amount of chemical substances produced by an experimental production facility is manufactured (scaled up) in a large amount by a large-scale production facility, a large-scale batch method is conventionally used. It took a great deal of labor and time to obtain reproducibility in the production facility. On the other hand, it is possible that the labor and time for obtaining such reproducibility can be greatly reduced by parallelizing production lines using micromixers according to the required production amount.
しかしながら、上記のようなマイクロミキサーでは、反応に使用する流路の幅によって拡散時間と流体境界の比界面積が決まってしまい、反応の効率を流路の幅で決定される効率以上に向上させることができない。 However, in the micromixer as described above, the specific interface area between the diffusion time and the fluid boundary is determined by the width of the flow path used for the reaction, and the efficiency of the reaction is improved beyond the efficiency determined by the width of the flow path. I can't.
以下に、反応効率が流路の幅で決まることを説明する。
まず、図7(b)と(c)を用いて微小流路内の比界面積の計算方法を示す。図7(c)は、図7(b)のミキシング流路の一部分を切り出した立体断面図である。流路の幅108をW[μm]、流路の単位長さ109をL[μm]、流体の幅110をd[μm]とすると、溶液L1106の総体積は、(W/2)×d×L[μm3]となる。また、溶液L1と溶液L2の流体境界111の面積は、d×L[μm2]となる。従って比界面積は、(d×L)/{(W/2)×d×L}=2×104/W[cm-1]となり、流路の長さ(L)や流体の幅(d)に関係なく流路の幅(W)だけで決まることが分かる。例えば、流路の幅108が1000[μm]の比界面積は、20[cm-1]であるのに対して、微小流路の幅108が100[μm]の比界面積は、200[cm-1]となる。従って、微小流路の幅108を小さくするほど比界面積が大きくなり、反応の効率が良くなる。なお、比界面積とは、単位体積に対する表面積や界面の面積の割合を意味する。
Hereinafter, it will be described that the reaction efficiency is determined by the width of the flow path.
First, the calculation method of the specific interface area in the microchannel will be described with reference to FIGS. 7B and 7C. FIG. 7C is a three-dimensional cross-sectional view in which a part of the mixing channel in FIG. 7B is cut out. When the
しかしながら、通常図7のような場合、反応の進行は主に流体境界111で進行する。そのため、前述した図7(a)に示すような層流間での反応の効率は、逆に言えば拡散時間の短縮と流体境界111の比界面積の大きさ、すなわち流路の幅108で制限されることを意味している。すなわち、反応に使用する流路の幅108によって拡散時間と流体境界111の比界面積が決まってしまい、反応の効率を流路の幅108で決定される効率以上に向上させることができない。また、前述したように流路の幅108を小さくすればさらに拡散時間を短くして比界面積を大きくでき、反応の効率を向上させることは可能だが、流路の幅108が小さいほど圧力損失が大きく送液自体が難しくなり現実的でないため流路の幅108を小さくすることには限界がある。
However, in the normal case as shown in FIG. 7, the reaction proceeds mainly at the fluid boundary 111. Therefore, the efficiency of the reaction between the laminar flows as shown in FIG. 7A described above is, conversely, shortening of the diffusion time and the size of the specific interface area of the fluid boundary 111, that is, the
一方、上記のようなマイクロミキサーでは、混合空間における溶液の流通方向に沿った路長が一定であることから、溶液の流速が一定の場合には溶液が混合空間を通過する時間(通過時間)は一定となる。従って、混合空間における溶液の混合時間又は反応時間が通過時間よりも長い場合には、混合空間内における溶液の流速を遅くする必要がるので、マイクロミキサーによる溶液の処理速度が低下してしまう。このとき、溶液の処理速度の低下を防止するためには、混合空間の路長を延長することが考えられるが、このような対応をとった場合は、マイクロミキサーの大型化や製造コストの増加等を生じさせる。また混合空間の路長を必要以上に延長した場合には、却って生成物の凝集、析出等を助長して混合空間内に目詰まりを発生させ、マイクロミキサーのメンテナンスが頻繁に必要になるという問題も生じる。
本発明の目的は、かかる従来の実状に鑑みて提案されたものであり、流路の幅で決定される以上の拡散時間の短縮と流体境界の比界面積の大きさを得ることによって、流路内における反応の効率を流路の幅で決定される効率以上に向上する方法を提供することにある。 The object of the present invention has been proposed in view of such a conventional situation. By reducing the diffusion time more than determined by the width of the flow path and obtaining the size of the specific interface area of the fluid boundary, An object of the present invention is to provide a method for improving the efficiency of reaction in a channel beyond the efficiency determined by the width of the channel.
また、分散相の内部で化学反応を生じさせることにより、生成物の凝集、析出等による流路の目詰まりを防止する方法を提供することにある。 It is another object of the present invention to provide a method for preventing clogging of a flow path due to product aggregation and precipitation by causing a chemical reaction inside a dispersed phase.
上記課題を解決するための本発明は、化学反応の実施方法であって、異なる成分を含む二種類以上の流体を流路に導入する工程と、前記流体を合流させる工程と、前記合流した流体の周囲を前記二種類以上の流体と反応しない流体で囲んで分散相を形成する工程とを備え、前記分散相の内部で化学反応を行うことを特徴とする化学反応実施方法に関する。 The present invention for solving the above problems is a method for performing a chemical reaction, the step of introducing two or more kinds of fluids containing different components into a flow path, the step of joining the fluids, and the joined fluids And a step of forming a dispersed phase by surrounding the substrate with a fluid that does not react with the two or more kinds of fluids, and performing a chemical reaction inside the dispersed phase.
また、本発明は、化学反応により微粒子を製造する方法であって、前記微粒子の原材料を含む二種類以上の流体を流路に導入する工程と、前記流体を合流させる工程と、前記合流した流体の周囲を前記二種類以上の流体と反応しない流体で囲んで分散相を形成する工程とを備え、前記分散相の内部で化学反応を行うことにより微粒子を生成することを特徴とする化学反応実施方法に関する。 Further, the present invention is a method for producing fine particles by a chemical reaction, the step of introducing two or more kinds of fluids containing the raw material of the fine particles into the flow path, the step of joining the fluids, and the joined fluid Forming a dispersed phase by surrounding the substrate with a fluid that does not react with the two or more types of fluids, and performing a chemical reaction inside the dispersed phase to generate fine particles. Regarding the method.
本発明の化学反応実施方法は、異なる成分を含む二種類以上の流体を微小流路に導入し、前記流体を合流させ、前記流体の周囲を前記流体と反応しない流体で囲んで分散相を形成し、前記分散相内部で化学反応を行うことで、微小流路内で分散相を生成することにより得られる比界面積が、単に微小流路内で形成される層流の比界面積よりも大きくなり、かつ分散相内部の二種類の流体の拡散時間も、微小流路内で単に層流を形成させたときの拡散時間よりも短くなるため、微小流路の幅で決定される以上の拡散時間の短縮と流体境界の比界面積の大きさを得ることができ、微小流路内における化学反応の効率を微小流路の幅で決定される効率以上に向上することができる。 In the method for carrying out a chemical reaction according to the present invention, two or more kinds of fluids containing different components are introduced into a micro flow path, the fluids are merged, and the periphery of the fluid is surrounded by a fluid that does not react with the fluid to form a dispersed phase. The specific interface area obtained by generating a dispersed phase in the microchannel by performing a chemical reaction inside the dispersed phase is simply larger than the specific interface area of the laminar flow formed in the microchannel. The diffusion time of the two types of fluid inside the dispersed phase is also shorter than the diffusion time when the laminar flow is simply formed in the microchannel, so it is more than determined by the width of the microchannel. The diffusion time can be shortened and the specific interface area of the fluid boundary can be obtained, and the efficiency of the chemical reaction in the microchannel can be improved beyond the efficiency determined by the width of the microchannel.
また、分散相の内部で化学反応を行うことにより、生成物の凝集、析出等による流路の目詰まりを防止することができる。 Further, by performing a chemical reaction inside the dispersed phase, it is possible to prevent clogging of the flow path due to product aggregation and precipitation.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の化学反応実施方法に用いられる、異なる成分を含む二種類以上の流体とは、本発明の目的を達成しうるものであればいかなる流体を用いてもよい。例えば、アゾ顔料の合成を行うための、ジアゾニウム塩溶液とカップラー溶液といった溶液や、タンパク質合成のような生体反応用の溶液であってもよい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
As the two or more kinds of fluids containing different components used in the method for carrying out a chemical reaction of the present invention, any fluid may be used as long as the object of the present invention can be achieved. For example, a solution such as a diazonium salt solution and a coupler solution for synthesizing an azo pigment, or a solution for biological reaction such as protein synthesis may be used.
このような異なる成分を含む二種以上の流体と、前記流体と反応しない流体が微小流路に導入されるが、前記二種類以上の流体が微小流路で合流する部分において、前記流体の周囲を前記流体と反応しない流体により囲むことで分散化する。これは微小流路という極めて断面積が微小な空間において連続的に搬送される流体の衝突により生じる現象であり、本発明は微小空間という特殊な環境下での特異な流体の流れを巧みに利用したものである。なお、本発明においては、この分散化された流体を「分散相」と称する。また、この分散相以外の流体は前記異なる成分を含む二種類以上の流体と反応しない流体であり、これらの分散相以外の流体を「連続相」と称する。 Two or more kinds of fluids containing such different components and a fluid that does not react with the fluid are introduced into the microchannel, and in the portion where the two or more types of fluid merge in the microchannel, Is surrounded by a fluid that does not react with the fluid. This is a phenomenon caused by the collision of fluid that is continuously transported in a space with a very small cross-sectional area called a micro-channel, and the present invention skillfully uses a unique fluid flow in a special environment of a micro-space. It is what. In the present invention, this dispersed fluid is referred to as “dispersed phase”. Further, the fluid other than the dispersed phase is a fluid that does not react with two or more kinds of fluids containing different components, and the fluid other than the dispersed phase is referred to as a “continuous phase”.
ここで、「分散相」が形成される場合は、分散相および連続相の特性にもよるが、異なる成分を含む二種類以上の流体の流速Aと、前記異なる成分を含む二種類以上の流体と反応しない流体の流速Bとの流速比=B/Aが大きい場合である。前記流速比が小さい場合は「層流」を形成する。例えば、流速比が2以上、好ましくは10〜1000の範囲が望ましい。 Here, when the “dispersed phase” is formed, depending on the characteristics of the dispersed phase and the continuous phase, the flow rate A of two or more fluids containing different components and two or more fluids containing the different components are used. This is the case where the flow rate ratio of the fluid that does not react with the flow rate B = B / A is large. When the flow rate ratio is small, a “laminar flow” is formed. For example, the flow rate ratio is 2 or more, preferably 10 to 1000.
また、微小流路とは、断面を円形に換算した場合の等価直径が数μm〜数百μm程度のサイズの流路を指す。また、「分散相」のサイズは、一般的に直径が微小流路の幅あるいは深さよりも小さい。例えば、幅が100μm、深さが50μmの微小流路で生成される分散相の大きさは、分散相が完全球体であると仮定するとその直径は50μmより小さい。 Further, the micro channel refers to a channel having an equivalent diameter of about several μm to several hundred μm when the cross section is converted into a circle. The size of the “dispersed phase” is generally smaller in diameter than the width or depth of the microchannel. For example, the size of a dispersed phase generated in a microchannel having a width of 100 μm and a depth of 50 μm is smaller than 50 μm assuming that the dispersed phase is a perfect sphere.
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は、本発明の化学反応実施方法の実施形態の一例を示す概念図である。微小流路構造体200は、流体の導入口201、202、203、204と、それに連通する導入流路205、206、207、208と、導入流路と連通しかつ導入される流体を流すための搬送流路209と、搬送流路209から流体を排出するための排出口210により構成されている。異なる成分を含む流体211、212及び、前記流体と反応しない流体213をそれぞれ流体導入口に導入することにより本発明の化学反応方法を実施することができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of an embodiment of a method for carrying out a chemical reaction of the present invention. The microchannel structure 200 is configured to flow the
まず、図1を用いて、異なる成分を含む二種類の液体を微小流路構造体に導入し、前記液体を合流させ、前記合流部において前記液体の周囲を前記液体と反応しない液体で囲んで分散相を形成し、前記分散相の内部で化学反応を行う方法について説明する。 First, using FIG. 1, two types of liquids containing different components are introduced into the microchannel structure, the liquids are merged, and the liquid is surrounded by a liquid that does not react with the liquid at the merged portion. A method for forming a dispersed phase and performing a chemical reaction inside the dispersed phase will be described.
異なる成分を含む二種類の流体211、212を液体L211、L212とし、前記液体と反応しない流体213を液体L213とする。液体L211、L212は導入流路206、207に連通する搬送流路209へ送液される。このとき、液体L213も導入流路205、208に連通する搬送流路209へ送液され、L211とL212の合流部214において、液体L211、L212の周囲を液体L213により囲むことにより分散相を形成する。搬送流路209中を分散相215が搬送される間、液体L211及び液体L212に含まれる成分が分散相215の内部で互いに拡散することにより化学反応を生じる。
Two types of
さらに、本発明の化学反応実施方法を好適に行うために、異なる成分を含む二種類の液体L211、L212は水溶性であり、前記液体と反応しない液体L213は非水溶性であることが好ましい。
前記異なる成分を含む二種類以上の液体と反応しない液体L213としては、例えばシリコーンオイル、フロリナート、流動パラフィンなどが挙げられる。
Furthermore, in order to suitably perform the chemical reaction execution method of the present invention, the two types of liquids L 211 and L 212 containing different components are water-soluble, and the liquid L 213 that does not react with the liquid is water-insoluble. Is preferred.
Examples of the liquid L 213 that does not react with two or more kinds of liquids containing different components include silicone oil, fluorinate, and liquid paraffin.
次に、図1を用いて、異なる成分を含む二種類の液体を微小流路構造体に導入し、前記液体を合流させ、前記合流部において前記液体の周囲を前記液体と反応しない気体で囲んで分散相を形成し、前記分散相の内部で化学反応を行う方法について説明する。 Next, using FIG. 1, two types of liquids containing different components are introduced into the microchannel structure, the liquids are merged, and the liquid is surrounded by a gas that does not react with the liquid at the merged portion. A method of forming a dispersed phase and performing a chemical reaction inside the dispersed phase will be described.
異なる成分を含む二種類の流体211、212を液体L211、L212とし、前記液体と反応しない流体213を気体A213とする。液体L211、L212は導入流路206、207に連通する搬送流路209へ送液される。このとき、気体A213も導入流路205、208に連通する搬送流路209へ送液され、液体L211、L212の合流部214において、液体L211、L212の周囲を気体A213により囲むことにより分散相215を形成する。搬送流路209中を分散相215が搬送される間、液体L211及び液体L212に含まれる成分が分散相215の内部で互いに拡散することにより化学反応を生じる。
Two types of
異なる成分を含む二種類の液体L211、L212は水溶性、非水溶性のどちらでも良く、特に制限はない。
前記異なる成分を含む二種類の液体と反応しない気体A213としては、例えばAr,N2などが挙げられる。
The two types of liquids L 211 and L 212 containing different components may be either water-soluble or water-insoluble, and are not particularly limited.
Examples of the gas A 213 that does not react with the two kinds of liquids containing different components include Ar and N 2 .
次に、図1を用いて、異なる成分を含む二種類の気体を微小流路構造体に導入し、前記気体を合流させ、前記合流部において前記気体の周囲を前記気体と反応しない液体で囲んで分散相を形成し、前記分散相の内部で化学反応を行う方法について説明する。 Next, using FIG. 1, two types of gases containing different components are introduced into the microchannel structure, the gases are merged, and the gas is surrounded by a liquid that does not react with the gas at the merged portion. A method of forming a dispersed phase and performing a chemical reaction inside the dispersed phase will be described.
異なる成分を含む二種類の流体211、212を気体A211、A212とし、前記気体と反応しない流体213を液体L213とする。二種類の気体A211、A212は導入流路206、207に連通する搬送流路209へ搬送される。このとき、液体L213も導入流路205、208に連通する搬送流路209へ送液され、合流したA211とA212の周囲をL213により囲むことにより分散相を形成する。搬送流路209中を分散相215が搬送される間、気体A211及び気体A212に含まれる成分が分散相215の内部で互いに拡散することにより化学反応を生じる。
Two types of
前記異なる成分を含む二種類の気体と反応しない液体L213としては、例えばシリコーンオイル、フロリナート、流動パラフィンなどが挙げられる。 Examples of the liquid L 213 that does not react with the two kinds of gases containing different components include silicone oil, fluorinate, and liquid paraffin.
さらに、本発明の化学反応実施方法を好適に行うために、異なる成分を含む二種類以上の流体の流量比は異なっても良い。この際、分散相内部に含まれる流体の比率を変えることにより、生成物の濃度を制御することが可能となる。
さらに、分散相と連続相の流量比を変化させることにより、分散相を小径化でき、反応効率を向上させることが可能である。
Furthermore, in order to suitably perform the chemical reaction execution method of the present invention, the flow rate ratio of two or more kinds of fluids containing different components may be different. At this time, the concentration of the product can be controlled by changing the ratio of the fluid contained in the dispersed phase.
Furthermore, by changing the flow rate ratio between the dispersed phase and the continuous phase, the diameter of the dispersed phase can be reduced and the reaction efficiency can be improved.
ここで、上記の本発明の化学反応実施方法に用いられる微小流路構造体に備わる導入口とは、異なる成分を含む二種以上の流体を微小流路構造体へ導入させるための開口部であり、導入される流体はこの導入口よりこれに連通する導入流路を通じて搬送される。さらに、前記流体を分散化するための前記流体と反応しない流体の導入口が必要である。本発明においては化学反応を実施するため、異なる成分を含む流体を二種以上導入するために、導入口及び導入流路の数としては、3以上有することが必須となる。 Here, the introduction port provided in the microchannel structure used in the chemical reaction execution method of the present invention is an opening for introducing two or more kinds of fluids containing different components into the microchannel structure. The fluid to be introduced is conveyed from the introduction port through an introduction flow path communicating therewith. Furthermore, a fluid inlet that does not react with the fluid for dispersing the fluid is required. In the present invention, in order to perform a chemical reaction, in order to introduce two or more kinds of fluids containing different components, it is essential to have three or more introduction ports and introduction flow paths.
また、導入流路の各々の角度については、各々の流体が合流部以前で交じり合わない構造であれば特に制限はない。
図2は、本発明の化学反応実施方法に光の照射や熱を加えることにより、反応効率を向上させることを示す概念図である。図2に示すように、化学反応生成物に対して、必要に応じて、光照射装置301により光を照射したり[図2(a)]、加熱装置302により加熱したりして[図2(b)]、搬送流路へエネルギーを供給し化学反応を効率的に行わせることもできる。
Moreover, there is no restriction | limiting in particular about each angle of an introduction flow path, if each fluid is a structure which does not mix before a junction part.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing that the reaction efficiency is improved by applying light irradiation or heat to the chemical reaction execution method of the present invention. As shown in FIG. 2, the chemical reaction product is irradiated with light by a light irradiation device 301 as needed [FIG. 2 (a)] or heated by a heating device 302 [FIG. (B)], it is also possible to supply energy to the transport channel and to efficiently perform the chemical reaction.
また、実験的な製造設備により製造された少量の化学物質を大規模の製造設備により多量に製造する際には、必要となる製造量に応じて微小流路構造体を用いた製造ラインを並列化することにより、再現性を得るための労力及び時間を大幅に減少でき、好ましい態様となる。 In addition, when a small amount of chemical substances produced by experimental production equipment is produced in large quantities by large-scale production equipment, production lines using microchannel structures are arranged in parallel according to the required production quantity. Therefore, the labor and time for obtaining reproducibility can be greatly reduced, which is a preferable mode.
次に、本発明の化学反応実施方法が、微小流路の幅で決定される以上の拡散時間の短縮と、流体境界の比界面積の大きさを得ることで、微小流路内における反応効率を微小流路の幅で決定される効率以上に向上させることを図3により説明する。 Next, the method for carrying out a chemical reaction according to the present invention reduces the diffusion time more than determined by the width of the microchannel, and obtains the size of the specific interface area of the fluid boundary so that the reaction efficiency in the microchannel is increased. 3 will be described with reference to FIG. 3 to improve the efficiency more than the efficiency determined by the width of the microchannel.
図3(a)に示すように、微小流路402中にある球状の分散相の直径401をD[μm]とすると、分散相の総体積は(4π/3)×(D/2)3[μm3]となる。仮に、異なる成分を含む二種類の流体が半球状に合体した場合、一方の体積は{(4π/3)×(D/2)3}/2となる。また、二種類の流体が接触する表面積は、π×(D/2)2[μm2]となる。従って、二種類の流体の比界面積は、{π×(D/2)2}/{{(4π/3)×(D/2)3}/2}=3×104/D[cm-1]となる。一方、図3(b)に示すように流路の幅405をWとすると、微小流路402に形成された流体の比界面積は、2×104/W[cm-1]である。
As shown in FIG. 3A, when the
一般に、微小流路402により形成される微小流路の直径Dは、微小流路の幅Wよりも小さいので、D<Wであることから、微小流路402で分散相403を生成すればその比界面積は、単に微小流路402で形成される流体境界404の比界面積よりも大きくなり、かつ二種類の流体の拡散時間も、微小流路で単に層流を形成させたときの拡散時間よりも短くなる。従って、異なる成分を含む二種類以上の流体の分散相を形成すれば、微小流路の幅402で決定される以上の拡散時間の短縮と流体境界の比界面積の大きさを得ることができ、微小流路402における反応効率を微小流路の幅で決定される効率以上に向上することができる。 In general, the diameter D of the microchannel formed by the microchannel 402 is smaller than the width W of the microchannel, so that D <W. The specific interfacial area is simply larger than the specific interfacial area of the fluid boundary 404 formed by the microchannel 402, and the diffusion time of the two types of fluids is also diffusion when a laminar flow is simply formed in the microchannel. Shorter than time. Therefore, if a dispersed phase of two or more kinds of fluids containing different components is formed, the diffusion time and the specific interface area of the fluid boundary can be shortened more than determined by the width 402 of the microchannel. The reaction efficiency in the microchannel 402 can be improved beyond the efficiency determined by the width of the microchannel.
一般に分散相を形成する方法は、攪拌翼やローターを高速回転させたり、超音波を利用する機械的方法などがあるが、分散相を形成する流体を選択できること、比界面積を正確に制御するため分散相の粒径制御が容易にできることなどがより好ましい。これらを考慮すると、図1に示すように、異なる成分を含む二種類以上の流体を別々に微小流路に導入し、前記流体を合流させ、前記合流部において、前記流体の周囲を前記流体と反応しない流体で囲むことにより分散相を形成する方法がより好ましい。また、分散相の直径は、流速や微小流路の合一する角度や、微小流路の幅と深さ、あるいはこれらを組み合わせることで制御することができ、比界面積をより正確に制御できる。 In general, there are methods for forming a dispersed phase, such as rotating a stirring blade or rotor at high speed or using a mechanical method using ultrasonic waves. However, the fluid that forms the dispersed phase can be selected, and the specific interfacial area is accurately controlled. Therefore, it is more preferable that the particle size of the dispersed phase can be easily controlled. Considering these, as shown in FIG. 1, two or more types of fluids containing different components are separately introduced into the microchannel, the fluids are merged, and the fluid is surrounded by the fluid at the junction. A method of forming a dispersed phase by surrounding with a fluid that does not react is more preferable. In addition, the diameter of the dispersed phase can be controlled by controlling the flow velocity, the angle at which the microchannels are united, the width and depth of the microchannels, or a combination of these, and the specific interface area can be controlled more accurately. .
また、本発明の化学反応実施方法は、化学反応が終了した分散相をそのまま連続相により排出口まで搬送する。特に、連続相が油系の液体であり分散相が水溶性の液体である場合は、排出口で容器に連続相と分散相を回収するのと同時に連続相と分散相を分離することができる。 Moreover, the chemical reaction implementation method of this invention conveys the disperse | distributed phase which the chemical reaction completed to the discharge port as it is with a continuous phase. In particular, when the continuous phase is an oil-based liquid and the dispersed phase is a water-soluble liquid, the continuous phase and the dispersed phase can be separated simultaneously with the recovery of the continuous phase and the dispersed phase in the container at the outlet. .
本発明の化学反応実施方法に使用する微小流路を有する微小流路基板は、例えばガラスや石英、セラミック、シリコン、あるいは金属や樹脂等の基板材料を、機械加工やレーザー加工、エッチングなどにより直接加工することによって製作できる。また、基板材料がセラミックや樹脂の場合は、流路形状を有する金属等の鋳型を用いて成形することで製作することもできる。なお一般的に、前記微小流路基板は、流体導入口、流体排出口、および各微小流路の排出口に対応する位置に直径数mm程度の小穴を設けたカバー体と積層一体化させた微小流路構造として使用する。カバー体と微小流路基板との接合方法としては、基板材料がセラミックスや金属の場合は、ハンダ付けや接着剤を用いたり、基板材料がガラスや石英、樹脂の場合は、百℃〜千数℃の高温下で過重をかけて熱接合させたり、基板材料がシリコンの場合は洗浄により表面を活性化させて常温で接合させるなどそれぞれの基板材料に適した接合法が用いられる。 The micro-channel substrate having the micro-channel used in the method for carrying out the chemical reaction of the present invention is, for example, glass, quartz, ceramic, silicon, or a substrate material such as metal or resin directly by machining, laser processing, etching, or the like. It can be manufactured by processing. Further, when the substrate material is ceramic or resin, it can also be manufactured by molding using a mold such as a metal having a channel shape. Generally, the microchannel substrate is laminated and integrated with a cover body having a small hole with a diameter of about several millimeters at a position corresponding to the fluid inlet, the fluid outlet, and the outlet of each microchannel. Used as a microchannel structure. As a method for joining the cover body and the micro-channel substrate, solder or adhesive is used when the substrate material is ceramics or metal, or hundreds of degrees Celsius to thousands when the substrate material is glass, quartz, or resin. Bonding methods suitable for each substrate material are used, such as thermal bonding by applying heavy weight at a high temperature of ° C., or when the substrate material is silicon, by activating the surface by washing and bonding at room temperature.
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、実施例中における、寸法、形状、材質、作製プロセスは一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. Note that dimensions, shapes, materials, and manufacturing processes in the examples are merely examples, and can be arbitrarily changed as design matters within a range that satisfies the requirements of the present invention.
実施例1
実施例1として、図4に示すような微小流路構造体500を使用する。図4(a)に微小流路構造体500の上面図、図4(b)にA−A’断面図、図4(c)にB−B’断面図を示す。微小流路506の幅はW=220[μm]、微小流路506の深さはd=80[μm]、微小流路506の長さ40[mm]である。微小流路構造体は、70mm×38mm×1mm(厚さ)のパイレックス(登録商標)基板507に一般的なフォトリソグラフィーとウエットエッチングにより形成して微小流路基板とする。また、導入口501、502、503、504及び、排出口505の位置に直径0.6mmの貫通した小穴を機械的加工手段により設けた同サイズのパイレックス(登録商標)基板508をカバー体として熱融着により接合することで微小流路を密閉する。
Example 1
As Example 1, a
次に、異なる成分を含む二種類の溶液について説明する。
第1の溶液509として、ジアゾニウム塩溶液を準備する。ジアゾニウム塩溶液は、2−メトキシ−4−ニトロアニリンを、水、塩酸水溶液に加えて攪拌し、氷を加えて0℃に冷却する。その後、亜硝酸ナトリウムを水に溶解後添加し、60分間攪拌した後、スルファミン酸を加えて亜硝酸を消去することにより作製できる。
Next, two types of solutions containing different components will be described.
A diazonium salt solution is prepared as the first solution 509. In the diazonium salt solution, 2-methoxy-4-nitroaniline is added to water and an aqueous hydrochloric acid solution and stirred, and ice is added to cool to 0 ° C. Thereafter, sodium nitrite is dissolved in water and added, and after stirring for 60 minutes, sulfamic acid is added to eliminate nitrous acid.
第2の溶液510として、カップラー溶液を準備する。カップラー溶液は2−メトキシアセトセトアニライドを水、苛性ソーダと共に溶解し、水温を20℃とすることにより作製できる。 A coupler solution is prepared as the second solution 510. The coupler solution can be prepared by dissolving 2-methoxyacetocetanilide together with water and caustic soda and setting the water temperature to 20 ° C.
前記二種類の溶液を上記の微小流路構造体に導入することにより、ジアゾカップリング反応を行うことができる。以下、図4(d)を用いて、各液体の送液について説明する。微小流路構造体500の導入口502からジアゾニウム塩溶液からなる第1の溶液509を送液し、導入口503からは、カップラー溶液に分散剤を添加した第2の溶液510を送液する。さらに、導入口501、504からは、連続相としてシリコーンオイル(粘度2cp)511を送液する。各々の液体はポンプ513により送液される。この反応により、アゾ顔料(ピグメントイエロー(PY)74)512が合成される。
A diazo coupling reaction can be performed by introducing the two kinds of solutions into the microchannel structure. Hereinafter, the liquid feeding of each liquid will be described with reference to FIG. A first solution 509 made of a diazonium salt solution is fed from the
送液速度を調整することで、前記二種類の溶液が層流を形成して反応を行った場合と、前記二種類の溶液の周囲を連続相により囲んで分散相を形成して反応を行った場合とで比較することができる。層流を形成するときの溶液の流量は共に20[μl/min]であり、シリコーンオイルの流量は1[μl/min]である。また、分散相を形成する場合の流量は、溶液の流量が共に1[μl/min]であり、シリコーンオイルの流量は150[μl/min]である。 By adjusting the liquid feeding speed, the two types of solutions react when forming a laminar flow, and the two types of solutions are surrounded by a continuous phase to form a dispersed phase. It can be compared with the case. The flow rate of the solution when forming the laminar flow is 20 [μl / min], and the flow rate of the silicone oil is 1 [μl / min]. The flow rate for forming the dispersed phase is 1 [μl / min] for both the solution and 150 [μl / min] for the silicone oil.
この微小流路では、層流を形成する場合に得られる比界面積は、微小流路の幅がW=約220[μm]であることから、2×104/W[cm-1]=約2×104/220[cm-1]=約90[cm-1]となる。また、分散相を形成する場合、高速カメラを用いて測定することにより分散相の直径を求める。分散相の直径が80μmである場合、比界面積は250[cm-1]となる。このことからシリコーンオイルにより分散相を形成する場合の方が、二種類の溶液で層流を形成する場合よりも比界面積が大きくなり、反応効率があがるものと推定される。 In this microchannel, the specific interface area obtained when forming a laminar flow is 2 × 10 4 / W [cm −1 ] =, since the width of the microchannel is W = about 220 [μm]. about 2 × 10 4/220 [cm -1] = approximately 90 [cm -1]. Moreover, when forming a dispersed phase, the diameter of a dispersed phase is calculated | required by measuring using a high-speed camera. When the diameter of the dispersed phase is 80 μm, the specific interface area is 250 [cm −1 ]. From this, it is presumed that the specific interfacial area is larger in the case where the dispersed phase is formed with silicone oil than in the case where the laminar flow is formed with two kinds of solutions, and the reaction efficiency is increased.
また、本発明を用いることにより、分散相の内部で化学反応を行うため、分散相の内部で微粒子が合成される。反応終了後、液体排出口から微粒子を分散相の状態で回収できるため、搬送流路に微粒子が付着しない。 In addition, by using the present invention, since a chemical reaction is performed inside the dispersed phase, fine particles are synthesized inside the dispersed phase. After completion of the reaction, the fine particles can be recovered in a dispersed phase from the liquid discharge port, so that the fine particles do not adhere to the transport channel.
実施例2
実施例2として、図5に示すような微小流路構造体を使用する。図5(a)に微小流路構造体600の上面図、図5(b)にC−C’断面図を示す。導入流路601、602の内径は250[μm]、搬送流路603の直径は500[μm]、搬送流路603の長さ50[mm]である。微小流路構造体600は、70mm×20mm×10mm(厚さ)の石英基板に一般的な機械的加工手段により形成して微小流路基板とする。導入流路601、602は、外径1.0[mm]、内径250[μm]、長さ5.0[mm]のガラス管を挿入することにより形成される。導入流路及び搬送流路はテフロン(登録商標)製コネクター604を用いることにより配管と接続することができる。
Example 2
As Example 2, a microchannel structure as shown in FIG. 5 is used. FIG. 5A shows a top view of the
微小流路構造体600を用いることにより、ジアゾカップリング反応を行うことができる。以下、図5(c)を用いて、各液体の送液について説明する。微小流路構造体600の導入口601からジアゾニウム塩溶液605を送液し、導入口602からは、カップラー溶液に分散剤を添加した溶液607を送液する。さらに、導入口604からは、連続相としてシリコーンオイル(粘度2cp)606を送液する。各々の液体はポンプ609により送液される。この反応により、アゾ顔料(ピグメントイエロー(PY)74)608が合成される。
By using the
送液速度を調整することで、前記二種類の溶液が層流を形成して反応を行った場合と、前記二種類の溶液の周囲を連続相により囲んで分散相を形成して反応を行った場合とで比較することができる。層流を形成する場合、二種類の溶液の流量はともに50[μl/min]であり、連続相の流量は5[μl/min]である。また、分散相を形成する場合の流量は、二種類の溶液の流量が5[μl/min]であり、連続相の流量は200[μl/min]である。 By adjusting the liquid feeding speed, the two types of solutions react when forming a laminar flow, and the two types of solutions are surrounded by a continuous phase to form a dispersed phase. It can be compared with the case. When forming a laminar flow, the flow rates of the two types of solutions are both 50 [μl / min], and the flow rate of the continuous phase is 5 [μl / min]. The flow rate for forming the dispersed phase is 5 [μl / min] for the two types of solutions and 200 [μl / min] for the continuous phase.
図6に微小流路構造体600の合流部の概略図を示す。溶液607及び溶液608は導入流路601及び602の対向する位置で合流し、溶液607及び溶液608の周囲を連続相703により囲むことにより分散相を形成し、分散相の内部で化学反応を行う。以下、反応効率について図6を用いて説明する。まず、図6(b)に示すように、層流を形成する場合に得られる比界面積を求める。層流の幅702は顕微鏡を用いて測定することにより求めることができる。比界面積は、層流の幅702がW=約400[μm]である場合、2×104/W[cm-1]=約2×104/400[cm-1]=約50[cm-1]となる。また、分散相を形成する場合、分散相の直径701を高速カメラを用いて測定することができる。分散相の直径701が約25μmのとき、比界面積は800[cm-1]となる。このことから分散相を形成する場合の方が、二種類の溶液で層流を形成する場合よりも比界面積が大きくなり、反応効率があがるものと推定される。
FIG. 6 shows a schematic diagram of a merging portion of the
また、分散相の内部で化学反応が生じるため、分散相の内部で微粒子が合成される。反応終了後、液体排出口から分散相の状態で回収されるため、流路壁面に微粒子が付着しない。 Further, since a chemical reaction occurs inside the dispersed phase, fine particles are synthesized inside the dispersed phase. After the reaction is completed, the particles are collected in a dispersed phase from the liquid discharge port, so that the fine particles do not adhere to the channel wall surface.
以上のことから、異なる成分を含む二種類の溶液を微小流路に導入し、前記二種類の溶液を合流させ、前記合流部において前記溶液の周囲を前記溶液と反応しない液体により囲んで分散相を形成し、分散相内部で化学反応を行うことにより、化学反応の効率が微小流路の幅で決まる効率以上に向上させることができ、かつ生成物を原因とした流路の目詰まりを防ぐことができる。 From the above, two types of solutions containing different components are introduced into the microchannel, the two types of solutions are merged, and the periphery of the solution is surrounded by a liquid that does not react with the solution at the merged portion. By forming a chemical reaction inside the dispersed phase, the efficiency of the chemical reaction can be improved beyond the efficiency determined by the width of the microchannel, and the clogging of the channel due to the product is prevented. be able to.
本発明の化学反応実施方法は、異なる成分を含む二種類以上の流体の流路内における反応の効率を流路の幅で決定される効率以上に向上し、また分散相の内部で化学反応を生じさせることにより、生成物の凝集、析出等による流路の目詰まりを防止できるので、顔料やトナー等の微粒子の製造、または薬品の製造やバイオテクノロジーの技術分野における液体微粒子の反応に利用することができる。 The method for carrying out a chemical reaction of the present invention improves the efficiency of the reaction in the flow path of two or more kinds of fluids containing different components more than the efficiency determined by the width of the flow path, and performs the chemical reaction inside the dispersed phase. This can prevent clogging of the flow path due to product aggregation, precipitation, etc., so it can be used for the production of fine particles such as pigments and toners, or for the reaction of liquid fine particles in the field of medicine and biotechnology. be able to.
101、102 給液路
103、104 給液口
105 ミキシング流路
106、107 溶液
108 流路の幅
109 流路の単位長さ
110 流体の幅
111 流体境界
200 微小流路構造体
201、202、203、204 流体導入口
205、206、207、208 導入流路
209 搬送流路
210 排出口
211、212 異なる成分を含む流体
213 異なる成分を含む流体と反応しない流体
214 合流部
215 分散相
301 光照射装置
302 加熱装置
401 分散相の直径
402 微小流路
403 分散相
404 流体境界
500 微小流路構造体
501、502、503、504 流体導入口
505 流体排出口
506 微小流路
507、508 基板
509、510 溶液
511 シリコーンオイル
512 アゾ顔料
513 ポンプ
600 微小流路構造体
601、602 流体導入流路
603 流体搬送流路
604 コネクター
605、607 溶液
606 シリコーンオイル
608 アゾ顔料
609 ポンプ
701 分散相の直径
702 層流の幅
703 連続相の流れ
101, 102
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JP2005234829A JP2007044678A (en) | 2005-08-12 | 2005-08-12 | Method for implementing chemical reaction |
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