JP2011005420A - マイクロ向流送液装置及びマイクロ向流送液方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分子拡散とせん断を利用した流体の混合をそれぞれ効果の比率を一定に行うことができるとともに、混合の反応時間を制御することができるマイクロ向流送液装置及びマイクロ向流送液方法を提供する。
【解決手段】マイクロ向流送液装置１は、水系流体６を導入する第１の導入管３Ａと、有機溶剤系流体７を導入する第２の導入管３Ｂと、水系流体６と有機溶剤系流体７の混合流体８を排出する排出管４Ａ及び４Ｂと、第１の導入管を一端３Ａに、第２の導入管３Ｂを他端に設けて、第１の導入管３Ａと、他端において第１の導入管３Ａと対面する位置に設けられた第１の排出管４Ａとをつなぐ壁面に対して親水膜５を設け、第２の導入管３Ｂと、一端において第２の導入管３Ｂと対面する位置に設けられた排出管４Ｂとをつなぐ壁面を疎水壁２０ａで構成し、水系流体６と有機溶剤流体７とをそれぞれ交互に向流で流す流路２０とを有する
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ向流送液装置及びマイクロ向流送液方法に関する。

非特許文献１のマイクロ向流送液装置は、２種類の液体を導入する円盤状の入口プレートと、円盤の中心に向かって放射線状に設けられた幅５０〜２００μｍの複数のマイクロ流路及びマイクロ流路が合流する半径２２０〜５２０μｍの混合部を有する混合プレートと、混合プレートにおいて混合された液体を排出する出口プレートとを有し、隣り合うマイクロ流路を流れる流体の層流の拡散混合に加えて、混合部中心付近における流体の層流に働くせん断力を利用した混合を実施するものである。

前 一廣・牧 泰輔・青木 宣明著、「化学工学論文集」化学工学会、２００８年発行、第３４巻、第１号、ｐ．８−１７

本発明の目的は、本構成を有さない場合に比べて、処理能力が向上したマイクロ向流送液装置及びマイクロ向流送液方法を提供することにある。

［１］第１の流体を導入する第１の導入部と、第２の流体を導入する第２の導入部と、前記第１の流体と前記第２の流体の混合流体を排出する排出部と、前記第１の導入部を一方の側に接続し、前記第２の導入部を他方の側に接続し、前記排出部を前記一方の側及び前記他方の側に接続して、前記第１の導入部と前記他方の側の前記排出部とをつなぐ壁面に親水領域を設け、前記第２の導入部と前記一方の側の前記排出部とをつなぐ壁面に疎水領域を設けて、前記第１の流体と前記第２の流体とをそれぞれ交互に向流で流す流路と、を有するマイクロ向流送液装置。

［２］前記流路の内壁は、前記疎水領域で構成され、前記親水領域は、前記疎水領域上に形成される前記［１］に記載のマイクロ向流送液装置。

［３］内側で第１の流体を導入し、外側で混合流体を排出する導入部と、内側で混合流体を排出し、外側で第２の流体を導入する排出部と、前記導入部を一方の側に内装し、前記排出部を他方の側に内装して、前記導入部の内側と前記排出部の内側をつなぐように前記第１の流体を流し、内壁に前記第２の流体が親和性の高い領域を設け、前記第２の流体を前記内壁に沿って流すことで、前記第１の流体と前記第２の流体とをそれぞれ向流で流す流路と、を有するマイクロ向流送液装置。

［４］第１の流体を導入するステップと、第２の流体を導入するステップと、
流路の壁面に設けられた親水領域に前記第１の流体を流し、疎水領域に前記第２の流体を流すことで、前記第１の流体と前記第２の流体とをそれぞれ交互に向流で流し、混合して混合流体を生成するステップと、前記第１の流体と前記第２の流体の前記混合流体を排出するステップと、を有するマイクロ向流送液方法。

請求項１、３又は４に係る発明によれば、本構成を有さない場合に比べて、処理能力が向上する。

請求項２に係る発明によれば、親水領域が疎水領域上に形成されていない場合に比べて、容易に向流を形成することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図、（ｃ）は、Ｂ−Ｂ断面図、（ｄ）は、Ｃ−Ｃ断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の流路の構成例を示すＤ−Ｄ断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の製造例を示す概略図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、Ｅ−Ｅ断面図、（ｃ）は、Ｆ−Ｆ断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の他の製造例を示す概略図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、Ｇ−Ｇ断面図、（ｃ）は、Ｈ−Ｈ断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の他の製造例を示す概略図であり、（ａ）は、図４（ａ）のＧ−Ｇ断面図、（ｂ）は、Ｈ−Ｈ断面図と同等である。 本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の構成例を示す断面図である。

［第１の実施の形態］
（向流送液装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の構成例を示す概略図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図、（ｃ）は、Ｂ−Ｂ断面図、（ｄ）は、Ｃ−Ｃ断面図である。

マイクロ向流送液装置１は、図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、疎水性を有する材質、例えば、ＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）によって形成され内部に流路２０を有する本体２と、流路２０に対して水系流体６を導入する第１の導入管３Ａと、流路２０に対して有機溶剤系流体７を導入する第２の導入管３Ｂと、水系流体６と有機溶剤系流体７とを流路２０において混合して得られる混合流体８を排出する第１の排出管４Ａ及び第２の排出管４Ｂとを有する。

また、マイクロ向流送液装置１は、図１（ｃ）に示すように、疎水壁２０ａによって形成される流路２０と、疎水壁に形成される親水膜５とを有する。疎水壁２０ａは、第２の導入管３Ｂから第２の排出管４Ｂに向けて有機溶剤系流体７に対する流路を形成し、親水膜５は、第１の導入管３Ａから第１の排出管４Ａに向けて水系流体６に対する流路を形成する。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の流路の構成例を示す図１（ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。

水系流体６は、第１の導入管３Ａから導入されて、親水膜５上で流体の層流を形成し、後述する有機溶剤系流体７の層流と混合して最終的に本体２の一部である支柱２１に阻まれ第１の排出管４Ａから排出される。

有機溶剤系流体７は、第２の導入管３Ｂから導入されて、疎水壁２０ａ上で流体の層流を形成し、水系流体６の層流と混合して最終的に本体２の一部である支柱２１に阻まれ第２の排出管４Ｂから排出される。

例えば、水系流体６としてコバルト錯体溶液を、有機溶剤系流体７としてブチルアセテート等を用いることで、マイクロ向流送液装置１は、コバルト錯体をブチルアセテートに抽出する。このとき、水系流体６及び有機溶剤系流体７をそれぞれ流量０．３〜３ｍｌ／ｍｉｎで導入することでそれぞれの層流が得られる。

また、水系流体６として微粒子の分散液を、有機溶剤系流体７としてブチルアセテートを流入すると、マイクロ向流送液装置１は、分散度の高い微粒子凝縮体を造粒する。

（製造方法）
図３は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の製造例を示す概略図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、Ｅ−Ｅ断面図、（ｃ）は、Ｆ−Ｆ断面図である。

本体２の下部を形成する本体２Ａは、鋳型にＰＤＭＳ、例えば、ダウコーニング社製シルポットを流し込んで重合することで作成され、流路２０及び支柱２１を有する。

鋳型は、例えば、Ｓｉ基板にＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）を施すことにより、又はＳｉ基板上にアクリル系ネガレジスト、例えば、化薬マイクロケム社製Ｓｕ８を用いて流路２０の反転パターンを形成することにより作成される。エッチング深さ又はレジストの高さは、例えば、５０μｍ程度とする。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の他の製造例を示す概略図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、Ｇ−Ｇ断面図、（ｃ）は、Ｈ−Ｈ断面図である。

本体２Ａは、図３に示した本体２Ａに、疎水壁２０ａとして用いる部分をメタルマスク等で覆い、酸素プラズマ処理又はアクリル酸プラズマ重合処理を施して親水膜５を形成することで作成される。

図５は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の他の製造例を示す概略図であり、（ａ）は、図４（ａ）のＧ−Ｇ断面図、（ｂ）は、Ｈ−Ｈ断面図と同等である。

本体２Ｂは、図４に示した本体２Ａと同様の工程で作成されたものであり、本体２Ａ及び２ＢをＰＤＭＳの自己吸着性を利用して張り合わせることで厚みＤ、幅Ｗ、長さＬの本体２を形成する。本体２の形成後、上部及び下部に貫通孔を形成し、第１の導入管３Ａ、第２の導入管３Ｂ、第１の排出管４Ａ及び第２の排出管４Ｂを取り付けてマイクロ向流送液装置１が生成される。

なお、流路２０の厚みｄ、端に形成され疎水壁２０ａで囲まれる流路の幅ｗ_１、親水膜５で囲まれる流路の幅及び端以外の疎水壁２０ａで囲まれる流路の幅ｗ_２は、水系流体６及び有機溶剤系流体７に用いる媒体によって変更し、長さｌは、水系流体６及び有機溶剤系流体７流速及びそれぞれの反応時間から定まる値で設計される。なお、ｄ＋２ｗ_１＝ｗ_２を条件とする。

以上で説明した各寸法について、マイクロ向流送液装置１は、
１ｍｍ＜Ｄ＜５０ｍｍ
３０ｍｍ＜Ｗ＜１３０ｍｍ
１０ｍｍ＜Ｌ＜３０ｍｍ
１０μｍ＜ｄ＜１０００μｍ
１０ｍｍ＜ｌ＜１００ｍｍ
１０μｍ＜ｗ_１＜１０００μｍ
３０μｍ＜ｗ_２＜１５００μｍ
の範囲で水系流体６及び有機溶剤系流体７の層流を形成し、それぞれを混合する。

また、マイクロ向流送液装置１は、
５０μｍ＜ｄ＜５００μｍ
５０μｍ＜ｗ_１＜５００μｍ
６００μｍ＜ｗ_２＜１５００μｍ
の範囲で水系流体６及び有機溶剤系流体７の層流をより高い精度で形成し、それぞれを混合する。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、マイクロ向流送液装置１の流路２０を円柱状及び円筒状に変更したものである。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ向流送液装置の構成例を示す断面図である。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分については共通の符号を付している。

マイクロ向流送液装置１Ａは、疎水性を有する材質、例えば、テフロン（登録商標）チューブを用いて形成され内部に直径φ_１の円柱状の流路２０を有する本体２と、流路２０に対して水系流体６を導入する直径φ_２の円筒上の導入管３Ｃと、水系流体６と有機溶剤系流体７とを流路２０において混合して得られる混合流体８を排出する排出管４Ｃとを有する。

また、有機溶剤系流体７は、排出管４Ｃの外周と本体２の内周とで形成される円筒状の流路に対して導入され、同様に混合流体８は、導入管３Ｃの外周と本体２の内周とで形成される円筒状の流路から排出される。また、流路２０において、疎水壁２０ａは、有機溶剤系流体７に対する流路を円筒状に形成し、導入管３Ｃから排出管４Ｃに向けて水系流体６に対する流路を円柱状に形成する。

また、マイクロ向流送液装置１Ａは、
０．０２ｍｍ＜φ_１＜２ｍｍ
０．０１ｍｍ＜φ_２＜１ｍｍ
（ただし、φ_２＜φ_１）の範囲であって、水系流体６及び有機溶剤系流体７を流量０．３〜３ｍｌ／ｍｉｎで導入することで、水系流体６及び有機溶剤系流体７の層流を形成し、それぞれを混合する。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々な変形が可能である。例えば、流路２０に設ける親水膜５と疎水壁２０ａの本数は実施例の本数に限らず、複数設置してもよい。また、第２の実施の形態において、本体２の内壁に親水性膜５を設けて、水系流体６と有機溶剤系流体７とを入れ替えて導入してもよい。

１…マイクロ向流送液装置、１Ａ…マイクロ向流送液装置、２…本体、２Ａ…本体、２Ｂ…本体、３Ａ…導入管、３Ｂ…導入管、３Ｃ…導入管、４Ａ…排出管、４Ｂ…排出管、４Ｃ…排出管、５…親水膜、６…水系流体、７…有機溶剤系流体、８…混合流体、２０…流路、２０ａ…疎水壁、２１…支柱

Claims (4)

1. 第１の流体を導入する第１の導入部と、
   第２の流体を導入する第２の導入部と、
   前記第１の流体と前記第２の流体の混合流体を排出する排出部と、
   前記第１の導入部を一方の側に接続し、前記第２の導入部を他方の側に接続し、前記排出部を前記一方の側及び前記他方の側に接続して、前記第１の導入部と前記他方の側の前記排出部とをつなぐ壁面に親水領域を設け、前記第２の導入部と前記一方の側の前記排出部とをつなぐ壁面に疎水領域を設けて、前記第１の流体と前記第２の流体とをそれぞれ交互に向流で流す流路と、
   を有するマイクロ向流送液装置。
2. 前記流路の内壁は、前記疎水領域で構成され、前記親水領域は、前記疎水領域上に形成される請求項１に記載のマイクロ向流送液装置。
3. 内側で第１の流体を導入し、外側で混合流体を排出する導入部と、
   内側で混合流体を排出し、外側で第２の流体を導入する排出部と、
   前記導入部を一方の側に内装し、前記排出部を他方の側に内装して、前記導入部の内側と前記排出部の内側をつなぐように前記第１の流体を流し、内壁に前記第２の流体が親和性の高い領域を設け、前記第２の流体を前記内壁に沿って流すことで、前記第１の流体と前記第２の流体とをそれぞれ向流で流す流路と、
   を有するマイクロ向流送液装置。
4. 第１の流体を導入するステップと、
   第２の流体を導入するステップと、
   流路の壁面に設けられた親水領域に前記第１の流体を流し、疎水領域に前記第２の流体を流すことで、前記第１の流体と前記第２の流体とをそれぞれ交互に向流で流し、混合して混合流体を生成するステップと、
   前記第１の流体と前記第２の流体の前記混合流体を排出するステップと、
   を有するマイクロ向流送液方法。
   
   

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