JP2010125350A - 多段マイクロミキサーおよびそれを用いた流体混合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】混合比を高くしても分離時間が長く、より安定性の高いエマルジョンを生成することができる多段マイクロミキサーを提供する。
【解決手段】第１、第２の混合流体導出流路２４、２５によって直列に接続された第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３を備えている。第１の流体混合部２１には第１の流体Ａと第２の流体Ｂを供給して混合、分散させ、その混合流体Ｃ₁ を第２の流体混合部２２に導く。第２の流体混合部２２には、第２の流体Ｂを供給して混合流体Ｃ₁ と混合、分散させ、その混合流体Ｃ₂ を第３の流体混合部２３に導く。第３の流体混合部２３には、同じく第２の流体Ｂを供給して混合流体Ｃ₂ と混合、分散させ、所定の混合比の混合流体Ｃ₃ を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２種類の流体を所定の混合比率で混合する多段マイクロミキサーおよびそれを用いた流体混合方法に関するものである。

異なった流体、例えば水とサラダ油のように混ざりにくい液体どうしを混合する方法として、マイクロミキサー（例えば、特許文献１〜５参照）を使用した分散法が知られている。この種のマイクロミキサーは、微小流路に流体を供給して混合し、分散、すなわち一方の流体を他方の流体中に微小な粒状に分散させるようにしている。マイクロミキサーによる分散、乳化では、最初に設定された流量、混合比で流体を流すことが一般的である。例えば、スタティックミキサーを用いて水とサラダ油を材料に乳化剤なしで、混合比で水１０対油１のエマルジョンを生成すると、水中に油が分散しているＯ／Ｗ型のエマルジョンができる。混合比を高くしていくと、例えば水１０対油１０のエマルジョンを生成すると同様にＯ／Ｗ型のエマルジョンができるが、油の分散密度が高くなるため水と油の分離が容易に始まり、エマルジョンの安定性が低下する。すなわち、粒状の油どうしが互いに再結合して大きくなるため、安定したエマルジョンの状態が短く、混合した流体が分離して元の状態に戻る。

図３に従来のマイクロミキサーを示す。このマイクロミキサー１は、３つの流体混合部２Ａ、２Ｂ、２Ｃを備えることにより多段マイクロミキサーを構成している。第１、第２、第３の流体混合部２Ａ〜２Ｃは、混合流体導出流路３Ａ、３Ｂによって直列に接続されている。第１、第２、第３の流体混合部２Ａ〜２Ｃの内部構造は、Ｙ字状、Ｔ字状等の微小流路が形成されたプレートを多数枚積層して構成したもので、全て同一構造であってもよいが、これに限らずそれぞれ異なるものであってよい。第１の流体混合部２Ａは、第１の流体Ａを導く第１の流体用供給流路４と、第１の流体Ａを供給する第１の流体供給手段５と、第２の流体Ｂを導く第２の流体用供給流路６と、第２の流体Ｂを供給するための第２の流体供給手段７とを備えている。流体の混合時において、第１、第２の流体供給手段５、７は、第１、第２の流体Ａ、Ｂを所定の割合で第１の流体混合部２Ａに連続して供給し続ける。第１の流体混合部２Ａは、第１、第２の流体Ａ、Ｂを混合、分散させ所定の混合比のエマルジョン（混合流体）を生成する。このエマルジョンは、さらに第２、第３の流体混合部２Ｂ、２Ｃに順次導かれることにより混合、分散を繰り返し、最終的に第３の流体混合部２Ｃの混合流体排出流路８から取り出される。

特開２００２−３４６３５２号公報 特開２００２−３４６３５３号公報 特開２００２−３４６３５４号公報 特開２００６−２６６０３号公報 特開２００７−１３６４１１号公報

流体のエマルジョン化に際しては、通常乳化剤を使用して乳化するが、コストの低減を図るために乳化剤を使用しないでエマルジョン化することも行われている。その場合、乳化剤を用いる場合に比べて長時間にわたって安定した乳化状態を維持させることができなくなる。すなわち、乳化状態は、流体の混合比によって異なり、混合比を小さくすればするほど、分離時間が長くなるため、乳化状態を長く維持させることができ、言い換えればエマルジョンの安定性が高く、反対に混合比を高くすると、分離時間が短くなり、エマルジョンの安定性が低くなる。

因みに、図３に示した従来の多段マイクロミキサー１により、乳化剤を用いないで流体供給手段５から水１５０ｃｃ／ｍｉｎ、流体供給手段７から油１５０ｃｃ／ｍｉｎを第１の流体混合部２Ａに供給して混合、分散させ、さらに第２、第３の流体混合部２Ｂ、３Ｃにより繰り返し混合、分散させて混合比１０対１０のエマルジョンを生成した後、その分離時間を測定した結果、およそ６２秒後に分離が確認され、乳化状態の安定した状態が短いという結果が得られた。

そこで、本発明者等は、段ごとに供給する流体の種類や送り量を変え、連続層となる流体については一段目の混合においてその全量を供給し、分散層となる流体については各段に振り分けて少しずつ供給し、前段で混合されたエマルジョンと混合させると、混合比を高くした場合であっても分離時間が長く、乳化状態を長く維持させることができるエマルジョンを生成することができた。これは、分散層となる流体を少しずつ供給して混合し、分散時間を長くすると、図３に示した従来の一度に２種類の流体Ａ、Ｂを所定量供給して混合、分散させる場合に比べて分散層をより細かくかつ均一に分散させることができることによるものと推測される。

本発明は、上記した従来の問題および実験結果によって得られた知見に基づいてなされたもので、その目的とするところは、混合比を高くしても分離時間が長く、より安定性の高いエマルジョンを生成することができる多段マイクロミキサーおよびそれを用いた流体混合方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、複数段の流体混合部と、前記複数段の流体混合部を直列に接続し、前段の流体混合部において混合された混合流体を次段の流体混合部に導く混合流体導出流路と、一段目の流体混合部に第１の流体を導く第１の流体用供給流路と、各段の流体混合部に第２の流体をそれぞれ導く複数の第２の流体用供給流路と、最終段の流体混合部によって混合された所定の混合比の混合流体を排出する混合流体排出流路とを備えたものである。

また、本発明は、上記発明において、最終的に得られる所定混合比の混合流体における第１の流体の流量をＮ、第２の流体の流量をＭとすると、一段目の流体混合部には流量Ｎの第１の流体を供給し、各段の流体混合部には、第２の流体を最終段の流体混合部において第２の流体の流量がＭとなるように振り分けてそれぞれ供給するものである。

また、本発明は、上記発明において、一段目の流体混合部の第１の流体用供給流路に第１の流体を供給するための第１の流体供給手段と、各段の流体混合部の第２の流体用供給流路に第２の流体をそれぞれ供給するための複数の第２の流体供給手段をさらに備えているものである。

また、本発明は、上記発明において、一段目の流体混合部の第１の流体用供給流路に第１の流体を供給するための第１の流体供給手段と、各段の流体混合部の第２の流体用供給流路に第２の流体を供給するための第２の流体供給手段と、各第１、第２の流体用供給用流路にそれぞれ設けられ第１、第２の流体の流量をそれぞれ調整する複数の流量調整手段をさらに備えているものである。

また、本発明は、上記発明に係る多段マイクロミキサーを用いて第１、第２の流体を多段で混合する流体混合方法であって、一段目の流体混合部に第１の流体と第２の流体を供給して両流体を混合する第１の流体混合工程と、二段目以降最終段の流体混合部に、第２の流体を供給して前段の流体混合部によって混合された混合流体と混合させる第２の流体混合工程とを備えているものである。

本発明においては、第１の流体を一段目の流体混合部にのみ供給し、第２の流体を各段の流体混合部にそれぞれ供給して多段に混合、分散させるようにしたので、第２の流体を第１の流体に対してより細かくかつ均一に分散させることができ、分離時間が長く安定性に優れたエマルジョンを生成することができる。

また、本発明は、流体の供給に際して、第１の流体を一段目の流体混合部に所定流量供給し、第２の流体については一度に全量供給するのではなく各段の流体混合部に対して適当量ずつ振り分けて供給し、最終段の流体混合部において所定の流量となるようにしたので、所定の混合比のエマルジョンを生成することができる。

流量調整手段を備えた発明においては、第２の流体を供給するための流体供給手段の数を削減することができる。また、第１、第２の流体の流量を正確に調整することができる。
なお、本発明における「混合」とは、一般的な混合であって、分散や乳化を含む広い用語である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る多段マイクロミキサーの一実施の形態を示す概略構成図である。
同図において、本実施の形態は、２種類の流体Ａ、Ｂ、例えば連続層を形成する水と、分散層を形成するサラダ油を３回に分けて混合、分散させるようにした三段構成のマイクロミキサーに適用した例を示す。このため、全体を符号２０で示す多段マイクロミキサーは、第１（一段目）、第２（二段目）、第３（三段目）の流体混合部２１、２２、２３を備えている。第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３は、第１、第２の混合流体導出流路２４、２５によって直列に接続されている。

第１の流体混合部２１は、第１の流体Ａを導く第１の流体用供給流路２６および第１の流体供給手段２７と、第２の流体Ｂを導く第２の流体用供給流路２８および第２の流体供給手段２９を備え、第１の流体用供給流路２６と第２の流体用供給流路２８を経て供給される第１、第２の流体Ａ、Ｂを混合、分散させ、その混合流体Ｃ₁ を第１の混合流体導出流路２４を通って第２の流体混合部２２に導くようにしている。

第２の流体混合部２２は、第２の流体Ｂを導く第２の流体用供給流路３０および第２の流体供給手段３１を備え、第１の流体混合部２１によって混合され混合流体導出流路２４を通って導かれた混合混合流体Ｃ₁ と、第２の流体用供給流路３０を通って導かれた第２の流体Ｂとを混合、分散させ、その混合流体Ｃ₂ を第２の混合流体導出流路２５を通って第３の流体混合部２３に導くようにしている。

第３の流体混合部２３は、第２の流体Ｂを導く第３の流体用供給流路３２および第２の流体供給手段３３を備え、第２の流体混合部２２によって混合され第２の混合流体導出流路２５を通って導かれた混合流体Ｃ₂ と、第２の流体用供給流路３２を通って導かれた第２の流体Ｂとを混合、分散させ、その混合流体Ｃ₃ を混合流体排出流路３４より取り出すようにしている。

ここで、混合すべき第１の流体Ａの流量をＮｃｃ、第２の流体Ｂの流量をＭｃｃ（Ｎ＝Ｍ、Ｎ≠Ｍの両方を含む）とすると、第１の流体混合部２１には第１の流体ＡをＮｃｃ／ｍｉｎで供給する。一方、第２の流体Ｂについては、第３の流体混合部２３において流量Ｍとなるように、第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３に少しずつ振り分けて供給する。例えば、混合すべき第１の流体Ａの流量Ｎを１００ｃｃ、第２の流体Ｂの流量Ｍを１００ｃｃとし、両流体を混合比１０対１０で混合する場合、第１の流体混合部２１には１００ｃｃ／ｍｉｎの第１の流体Ａと、第２の流体Ｂの一部、例えば３０ｃｃ／ｍｉｎの第２の流体Ｂを供給して混合、分散させ、その混合流体Ｃ₁ を第２の流体混合部２２に導く。また、第２の流体混合部２２には、１００ｃｃから３０ｃｃを引いた７０ｃｃの第２の流体Ｂのうちその一部、例えば３０ｃｃ／ｍｉｎを供給し、第１の流体混合部２１において混合された第１、第２の流体Ａ、Ｂからなる混合流体Ｃ₁ と混合し、分散させ、その混合流体Ｃ₂ を第３の流体混合部２３に導く。さらに、第３の流体混合部２３には、残り４０ｃｃ／ｍｉｎの第２の流体Ｂを供給し、第２の流体混合部２２において混合された第１、第２の流体Ａ、Ｂからなる混合流体Ｃ₂ と混合、分散させ、最終的に第１、第２の流体Ａ、Ｂの流量がそれぞれ１００ｃｃで、混合比が１０対１０の混合流体Ｃ₃ を生成する。

すなわち、本発明に係る多段マイクロミキサー２０は、一段目の流体混合部２１においては第１の流体Ａを１００％供給し、第２の流体Ｂについては、最終段の流体混合部２３で第２の流体Ｂが１００％となるように一段目から最終段目までの流体混合部２１〜２３に少しずつ振り分けて供給して混合、分散させるものである。

第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３に振り分けて供給される第２の流体Ｂの割合は、上記した割合に限らず適宜変更することができる。例えば、２０：４０：６０や４０：３０：３０であってもよい。また、第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３の内部構造は、特に限定されるものではなく、各種タイプの混合器、例えば上記した特許文献１〜４に開示されているスタティックミキサーを用いることができる。流体供給手段２７、２９、３１、３３としては、例えばシリンジポンプが用いられる。なお、図１において、３６ａは第１の流体Ａを収容する容器、３６ｂ〜３６ｄは第２の流体Ｂを収容する容器である。

このように本発明に係る多段マイクロミキサー２０によれば、最終的に第１の流体Ａの混合すべき流量をＮ、第２の流体Ｂの混合すべき流量をＭとすると、Ｎ／ｍｉｎの第１の流体Ａを第１の流体混合部２１に供給し、第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３には第２の流体Ｂの混合すべき流量Ｍを所要の流量に振り分けて供給して三段で混合、分散させるようにしているので、第１、第２の流体Ａ、Ｂの混合比を大きくしても図３に示す従来の多段マイクロミキサー１に比べて分離時間が長く、安定性に優れた混合流体Ｃ₃ を生成することができる。これは、第２の流体Ｂを少しずつ振り分けて混合、分散させると、第２の流体Ｂを第１の流体Ａに対してより細かくかつ均一に分散させることができ、分離時間が長くなることによるものと考えられる。

「実施例１」
第１の流体供給手段２７により水１５０ｃｃ／ｍｉｎを第１の流体混合部２１に供給し、第２の流体供給手段２９、３１、３３により油５０ｃｃ／ｍｉｎ（合計１５０ｃｃ／ｍｉｎ）を第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３にそれぞれ供給して混合し、最終的に水１０対油１０のエマルジョンＣ₃ を生成し、その分離時間を測定した結果、およそ１３８秒後に分離が確認された。これは、図３に示した従来の多段マイクロミキサー１によって生成されたエマルジョンに比べて２倍以上長い分離時間であり、安定な分散を実現できたことを確認した。

図２は本発明の他の実施の形態を示す概略構成図である。
この実施の形態は、第１の流体Ａを第１の流体混合部２１に導く第１の流体用供給流路２６と、第２の流体Ｂを第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３に振り分けて供給する第２の流体用供給流路２８、３０、３２に流体Ａ、Ｂの流量を調整する第１〜第４の流量調整手段４０〜４３をそれぞれ設けたものである。第２の流体用供給流路２８、３０、３２は、基端側が第２の流体供給手段２９を有する一本の共通流路４４に接続されており、この共通流路４４を通って第２の流体Ｂを各第２の流体用供給流路２８、３０、３２に分流させるようにしている。第１〜第４の流量調整手段４０〜４３としては、バルブ、可変絞り等を用いることができる。その他の構成は図１に示した実施の形態と略同様である。

このような構成からなる多段マイクロミキサー５０においては、第２の流体Ｂを供給するための第２の流体供給手段２９を第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３に対して共通に用いているので、図１に示した実施の形態に比べて流体供給手段の数を削減することができる。また、流量調整手段４０〜４３を備えているので、第１、第２、第３の流体混合部２１、２２、２３に供給される第１、第２の流体Ａ、Ｂの流量を正確に調整することができる。

なお、上記した実施の形態においては、２種類の流体Ａ、Ｂを三段で混合、分散させる多段マイクロミキサー２０、５０について説明したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、２段または３段以上で混合、分散させる多段マイクロミキサーにも適用することができる。また、混合すべき流体としては、液体に限らず気体にも適用することができる。

本発明に係る多段マイクロミキサーの一実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の他の実施の形態を示す概略構成図である。 多段マイクロミキサーの従来例を示す概略構成図である。

符号の説明

２０…多段マイクロミキサー、２１…第１の流体混合部、２２…第２の流体混合部、２３…第３の流体混合部、２４、２５…混合流体導出流路、２６…第１の流体用供給流路、２７…第１の流体供給手段、２８、３０、３２…第２の流体用供給流路、２９、３１、３３…第２の流体供給手段、３４…混合流体排出流路、４０、４１、４２、４３…流量調整手段、Ａ…第１の流体、Ｂ…第２の流体、Ｃ₁、Ｃ₂、Ｃ₃…混合流体。

Claims (5)

1. 複数段の流体混合部と、
   前記複数段の流体混合部を直列に接続し、前段の流体混合部において混合された混合流体を次段の流体混合部に導く混合流体導出流路と、
   一段目の流体混合部に第１の流体を導く第１の流体用供給流路と、
   各段の流体混合部に第２の流体をそれぞれ導く複数の第２の流体用供給流路と、
   最終段の流体混合部によって混合された所定の混合比の混合流体を排出する混合流体排出流路とを備えた多段マイクロミキサー。
2. 請求項１記載の多段マイクロミキサーにおいて、
   最終的に得られる所定混合比の混合流体における第１の流体の流量をＮ、第２の流体の流量をＭとすると、一段目の流体混合部には流量Ｎの第１の流体を供給し、各段の流体混合部には、第２の流体を最終段の流体混合部において第２の流体の流量がＭとなるように振り分けてそれぞれ供給する多段マイクロミキサー。
3. 請求項１または２記載の多段マイクロミキサーにおいて、
   一段目の流体混合部の第１の流体用供給流路に第１の流体を供給するための第１の流体供給手段と、各段の流体混合部の第２の流体用供給流路に第２の流体をそれぞれ供給するための複数の第２の流体供給手段をさらに備えている多段マイクロミキサー。
4. 請求項１または２記載の多段マイクロミキサーにおいて、
   一段目の流体混合部の第１の流体用供給流路に第１の流体を供給するための第１の流体供給手段と、各段の流体混合部の第２の流体用供給流路に第２の流体を供給するための第２の流体供給手段と、各第１、第２の流体用供給用流路にそれぞれ設けられ第１、第２の流体の流量をそれぞれ調整する複数の流量調整手段をさらに備えている多段マイクロミキサー。
5. 請求項１記載の多段マイクロミキサーを用いて第１、第２の流体を多段で混合する流体混合方法であって、
   一段目の流体混合部に第１の流体と第２の流体を供給して両流体を混合する第１の流体混合工程と、
   二段目以降最終段の流体混合部に、第２の流体を供給して前段の流体混合部によって混合された混合流体と混合させる第２の流体混合工程と、
   を備えている流体混合方法。

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