JP2011147877A - マイクロリアクター - Google Patents

Abstract

【課題】 分散性に優れた液滴を生成することができるマイクロリアクターを提供する。
【解決手段】第１流路３と当該第１流路３に合流する第２流路４とを内部に有するマイクロリアクター本体２を備え、第１流路３は、第２流路４が合流するように流路面に開口する合流口９と、合流口９から第１流路３の下流に延びる分離部８とを備えており、分離部８は、第１流路３の凹凸状基部１３の表面に皮膜１６がコーティングされることにより凹凸状に形成されているマイクロリアクターである。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の液体を合流させて液滴を生成するマイクロリアクターに関する。

従来から、図４に示すようなマイクロリアクターが一般的に知られている（例えば、特許文献１等）。ここで、マイクロリアクターとは、マイクロスケールの複数の流路を有し、当該流路を流れる液体同士を混合や反応させる器具を一般に総称するものである。

図４に示すマイクロリアクター１００は、矩形状のマイクロリアクター本体１０１と、マイクロリアクター本体１０１の内部に形成された第１流路１０２及び第２流路１０３を備えている。第１流路１０２及び第２流路１０３は、合流部１０４において合流している。

このような構成を備えるマイクロリアクター１００では、まず、第１流路１０２及び第２流路１０３にそれぞれ第１の液体及び第２の液体を供給する。供給された第１の液体及び第２の液体は合流部１０４で合流し、液体同士の混合や反応が行われる。

特開２００５−３３１２８６号公報

ところで、上述のようなマイクロリアクター１００において、第１の液体と第２の液体とを合流させて液滴を生成する場合がある。例えば、第１の液体を水とし、第２の液体を油として、水に油を合流させて水中において油の液滴を生成することがある。しかし、従来技術では、生成される液滴が大きくなっていまい、望ましい液滴を生成できないなどの問題があり、マイクロリアクターの改良が求められていた。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、分散性に優れた液滴を生成することができるマイクロリアクターの提供を目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためのマイクロリアクターであって、第１流路と当該第１流路に合流する第２流路とを内部に有するマイクロリアクター本体を備え、前記第１流路は、前記第２流路が合流するように流路面に開口する合流口と、当該合流口から前記第１流路の下流に延びる分離部とを備えており、前記分離部は、前記第１流路の凹凸状基部の表面に皮膜がコーティングされることにより凹凸状に形成されている。

このような構成によれば、第１流路に第１の液体を供給し、第２流路に第２の液体を供給すると、第２の液体が、第２流路から合流口を介して第１流路に導入される。そして、第２の液体は、第１流路を流通する第１の液体の流れに押されて分離部へ流れてゆく。その後、第２の液体は分離部から離れて液滴となる。このとき、分離部が凹凸を有する基部の表面に皮膜がコーティングされることにより凹凸状に形成されているので、第２の液体が分離部になじむことがなく、分離部上に拡がってゆくことがない。したがって、第２の液体がすぐに液滴となって分離部から離れてゆく。これにより、第２の液体は、液滴が大きく発達する前に分離部から離れるので、小さな液滴を生成することができる。よって、本発明に係るマイクロリアクターによれば、分散性に優れた液滴を生成することができる。

また、上記マイクロリアクターにおいて、前記基部が梨地状の凹凸を有していてもよい。このような構成によれば、より細かい液滴を生成することができる。

また、前記皮膜をシリコンで形成してもよい。更に、前記第１の液体を水とし、前記第２の液体を油としてもよい。このような構成によれば、分散性に優れた油滴を生成することができる。

或いは、前記皮膜をクロムで形成してもよい。更に、前記第１の液体を油とし、前記第２の液体を水としてもよい。このような構成によれば、分散性に優れた水滴を生成することができる。

本発明のマイクロリアクターによれば、分散性に優れた液滴を生成することができる。

本発明の一実施形態に係るマイクロリアクターの断面図である。（ａ）は、マイクロリアクターの縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。 マイクロリアクターの要部を拡大して示す図である。 ドデカンの流量と液滴の平均滴径との関係を示すグラフである。 従来のマイクロリアクターの平面図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係るマイクロリアクターの縦断面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図であり、（ｃ）は、（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。なお、本明細書における上下左右の向きは、図面に示した態様を説明するための向きであり、実際の使用態様ではこの向きは特に限定されるものではない。

図１に示すように、マイクロリアクター１は、マイクロリアクター本体２と、マイクロリアクター本体２の内部に形成された第１流路３及び第２流路４とを備えている。

マイクロリアクター本体２の材質としては、特に限定されないが、例えば、ステンレス鋼、銅、アルミニウム及びチタン等の金属、ポリエチレン、ポリプロピレン及びアクリル樹脂等のプラスチック、或いは、ガラスなどを用いることができる。これらの材質は、１種を単独で用いてもよく、また、２種以上を任意に組み合わせて用いてもよい。本実施形態では、金属材料を用いている。このマイクロリアクター本体２は、矩形状の中央部材５と、中央部材５の上部及び下部にそれぞれ積層された板状の上部部材６及び下部部材７を備えている。

中央部材５の上部には水平方向に延びる第１溝１０が形成されている。そして、この第１溝１０を覆うように上部部材６が中央部材５の上部に積層され、第１溝１０が密閉されることにより第１流路３が形成されている。

中央部材５の下部には水平方向に延びる第２溝１１が形成されており、この第２溝１１を覆うように下部部材７が中央部材５の下部に積層され、第２溝１１が密閉されている。また、中央部材５の内部には鉛直方向に延びる連通孔１２が形成されている。そして、密閉された第２溝１１と連通孔１２とが接続されることにより第２流路４が形成されている。

上記の第１溝１０、第２溝１１及び連通孔１２は、中央部材５を機械加工で切削することにより形成されている。また、第１流路３及び第２流路４は、それぞれ、図示しない液体供給手段に接続されており、当該液体供給手段から第１流路３及び第２流路４へそれぞれ第１の液体及び第２の液体が供給される。本実施形態では、第１の液体として水を用いており、第２の液体として油を用いている。水としては、例えば水道水などを用いることができる。また、油としては、特に限定されないが、例えばドデカン、酢酸エチル、植物油、木質油、リノール酸、リノレン酸、オレイン酸、パラフィン、灯油などを用いることができる。また、第１の液体に界面活性剤を混合してもよい。この界面活性剤としては、例えば、SDS(Sodium Doecyl Sulphate)などの陰イオン界面活性剤や、乳化剤として用いられているポリグリセリン脂肪酸エステルなどの非イオン界面活性剤などを用いることができる。

図１（ｂ）に示すように、第１流路３は、上流側（図面左側）から下流側（図面右側）へ向かって順に配置された縮小部２０、直線部２１及び拡大部２２を備えている。縮小部２０は、上流側から下流側に向かって第１流路３（第１溝１０）の幅が縮小するように形成されている。一方、拡大部２２は、上流側から下流側に向かって第１流路３（第１溝１０）の幅が拡大するように形成されている。直線部２１は、上流側から下流側に向かって一定の幅で形成されており、中央部の底面に形成された合流口９と、合流口９から第１流路３の下流側へ向かって延びる分離部８とを備えている。合流口９は、円形に開口しており、その直径は、特に限定されないがφ１０μｍ〜φ２００μｍが好ましい。また、分離部８の長さＬは特に限定されないが、２０μｍ〜５００μｍが好ましい。また、分離部８は、直線部２１の幅方向全体にわたって形成されている。

図２は、マイクロリアクターの要部Ｄを拡大して示す図である。図２に示すように、分離部８は、第１流路３（第１溝１０）の底部（基部）１３の表面に複数の凸部１５が形成されるように、凹凸状に加工されている。そして、この凹凸状の表面上に皮膜１６をコーティングすることにより分離部８が形成されている。これにより、分離部８では、凹凸状の皮膜１６が第１流路３の内部に面している。凸部１５の最大高さは４μｍ以上が好ましく、平均高さは３μｍ以上が好ましい。また、分離部８における凹凸状の表面は、梨地状であることが好ましい。梨地とは、梨の実の表皮のように、不定形で微細な斑点状の凹凸を複数有し、ザラザラとした質感を有する表面のこと表す概念である。具体的には、梨地は、表面粗度が０．４〜４Ｓであることが好ましい。表面粗度とは、ＪＩＳ‐Ｂ‐０６０１（２００１）により測定される最大高さ（Ｒｍａｘ）の区分である。また、皮膜１６の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍが好ましい。皮膜１６の材質としては、特に限定されないが、第２の液体が油であるときは、親水性を有する材質が好ましく、本実施形態では、シリコンを用いている。

図１に示しように、連通孔１２は、第１流路３に連通接続されており、これにより第２流路４が第１流路３に合流している。連通孔１２の断面形状は特に限定されないが、本実施形態では円形断面である。また、連通孔１２は、縮径した導入部２３を上部に備えており、この導入部２３は、合流口９に接続されている。これにより、第２の液体を、導入部２３から合流口９を介して第１流路３に導入できる。導入部２３の径は、φ１０μｍ〜φ２００μｍが好ましい。

次に、以上のように構成されたマイクロリアクターを用いて液滴を生成する方法を説明する。

まず、図示しない液体供給手段から第１流路３に水を供給する。供給された水は、第１流路３を上流側から下流側へ流れる。また、これと並行して、図示しない液体供給手段から第２流路４に油を供給する。供給された油は、第２流路４を流れ、導入部２３から合流口９を介して第１流路３に導入される。第１流路３に流入した油は、水の流れに押されて分離部８へ流れる。そして、油は、分離部８から離れて液滴となり、水中へ移動する。その後、液滴は、水と共に第１流路３を下流側へ流れてゆく。こうして、Ｏ／Ｗ（Oil in Water）の液滴が生成される。

上記実施形態に係るマイクロリアクターによれば、第１流路３が、第２流路４が合流するように流路面に開口する合流口９と、合流口９から第１流路３の下流に延びる分離部８とを備えており、分離部８が、第１流路３の凹凸状の基部１３の表面にシリコン皮膜１６がコーティングされることにより凹凸状に形成されているので、油が分離部８を流れるときにこの分離部８になじまずにすぐに液滴となる。これにより、液滴が大きくなる前に分離部８から離れるので、細かい液滴を生成することができる。したがって、分散性に優れた液滴を生成することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、第１の液体として水を用い、第２の液体として油を用いていたが、この構成に限定されず、第１の液体として油を用い、第２の液体として水を用いてもよい。また、皮膜１６の材質としては、第２の液体が水であるときは、疎水性（撥水性）を有する材質が好ましく、例えばクロムを用いることができる。また、第１の液体が油であるときは、これに混合する界面活性剤としてスパン８０を用いることができる。このような構成によれば、Ｗ／Ｏ（Water in Oil）の液滴が生成される。

また、上記実施形態では、中央部材５に上部部材６及び下部部材７を積層することにより、第１流路３及び第２流路４を有するマイクロリアクター本体２を構成していたが、マイクロリアクター本体２の内部に第１流路３及び第２流路４が形成されていればこの構成は特に限定されるものではない。例えば、マイクロリアクター本体２を１つの部材から構成し、このマイクロリアクター本体２の内部を機械加工等によってくり貫くことにより、第１流路３及び第２流路４を形成してもよい。また、第１流路３及び第２流路４の形状や長さは特に限定されるものではない。例えば、第１流路３及び第２流路４は屈曲していてもよく、また、流路断面は円形や楕円形であってもよい。

以下、実施例及び比較例１〜３を用いて本発明を更に詳細に説明する。ただし、本発明が本実施例に限定されるものではない。

実施例として、図１及び図２に示すマイクロリアクター１を用いて液滴を生成した。実施例における分離部８では、第１流路３（第１溝１０）の底部（基部）１３の表面を梨地状に形成した。また、分離部８の皮膜１６の材質はシリコンとした。

一方、比較例１〜３では、実施例に係る構成における分離部８の構成に対して変更を加えたマイクロリアクター１を用いて液滴を生成した。具体的には、比較例１〜３では、第１流路３（第１溝１０）の底部（基部）の表面を鏡面状に形成した。したがって、比較例１〜３における分離部８は凹凸を有していない。更に、比較例１では、皮膜１６の材質をシリコンとした。また、比較例２では、皮膜１６の材質をクロムとした。また、比較例３では、皮膜１６を除去した。

実施例及び比較例において、第１流路３の直線部２１は、幅×高さを０．１５×０．０５ｍｍとした。また、合流口９の直径は、０．１ｍｍとした。また、第１の液体は水とし、この水に界面活性剤として１ｗｔ％のＳＤＳを混合した。そして、このＳＤＳを含有する水を、第１流路３に５００μＬ／ｍｉｎの流量で供給した。また、第２の液体はドデカンとし、これを第２流路４に供給した。

図３は、第２流路４に供給したドデカンの流量と、生成された液滴の平均滴径との関係を示すグラフである。図３に示すように、実施例では、比較例１〜３に比べて、生成される液滴の径が小さいことが確認できた。したがって、実施例によれば分散性に優れた液滴を生成できることを確認できた。特に、ドデカンの流量が２０μＬ／ｍｉｎ以上の範囲では、この効果が顕著であることが確認できた。

１ マイクロリアクター
２ マイクロリアクター本体
３ 第１流路
４ 第２流路
５ 中央部材
６ 上部部材
７ 下部部材
８ 分離部
９ 合流口
１０ 第１溝
１１ 第２溝
１２ 連通孔
１３ 基部
１６ 皮膜

Claims (4)

1. 第１流路と当該第１流路に合流する第２流路とを内部に有するマイクロリアクター本体を備え、
   前記第１流路は、前記第２流路が合流するように流路面に開口する合流口と、当該合流口から前記第１流路の下流に延びる分離部とを備えており、
   前記分離部は、前記第１流路の凹凸状基部の表面に皮膜がコーティングされることにより凹凸状に形成されているマイクロリアクター。
2. 前記基部が梨地状の凹凸を有する請求項１に記載のマイクロリアクター。
3. 前記皮膜は、シリコンで形成されており、
   前記第１の液体が水であり、前記第２の液体が油である請求項１又は２に記載のマイクロリアクター。
4. 前記皮膜は、クロムで形成されており、
   前記第１の液体が油であり、前記第２の液体が水である請求項１又は２に記載のマイクロリアクター。

Images