JP2009006211A - マイクロリアクタシステム - Google Patents

Abstract

【課題】二相反応において反応終了後に速やかに二相を分離して、副反応の進行を止めて副生成物の生成を抑制すること。
【解決手段】互いに混和しない第１の流体と第２の流体の一方を微小液滴化して混合するための混合流路を有するマイクロリアクタ１０と、マイクロリアクタの下流側に接続される分離部１２と、を備えたマイクロリアクタシステムであって、分離部１２は、混合した流体を流通させる流通流路１０１と、混合した流体を分離して取り出す分岐流路１０２，１０３と、から構成され、流通流路１０１は、混合した流体を二相に分離するための湾曲部を形成し、分岐流路１０２，１０３は、湾曲部の半径方向に位置を異にして分岐していること。
【選択図】図２

Description

本発明は、微細流路で形成された反応部と、反応部に接続された後流の分離部を備えるマイクロリアクタシステムに係わり、特に、二相流体を分離する分離部構造に関する。

近年、流路の幅と高さが数μｍから数百μｍの微細流路を有する構造体に、互いに反応する２種類以上の流体を導入し、微細流路内で互いの流体を接触させて化学反応を生じさせるマイクロリアクタと呼ばれる反応装置が注目されている。

マイクロリアクタは、流路の幅や高さが小さく、反応部の体積当たりの表面積が大きく、流路の容積が小さい。そのため、マイクロリアクタでは、試薬の混合時間が短くなり、試薬に対する熱交換が速くなり、試薬同士の反応効率が高くなるといった効果が期待できる。マイクロリアクタ１つ当たりに生成される化学物質は毎分数ｍＬから数百ｍＬである。このようなマイクロリアクタにおいて、お互いに混和しない２種類の溶媒中で反応を生じさせる二相反応を実施することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

二相反応においては、反応を迅速に生じさせるために、１つの相を他の相中に微小液滴化するなどして二相間の接触界面を増大させることが好ましい。そこで、微小液滴化する方法としてマイクロミキサを用いる方法が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。これによると、マイクロミキサを用いて生成した微小液滴は、液滴サイズが均一で良好な分散状態が長時間安定して保たれることとなる。

ここで、反応終了後は、副反応が進行しないよう、速やかに二相を分離したり、接触界面を小さくしたりする必要がある。従来の混合された二相を分離する工業的装置としては、例えば、液抽出装置におけるミキサーセトラーのセトラー部分や、液を分離する遠心分離機などが知られている。また、懸濁液内の微粒子を確実に分級・分離する従来技術として、例えば、特許文献２には、懸濁液の入口ポートに湾曲形状の流路を設け、この流路の下流側に分岐流路を設けて、遠心力を利用して分離することが提案されている。

特表２００６−５０３８９４号公報 特開２００４−３３０００８号公報 Ｓａｖｅｍａｔｉｏｎ Ｒｅｖｉｅｗ、ｖｏｌ．２３、ｐ６０−６３、２００５（技術研究報告書、山武）

しかしながら、従来技術におけるセトラーでの分離方法では、混合された液を静置して重力を利用して密度差により分離するため、特に分散状態が安定な微小液滴を分離するには時間がかかる。

また、小型の卓上型遠心分離機での分離方法では、液量をある程度確保した上でバッチ（不連続）での操作となるため時間がかかり、大型のディスク型遠心分離機での分離方法では、連続での操作は可能であるがマイクロリアクタを流通するような微小流量には対応することができないという課題が生じる。また、特許文献２に示すような従来技術では、分離の対象が液中における微粒子であって、反応した二相流体を分離する技術とは異なる。

本発明は、上述したような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、マイクロリアクタにおいて二相反応を生じさせ、反応終了後に速やかに二相を分離することのできるマイクロリアクタシステムを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
互いに混和しない第１の流体と第２の流体の一方を微小液滴化して混合するための混合流路を有するマイクロリアクタと、前記マイクロリアクタの下流側に接続される分離部と、を備えたマイクロリアクタシステムであって、前記分離部は、前記混合した流体を流通させる流通流路と、前記混合した流体を分離して取り出す分岐流路と、から構成され、前記流通流路は、前記混合した流体を二相に分離するための湾曲部を形成し、前記分岐流路は、前記湾曲部の半径方向に位置を異にして分岐している構成とする。

また、前記マイクロリアクタシステムにおいて、前記流通流路に流通する流体に対して、遠心力に加えて重力をも作用するように、前記湾曲部が形成される構成とする。さらに、前記マイクロリアクタシステムにおいて、前記流通流路は、分離するそれぞれの流体と親和性を持つ表面処理を施す構成とする。さらに、前記マイクロリアクタシステムにおいて、前記流通流路は、前記湾曲部の半径方向の断面積が流体流れに沿って増大する構造である。

本発明によれば、二相反応において反応終了後に速やかに二相を分離することができ、副反応の進行を止めて副生成物の生成を抑制することができる。

本発明の第１、第２及び第３の実施形態に係るマイクロリアクタシステムについて、図面を参照しながら以下説明する。

「第１の実施形態」
本発明の第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムについて、図１〜図５を参照しながら以下説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムの全体構成を示す図である。図２は第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける分離部の構成を示す図である。図３は第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける反応の状況を示す説明図である。図４は第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける分離部の流路構成を示す見取図である。図５は第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける分離部の流路構成を拡大した断面図である。

図１において、マイクロリアクタシステム１は、混合部１０、反応部１１、分離部１２、供給用流路２０，２１、排出用流路２２，２３、原料流体タンク３０，３１、反応流体タンク３２，３３、ポンプ４０，４１、流量計５０，５１から構成されている。ポンプ４０，４１は、タンク３０，３１から供給量流路２０，２１を通って混合部１０へ流体を供給するために設けられており、その流量は、流量計５０，５１とポンプ４０，４１の出力により調整される。混合部１０で混合された流体は、反応部１１を通って、分離部１２において分離され、排出用流路２２，２３を通ってタンク３２，３３へ排出される。

図２の（１）に示す分離部１２は、入口流路１００、湾曲する分離流路１０１、二つの出口流路１０２，１０３から構成されている。図２の（２）には、入口流路１００、分離流路１０１、分離流路１０１の出口部分、出口流路１０２，１０３の断面図（Ａ−Ａ’からＤ−Ｄ’）も併せて示す。

図２の（１）において、重力方向を図示しており、入口流路１００は上側、出口流路１０２，１０３は下側に配設されている具体例を示す。さらに、分離流路１０１は、流路が２つに分離しているということではなくて、流体が分離して流れている領域を表しており、１つの流路を形成している。２つの流路を形成するのは図示のＣ−Ｃ’以降である。分離部１２としては、三段重ねの矩形構造体が一例として想定され、その内の第２段の構造体に対して、図示のように１つの流路、１つの流路の湾曲部、２つの流路を形成するようにくり抜いて流路を形成し、その流路の入口端と出口端は第１段又は第３段をくり抜いて、反応部と排出用流路とに接続される。

さらに、図２の（１）において、Ｂ−Ｂ’（又はその手前側の湾曲部）からＣ−Ｃ’に亘って１つの流路が拡大されており、流体への遠心力と重力の作用によって流体が分離して流れることとなる。なお、遠心力作用による力はｍ（質量）×ｖ（速度）^２／ｒ（半径）に比例し、重力作用による力はｍ（質量）×ｇに比例する。

次に、第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステム１の動作について図３を用いて説明する。マイクロリアクタシステム１において、化学物質Ａと化学物質Ｂが反応して目的物質である化学物質Ｃが生成し、さらに化学物質Ｃと化学物質Ｂが反応して副生成物である化学物質Ｄが生成する反応を行わせる場合を考える。

Ａ＋Ｂ→Ｃ 式（１）
Ｃ＋Ｂ→Ｄ 式（２）
タンク３０に化学物質Ａを含む流体Ｓを、タンク３１に化学物質Ｂを含む流体Ｔを用意する。化学物質Ａおよび化学物質Ｃについては、流体Ｔよりも流体Ｓへの溶解度が大きく、化学物質Ｂおよび化学物質Ｄについては、流体Ｓへは全く溶解せず流体Ｔにのみ溶解する。なお、流体Ｓと流体Ｔはお互いに交じり合わず混合すると二相に分かれる。

図３は、式（１）および（２）で示される反応の概略を示した図である。反応は、流体Ｓに溶解している化学物質Ａが流体Ｔに溶解することから始まる。流体Ｔに溶解した化学物質Ａが、化学物質Ｂと出会うと式（１）に示す反応が進行する。生成した化学物質Ｃ（目的物質）は流体Ｓへ溶解するか、もしくは流体Ｔ中に留まり、化学物質Ｂと出会って式（２）に示す反応が進行し、化学物質Ｄ（不要な副生成物）となる。

化学物質Ａの流体Ｔへの溶解速度および化学物質Ｃの流体Ｓへの溶解速度は、流体Ｓと流体Ｔの界面面積に比例する。そのため、式（１）で示される反応を速やかに生じさせるためには、界面面積を増大させて化学物質Ａの流体Ｔへの溶解速度を大きくすればよい。また、式（２）で示される反応を生じさせないためにも、界面面積を増大させて化学物質Ｃの流体Ｓへの溶解速度を大きくすればよい。

そこで、マイクロリアクタシステム１の混合部１０においては、流体Ｔ中に流体Ｓを微小液滴化（例えば、流体Ｔの流れに対して細い管から流体Ｓを略垂直に注ぐと流体Ｔの流れによって流体Ｓが切断されて液滴化して流体Ｔ中に流入することとなり、この液滴化すること自体は従来から提案されていること）することにより界面面積を増大させる。流体Ｓと流体Ｔの混合物は、反応部１１に導入されて反応が進行する。すなわち、式（１）で示されるように流体Ｓ中の化学物質Ａが流体Ｔへ溶解し、化学物質Ｂと反応して化学物質Ｃが生じる。流体Ｔ中の化学物質Ｃは、溶解しやすい流体Ｓへ移動するが、流体Ｔ中に留まった化学物質Ｃは、式（２）で示されるように化学物質Ｂと反応して化学物質Ｄが生じる。なお、微小液滴化する流体は、流体Ｔであってもよい。

一般に、接触している二相間で両相に溶解する物質の各相における溶解度の比は平衡状態になると、ある一定値をとる。すなわち、化学物質Ｃの流体Ｓへの溶解度と流体Ｔへの溶解度の比は、ある一定値をとる。

反応部１１で生成した化学物質Ｃが、流体Ｔ中で式（２）に示される反応により消費されると、流体Ｔ中での化学物質Ｃの溶解度が減少するため（ＣがＢと反応することでＴ中のＣの量が少なくなるので）、流体Ｓ中の化学物質Ｃが流体Ｔ中へ再溶解するようになる。再溶解した化学物質Ｃが式（２）で示される反応により消費されるようになると、反応の収率（反応部入口における化学物質Ａの導入量に対する反応部出口における化学物質Ｃの生成量）が低下する。したがって、式（１）で示される反応により生成した化学物質Ｃが流体Ｓへ移動したところで、流体Ｓと流体Ｔを速やかに分離する必要がある（Ｃを多く採取するために、ＣがＳに移動するタイミングを事前に求めておいてこのタイミングで二相に分離する）。

そこで、マイクロリアクタシステム１の分離部１２においては、流体を図２に示したように湾曲させた流路を流すことにより遠心力を発生させて、流体の密度差により分離を行う。分離流路１０１における断面積は流れ方向に不変であるとする（断面積を拡大する構成例は後述する）。

いま、流体Ｓの密度が流体Ｔよりも大きい場合を考える。密度の大きな流体Ｓは遠心力が大きくなるため、曲率半径の大きい出口流路１０３へ集まる。密度の小さい流体Ｔは、曲率半径の小さい出口流路１０２へ集まる。なお、流体Ｓの密度が流体Ｔよりも小さい場合は、流体Ｔが出口流路１０３へ、流体Ｓが出口流路１０２へ集まる。

図２に示す分離部１２の流路は平面的に構成されているが（１つの垂直平面上に形成された流路）、図４に示すように流路を立体的に構成することも可能である。流路を立体的に構成することで、設置面積当たりの流路長さを長くすることができ、遠心力が加わる時間が長くすることができるため、分離部１個当たりの分離性能が向上する。図示の例では、分離流路（密度度差のある流体の流れを分離する１つの流路）は、その断面積が湾曲部入口側から次第に増大する構造となっている。

ところで、一般に、マイクロメートルサイズの流路においては、スケーリング則により粘性力、表面張力が支配的となるため、マイクロメートルサイズの流路を湾曲させただけでは、流体に働く遠心力は相対的に小さく流体に影響を与えない可能性がある。

そこで、図５に示すように、分離部１２の分離流路１０１を湾曲させて流路幅を拡大することにより流れ方向に流路断面積を増大させて、粘性力および表面張力を遠心力と比べて相対的に小さくする。この流路に流体を流すことにより遠心力を発生させて、流体の密度差により分離を行う。図５に示すように湾曲部の半径方向に流路を拡大することによって、遠心力作用に依る分離のし易さを図っている。

図２または図５に示す分離部１２の配置方法は基本的に自由であるが、出口流路１０２が重力方向の上側へ、出口流路１０３が重力方向の下側へ一致させると、遠心力と重力により分離が促進される。すなわち、図１に示す分離部１２を横置きから縦置きにして、遠心力に加えて重力によっても分離機能を奏させる。

また、図２、図４または図５に示す分離部１２が１個だけ設けられて、流体Ｓと流体Ｔの分離が不十分な場合は、分離部１２を複数個直列に並べることで分離を十分とすることができる。さらに、図２、図４または図５に示す分離部１２の分離流路１０１と二つの出口流路１０２、１０３の流路表面を、分離する２つの流体がそれぞれ親和性を持つように表面処理することにより、分離性能が向上する。例えば、図５において、分離流路１０１のＢ−Ｂ’断面箇所で流体密度の小さい流体に親和性をもつようにＢ側（Ｂ’に対向する側）の流路内側に表面処理を施してＢ側に密度の小さい流体を集めるようにする。

なお、本実施形態のマイクロリアクタシステム１は、混合部１０、反応部１１、分離部１２が分離して構成されているが、これらのうちいくつか又は全てが一体となって構成されていてもよい。このようにして、反応終了後の二相を速やかに分離することができる。

「第２の実施形態」
本発明の第２の実施形態に係るマイクロリアクタシステムについて、図６を参照しながら説明する。図６は本発明の第２の実施形態に係るマイクロリアクタシステムの全体構成を示す図である。なお、本発明の第２の実施形態において、第１の実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態のマイクロリアクタシステム２では、第１の実施形態に係わるマイクロリアクタシステム１（図１を参照）に、分離流体混合部１３、分離流体供給用流路２４、分離流体タンク３４、ポンプ４２、流量計５２を加えて構成されている。ポンプ４２は、タンク３４から分離流体供給流路２４を通って分離流体混合部１３へ流体を供給するために設けられており、その流量は、図示する既知の制御系を用いて流量計５２及びポンプ４２により調整される。混合部１０で混合された流体は、反応部１１を通った後、分離流体混合部１３において分離流体と混合され、さらに分離部１２において分離されて、排出用流路２２、２３を通ってタンク３２、３３へ排出される。

次に、第２の実施形態に係るマイクロリアクタシステム２の動作について説明する。本実施形態のマイクロリアクタシステム２においては、第１の実施形態と同様に、混合部１０で流体Ｔ中に流体Ｓを微小液滴化し、反応部１１に導入して反応を生じさせる。

反応後の流体は、分離流体混合部１３において分離流体Ｕと混合される。分離流体Ｕは、流体Ｓとよく混和するが流体Ｔとは混和しない性質を持つ（図３を参照）。分離流体Ｕを導入することで、混合部１０で微小液滴化した流体Ｓは分離流体Ｕと混和し（流体（Ｓ＋Ｕ）とする）、流体Ｔと二相を形成する。

分離部１２においては、第１の実施形態と同様に、流体を図２に示したように湾曲させた流路を流すことにより遠心力を発生させて、流体の密度差により分離を行う。流体（Ｓ＋Ｕ）の密度が流体Ｔよりも大きい場合、流体（Ｓ＋Ｕ）は曲率半径の大きい出口流路１０３の方へ集まり、流体Ｔは曲率半径の小さい出口流路１０２のほうへ集まる。なお、流体（Ｓ＋Ｕ）の密度が流体Ｔよりも小さい場合は、流体Ｔが出口流路１０２の方へ、流体（Ｓ＋Ｕ）が出口流路１０３の方へ集まる。

また、混合部１０で流体Ｓ中に流体Ｔを微小液滴化した場合は、分離流体Ｕは、流体Ｔとよく混和するが流体Ｓとは混和しない性質を持つ流体を選択すればよい。

なお、本実施形態のマイクロリアクタシステム２は、混合部１０、反応部１１、分離流体混合部１３、分離部１２が分離して構成されているが、これらのうちいくつか又は全てが一体となって構成されていてもよい。このようにして、反応終了後の二相を速やかに分離することができる。

「第３の実施形態」
本発明の第３の実施形態に係るマイクロリアクタシステムについて、図７を参照しながら説明する。図７は本発明の第３の実施形態に係るマイクロリアクタシステムの全体構成を示す図である。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態のマイクロリアクタシステム３では、第１の実施形態に係わるマイクロリアクタシステム１（図１を参照）と同一の混合部１０および反応部１１を３個並列に接続し、マイクロリアクタシステム１と同一の分離部１２を１個接続して構成されている。

次に、第３の実施形態に係るマイクロリアクタシステム３の動作について説明する。本実施形態のマイクロリアクタシステム３においては、第１の実施形態と同様に、混合部１０で流体Ｔ中に流体Ｓを微小液滴化し、反応部１１に導入して反応を生じさせる。反応後の流体は、分離部１２において図２に示す湾曲させた流路を流すことにより遠心力を発生させて、流体の密度差により分離を行う。

いま、マイクロリアクタシステム１とマイクロリアクタシステム３の混合部１０と反応部１１の１組当たりの流量が等しい場合、マイクロリアクタシステム３の分離部１２においてはマイクロリアクタシステム１の分離部１２の３倍の流量となる。分離部１２で発生させる遠心力は線流速に比例し、流路断面積が変化しなければ線流速は流量に比例するため、マイクロリアクタシステム３の分離部１２はマイクロリアクタシステム１の分離部１２と比較して３倍大きな遠心力が発生し、より分離が促進される。

図５に示す分離部１２を使用した場合、分離流路１０１において流れ方向に流路断面積が拡大するため線流速が減少し、発生する遠心力も減少する。しかし、本実施形態のように混合部１０および反応部１１複数個並列に接続することで流量が増大し、流れ方向に流路断面積が拡大しても遠心力の減少量が少なくなって分離が促進される。なお、本実施形態において、混合部１０および反応部１１は３個並列に接続しているが、２個以上の複数個あればよい。このようにして、反応終了後の二相を速やかに分離することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るマイクロリアクタシステムは、次のような課題を達成するための構成を備えることを基本的な特徴とするものである。すなわち、マイクロリアクタにおいて二相反応を生じさせ、反応終了後に速やかに二相を分離することのできように、互いに混和しない流体の一方を微小液滴化して流通させる微細な流路を有するマイクロリアクタと、マイクロリアクタに接続される分離部とを備え、分離部が、流体を流通させる微細な流路で構成され、流路が湾曲部を形成し、かつ湾曲部の半径方向に流路が拡大しているものである。このマイクロリアクタシステムでは、分離流路で発生する遠心力（又は重力を加えて）により二相の流体を容易に分離することができる。

本発明の第１〜第３の実施形態は、少量で高付加価値の製品である医薬品やファインケミカル向けの製造装置に好適である。また、本実施形態は、少量の試料や試薬を分析するための前処理装置あるいは分析装置に好適である。

本発明の第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムの全体構成を示す図である。 第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける分離部の構成を示す図である。 第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける反応の状況を示す説明図である。 第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける分離部の流路構成を示す見取図である。 第１の実施形態に係るマイクロリアクタシステムにおける分離部の流路構成を拡大した断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るマイクロリアクタシステムの全体構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るマイクロリアクタシステムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１，２，３ マイクロリアクタシステム
１０ 混合部
１１ 反応部
１２ 分離部
１３ 分離流体混合部
２０，２１ 供給用流路
２２，２３ 排出用流路
２４ 分離流体供給用流路
３０，３１ 原料流体タンク
３２，３３ 反応流体タンク
３４ 分離流体タンク
４０，４１，４２ ポンプ
５０，５１，５２ 流量計
１００ 入口流路
１０１ 分離流路
１０２，１０３ 出口流路

Claims (7)

1. 互いに混和しない第１の流体と第２の流体の一方を微小液滴化して混合するための混合流路を有するマイクロリアクタと、前記マイクロリアクタの下流側に接続される分離部と、を備えたマイクロリアクタシステムであって、
   前記分離部は、前記混合した流体を流通させる流通流路と、前記混合した流体を分離して取り出す分岐流路と、から構成され、
   前記流通流路は、前記混合した流体を二相に分離するための湾曲部を形成し、
   前記分岐流路は、前記湾曲部の半径方向に位置を異にして分岐している
   ことを特徴とするマイクロリアクタシステム。
2. 請求項１において、
   前記流通流路に流通する流体に対して、遠心力に加えて重力をも作用するように、前記湾曲部が形成されることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
3. 請求項１または２において、
   前記分離部は、複数個直列に接続されることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
4. 請求項１、２または３において、
   前記流通流路は、分離するそれぞれの流体と親和性を持つ表面処理を施すことを特徴とするマイクロリアクタシステム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つの請求項において、
   前記流通流路は、前記湾曲部の半径方向の断面積が流体流れに沿って増大する構造であることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つの請求項において、
   前記マイクロリアクタが複数個並列に接続されて設置され、前記分離部が１つ設置されることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
7. 請求項１ないし５のいずれか１つの請求項において、
   前記マイクロリアクタと前記分離部との間に、前記マイクロリアクタからの反応後の流体と分離流体を混合する分離流体混合部を設け、
   前記分離流体は、前記微小液滴化した第１の流体と混和するが前記第２の流体とは混和しない性質を持つものであり、
   前記分離流体混合部では、前記混和した前記分離流体と前記第１の流体からなる流体と、前記第２の流体と、の間で二相を形成する
   ことを特徴とするマイクロリアクタシステム。

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