JP2008043912A - マイクロリアクタ - Google Patents

Abstract

【課題】反応用の複数種の流体のそれぞれを複数に分割して供給する方式のマイクロリアクタについて、流体分割数を増やしても縮流部での副反応を抑制して高い反応収率を実現できるようにする。
【解決手段】複数種の反応用流体ＬＡ、ＬＢのそれぞれを複数の流体に分割して供給できるように複数の流入口１４ａ、１４ｂが設けられた供給部１１を備えるとともに、供給部から流下する反応用流体を層流状態で流下させつつ縮流させる縮流部１２を備えたマイクロリアクタについて、反応用流体に対して反応性を有しない離隔用流体ＬＣを供給するための離隔用流体流入口１４ｃを供給部に設け、この離隔用流体流入口から供給する離隔用流体が種類の異なる反応用流体それぞれの層流の間に介在する層流となって反応用流体とともに縮流部を流下するようにしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、それぞれ種類の異なる所望物質を含ませた複数種の流体（液体または気体）を混合することでその含有物質に反応を生じさせるマイクロリアクタに関し、特に反応収率を高めるために反応用流体の分割数を多くする場合に適したマイクロリアクタに関する。

近年、化学合成や化学分析の分野においては、反応時間の短縮や副反応抑制のために、マイクロミキサまたはマイクロリアクタと呼ばれる反応用の混合器を用いるようになってきている。マイクロリアクタでは、それぞれ異種の所望物質を含ませた複数種の流体を数十〜数百μmといったマイクロレベルの層流で反応流路において各流体の含有物質を混合して反応させることで、目的の物質を生成させる。流体に層流を生じさせるには、流体の慣性力と粘性力の比を表す無次元数であるレイノルズ数が一定値以下となるような条件を流体に与える。ここで、レイノルズ数Ｒｅは、流速をＶ、流路の幅をＤ、動粘性係数をνとして、下記の（１）式で表される。
Ｒｅ＝Ｖ・Ｄ／ν （１）

層流で流下する流体における含有物質の混合は、分子拡散によって進む拡散混合が主体となる。２種の流体それぞれの層流の中心線の間隔を拡散距離Ｗとし、流体に含有の物質の拡散係数をＤとすると、２種の流体における含有物質が拡散で混合するために必要な時間ｔは、下記の（２）式で表される。
t = Ｗ^２ ／Ｄ (２)
この式は、拡散距離Ｗを小さくするほど拡散時間が短縮され、流体の混合が促進されることを示している。なお、本明細書では、流体における含有物質の混合を「流体の混合」といったり、また含有物質の反応を「流体の反応」といったりする場合もある。

こうした特性に着目してマイクロリアクタにおける反応収率を高める技術が知られている（例えば特許文献１）。そのような技術によるマイクロリアクタの例を図５に模式化して示す。このマイクロリアクタ１では、混合・反応させる複数の異種流体のそれぞれをさらに複数の流体に分割する。具体的にいうと、例えば混合・反応させる流体が物質Ａを含む流体Ｌａと物質Ｂを含む流体Ｌｂである場合に、流体Ｌａを流体Ｌａ-１、流体Ｌａ-２、…、流体Ｌａ-ｉ、…、流体Ｌａ-ｎというように複数の流体に分割し、流体Ｌｂも同様に、流体Ｌｂ-１、流体Ｌｂ-２、…、流体Ｌｂ-ｉ、…、流体Ｌｂ-ｎというように複数の流体に分割する。そして、供給部２に設けてある複数の流入口３から流体Ｌａ-ｉと流体Ｌｂ-ｉを互いが隣り合って層流となるように流入させる。流入口３から流入した各流体Ｌａ-ｉ、Ｌｂ-ｉは、供給部２と反応流路４の間に介在する縮流部５でそれぞれの層流が縮流されつつ反応流路４に向けて流下し、反応流路４において混合・反応する。

このように反応用の複数種の流体のそれぞれを複数に分割し、それを縮流させて反応流路に供給するようにすることにより、上述の拡散距離Ｗをより小さくすることができ、その結果、マイクロリアクタにおける反応収率を高めることができる。以下では、このような方式を仮に「流体分割方式」と呼ぶ。

なお、マイクロリアクタについては、特許文献２に開示の例も知られている。特許文献２の技術では、反応用の２種類の流体のそれぞれを流下させるマイクロ流路の間に補助マイクロ流路を設け、反応用流体と反応することのない流体をその補助マイクロ流路に流下させるようにしており、このような構成とすることで、マイクロ流路出口での反応を抑制し、微粒子の析出による流路閉塞を防止している。

国際公開第０２/１６０１７号パンフレット 特開２００３-１６４７４５号公報

上述のように流体分割方式は、拡散距離を小さくでき、それにより反応収率を高めることができ、その反応収率の向上は流体の分割数を増やすほど大きくなる。しかし、その一方で流体分割方式は、流体分割数を増やすことにより、反応収率を結果として低下させる可能性もはらんでいる。それは、図５における縮流部５に関する問題である。供給部２における流入口３のサイズには、流入させる流体で詰まることがないようにするという要求や加工精度から、下限がある。このため、流体分割数を増やすと、供給部２のサイズが反応流路４のサイズに比べて大幅に大きくなるのを避けられない。そうなると、縮流部５における流体の流下距離を長くしなければ反応流路４のサイズに対応する縮流を得られなくなる。つまり縮流部５の流路長さを長くする必要がある。縮流部５の流路長さが長くなると、縮流部５を流下する途中で流体に反応が生じる可能性が高くなる。

ここで、マイクロリアクタを用いて行わせる反応は、拡散距離が小さいほど副反応が抑制されて主生成物（目的物質）の収率が向上する反応であるのが一般的である。そのような反応の代表的な例は、逐次反応である。逐次反応は、下記の式（３）、（４）に示すように、物質ＡとＢが反応して主生成物Ｃが生成し、さらに主生成物Ｃと物質Ｂが反応して副生成物Ｄが生じる反応である。
Ａ＋Ｂ→Ｃ （式３）
Ｃ＋Ｂ→Ｄ （式４）

こうした逐次反応における主生成物Ｃと副生成物Ｄの生成割合に対する拡散距離の影響に関する解析結果を図６と図７に示す。図６における解析条件は、拡散距離Ｗは１０μm、流路長さは０．１ｍｍ、流速は１ｍｍ/ｓ、(式３)の主反応の反応速度定数は１０００Ｌ/mol/ｓ、(式４)の副反応の反応速度定数は１００L/mol/ｓ、物質Ａ、Ｂの濃度は１mol/Ｌである。図７における解析条件は、拡散距離Ｗは１００μm、流路長さは１０ｍｍであり、その他の条件は図６の場合と同様である。この解析結果では、Ｗ=１０μmの場合、主生成物Ｃの収率は６５％、Ｗ=１００μmの場合、主生成物Ｃの収率は１７％となっている。拡散距離Ｗが小さいほど副反応が抑制されて主生成物Ｃの収率が増大する。したがって、拡散距離Ｗの大きい縮流部の流れ方向の距離が増大すると縮流部で反応が進行し、副生成物Ｄの割合が増加して主生成物Ｃの収率が減少する可能性が生じる。

以上のように、マイクロリアクタが利用される一般的な反応では、拡散距離が小さいほど副反応が抑制されて主生成物の収率が高くなるという関係がる。しかるに、縮流部５における各流体の層流では、反応流路４におけるのに比べて、拡散距離が大きい。そのため、縮流部５で反応を生じると副生成物の生成比率が大きくなり、目的物質の生成収率が低下する。

本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、流体分割方式のマイクロリアクタについて、流体分割数を増やしても縮流部での副反応を抑制して高い反応収率を実現できるようにすることを課題としている。

本発明では上記課題を解決するために、それぞれ種類の異なる物質を含ませた複数種の反応用流体のそれぞれを複数の流体に分割して供給できるように複数の流入口が設けられた供給部、前記供給部から流下する前記反応用流体を層流状態で流下させつつ縮流させる縮流部、および前記縮流部から流下する前記流体に反応を生じさせる反応流路を備えたマイクロリアクタにおいて、前記反応用流体に対して反応性を有しない離隔用流体を供給するための離隔用流体流入口が前記供給部に設けられ、この離隔用流体流入口から供給された前記離隔用流体が前記種類の異なる反応用流体それぞれの層流の間に介在する層流となって前記反応用流体とともに前記縮流部を流下するようにされていることを特徴としている。

このようなマイクロリアクタによれば、異種の反応用流体がそれぞれの層流の間に非反応性の離隔用流体の層流を介在させた状態で縮流部を流下することになるため、縮流部において反応用の流体に混合・反応が生じるのを効果的に防止することができる。すなわち拡散距離が大きい状態で反応用流体に混合・反応が生じるのを効果的に防止することができ、拡散距離の大きい状態での混合・反応による副生成物の生成比率の増大による反応収率の低下という問題を効果的に解消することができ、したがって高い反応収率を実現することができる。

また本発明では上記のようなマイクロリアクタについて、１つの前記反応用流体とこれに隣接する前記離隔用流体を合流させる１つ以上の第１の流路、第１の流路を流下する流体を合流させる１つ以上の第２の流路、…、第ｉ−１の流路を流下する流体を合流させる１つ以上の第ｉの流路、…、および第ｎ−１の流路を流下する流体を合流させる第ｎの流路を逆ツリー状に組み合わせることで前記縮流部を形成するものとしている。このように縮流部を形成することにより、反応用流体の分割数を自由に増やすことができるようになる。

本発明によれば、流体分割方式のマイクロリアクタについて、流体分割数を増やしても縮流部での副反応を抑制して高い反応収率を実現することができる。

以下本発明を実施するための形態について説明する。図１に、第１の実施形態によるマイクロリアクアタの流路構成を模式化して示す。本実施形態のマイクロリアクタ１０は、２種類の反応用流体ＬＡ、ＬＢの混合・反応用であり、例えばシリコーン樹脂材に供給部１１、縮流部１２、および反応流路１３を半導体加工技術などの微細加工技術により形成して構成される。

反応用の流体ＬＡは、溶媒に物質Ａを溶解させた流体であり、反応用の流体ＬＢは、流体ＬＡと同じ溶媒に物質Ｂを溶解させた流体である。マイクロリアクタ１０では、これらの反応用の流体ＬＡ、ＬＢに加えて、離隔用の流体ＬＣも供給される。その離隔用の流体ＬＣは、流体ＬＡ、ＬＢの溶媒だけを用いた流体であり、流体ＬＡ、ＬＢに対して反応性を有していない。

供給部１１には、流入口１４が設けられている。流入口１４には、流体ＬＡ用の流入口１４ａ、流体ＬＢ用の流入口１４ｂ、および流体ＬＣ用の流入口（離隔用流体流入口）１４ｃがある。こられの流入口１４は、流入口１４ａと流入口１４ｂの間に離隔用流体流入口１４ｃが挟まるように設けられている。また流入口１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、同心で径の異なる円弧上にそれぞれ配置されている。すなわち流入口１４ａは最外周の円弧上に配置され、流入口１４ｂは最内周の円弧上に配置され、流入口１４ｃは中間の円弧上に配置されている。これら流入口１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、反応用の流体ＬＡの分割数（これは流体ＬＢの分割数でもある）に応じた数で設けられる。図の例では、流体ＬＡの分割数が４となっており、流入口１４ａ、１４ｂがそれぞれ４つずつ設けられ、流入口１４ｃが７つ設けられている。

縮流部１２は、供給部１１から流入・供給される流体ＬＡ、ＬＢ、ＬＣのそれぞれをＬＡ−ＬＣ−ＬＢ−ＬＣ−ＬＡ……の並びとなる層流で流下させ、またこれらの流体ＬＡ−ＬＣ−ＬＢ−ＬＣ−ＬＡ……に供給部１１と反応流路１３のサイズ差を解消する縮流を与え、さらに流体ＬＡ−ＬＣ−ＬＢ−ＬＣ−ＬＡ……それぞれをマイクロレベルの層流で反応流路１３に流入させるような流路構造で形成されている。具体的には縮流部１２は、反応用の流体の分割数、つまり供給部１１のサイズに応じた流路長を有する扇形に形成されている。

ここで、反応流路１３に流体ＬＡ、ＬＢが流入した後は、流体ＬＡ、ＬＢそれぞれの層流が直接に隣り合う状態、つまり流体ＬＡ、ＬＢが流体ＬＣの介在なしで直接的に混合する状態になるようにするのが、反応流路１３での流体ＬＡ、ＬＢの混合・反応の効率性を高める上で、好ましい。そのようにするには、上述のような縮流部１２の流路構造に加えて、流体ＬＡ、ＬＢ、ＬＣの供給量調節を行う。すなわち上述のような縮流部１２の流路構造の下で、流体ＬＡ、ＬＢ、ＬＣの供給量を適切に調節することで、反応流路１３に流体ＬＡ、ＬＢが流入した後に流体ＬＡ、ＬＢが直接的に混合する状態を得られるようにする。

反応流路１３は、マイクロレベルの層流で流入する流体ＬＡ、ＬＢ、ＬＣを効率的に混合させるとともに、流体ＬＡ、ＬＢに効率的な反応を生じさせるような代表長つまり流路幅を有する流路構造で形成されている。そのような流路幅は、１ｍｍ未満として設定されるか、または流路幅をＳ、反応用流体の分割数をＮとして、Ｓ／Ｎ＝Ｌｗで与えられるＬｗが１ｍｍ未満となるように設定される。

以上のようなマイクロリアクタ１０では、供給部１１における流入口１４ａ、１４ｂ、１４ｃのそれぞれから流入・供給された流体ＬＡ、ＬＢ、ＬＣがＬＡ−ＬＣ−ＬＢの並びとなる層流で縮流部１２を流下する。つまり反応用の流体ＬＡ、ＬＢがそれぞれの層流の間に反応性を有しない流体ＬＣの層流を介在させた状態で縮流部１２を流下する。このため縮流部１２において流体ＬＡ、ＬＢに混合・反応が生じるのを効果的に防止することができる。すなわち拡散距離が大きい状態で流体ＬＡ、ＬＢに混合・反応が生じるのを効果的に防止することができ、拡散距離の大きい状態での混合・反応による副生成物の生成比率の増大による反応収率の低下という問題を効果的に解消することができる。

図２に示すのは、マイクロリアクタ１０を用いたマイクロリアクタシステムの構成例である。マイクロリアクタシステム１０ｓは、温度制御系２１が設けられている。温度制御系２１は、マイクロリアクタ１０に組み付けられた加熱／冷却手段２２、２２とこれらを制御する制御部２３を備え、マイクロリアクタ１０の温度状態を制御できるようにされている。このような温度制御系２１でマイクロリアクタ１０の温度制御を行うようにすることにより、マイクロリアクタ１０の温度状態を最適に保つことができ、反応収率を高めることができる。またマイクロリアクタシステム１０ｓは、流体供給系２４が設けられている。流体供給系２４は、流体貯蔵タンク２５、この流体貯蔵タンク２５に接続された流体ポンプ２６および流体ポンプ２６から流体をマイクロリアクタ１０に導く導管２７で構成されている。このようなマイクロリアクタシステム１０ｓで生成された目的物質は、回収系２８により回収される。

以上の実施形態では、反応用流体の分割数を４としていたが、これは説明の都合上であり、分割数を多くするほど反応収率を高めることができるという流体分割方式の特徴を活かすには、最大で例えば５０といった分割数とするのが通常である。このように大きな分割数とする場合には、それに応じた形状・構造が供給部と縮流部に与えられることになる。例えば供給部を円弧状にし、縮流部を扇形状にするのがその例である。

図３に、第１の実施形態によるマイクロリアクアタに適用することのできる導入流路の構成を模式化して示す。

導入流路３１は、例えば図２における導管２７で供給される流体を流入口１４ａ、１４ｂ、１４ｃのそれぞれに流入させるのに機能する。したがって導入流路３１には、流入口１４ａ、１４ｂ、１４ｃのそれぞれに対応して、導入流路３１ａ、３１ｂ、３１ｃがある。これらの導入流路３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、供給部１１や縮流部１２とは異なる平面上に形成されており、導入流路３１ａは、４つの流入口１４ａに接続し、導入流路３１ｂは、４つの流入口１４ｂに接続し、そして導入流路３１ｃは、７つの流入口１４ｃに接続するようにされている。また導入流路３１は、その流路幅と高さが流入口１４の径に比べて十分大きくなるようにされている。このような導入流路３１を設けることにより、流入口１４ａ、１４ｂ、１４ｃそれぞれにおける流体の流入量の均一性を高めることができる。

図４に、第２の実施形態によるマイクロリアクアタの流路構成を模式化して示す。本実施形態のマイクロリアクタ４０は、その縮流部４１の構成において第１の実施形態のマイクロリアクタ１０と相違している。この他の構成はマイクロリアクタ１０と同様であるので、共通する要素を図１と同一の符号で示し、それらについての説明は省略する。

縮流部４１は、供給部１１から流下する反応用の流体（流体ＬＡまたは流体ＬＢ）と離隔用の流体ＬＣを合流させる第１の流路４２、第１の流路４２を流下する流体（反応用流体と離隔用流体の層流）を合流させる第２の流路４３、および第２の流路４３を流下する流体（離隔用流体の層流を間に挟んだ２種の反応用流体との層流）を合流させる第３の流路４４を供給部１１側から反応流路１３に向けて逆ツリー構造になるように組み合わせて形成されている。

以上のような縮流部４１は、１つの反応用の流体とこれに隣接する離隔用の流体を合流させる第１の流路、第１の流路を流下する流体を合流させる第２の流路、…、第ｉ−１の流路を流下する流体を合流させる第ｉの流路、…、および第ｎ−１の流路を流下する流体を合流させる第ｎの流路を逆ツリー状に組み合わせて形成される、と一般化することができる。

第１の実施形態によるマイクロリアクタの流路構成を模式化して示す図である。 図１のマイクロリアクタを用いたマイクロリアクタシステムの構成例を示す図である。 第１の実施形態によるマイクロリアクタの導入流路構成を模式化して示す図である。 第２の実施形態によるマイクロリアクタの流路構成を模式化して示す図である。 従来のマイクロリアクタの流路構成を模式化して示す図である。 逐次反応における主生成物と副生成物の生成割合に対する拡散距離の影響に関する解析結果の例を示す図である。 逐次反応における主生成物と副生成物の生成割合に対する拡散距離の影響に関する解析結果の他の例を示す図である。

符号の説明

１１ 供給部
１２ 縮流部
１３ 反応流路
１４ａ、１４ｂ 流入口
１４ｃ 離隔用流体流入口
４１ 縮流部
４２ 第１の流路
４３ 第２の流路
４４ 第３の流路
ＬＡ、ＬＢ 反応用流体
ＬＣ 離隔用流体

Claims (2)

1. それぞれ種類の異なる物質を含ませた複数種の反応用流体のそれぞれを複数の流体に分割して供給できるように複数の流入口が設けられた供給部、前記供給部から流下する前記反応用流体を層流状態で流下させつつ縮流させる縮流部、および前記縮流部から流下する前記流体に反応を生じさせる反応流路を備えたマイクロリアクタにおいて、
   前記反応用流体に対して反応性を有しない離隔用流体を供給するための離隔用流体流入口が前記供給部に設けられ、この離隔用流体流入口から供給された前記離隔用流体が前記種類の異なる反応用流体それぞれの層流の間に介在する層流となって前記反応用流体とともに前記縮流部を流下するようにされていることを特徴とするマイクロリアクタ。
2. 前記縮流部は、１つの前記反応用流体とこれに隣接する前記離隔用流体を合流させる１つ以上の第１の流路、第１の流路を流下する流体を合流させる１つ以上の第２の流路、…、第ｉ−１の流路を流下する流体を合流させる１つ以上の第ｉの流路、…、および第ｎ−１の流路を流下する流体を合流させる第ｎの流路を逆ツリー状に組み合わせて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロリアクタ。
   
   

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