JP2011050936A - 流通式管型反応装置 - 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流通式管型反応装置を提供する。
【解決手段】反応に使用する２種以上の流体を供給するための２つ以上の流体供給路、該流体を流通させながら反応させることができる反応流路、および反応生成物を排出するための流体排出路を有し； 流体供給路は反応流路の入口に連通するように接続され； 流体排出路は反応流路の出口に連通するように接続され； 且つ反応流路は長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網を有する、流通式管型反応装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、流通式管型反応装置に関する。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流通式管型反応装置に関する。

近年、試薬などの液体を反応させるための流通式管型反応装置として、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。Ｔ字またはＹ字の上部左右から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２種の反応基質は、合流直後はＴ字またはＹ字の下降管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液の流量比が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、障害物を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すことがある。

また、特許文献２には、複数の流体をそれぞれの流体供給路を通して１本の反応流路に合流し、これらの流体を流通させつつ反応を行わせるマイクロリアクターにおいて、前記反応流路が、丸棒状の芯部材の外周面と断面円形な内周面を有する外筒部材の前記内周面の何れか一方に螺旋ネジを切って前記芯部材の外周面と前記外筒部材の内周面を密着嵌合させることにより、螺旋状の流路として形成されていることを特徴とするマイクロリアクターが開示されている。
さらに、特許文献３には、複数のねじり羽根状エレメントを管内に装着したスタティックミキサーが記載されている。ただし、このスタティックミキサーの内径は、少なくとも１０ｍｍである。

特開２００７−１１３４３３号公報 特開２００５−４６６５２号公報 特開２００１−２０５０６２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新しい流通式管型反応装置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、反応に使用する２種以上の流体を供給するための２つ以上の流体供給路、該流体を流通させながら反応させることができる反応流路、および反応生成物を排出するための流体排出路を有し； 流体供給路は反応流路の入口に連通するように接続され； 流体排出路は反応流路の出口に連通するように接続され； 且つ反応流路は長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網を有する、流通式管型反応装置を用いたところ、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種以上の流体を供給するための２つ以上の流体供給路、該流体を流通させながら反応させることができる反応流路、および反応生成物を排出するための流体排出路を有し； 流体供給路は反応流路の入口に連通するように接続され； 流体排出路は反応流路の出口に連通するように接続され； 且つ反応流路は長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網を有する、流通式管型反応装置。
〈２〉管路網の途中に、複数の管路全部を一つに合流させるための空間が備わっている前記〈１〉に記載の流通式管型反応装置。
〈３〉管路網の一単位である閉管路が、亀甲形または菱形である、前記〈１〉または〈２〉に記載の流通式管型反応装置。
〈４〉管路網が、同一長手方向にのびる、少なくとも１本のＺ巻き螺旋流路と少なくとも１本のＳ巻き螺旋流路とからなり、且つＺ巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とが複数個所で連通するように交差してなる交差螺旋流路である、前記〈１〉または〈２〉に記載の流通式管型反応装置。
〈５〉Z巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とは、その頭損失がほぼ等しいが、流路幅または流路深さが相互に異なる、前記〈４〉に記載の流通式管型反応装置。
〈６〉前記管路網が、断面円形な外周面に網状に溝が刻まれた丸棒状の芯部材と、断面円形な内周面を有する外筒部材とを密着嵌合させることにより形成されている、前記〈１〉〜〈５〉のいずれか１項に記載の流通式管型反応装置。
〈７〉前記管路網が、断面円形な外周面を有する丸棒状の芯部材と、断面円形な内周面に網状に溝が刻まれた外筒部材とを密着嵌合させることにより形成されている、前記〈１〉〜〈５〉のいずれか１項に記載の流通式管型反応装置。
〈８〉外筒部材の内径が２ｍｍ〜１０ｍｍである前記〈６〉または〈７〉に記載の流通式管型反応装置。

〈９〉２種以上の流体を、長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網を有する反応流路に通すことを含む、２種以上の流体を混合または反応させる方法。
〈１０〉２種以上の流体を、長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網、および管路網の途中に備えられた複数の管路全部を一つに合流させるための空間を有する反応流路に通すことを含む、２種以上の流体を混合または反応させる方法。
〈１１〉管路網の一単位である閉管路が、亀甲形または菱形である、前記〈９〉または〈１０〉に記載の混合または反応させる方法。
〈１２〉管路網が、同一長手方向にのびる、少なくとも１本のＺ巻き螺旋流路と少なくとも１本のＳ巻き螺旋流路とからなり、且つＺ巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とが複数個所で連通するように交差してなる交差螺旋流路である、前記〈９〉または〈１０〉に記載の混合または反応させる方法。

本発明の流通式管型反応装置の一実施形態を示す概念図である。 図１に示した流通式管型反応装置の、Ａ断面、Ｂ断面およびＣ断面を示す図である。 図１示した流通式管型反応装置の外筒部材４を示す図である。 図１に示した流通式管型反応装置の芯部材５を示す図である。 本発明の流通式管型反応装置の別の実施形態を示す概念図である。 本発明の流通式管型反応装置の別の実施形態を示す概念図である。

本発明の流通式管型反応装置を、図面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。

〈実施形態１〉
図１は、本発明の流通式管型反応装置の一実施形態を示す概念図である。図２は、図１に示した流通式管型反応装置のＡ断面、Ｂ断面およびＣ断面を示す図である。なお、図１では反応装置の長手方向が水平となるように配置しているが、長手方向が垂直となるように配置してもよい。
本発明の反応装置は反応に使用する２種以上の流体を供給するための２つ以上の流体供給路１ａ，１ｂ、該流体を流通させながら反応させることができる反応流路２、および反応生成物を排出するための流体排出路３を有する。

図１に示す反応装置では、流体供給路１ａ，１ｂが反応流路２の入口に連通するように接続されている。また流体排出路３が反応流路２の出口に連通するように接続されている。
流体供給路の数は図面に示したものに限らない。また流体供給路はその上流で複数の流路が合流したものであってもよい。流体供給路から流れ込んだ２種以上の流体は反応流路の内腔内で合流させられる。各流体供給路と反応流路との接続は、反応流路の長手方向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。

図１に示した反応装置では、流体供給路は上下対称に描かれているが、流体供給路の接続位置が反応流路の長手方向で相互にずれていてもよい。例えば、流体供給路１ｂが反応流路の最左端に斜めに接続されていて、流体供給路１ａが反応流路の最左端から右側（下流側）に少しシフトした位置に斜めに接続されていてもよい。

さらに、流体供給路および／または流体排出路の中心軸は反応流路の中心軸と交わっていてもよいし、交わっていなくてもよい。すなわち、反応流路の中心軸から放射する方向に流体供給路および／または流体排出路が接続されていてもよいし、反応流路の内周接線方向に流体供給路および／または流体排出路が接続されていてもよい。流体供給路を反応流路の内周接線方向に接続すると反応流路の中心軸の周りを旋回する流れが生じやすくなる。

反応流路２は、管路網を有する。該管路網は長手方向に直角でない方向に向いた複数の管路で構成されている。該管路は、分岐部および合流部を有し、網目状に配置されている。また、該管路網は平面状に展開されたものであってもよいし、チューブ状に展開されたものであってもよい。
図１に示した反応流路は、同一長手方向にのびる、少なくとも１本のＺ巻き螺旋流路２ａ，２ｄと少なくとも１本のＳ巻き螺旋流路２ｂ，２ｃとからなり、且つＺ巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とが複数個所で連通するように交差してなる交差螺旋流路である。該交差螺旋流路は、管路網の一単位である閉管路が菱形をしており、管路網がチューブ状に展開されているものである。

管路網の入り口の手前（図１中の左端）には、流体供給路１ａ，１ｂから供給された２種以上の流体が合流する空間２ｅが在り、この合流空間２ｅから管路網の各管路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに流体が流入するようになっている。管路網の入り口は、１つでも構わないが、２つ以上あることが好ましい。図１に示す管路網では入り口が４つ在る（図２（Ａ））。管路網に流入した２種以上の流体は、管路の分岐部および管路の合流部において混合され、均一化される。なお、図１に示した合流空間２ｅは、円柱体状の空間であるが、芯部材５が外筒部材４の最左端にまで延びて、円環体状の空間になっていてもよい。

図１に示す管路網は、断面円形な外周面に交差螺旋状に溝が刻まれた丸棒状の芯部材５と、断面円形な内周面を有する外筒部材４とを密着嵌合させることにより形成されている。なお、管路網は、断面円形な外周面を有する丸棒状の芯部材と、断面円形な内周面に交差螺旋状に溝が刻まれた外筒部材とを密着嵌合させることにより形成されているものであってもよい（図示せず）。なお、溝は、交差螺旋状に刻まれる場合に限定されず、様々な網状に刻むことができる。また、溝の断面形状は、特に制限されず、例えば、矩形、半円形、台形などが挙げられる。

外筒部材４および芯部材５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、管路網を構成する各管路の内径が、好ましくは５０μｍ〜２．５ｍｍ、より好ましくは５０μｍ〜１ｍｍになるように、芯部材または外筒部材に刻む溝のサイズを調整する。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、外筒部材の内径は２ｍｍ〜１０ｍｍが好ましい。外筒部材および芯部材の材質は、強度、熱伝導性、耐食性、耐熱性などの観点から適宜選択できる。
管路網の一単位である閉管路は、その一片の長さにおいて、特に制限されないが、好ましくは１〜１０ｍｍである。

管路網では、各管路を流れる流体の量がほぼ等しくなるように、各管路の頭損失がほぼ等しくなるように設計することが好ましい。管路網における各管路の流量配分は、Cross, K.: Univ. of Illinois Bulletin, 286 (1946)、化学工学便覧改訂４版第１２８〜１２９頁などに記載の方法で求めることができる。

図１に示す反応装置では、交差螺旋流路を構成するZ巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路との頭損失がほぼ等しく、流路幅または流路深さが相互に異なるようにされている。図１および図２に示すように、Ｚ巻き螺旋流路２ａ，２ｄは幅に対して深さが大きい流路断面を有しており、ｓ巻き螺旋流路２ｂ，２ｃは幅に対して深さが小さい流路断面を有している。そして、Z巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とが交差する部分では、図２（Ｂ）に示すような、段差を持った流路断面になり、両流路を流れてきた流体が、該交差部で、単に衝突するだけでなく、流路の深い部分と浅い部分とに分かれて交差しやすいようにされている。

さらに、図１に示す反応装置では、管路網の途中に複数の管路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ全部を一つに合流させるための空間２ｇが備わっている。図１に示す合流空間２ｇは、芯部材５を囲む円環体状の空間である。合流空間２ｇは１つであってもよいし、２つ以上あってもよい。管路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄから合流空間２ｇに流れ込んだ流体は、空間２ｇから再び管路網の管路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに流入し、各管路に分かれて下流に向かって流れていく。この合流空間２ｇによって、流体の混合が促進される。

本発明の反応装置における反応流路の長さは、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反応流路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反応流路の長さを短くすることができる。反応温度は、反応流路の内部と外部との熱交換によって、制御することができる。例えば、芯部材５の中心軸に流路を設け、その流路に冷媒または熱媒を流し入れて反応流路内の流体との熱交換を行うことができる。また、外筒部材４の外周にジャケットを設置し、該ジャケットに冷媒または熱媒を流し入れて反応流路内の流体との熱交換を行うことができる。

図１に示す反応装置では、反応流路の右端に管路網を流れてきた流体が一つに合流する空間２ｆが備わっている。そして、合流空間２ｆから流体排出路３を経由して生成物は排出される。なお、図１に示した合流空間２ｆは、円柱体状の空間であるが、芯部材５が外筒部材４の最右端にまで延びて、円環体状の空間になっていてもよい。
流体排出路３の先には、別の反応装置（本発明の流通式管型反応装置を含む。）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。流体排出路３はその下流で分岐していてもよい。

流体供給路から反応流路に流入させる各流体の流量は、特に制限されない。例えば、各流体の流入量は等しくすることができる。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は、各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。また、２種以上の流体は合流空間２ｅに交互に流入させるようにしてもよい。
各流体は、上記のような流量制御を行うことができる装置によって、供給される。供給装置としては、プランジャーポンプ、シリンジポンプなどが挙げられる。反応流路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。

〈実施形態２〉
図５は、本発明の流通式管型反応装置の別の実施形態を示す概念図である。図５に示した反応装置は、閉管路の形状を菱形から亀甲形に変えた以外は、図１に示した反応装置と同じ構造のものである。なお、図５では反応装置の長手方向が水平となるように配置しているが、長手方向が垂直となるように配置してもよい。

図５に示した反応装置の管路網の入り口の手前（図５中の左端）には、流体供給路１１ａ，１１ｂから供給された２種以上の流体が合流する空間１２ｅが在り、この合流空間１２ｅから管路網の各管路１２ａに流体が流入するようになっている。なお、図５に示した合流空間１２ｅは、円柱体状の空間であるが、芯部材１５が外筒部材１４の最左端にまで延びて、円環体状の空間になっていてもよい。

図５に示した反応装置の反応流路は、管路網の一単位である閉管路が亀甲型をしており、管路網がチューブ状に展開されているものである。図５に示す管路網は、断面円形な外周面に亀甲状に溝が刻まれた丸棒状の芯部材１５と、断面円形な内周面を有する外筒部材１４とを密着嵌合させることにより形成されている。亀甲状に刻まれた溝からなる管路は、合流部と分岐部とを有する。管路を流れる流体は合流および分岐の繰返しによって均一に混合される。図５に示す反応装置では、管路網の途中に複数の管路１２ａ全部を一つに合流させるための空間１２ｇが備わっている。図５に示す合流空間１２ｇは、芯部材１５を囲む円環体状の空間である。

図５に示す反応装置では、反応流路の右端に管路網を流れてきた流体が一つに合流する空間１２ｆが備わっている。そして、合流空間１２ｆから流体排出路１３を経由して生成物は排出される。なお、図５に示した合流空間１２ｆは、円柱体状の空間であるが、芯部材１５が外筒部材１４の最右端にまで延びて、円環体状の空間になっていてもよい。
流体排出路１３の先には、別の反応装置（本発明の流通式管型反応装置を含む。）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。流体排出路１３はその下流で分岐していてもよい。

〈実施形態３〉
図６は、本発明の流通式管型反応装置の別の実施形態を示す概念図である。図６に示した反応装置は、合流空間２ｇの形状を変更した以外は、図１に示した反応装置と同じ構造のものである。なお、図６では反応装置の長手方向が水平となるように配置しているが、長手方向が垂直となるように配置してもよい。

図６に示した反応装置の管路網の入り口の手前（図６中の左端）には、流体供給路２１ａ，２１ｂから供給された２種以上の流体が合流する空間２２ｅが在り、この合流空間２２ｅから管路網の各管路に流体が流入するようになっている。なお、図６に示した合流空間２２ｅは、円柱体状の空間であるが、芯部材が外筒部材の最左端にまで延びて、円環体状の空間になっていてもよい。

図６に示した反応装置における合流空間２２ｇは、断面円形な長手方向に一定内径の内周面を有する外筒部材２４の中に、断面円形な外周面に網状に溝が刻まれた短い丸棒状の複数の芯部材２５を隙間を開けて密着嵌合させることによって形成されているものである。合流空間２２ｇは、円柱体状の空間である。管路網の各管路から合流空間２２ｇに流れ込んだ流体は、空間２２ｇから再び管路網の各管路に分かれて下流に向かって流れていく。この合流空間２２ｇによって、流体の混合が促進される。

図６に示す反応装置では、反応流路の右端に管路網を流れてきた流体が一つに合流する空間２２ｆが備わっている。そして、合流空間２２ｆから流体排出路２３を経由して生成物は排出される。なお、図６に示した合流空間２２ｆは、円柱体状の空間であるが、芯部材が外筒部材の最右端にまで延びて、円環体状の空間になっていてもよい。
流体排出路２３の先には、別の反応装置（本発明の流通式管型反応装置を含む。）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。流体排出路２３はその下流で分岐していてもよい。

以上のような、本発明の流通式管型反応装置は、管路網における分岐と合流の繰返しによって、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いう、優れた効果を奏する。さらに、管路網の途中に複数の管路全部を一つに合流させるための空間を設けることによって、混合効率が高まり、濃度の均一性をさらに向上させることができる。

１ａ、１ｂ、１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ：流体供給路
２、１２、２２：反応流路
２ｅ、１２ｅ、２２ｅ：入口側合流空間
２ｆ、１２ｆ、２２ｆ：出口側合流空間
２ｇ、１２ｇ、２２ｇ：中間の合流空間
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、１２ａ：管路網を構成する管路
３、１３、２３：流体排出路
４、１４、２４：外筒部材
５、１５、２５：芯部材

Claims (12)

1. 反応に使用する２種以上の流体を供給するための２つ以上の流体供給路、該流体を流通させながら反応させることができる反応流路、および反応生成物を排出するための流体排出路を有し；
   流体供給路は反応流路の入口に連通するように接続され；
   流体排出路は反応流路の出口に連通するように接続され；且つ
   反応流路は長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網を有する、流通式管型反応装置。
2. 管路網の途中に、複数の管路全部を一つに合流させるための空間が備わっている請求項１に記載の流通式管型反応装置。
3. 管路網の一単位である閉管路が、亀甲形または菱形である、請求項１または２に記載の流通式管型反応装置。
4. 管路網が、同一長手方向にのびる、少なくとも１本のＺ巻き螺旋流路と少なくとも１本のＳ巻き螺旋流路とからなり、且つＺ巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とが複数個所で連通するように交差してなる交差螺旋流路である、請求項１または２に記載の流通式管型反応装置。
5. Z巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とは、その頭損失がほぼ等しいが、流路幅または流路深さが相互に異なる、請求項４に記載の流通式管型反応装置。
6. 前記管路網が、断面円形な外周面に網状に溝が刻まれた丸棒状の芯部材と、断面円形な内周面を有する外筒部材とを密着嵌合させることにより形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流通式管型反応装置。
7. 前記管路網が、断面円形な外周面を有する丸棒状の芯部材と、断面円形な内周面に網状に溝が刻まれた外筒部材とを密着嵌合させることにより形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の流通式管型反応装置。
8. 外筒部材の内径が２ｍｍ〜１０ｍｍである請求項６または７に記載の流通式管型反応装置。
9. ２種以上の流体を、長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網を有する反応流路に通すことを含む、２種以上の流体を混合または反応させる方法。
10. ２種以上の流体を、
    長手方向に直角でない向きに複数の管路が分岐および合流するように配置されてなる管路網、および管路網の途中に備えられた複数の管路全部を一つに合流させるための空間を有する反応流路に通すことを含む、
    ２種以上の流体を混合または反応させる方法。
11. 管路網の一単位である閉管路が、亀甲形または菱形である、請求項９または１０に記載の混合または反応させる方法。
12. 管路網が、同一長手方向にのびる、少なくとも１本のＺ巻き螺旋流路と少なくとも１本のＳ巻き螺旋流路とからなり、且つＺ巻き螺旋流路とＳ巻き螺旋流路とが複数個所で連通するように交差してなる交差螺旋流路である、請求項９または１０に記載の混合または反応させる方法。

Images