JP2007268491A - マイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主に触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。
【解決手段】
触媒２１を含む反応流体を反応させるための微細な流路２０Ａを備えたマイクロデバイス１０であって、微細な流路２０Ａが曲がり部３２を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法に係り、特に、マイクロ流路内において触媒反応を行うマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法に関する。

マイクロ空間内では単位体積あたりの表面積が大きくなる特徴から、反応流体の反応界面を多く形成でき、温度制御も容易にできるので、流体間の反応や混合の高効率化又は高速化ができる技術として注目されている。

従来、触媒反応の分野においては、反応表面積を増加させることを目的として、触媒粒子を反応流体に懸濁させる方法やマイクロ流路内に触媒を担持させる方法が検討されている。

前者の方法としては、流動槽内で触媒粒子を反応流体に懸濁させて触媒反応させる方法があり、このような例としては、ＴｉＯ_２によりＮＯｘ分解する遠心機が挙げられる。

後者の方法としては、例えば、特許文献１では、触媒や酵素等が固定化されている多孔質構造体をマイクロ流路内の一部に構築する提案がなされている。これによれば、従来よりも触媒や酵素等を大量に固定化でき、高効率なマイクロデバイスを実現できると記載されている。また、特許文献２では、微細な流路の内壁表面に光触媒活性を有する物質の薄膜を備えたマイクロデバイスが提案されている。

しかし、一般的に、流動槽は装置が大型化するという問題があった。また、大型化した装置において、特に、光触媒や温度制御が必要となる反応を行う際、光強度や温度に分布が生じやすく、装置全体として収率が低下しやすい。

マイクロデバイスを用いることで光強度や温度分布は狭くなるが、特許文献１の方法では、反応流体を送液する際の圧力損失が高くなるという問題がある。また、特許文献２の方法では、流路の微細化に伴い反応流体が層流を形成するため、触媒を固定化した壁面近傍方向への物質移動の推進力が分子拡散のみになる。従って、壁面近郊への物質移動がされにくく、反応界面積の向上や、温度、光分布の均一化の触媒反応高効率化への効果を引き出しきれないという問題があった。

特許文献２において問題になる層流化に伴う壁面近郊への物質移動速度の低下は、マイクロデバイスの微細化にて避けられないことではない。流路を曲げることによりディーン渦と呼ばれる渦が発生することが知られている。非特許文献１では、屈曲構造を有するマイクロ流路における流体挙動とそのシミュレーションが検討されている。
特開２００４−３１７１２８号公報 特開２００４−２０２３３６号公報 化学工学会第６８年会論文第３０巻第３号（２００４）ｐ３４１「屈曲構造を有するマイクロ流路における流体挙動とそのシミュレーション」

しかしながら、非特許文献１では、シミュレーションの結果を、微細な流路内で行う触媒反応に適用するとの目的又は考察も明示されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、主に触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させるマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１は前記目的を達成するために、触媒を含む反応流体を反応させるための微細な流路を備えたマイクロデバイスであって、前記微細な流路が曲がり部を備えたことを特徴とするマイクロデバイスを提供する。

微細な流路は、反応流体の反応界面を多くすることができ、且つ温度制御も容易であるとの大きなメリットがある反面、反応流体の流れが層流となるため、反応流体中に微粒子状の固体である触媒を懸濁させて反応（例えば、触媒反応）を行わせようとした場合に、層流のために触媒と反応流体との接触が促進されにくいというデメリットがある。即ち、層流を形成し易い微細な流路は、反応流体に熱を付与したり、触媒に光を付与して活性化したりして反応を促進することに関しては優れているが、固体である触媒と液体又は気体である反応流体との接触効率を上げて反応を促進することに関しては劣っている。従って、層流が形成され易い微細な流路であっても、触媒と反応流体との接触を促進できれば反応を著しく促進することが可能となる。

本発明はかかる観点から発明したものであり、請求項１によれば、触媒を含む反応流体を反応させるための微細な流路を備えたマイクロデバイスであって、微細な流路が曲がり部を備えるようにした。このような曲がり部を有する微細な流路に流体を流すことにより、触媒を含む反応流体が曲がり部を通過する際に流路の幅方向に慣性力が生じる。これにより、主に触媒反応において、触媒と反応流体の混合が促進されるので、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。

ここで、曲がり部とは、２次元的又は３次元的に流路が曲がっている部分のことをいい、湾曲部、屈曲部等が含まれる。また、触媒とは、触媒的な作用を有するものであり、酵素等も含まれる。触媒を含む反応流体とは、触媒と反応流体とが異相である混相流体（例えば、触媒粒子を懸濁した溶液等）や、触媒が反応流体に溶解して均一相を形成している流体（例えば、錯体などの均一系触媒）が含まれる。

請求項２は請求項１において、前記曲がり部が、１以上であることを特徴とする。これにより、本発明の効果が更に良好に得られる。尚、曲がり部が３以上であることがより好ましい。

請求項３は請求項１又は２において、前記微細な流路の曲がり部が、該曲がり部における前記触媒を含む反応流体のディーン数Ｄｅが１０以上となるように構成されたことを特徴とする。

請求項３によれば、微細な流路の曲がり部が、該曲がり部における触媒を含む反応流体のディーン数Ｄｅが10以上となるように構成される。即ち、曲がり部の流路の内径、流路長、及び曲率半径Ｒが、流す流体の種類に応じてディーン数Ｄｅが１０以上となるように構成されることが好ましい。これにより、主に触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。ここで、ディーン数Ｄｅは下記式で表される。

Ｄｅ＝Ｒｅ（Ｄｅｑ／２Ｒ)^1/2
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄｅｑ：流路の等価直径（ｍ）、Ｒ：曲率半径（ｍ））
請求項４は請求項１〜３の何れか１において、前記微細な流路の温度を制御するための温度制御手段を備えたことを特徴とする。

請求項４によれば、微細な流路の温度を制御するための温度制御手段を備えるので、流路内で触媒反応をより効率的に行うことができる。ここで、温度制御手段としては、ジャケット式金属薄膜ヒータ、温調ジャケット、反応流体用流路に沿って形成させた熱媒体流路等を好ましく使用できる。

請求項５は請求項１〜４の何れか１において、前記微細な流路内に光を照射するための光照射手段を備えたことを特徴とする。

光照射手段とは、反応流体に光を照射するための手段であり、各種光源（ランプ等）だけでなく、透明部材で構成した流路に自然光を取り入れる機構も含まれる。これにより、光触媒を用いた反応を行わせることができる。

請求項６は請求項１〜５の何れか１において、前記微細な流路内を流れる流体に外乱を付与するための外乱付与手段を備えたことを特徴とする。

ここで、外乱付与手段とは、反応流体外部からの反応流体へのエネルギー付加により反応流体の流れに乱れを発生させることのできる手段をいう。

反応流体の境膜が厚く形成される場合であっても、外乱付与手段により境膜を壊すことができるので、反応表面積を増加させ且つより壁面近傍の物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。

請求項７は請求項１〜６の何れか１において、前記微細な流路が、等価直径が１ｍｍ以下のマイクロ流路であることを特徴とする。

請求項７によれば、微細な流路が、等価直径が１ｍｍ以下のマイクロ流路であるので、流路内で触媒反応をより高効率で行うことができる。ここで、微細な流路が、等価直径が０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。

本発明の請求項８は前記目的を達成するために、マイクロデバイスを用いた触媒反応方法であって、曲がり部を１以上備えた微細な流路に、触媒を含む反応流体を流して触媒反応を行わせることを特徴とするマイクロデバイスを用いた触媒反応方法を提供する。

請求項８によれば、マイクロデバイスを用いた触媒反応方法であって、曲がり部を１以上備えた微細な流路に、触媒を含む反応流体を流して触媒反応を行わせる。これにより、主に触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。ここで、触媒反応としては、例えば、燃料電池用の燃料改質反応や発電反応にみられるＰｔ、Ｒｕ、Ｎｉ等の触媒上における反応や、酸素還元反応等が挙げられる。

請求項９は請求項８において、前記微細な流路の曲がり部において、ディーン数Ｄｅが１０以上となるように運転することを特徴とする。

請求項９によれば、微細な流路の曲がり部におけるディーン数Ｄｅが１０以上になるように運転する。即ち、流路に流す反応流体のレイノルズ数Ｒｅを構成する物性（流体の密度、粘度、流速等）を上記ディーン数Ｄｅの範囲を満たすように運転することが好ましい。

これにより、主に触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。

請求項１０は請求項８又は９において、前記微細な流路の温度を調節して前記微細な流路内を流れる前記触媒を含む反応流体を反応させることを特徴とする。

請求項１０によれば、微細な流路の温度を調節して、微細な流路内を流れる触媒を含む反応流体を反応させる。従って、触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。

請求項１１は請求項８〜１０の何れか１において、前記微細な流路内を流れる前記触媒を含む反応流体に光を導入して反応させることを特徴とする。

請求項１１は、特に光触媒を用いた触媒反応において、特に有効である。これにより、主に触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。尚、微細な流路を構成する部材の少なくとも一部は、透明であることが好ましい。

請求項１２は請求項８〜１１の何れか１において、前記微細な流路内を流れる前記触媒を含む反応流体に外乱を付与して反応させることを特徴とする。

請求項１２によれば、外乱付与手段により微細な流路内を流れる触媒を含む反応流体に外乱を付与して反応させるので、主に触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。

本発明によれば、主に、触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で混合及び反応させることができる。

以下、添付図面に従って、本発明に係るマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法の好ましい実施の形態について説明する。

以下において「マイクロデバイス」とは、微細な流路（マイクロチャンネル）で流体を流し、および／またはそこで合流させ、それに起因する混合、反応、熱交換等の操作を行うための装置の総称である。

また、その微細な流路（マイクロチャンネル）またはそこを通過するストリームの直径または等価直径（チャンネルまたはストリームの断面が円形でない場合）は、１ｍｍ以下であり、等価直径が０．８ｍｍ以下であることがより好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましい。

図１は、本発明に係るマイクロデバイス１０の一例の構成を説明する平面図である。図２は、図１の部分拡大断面図等であり、第１液溜め部２４（図１の左上部点線内）を示す。

即ち、マイクロデバイス１０は、主に、板状体の表面に等価直径が１ｍｍ以下の長溝２０が形成されている基板１２と、この基板１２の表面に密着固定され、長溝を覆うことにより基板１２に微細な流路２０Ａを形成する覆い板２２と、を備えている。

上記の長溝２０により形成される微細な流路２０Ａは、曲がり部３２…を複数備えており、平面視で数段階折り重なった蛇行状となっている。この流路２０Ａの一端は、覆い板２２に形成された円柱状空洞部である第１液溜め部２４、第２液溜め部２６、及び第３液溜め部２８と反応流体供給路１４Ａ、１６Ａ、１８Ａを介して連通しており、流路２０Ａの他端は、覆い板２２に形成された円柱状空洞部である第４液溜め部２９と連通している。

曲がり部３２の形状は、図１に示されるように、湾曲形状であることが好ましいが、非曲線状に屈曲した形状であってもよい。

曲がり部３２においては、流れる流体の粘度、密度等の物性や流速等の運転条件にも依存するが、流路の内径、流路の長さ、曲率半径等がディーン数Ｄｅが１０以上を満たすように構成されることが好ましい。

ここで、ディーン数Ｄｅは下記式で表される。

Ｄｅ＝Ｒｅ（Ｄｅｑ／２Ｒ）^1/2
（Ｒｅ：レイノルズ数、Ｄｅｑ：流路の等価直径（ｍ）、Ｒ：曲率半径（ｍ））
このような範囲とすることにより、曲がり部３２を流れる流体が、円弧の中心から外側の方向に向かう慣性力を受けて強制的に混合される。また、触媒粒子２１と流体との接触面積（回数）も増加する。

上記のような最適なディーン数Ｄｅの範囲は、流動解析ソフトとして既に日本で市販されているアールフロー社製の数値解析ソフト、Ｒ−Ｆｌｏｗを用いて予めシミュレーションを行うことによって把握することができる。

また、曲がり部の形状は、楕円形状又は非曲線状の曲がり部でもよい。また、曲がり部の数も図１の例に限定されることはなく、１以上であればよい。

基板１２の表面に形成する長溝２０の断面積としては、既述のように、等価直径が１ｍｍ以下であることが好ましく、０．８ｍｍ以下であることがより好ましく、０．５ｍｍ以下であることが更に好ましい。また、流路の長さは、触媒反応が終了するに足る長さに設定され、反応の種類によって異なる。

この長溝２０の断面形状は、特に制限はなく、矩形（正方形、長方形）、台形、Ｖ形、半円形等、各種の形状が採用できる。

基板１２の表面（長溝が形成される面）及び覆い板本体２２の裏面（基板１２に密着する面）は、流路２０Ａの形成、及び液漏れの防止等の点より、充分な平坦性を確保できていることが好ましい。

マイクロデバイス１０において、少なくとも流路２０Ａと対向する領域に温度制御手段３０を設けることが好ましい。これにより、高効率で触媒反応を行わせることができる。

温度制御手段３０としては、公知公用の温度制御手段を使用できるが、例えば、金属薄膜ヒータ、温調コイル、温調ジャケット等が好ましく使用できる。

図３及び４は、温度制御手段３０の変形例を説明する図である。このうち、図３は、温度制御手段３０を備えたマイクロデバイス１０の上面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ’線断面図である。

図３及び４に示されるように、温度制御手段である熱媒体流路プレート３０が、マイクロデバイス１０に隣接して設けられている。

熱媒体プレート３０は、本体部材３４と底部材３６とで構成され、本体部材３４に所望温度の熱媒体を流す熱媒体流路３８Ａが流路２０Ａに沿って形成されている。また、熱媒体流路３８Ａの流路幅Ｗ２は、流路２０Ａの流路幅Ｗ１よりも広く形成されている。

また、熱媒体流路の流路幅Ｗ２が、下流方向に縮流するように構成されてもよい。これにより、流路２０Ａの上流側から下流側にかけた全領域において、熱媒体流路３８Ａからの伝熱速度を均一化することができる。ここで、熱媒体供給手段としては、各種ポンプを使用できるがマイクロポンプを用いることが好ましい。

マイクロデバイス１０において、流路２０Ａ内に光を照射するための図示しない光照射手段を設けることが好ましい。これにより、光触媒を用いた反応を行わせることができる。

光照射手段としては、例えば、キセノンランプ、蛍光灯、紫外線ランプ、レーザー等の各種光源だけでなく自然光を取込む機構も採用できる。

自然光を取込む方法としては、マイクロデバイス１０を構成する部材(基板１２及び／又は覆い板２２)の材質の一部を透明にする方法がある。このような材料として、各種樹脂板、より具体的には、ポリジメチルスルホキシド（ＰＤＭＳ）、ポリメチルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、紫外線硬化樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）等、各種樹脂膜、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等が採用できる。また、樹脂以外には強化ガラスや石英ガラス等のガラス類やサファイア等も採用できる。

マイクロデバイス１０において、少なくとも流路２０Ａ内を流れる流体に外乱を付与するための外乱付与手段４０を設けることが好ましい。これにより、反応流体をより均一に攪拌することができ、高効率で触媒反応を行わせることができる。

外乱付与手段４０としては、公知公用の外乱付与手段を使用できるが、例えば、低周波振動付与手段、反応流体を衝突させる手段、流路２０Ａ内の壁面を波型形状にする方法等が好ましく使用できる。この外乱付与手段４０は、反応流体をマイクロデバイス１０の流路２０Ａに供給するための供給管、又は反応流体供給路１４Ａ、１６Ａ、及び流路２０Ａに接触するように配置されることが好ましい。

図５及び６は、外乱付与手段４０の一例を説明する図である。

図５は、外乱付与手段として、流路２０Ａ内を流れる反応流体に低周波振動を付与する低周波振動付与手段４０を設けた場合の概念図である。

図５のマイクロデバイス１０は、流路２０Ａに反応流体を供給するための反応流体供給管４０Ａ、４０Ａに接するように低周波振動付与手段４０が配置されている。

このように、流路２０Ａ内を流れる反応流体に低周波振動を付与するので、反応流体に渦流が発生し、反応効率が向上する。尚、低周波振動手段を用いる場合、低周波振動の周波数としては、３０〜３００Ｈｚの範囲が好ましい。

図６は、外乱付与手段４０の他の例として、流路２０Ａ内に流入する反応流体を衝突させる複数本の反応流体供給管４３、４３を設けた場合の概念図である。

図６に示されるように、流路２０Ａに直接反応流体を流入させる場合、流路２０Ａの入口には、２本の反応流体供給管４３、４３が略直交する角度（図６ではα）を有して配置される。この２本の反応流体供給管４３、４３から流路２０Ａに流入する反応流体同士が衝突することにより、反応流体に渦流が発生し、反応効率が向上する。

反応流体Ｌ１、Ｌ２を供給するための流体供給手段２５が第１液溜め部２４、第２液溜め部２６（又は直接反応流体供給路１４Ａ、１６Ａ）に接続される。このような流体供給手段２５としては、各種ポンプやスポイト等が使用できるが、特に、シリンジポンプ、ダイヤフラムポンプ、マイクロポンプ、扇動式ポンプ、３連プランジャーポンプ等が好ましい。

マイクロデバイス１０を構成する部材（基板１２及び覆い板２２を含む）の材質としては、強度が高く、腐食防止性があり、反応流体の流動性を高くするものが好ましい。例えば、金属（鉄、アルミ、ステンレス鋼、チタン、その他の各種金属）、樹脂（フッ素樹脂、アクリル樹脂等）、ガラス（石英等）、セラミックス（シリコン等）などが好ましく使用できる。また、プラズマＣＶＤ法などの表面改質処理を行って、ＳｉＮ_４、ＳｉＮ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの皮膜をマイクロデバイス１０の構成部材の表面に形成して、耐食性、流動性を向上させてもよい。

マイクロデバイス１０を製作するには、微細加工技術が適用される。適用可能な微細加工技術としては、例えば、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ（Ｒｏｅｎｔｇｅｎ−Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ Ｇａｌｖａｎｉｋ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８（商品名）を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ））、Ｄｅｅｐ ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるシリコンの高アスペクト比加工法、Ｈｏｔ Ｅｍｂｏｓｓ加工法、光造形法、レーザー加工法、イオンビーム加工法、及びダイヤモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いる機械的マイクロ切削加工法等がある。これらの技術を単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。好ましい微細加工技術は、Ｘ線リソグラフィを用いるＬＩＧＡ技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８を用いた高アスペクト比フォトリソグラフィ法、マイクロ放電加工法（μ−ＥＤＭ）、及び機械的マイクロ切削加工法である。一般的に、マイクロデバイス１０としては、ＳＵＳ（ステンレス鋼）製の部材を微細放電加工して微細流路を形成することが多いが、使用する材質に応じた加工方法で加工することが好ましい。

部材間の接合方法は、高温加熱による材料の変質や変形による流路等の破壊を伴わず、寸法精度を保った精密な方法が望ましく、製作材料との関係から固相接合（例えば圧接接合や拡散接合等）や液相接合（例えば、溶接、共晶接合、はんだ付け、接着等）を選択することが好ましい。例えば、材料にシリコンを使用する場合にシリコン同士を接合するシリコン直接接合や、ガラス同士を接合する融接、シリコンとガラスを接合する陽極接合、金属同士を接合する拡散接合等が挙げられる。セラミックスの接合については、金属のようなメカニカルなシール技術以外の接合技術が必要であり、アルミナに対してｇｌａｓｓ ｓｏｌｄｅｒなる接合剤をスクリーン印刷で、８０μｍ程度の膜厚に印刷し、圧力をかけずに４４０〜５００℃で熱処理する方法がある。また、新しい技術として、表面活性化接合、水素結合を用いた直接接合、ＨＦ（フッ化水素）水溶液を用いた接合等がある。

例えば、シリコンを用いたマイクロデバイス１０は、次のようにして製造することができる。

先ず、基板１２の板材として洗浄及び表面処理したシリコンウエハを用い、ドライプラズマエッチングにより、一方の主面に流路用溝を形成する。次いで、シリコンウエハの流路用溝側の面に他のシリコンウエハを直接接合で接合して一体化する。そして、接合一体化された板材をチップ化することにより、マイクロチャンネルチップを得ることができる。

本実施形態における反応流体としては、液体、気体、固液混相流体、気液混相流体等が含まれる。例えば、液体であれば均一系触媒溶液、固液混相流体であれば不均一系触媒溶液（触媒と反応流体が異相である系）等が含まれる。

触媒としては、各種固体触媒（金属触媒や金属化合物触媒等）や、分子触媒等が使用できる。例えば、金属触媒は通常、触媒活性、耐久性、触媒の効率的利用等のため、触媒活性のないアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ₂）などの上に分散させて使用することが好ましい。このような触媒の具体的な例としては、電極反応に使用される電極触媒や光触媒等があり、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐａ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金ルテニウム合金（Ｐｔ／Ｒｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）_、硫酸ジルコニア等が挙げられる。

また、分子触媒としては、金属錯体、酸塩基触媒、酵素等の均一系触媒反応に用いられる触媒が挙げられる。酵素とは、触媒作用をもつタンパク質であり、具体的には、加水分解酵素(ヒドロラーゼ)、除去酵素(リアーゼ)、乳酸脱水素酵素等の酸化還元酵素(オキシドレダクターゼ)、クエン酸合成酵素等の合成酵素(シンテターゼ)等が含まれる。金属錯体や酸塩基触媒の具体的な例としては、有機合成触媒や重合触媒が挙げられる。

次に、本発明に係るマイクロデバイス１０の作用について説明する。図７は、図１のマイクロデバイス１０のＡ−Ａ’線断面模式図である。尚、本実施形態では、触媒粒子２１を溶解又は懸濁させた反応流体Ｌ１と、反応流体Ｌ２との２液を用いた例について説明する。

触媒粒子２１を溶解又は懸濁させた反応流体Ｌ１が、流体供給手段２５（ポンプ等）により反応流体供給路１４Ａに供給され、反応流体Ｌ２も同様に反応流体供給路１６Ａに供給される。反応流体Ｌ１、Ｌ２は、それぞれの反応流体供給路１４Ａ、１６Ａを流れて、流路２０Ａで合流する。ここで、反応流体Ｌ１、Ｌ２の流速が、ディーン数Ｄｅが１０以上となるような範囲を満たすように制御することが好ましい。

次いで、合流した反応流体Ｌ１、Ｌ２同士は、相互に混合及び反応する。ここで、温度制御手段３０（図１ではヒータ）により触媒反応に適した温度に加熱されている。

このとき、流路２０Ａの曲がり部３２…では、反応流体Ｌ１、Ｌ２は、円弧の中心から外側の方向に働く慣性力を受ける。従って、図７に示されるように、円弧の外側領域を流れる反応流体Ｌ１が内側領域に（矢印Ｐ方向に）物質移動しやすくなる。

これにより、反応流体Ｌ１、Ｌ２の混合性能が向上し、高効率で触媒反応が行える。特に、壁面近傍は境界層が形成されるため、流路２０Ａの幅方向で濃度分布が生じやすいが、曲がり部３２…で働く慣性力により強制的に物質移動が促進されるので、流路２０Ａ内での濃度分布が減少する。また、反応流体Ｌ１、Ｌ２と触媒粒子２１との接触界面量も増加する。

このように、反応流体Ｌ１、Ｌ２が、曲がり部３２…を繰り返し流れることにより、相互の物質移動が更に促進されると共に、触媒粒子２１との接触界面も増加するので高効率で触媒反応が行える。

尚、本実施形態では、反応流体供給路１４Ａ、１６Ａからそれぞれ反応流体Ｌ１、Ｌ２を供給して、流路２０Ａで合流させながら、触媒反応を行わせる例について説明したが、あらかじめ反応流体Ｌ１、Ｌ２を混合しておき（ミキシング工程）、この混合反応流体Ｌ３を流路２０Ａに供給してもよい。

また、反応流体の種類の数に応じて、液溜め部又は供給口を更に設けて、直接複数種類の反応流体を流路２０Ａに供給できるように構成してもよい。

また、本実施形態では、曲がり部３２の形状が同じものを数箇所設ける例を示したが、その他の形状でもよい。図８〜１２は、本発明に係るマイクロデバイス１０の変形例を説明する上面図である。

図８は、異なるサイズの曲がり部３２を組み合わせた流路２０Ａを示す上面図であり、図９は、曲がり部３２をクランク状（非曲線状）に形成した流路２０Ａを示す上面図である。また、図１０は、曲がり部３２を連続的につなげた波型形状の流路２０Ａを示す上面図であり、図１１は、曲がり部３２を渦巻状に形成した流路２０Ａを示す上面図である。

このように、用途や設計に応じて、曲がり部３２の形状やサイズを変えて、ディーン数を制御することができる。

図１２は、本発明に係るマイクロデバイス１０の他の実施形態であり、３次元的に微細な流路を形成したマイクロデバイス１０’である。図１２（ａ）は、本発明の第三実施形態のマイクロデバイス１０’の構成を説明する斜視図であり、図１２（ｂ）は、マイクロデバイス１０’のＢ−Ｂ’線断面図である。

図１２に示されるように、本実施形態のマイクロデバイス１０’は、円筒状であり、主に、円筒状の外周面に等価直径が１ｍｍ以下の長溝２０が形成されている円筒状内壁１２と、この円筒状内壁１２の外側に密着固定され、長溝２０を覆うことにより基板１２に微細な流路２０Ａを形成する円筒状外壁２２と、を備えている。

円筒状の上面には、反応流体Ｌ１、Ｌ２を供給する第１、第２の供給口２４’、２６’が設けられている。この第１、第２の供給口２４’、２６’は反応流体供給路１４Ａ、１６Ａと連通しており、流路２０Ａに連通している。

流路２０Ａは、円筒壁面に沿って螺旋状に形成されており、円筒の下面に設けられた排出口２８’に連通している。

この螺旋状の流路２０Ａの形状は、本実施形態に限定されることはなく、例えば、円筒径の大きさや断面形状、流路２０Ａの螺旋回数等が、本発明のディーン数Ｄｅ（Ｄｅが１０以上）を満たすように構成されることが好ましい。

円筒状の内壁、外壁の材質については、第一、第二実施形態と同様のものを使用できる。

マイクロデバイス１０’の作製方法についても、第一、第二実施形態と同様のものを使用できる。

マイクロデバイス１０’の外周面に温度制御手段３０’が設けられることが好ましい。温度制御手段３０’としては、既述したものと同様のものを使用できる。

このようなマイクロデバイス１０’は、第１の供給口２４’より反応流体Ｌ１をスポイトやポンプ等の流体供給手段（不図示）で供給し、第２の供給口２６’より反応流体Ｌ２を同様に供給する。ここで、反応流体を供給する方法としては、既述した流体供給手段を使用することができる。

触媒を溶解又は懸濁させた反応流体Ｌ１が図示しない流体供給手段により反応流体供給路１４Ａに供給され、反応流体Ｌ２も同様に供給流路１６Ａに供給される。反応流体Ｌ１、Ｌ２は、それぞれの反応流体供給路１４Ａ、１６Ａを流れて、流路２０Ａで合流する。

次いで、合流した反応流体Ｌ１、Ｌ２同士は、相互に混合及び反応する。ここで、温度制御手段３０（図１ではヒータ）により触媒反応に適した温度に加熱されている。

このとき、流路２０Ａの曲がり部３２…では、層流を形成していた反応流体Ｌ１、Ｌ２は、円弧の中心から外側の方向に働く慣性力を受ける。これにより、図７に示されるように、円弧の外側領域を流れる反応流体Ｌ１が内側領域に（矢印Ｐ方向に）物質移動しやすくなる。

これにより、反応流体Ｌ１、Ｌ２の混合性能が向上し、高効率で触媒反応が行える。特に、壁面近傍は境界層が形成されるため、流路２０Ａの幅方向で濃度分布が生じやすいが、曲がり部３２…で働く慣性力により強制的に物質移動が促進されるので、流路２０Ａ内での濃度分布が減少する。また、反応流体Ｌ１、Ｌ２と触媒との接触界面量も増加する。

このように、反応流体Ｌ１、Ｌ２が、曲がり部３２…を繰り返し流れることにより、相互の物質移動が更に促進されると共に、触媒との接触界面も増加するので高効率で触媒反応が行える。

尚、本実施形態では、反応流体供給路１４Ａ、１６Ａからそれぞれ反応流体Ｌ１、Ｌ２を供給して、流路２０Ａで合流させながら、触媒反応を行わせる例について説明したが、あらかじめ反応流体Ｌ１、Ｌ２を混合しておき（ミキシング工程）、この混合反応流体Ｌ３を流路２０Ａに供給してもよい。

本実施形態では、３次元的な曲がり部を有する流路として、円筒の螺旋状の流路を例に挙げたが、直方体の壁面に沿った螺旋状や、円錐状の壁面に沿った螺旋状の流路（渦巻状流路を３次元化した形状）であってもよい。マイクロデバイスを設置する向きは、本実施形態のように縦置きだけでなく、横置きでもよい。

以上に説明した本発明に係るマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法によれば、触媒反応において、反応表面積を増加させ且つ物質移動を積極的に促進させることができ、高効率で反応させることができる。

以上、本発明に係るマイクロデバイス及びそれを用いた触媒反応方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。

例えば、本実施形態では、主にマイクロデバイスで触媒反応させる例について説明したが、酵素反応等であってもよい。

本発明は、各種の触媒反応や酵素反応等を利用した各種リアクタ（微粒子製造装置等）、理科実験教材、各種分析・検査器具等にも適用できる。

次に、実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

流路幅が２００μｍ、流路深さが２００μｍ、流路長さが３０ｍｍである流路２０Ａを備え、覆い板２２が透明である部材からなる図１のマイクロデバイス１０を用いて、ウイルスの不活性化反応を行った。本例のマイクロデバイス１０には、流路２０Ａの曲がり部は５回であり、曲率半径は１２５μmであった。

触媒としてはＴｉＯ_２を使用し、このＴｉＯ_２と人の体内から取り出した血液を混合してＴｉＯ_２−血液懸濁液を調製し、流路２０Ａ内に供給した。

光照射手段としては、１００Ｗのキセノンランプを使用した。送液ポンプとしては、扇動式ポンプを使用した。

流路２０Ａを２５℃に維持するようにヒータ３０を調節し、ＴｉＯ_２−血液懸濁液を流路２０Ａに流して反応させた。このとき、曲がり部３２のディーン数Ｄｅが３９となるような流速（０．３３ｍ／ｓ）でＴｉＯ_２−血液懸濁液を流した。

この結果、上記の流路２０ＡにＴｉＯ_２−血液懸濁液を送液すると、ＴｉＯ_２−血液懸濁液中のウイルスが不活性化することが解った。

比較例１として、曲がり部を有しない流路において同様の実験を行った。即ち、流路幅、深さ、及び長さは上記実施例と同じであるが、曲がり部のない一直線の流路を使用した。その他の条件（温度、懸濁液の組成等）は、上記実施例と同様とした。

この結果、上記実施例と同一条件下では、ＴｉＯ_２−血液懸濁液中のウイルスが不活性化しないことが解った。これより、曲がり部を有することで、反応が速やかに起こり、反応効率が向上することを確認した。

本発明に係るマイクロデバイスの一例の構成を説明する平面図である。 図１の部分拡大断面図である。 本実施形態における温度制御手段の他の一例を説明する上面図である。 図３のＡ−Ａ’線断面図である。 本実施形態における外乱付与手段の一例を説明する斜視図である。 本実施形態における外乱付与手段の他の例を説明する斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線断面図である。 本実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。 本実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。 本実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。 本実施形態におけるマイクロデバイスの変形例を説明する上面図である。 他の実施形態におけるマイクロデバイスの構成を説明する斜視図である。

符号の説明

１０、１０’…マイクロデバイス、１２…基板、２２…覆い板、１４、１６、１８…供給溝、２０…長溝、１４Ａ、１６Ａ、１８Ａ…反応流体供給路、２０Ａ…流路、２１…触媒粒子、２４…第１液溜め部、２６…第２液溜め部、２９…第３液溜め部、３０、３０’…温度制御手段（ヒータ等）、３２…曲がり部、４０…外乱付与手段、４０Ａ、４３…反応流体供給管

Claims (12)

1. 触媒を含む反応流体を反応させるための微細な流路を備えたマイクロデバイスであって、前記微細な流路が曲がり部を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
2. 前記曲がり部が、１以上備えられたことを特徴とする請求項１のマイクロデバイス。
3. 前記微細な流路の曲がり部における前記触媒を含む反応流体のディーン数Ｄｅが１０以上となるように、前記曲がり部が構成されたことを特徴とする請求項１又は２のマイクロデバイス。
4. 前記微細な流路の温度を制御するための温度制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１のマイクロデバイス。
5. 前記微細な流路内に光を照射するための光照射手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１のマイクロデバイス。
6. 前記微細な流路内を流れる流体に外乱を付与するための外乱付与手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１のマイクロデバイス。
7. 前記微細な流路が、等価直径が１ｍｍ以下のマイクロ流路であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１のマイクロデバイス。
8. マイクロデバイスを用いた触媒反応方法であって、曲がり部を１以上備えた微細な流路に、触媒を含む反応流体を流して触媒反応を行わせることを特徴とするマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。
9. 前記微細な流路の曲がり部において、ディーン数Ｄｅが１０以上となるように運転することを特徴とする請求項８のマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。
10. 前記微細な流路の温度を調節して、前記微細な流路内を流れる前記触媒を含む反応流体を反応させることを特徴とする請求項８又は９のマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。
11. 前記微細な流路内を流れる前記触媒を含む反応流体に光を導入して反応させることを特徴とする請求項８〜１０の何れか１のマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。
12. 前記微細な流路内を流れる前記触媒を含む反応流体に外乱を付与して反応させることを特徴とする請求項８〜１１の何れか１のマイクロデバイスを用いた触媒反応方法。

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