JP2010264434A - 管型流通式反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合流直後の反応基質間の接触面積を増やし、且つ濃度不均一による反応生成物の収率低下が抑制された管型流通式反応装置または化学反応プロセスを提供する。
【解決手段】（１）反応に使用する２種以上の流体をそれぞれに流入させる流入路、（２）該流体を合流させ且つ合流した流体を流通させながら反応させることができる内腔を有する外管、（３）反応生成物を外管から流出させる流出路、および（４）外管の内腔内に配置された内管を備えており、各流入路は流入路の内腔と外管の内腔とが連通するように外管に接続され、且つ外管に前記流体が交互に流入するようにされた、管型流通式反応装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、管型流通式反応装置または化学反応プロセスに関する。より詳細には、本発明は合流直後の反応基質間の接触面積を増やし、且つ濃度不均一による反応生成物の収率低下が抑制された管型流通式反応装置または化学反応プロセスに関する。

近年、試薬などの液体を反応させるための流通式反応装置として、例えば、マイクロサイズやミリサイズの反応装置の開発が進められている。
マイクロ反応装置の最も単純な形のものとして、Ｔ字型またはＹ字型の反応器が挙げられる。該反応器は、深さ４０μｍ、幅１００μｍほどのＴ字型またはＹ字型の溝が板に刻まれており、平板で蓋をして管と接続されている。蓋となる板にはＴ字またはＹ字の末端に１つずつ、計３つの穴があけられている。図１に示すように、上部左右（１１ａ，１１ｂ）から２種の反応基質それぞれが同時に投入され、中央で合流し、下部に向かって流れながら反応し、生成物となって下部から排出される。反応基質の流量が等しい場合、Ｔ字またはＹ字のちょうど根元の部分で反応が開始することになる。

マイクロ反応装置の流路の内径は小さいので、レイノルズ数が小さくなり、液体の流れは層流になる。層流領域においては、管径方向の対流が少なくなるので、投入された両基質は、図１に示すように、合流直後は下降管（１２）の略中央を境にして左右に分かれて別々に流れており、両流体の接触面はその境界面のみとなる。この境界面における拡散によって両基質は接触する。ただ、このような状態では両基質の接触頻度が低く、また基質の濃度が不均一となりやすい。混合が不十分となると、反応により生成された物質がさらに反応基質と反応するなどして副生成物が生じ、収率が低下してしまうことがある。また、２種反応基質の流量が大きく異なる場合、例えば、Ａ液：Ｂ液の体積比が１：１０のような場合には、２液の境界面がＡ液側に偏ることになる。Ｂ液がＡ液と接触する確率が非常に小さくなり、Ｂ液がＡ液と接触しないままで反応器の出口に達してしまうことがある。特に反応基質の粘度が大きい場合には、このような現象が顕著となる。

流体の合流直後の混合を改善する手法として、例えば、特許文献１には、Ｔ字形に分岐した管体の同軸上で互いに反対向きに開口した２個のポートの一方に漏斗状の噴出管を設けて、その先端を噴出管を設けたポートと直角なポートを越えて反対側のポート内に突出し、噴出管に流体を圧送して反対側のポートに噴出することにより、直角を成すポートに供給された他の流体を吸引して両流体を混合するようにした液体混合器が提案されている。

また、特許文献２には、Ｔ字型継手を主流配管に接続するためのレジュ−シングピ−スと、前記レジュ−シングピ−スにより挟み込む様に前記Ｔ字型継手内部に固定され第２の流体を第１の流体中に吹き出す複数個の噴出口を有する内管と、前記Ｔ字型継手の内面と前記内管との間に形成された流体室とを備えた流体混合装置が提案されている。

さらに、特許文献３には、図２に示すような障害物（２３）をＹ字型流路の合流部分に設けることが提案されている。
しかしながら、これらの方法では、十分な混合が得られず、濃度不均一に起因する反応生成物の収率低下を起してしまうことがある。

実用新案登録第２５２１２９５号 特開２００１−３２１６４９号公報 特開２００７−１１３４３３号公報

本発明の目的は、合流直後の反応基質間の接触面積を増やし、且つ濃度不均一による反応生成物の収率低下が抑制された管型流通式反応装置または化学反応プロセスを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、外管と外管の内腔内に配置された内管とを備える管型流通式反応装置を用いて、反応に使用する２種以上の流体を外管の一端に交互に流入させ、流入させた流体を外管内を長手方向に流通させながら反応させ、次いで反応生成物を外管の他端から流出させることによって、合流直後の反応基質間の接触面積が増え、且つ濃度不均一による反応生成物の収率低下が抑制されることを見出した。本発明は、この知見に基づいて完成するに至ったものである。

すなわち、本発明は以下の態様を含む。
〈１〉 反応に使用する２種以上の流体をそれぞれに流入させるための流入路；該流体を合流させ且つ合流した流体を流通させながら反応させることができる内腔を有する外管；反応生成物を外管から流出させるための流出路；および外管の内腔内に配置された内管 を備えており、 各流入路は流入路の内腔と外管の内腔とが連通するように外管に接続され、且つ外管に前記流体が交互に流入するようにされた、管型流通式反応装置。
〈２〉 前記内管に冷媒または熱媒を流通させることができる前記〈１〉に記載の管型流通式反応装置。
〈３〉 各流入路と外管との接続が内管に対して略直交するようになっている前記〈１〉または〈２〉に記載の管型流通式反応装置。
〈４〉 各流入路の接続位置が外管の長手方向で相互にずれている前記〈１〉〜〈３〉に記載の管型流通式反応装置。

〈５〉 外管と外管の内腔内に配置された内管とを備える管型流通式反応装置を用いて、 反応に使用する２種以上の流体を外管の一端に交互に流入させる工程、 流入させた流体を外管内を長手方向に流通させながら反応させる工程、 前記工程で得られた反応生成物を外管から流出させる工程 を含む、化学反応プロセス。
〈６〉 内管に冷媒または熱媒を流通させて、外管内を流通する流体との熱交換を行わせる工程をさらに含む、前記〈５〉に記載の化学反応プロセス。
〈７〉 反応に使用する２種以上の流体を外管の一端に流入させる方向が内管に対して略直角な方向である、前記〈５〉または〈６〉に記載の化学反応プロセス。
〈８〉 各流体を流入させる位置が外管の長手方向で相互にずれている前記〈５〉〜〈７〉に記載の化学反応プロセス。

本発明の管型流通式反応装置または化学反応プロセスによれば、合流直後の反応基質間の接触面積が増え、且つ濃度不均一による反応生成物の収率低下が抑制される。
本発明の管型流通式反応装置において２種以上の流体を交互に流入させると、該流体の流量が大きく異なる場合でも、合流直後の反応基質間の接触面積を十分に確保することでき、その結果、濃度不均一を最小限に抑えることができる。

従来のＴ字型反応装置を示す概念図である。 障害物を設けたＹ字型反応装置を示す概念図である。 本発明の管型流通式反応装置の一実施形態を示す概念図である。 流体を交互流入させるときの流量制御の例を示す図である。 従来のＴ字型反応装置において２種の流体を交互流入させたときの濃度分布を示す概念図である。 本発明の管型流通式反応装置の他の実施形態を示す概念図である。 本発明の管型流通式反応装置の他の実施形態を示す概念図である。 本発明の管型流通式反応装置の流入路と外管との位置関係の態様を示す概念図である。 本実施例で作成した本発明の管型流通式反応装置の概略図である。

本発明の管型流通式反応装置を、図３に例示した一実施形態を参照しながら、説明する。なお、本発明は、該実施形態によって限定されるものではなく、本発明の趣旨および目的に適う範囲で、変形、追加、または修正したものも包含する。

図３は、本発明の管型流通式反応装置の一実施形態を示す概念図である。図３では、本発明の反応装置において２種の流体を交互流入させたときの濃度分布を濃淡によって概念的に示している。本発明の反応装置は、外管２と内管４とからなる二重管をなしている。なお、図３に示した装置は二重管構造であるが、必要に応じて外管２の外側にさらに管を設け三重管構造の装置とすることができる。なお、図面では外管と内管がほぼ同軸に配置されているように示されているが、本発明の反応装置はそれに限られない。図３に示した実施形態では、内管は直管であるが、これに限定されない。また、内管は、通常１本であるが、これに限定されず、複数本の内管が外管の内腔に配置されていても良い。

外管および内管のサイズは特に制限されない。マイクロサイズまたはミリサイズの反応装置とする場合には、外管内面と内管外面との隙間が、５０μｍ〜２．５ｍｍであることが好ましく、５０μｍ〜１ｍｍが特に好ましい。また、市販のチューブやコネクタ等を用いて反応装置を製造できるという観点から、外管内径は３ｍｍ〜３０ｍｍが好ましく、内管外径は１ｍｍ〜２５ｍｍが好ましい。

各管の厚さや材質は、強度、熱伝導性などの観点から適宜選択できる。内管の内腔と外管の内腔との間では、物質の移動が、通常、制限されている。ただ、生物化学分野における透析等に使用するために、内管を物質浸透性材料で構成し、内管の内腔と外管の内腔との間で物質の移動を可能とすることもできる。同様に三重管構造の反応装置では、外管も物質浸透性材料で構成し、外管の内腔と外管外側の管の内腔との間で物質の移動を可能とすることもできる。
また、内管または外管外側の管に冷媒若しくは熱媒を流通させて、外管内を流通する流体との熱交換を行わせることができる。

外管の一端には、反応に使用する２種以上の流体をそれぞれに流入させる流入路１ａ，１ｂが接続されている。各流入路は流入路の内腔と外管の内腔とが連通するように接続されている。流入路から流れ込んだ２種以上の流体は外管の内腔（合流空間）内で合流させられる。各流入路と外管との接続は、内管に対してどのような角度をなしていてもよいが、略直交するようになっていることが好ましい。なお、本発明において、略直交または略直角とは９０度±４５度のことである。
また、図３に示した反応装置では、流入路は上下対称になったものが描かれているが、、図７のように、流入路が接続する位置が外管の長手方向で相互にずれていてもよい。図７では流入路１ｂが外管の最左端に斜めに接続されていて、流入路１ａが流入路１ｂよりも下流側（右側）に少しシフトした位置に斜めに接続されている。

さらに、流入路の中心軸は外管の中心軸と交わっている必要はない。図８は本発明の反応装置の外管の長手方向から観察した図である。
図８(ａ)は、流入路の中心軸が外管の中心軸と交わっている態様（外管２の中心軸から放射する方向に流入路１ａおよび１ｂ（並びに流出路３）が接続されている。）のものである。流入路から入った流体は内管に正面から衝突する。
図８（ｂ）は、流入路の中心軸が外管の中心軸と交わっていない態様（外管２’の内周接線方向に流入路１ａ’および１ｂ’が接続され、流出路３’が外管２’の中心軸から放射する方向に接続されている。）のものである。
図８（ｃ）は、流入路の中心軸が外管の中心軸と交わっていない態様（外管２”の内周接線方向に流入路１ａ”および１ｂ”（並びに流出路３”）が接続されている。）のものである。図８（ｂ）や（ｃ）のように流入路を外管の内周接線方向に接続すると、内管と外管との間の円環空間で旋回する流れ（例えば、図２中の時計回りの矢印の流れ）が生じる。

また、２種以上の流体は合流空間に交互に流入するようにする。２種以上の流体を合流空間に交互に流入させるとそれぞれが栓流（プラグフロー）状態となって下流に向かって流れていくと考えられる。該流体の栓流は、流下とともに、拡散によって相互に混ざりあい均一化する。例えば、図４に示すような流量制御を行って、Ａ液（図４中の破線：図３中の濃色で示している液）とＢ液（図４中の実線：図３中の淡色で示している液）とをそれぞれ間欠的に流入路１ａ，１ｂを通して送り込むことができる。総流量が変動しないように、Ａ液とＢ液との切り替え時におけるＡ液の流量とＢ液の流量との和が一定になるように流量制御することが好ましい。また、例えば、Ａ液、Ｂ液およびＣ液の３種を用いる場合には、Ａ液，Ｂ液およびＣ液を順に繰り返して流入させることもできるし、Ａ液とＢ液の組合せ、Ｂ液とＣ液の組合せ、Ｃ液とＡ液の組合せを、順に繰り返して流入させることもできる。流量パターンはこれらに限定されない。
このような流量制御を行うことができる装置としては、プランジャーポンプ、シリンジポンプなどが挙げられる。外管を流れる流体の総流量は、化学反応速度、滞留時間、管の径、管の長さなどを考慮して適宜決められる。

２種以上の流体の流入の切り替え間隔は、外管の容積等に応じて、適宜に選択できる。例えば、数ミリ秒間〜数秒間ごとに２種以上の流体の流入の切り替えを行うことができる。このように流体の交互流入を行うと流体間の界面積が大幅に増え、流体の均一混合が促進される。

各流体の流量は、特に制限されない。例えば、各流体の１回ごとの流入量は等しくすることができる。１回ごとの流入量を等しくした場合には、Ａ液およびＢ液のそれぞれに含まれる反応基質が等モルで反応するものである場合は、Ａ液およびＢ液に含まれるそれぞれの反応基質濃度を等しくすることができる。また、反応基質が２：１のモル割合で反応するものである場合は、Ａ液およびＢ液に含まれるそれぞれの反応基質濃度を２：１にすることができる。なお、反応基質の反応性、逆反応などを考慮して、上記濃度比は、修正してもよい。
また、本発明の反応装置は各流体の１回ごとの流入量が大きく異なる場合、例えば、Ａ液：Ｂ液の体積比が１：１０のような場合にも適用できる。本発明の反応装置において２種以上の流体を交互に流入させると、該流体の流入量が大きく異なる場合でも、合流直後の反応基質間の接触面積を十分に確保することでき、その結果、濃度不均一を最小限に抑えることができる。

合流した流体は外管の内腔を長手方向に流通させられる。その間に反応基質が化学反応して生成物が得られる。
本実施形態の反応装置では、外管の内腔は内管によって断面が円環形に区切られている。通常の円管（断面が円形の管）においては流体が層流状態で流れるので、管の軸中心の流速と管壁近傍における流速とに大きな差ができ、Ａ液とＢ液との交互流入で形成されると考えられる栓流が管の長手方向に凸状の濃度分布となる（図５参照）。一方、本実施形態の反応装置では、断面が円環形となっている。該円環空間の中央部の流速と管壁近傍との流速との差は小さく、理論的な栓流状態に近い流れが保たれ、その状態で拡散による均一化が起きると考えられる(図３参照）。この流速分布の相違によって、本発明の反応装置では合流直後の反応基質間の接触面積が増え、且つ濃度不均一による反応生成物の収率低下が抑制されると推察できる。

図３、６および７に示した本実施形態の反応装置では、外管の内面および内管の外面は凹凸の無い滑らかな面になっているが、外管の内面または／および内管の外面に、凹凸を設けてもよい。該凹凸としては、螺旋状の溝（または螺旋状の畝）であってもよいし、栓流の流れを妨げる方向に沿った溝（または畝）であってもよいし、点状の突起や窪みであってもよい。

本発明の反応装置における外管の長さは、化学反応速度や流量等に応じて適宜選択できる。遅い反応速度の化学反応を行う場合は管の長さを長くすることができ、逆に速い反応速度の化学反応を行う場合は管の長さを短くすることができる。反応温度は、内管（または必要に応じて外管外側の管）に冷媒若しくは熱媒を流通させて、外管内を流通する流体との熱交換によって制御することができる。

得られた反応生成物は外管の他端に接続された流出路３を経由して流出させる。流出路３の先には、別の反応装置（本発明の管型流通式反応装置を含む。）等を接続することができるし、また精製のための装置を接続することができる。図３では、流出路３は内管４に対して略直角に接続されているが、これに限られない。流出路３は内管に対して斜めに接続されていてもよい。また、図８に示したように、流出路は外管の中心軸から放射する方向に接続されていてもよいし（図８(ａ)や（ｂ））、外管の接線方向に接続されていてもよい（図８（ｃ））。

なお、図３に示した装置では、内管が外管よりも長く、外管の両端から突き出ている。しかし、本発明の装置は、この形態に限定されず、例えば、図６に示すように、内管４４の右端が外管４２の内腔内で留まるようにし、外管を流通してきた流体を内管右端の口から内管の内腔に流入させ、流体を内管の左側方向に流通させ、内管の左端の口から流体を流出させることもできる。この場合、内管４４は流出路４３としての役割を兼ねることになる。このように流れを折り返された流体は、内管の内腔において反応が継続されるので、反応装置全体の長さを短くすることができる。

本発明の実施例を示し、それによって本発明をさらに具体的に説明する。図９は、本実施例で作成した本発明の管型流通式反応装置の概略図である。

１／４インチＰＦＡ（テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体）チューブ５２の一方の端にＰＦＡ製Ｔ字型コネクタ５５を、他方の端にＰＦＡ製十字型コネクタ５６を取り付けた。
１／８インチＰＦＡチューブ５４を、Ｔ字型コネクタの直線部、１／４インチＰＦＡチューブおよび十字型コネクタを貫通させて、１／４インチＰＦＡチューブと１／８インチＰＦＡチューブとからなる二重管構造を形成させた。１／８インチＰＦＡチューブの両端が突き出ているＴ字型コネクタのポートおよび十字型コネクタのポートのそれぞれにＰＦＡ製異径ニップル５７ａ，５７ｂを繋ぎ、１／４インチＰＦＡチューブの両端を封止した。なお、１／８インチＰＦＡチューブ５４には冷却水等を流すことができるようになっている。

十字型コネクタの残り２箇所のポートのそれぞれにＰＦＡ製異径ニップルを介して１／８インチＰＦＡチューブを接続して、それらを流入路５１ａ，５１ｂとした。Ｔ字型コネクタの残り一箇所のポートにＰＦＡ製異径ニップルを介して１／８インチＰＦＡチューブを接続して、それを流出路５３とした。２つの流入路５１ａ，５１ｂの上流部に、２液を交互に送り込み２相プラグフローの状態にすることができるシリンジポンプを繋いだ。
２つの流入路５１ａ，５１ｂから送り込まれた液が、十字型コネクタ５６で合流し、１／４インチＰＦＡチューブと１／８インチＰＦＡチューブとのクリアランス部を長手方向に流下し、そしてＴ字型コネクタ５５を通って流出路５３から流出できるようになった本発明の管型流通式反応装置を作成した。

１ａ、１ｂ、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ、５１ａ、５１ｂ：流入路；
２、１２、２２、３２、４２、５２：外管（合流部と反応部）；
３、３３、４３、５３：流出路；
４、４４、５４：内管；
２３：障害物；

Claims (8)

1. 反応に使用する２種以上の流体をそれぞれに流入させるための流入路；該流体を合流させ且つ合流した流体を流通させながら反応させることができる内腔を有する外管；反応生成物を外管から流出させるための流出路；および外管の内腔内に配置された内管 を備えており、
   各流入路は流入路の内腔と外管の内腔とが連通するように外管に接続され、且つ外管に前記流体が交互に流入するようにされた、管型流通式反応装置。
2. 前記内管に冷媒または熱媒を流通させることができる請求項１に記載の管型流通式反応装置。
3. 各流入路と外管との接続が内管に対して略直交するようになっている請求項１または２に記載の管型流通式反応装置。
4. 各流入路の接続位置が外管の長手方向で相互にずれている請求項１〜３に記載の管型流通式反応装置。
5. 外管と外管の内腔内に配置された内管とを備える管型流通式反応装置を用いて、
   反応に使用する２種以上の流体を外管の一端に交互に流入させる工程、
   流入させた流体を外管内を長手方向に流通させながら反応させる工程、
   前記工程で得られた反応生成物を外管から流出させる工程
   を含む、化学反応プロセス。
6. 内管に冷媒または熱媒を流通させて、外管内を流通する流体との熱交換を行わせる工程をさらに含む、請求項５に記載の化学反応プロセス。
7. 反応に使用する２種以上の流体を外管の一端に流入させる方向が内管に対して略直角な方向である、請求項５または６に記載の化学反応プロセス。
8. 各流体を流入させる位置が外管の長手方向で相互にずれている請求項５〜７に記載の化学反応プロセス。

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