JP2011512244A - 相互接続幹線及び多様な流体マイクロ構造が組み込まれた集成マイクロリアクタ - Google Patents

Abstract

流体相互接続幹線(１０)及び複数の流体マイクロ構造(２０，３０，４０)を有する集成マイクロリアクタ(１００)が提供される。流体相互接続幹線(１０)の相互接続流入／流出ポート(１２)が複数の非高分子材相互接続シール(５０)において流体マイクロ構造(２０，３０，４０)のマイクロチャネル流入／流出ポート(１４)とインターフェースされる。相互接続マイクロチャネル(１５)が流体相互接続幹線(１０)によって完全に定められ、別のシールインターフェースの介在なしに非高分子材相互接続シール(５０)の間を延びる。流体マイクロ構造(２０，３０，４０)の少なくとも１つには成形プロセスで形成された混合マイクロ構造を含めることができる。流体マイクロ構造(２０，３０，４０)の別の１つには押出成形されたリアクタ体を含めることができる。流体マイクロ構造(２０，３０，４０)のまた別の１つにはホットプレス法で形成されたクエンチフローまたは加水分解マイクロリアクタを含めることができる。

Description

関連出願の説明

本出願は、２００８年１月３０日に出願された、名称を「相互接続幹線が組み込まれた集成マイクロリアクタ(Microreactor Assembly Incorporating Interconnect Backbone)」とする、欧州特許出願公開第０８３０５０１１.２号に優先権を主張する。

本発明はマイクロリアクタ技術に関する。

マイクロリアクタは普通、マイクロ構造リアクタ、マイクロチャネルリアクタ、またはマイクロ流体デバイスと称される。用いられる特定の名称にかかわらず、マイクロリアクタは移動しているかまたは静止している標的試料が閉じ込められ、処理を受けるデバイスである。いくつかの場合、処理には化学反応の分析が含まれる。別の場合、処理は２つの相異なる反応体を用いる製造プロセスの一環として行われる。また別の場合、移動しているかまたは静止している標的試料は、試料及び付随する熱交換流体の間で熱が交換される間、マイクロリアクタに閉じ込められる。いずれの場合も、閉込空間の寸法は一般に約１ｍｍ程度である。マイクロチャネルはそのような閉込めの最も一般的な形態であり、マイクロリアクタは通常、バッチリアクタとは対照的に、連続流リアクタである。マイクロチャネルの縮小された内部寸法により、質量移行率及び熱伝達速度におけるかなりの向上が得られる。さらに、マイクロリアクタは、エネルギー効率、反応速度、反応収率、安全性、信頼性、スケーラビリティ、等における大きな向上を含む、従来規模のリアクタに優る多くの利点を提供する。

マイクロリアクタは、相互に流通し、マイクロリアクタ内で異なる機能を実行するように構成された、複数の異なる流体マイクロ構造を有することが多い。限定ではなく例として、初めのマイクロ構造は２つの反応体を混合するように構成することができる。以降のマイクロ構造は、熱交換、急冷、加水分解、等のために、あるいは単に混合された反応体に制御された滞留時間をあたえるように、構成することができる。相異なる様々なマイクロ構造は直列または並列の相互流通形態で配置されなければならないことが多い。多くの場合、ネットワーク内の適切なマイクロチャネルに反応体を導くための付帯コンポーネントはかなり複雑になり得る。さらに、そのようなコンポーネントは高温及び高圧の下での動作のために構成される必要がある。この結果、特許文献１に開示されるようなマイクロリアクタ構成では、マイクロリアクタ構成内で様々なマイクロ構造を相互接続するため、流体ダクト、フィッティング、アダプタ、Ｏリング、ねじ、クランプ、及びその他のタイプの接続素子が用いられる。個々の素子のそれぞれはシステムの複雑さを高め、システム内の潜在的な漏洩源またはその他のエラー源である。本発明は全般的に、上述した接続素子の多くの使用を減じ、その上に様々な異なるマイクロリアクタ構造が支持され、相互流通形態で配置される、共通流通プラットフォームを提供する、集成マイクロリアクタの構成に関する。

国際公開第２００７/０３６５１３号パンフレット

本発明の課題は、マイクロリアクタ用いられる様々な接側素子の数を減じ、よってマイクロリアクタの複雑さを低め、潜在的な漏洩源またはその他のエラー源を減じることができる、集成マイクロリアクタの構成を提供することである。

本発明の一実施形態にしたがえば、流体相互接続幹線及び複数の流体マイクロ構造を有する集成マイクロリアクタが提供される。流体相互接続幹線の相互接続流入／流出ポートは、複数の非高分子材相互接続シールにおいて流体マイクロ構造のマイクロチャネル流入／流出ポートとインターフェースされる。相互接続マイクロチャネルは流体相互接続幹線によって完全に定められ、別のシールインターフェースが介在することなく、非高分子材シールの間を延びる。流体マイクロ構造の内の少なくとも１つには成形プロセスで形成された混合マイクロ構造を含めることができる。別の流体マイクロ構造には押出成形されたリアクタ体を含めることができる。また別の流体マイクロ構造にはホットプレス法で形成されたクエンチフローマイクロリアクタまたは加水分解マイクロリアクタを含めることができる。

図１は本発明の一実施形態にしたがう集成マイクロリアクタの略図である。 図１Ａは非高分子材相互接続シールを有する集成マイクロリアクタ部分の別の構成を示す。 図１Ｂは非高分子材相互接続シールを有する集成マイクロリアクタ部分のまた別の構成を示す。 図２は本発明の別の実施形態にしたがう集成マイクロリアクタの略図である。 図３は本発明のまた別の実施形態にしたがう集成マイクロリアクタの略図である。 図４は本発明のまた別の実施形態にしたがう集成マイクロリアクタの略図である。 図５は本発明にしたがう集成マイクロリアクタに用いるに適するミニリアクタ構造の特定の態様を示す。 図６は本発明にしたがう集成マイクロリアクタに用いるに適するミニリアクタ構造の特定の態様を示す。 図７は本発明にしたがう集成マイクロリアクタに用いるに適するミニリアクタ構造の特定の態様を示す。

本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、添付される図面とともに読むと最善に理解され得る。図面において、同様の構造は同様の参照数字で示される。

図１を参照すれば、本発明の一実施形態にしたがう集成マイクロリアクタ１００が示されている。全般に、集成マイクロリアクタ１００は流体相互接続幹線１０及び複数の流体マイクロ構造２０，３０，４０を有する。流体相互接続幹線１０は、それぞれが相互接続流入／流出ポート１２を有する、多くの相互接続マイクロチャネル１５を有する。同様に、流体マイクロ構造２０，３０，４０のそれぞれは複数の流体マイクロチャネル及びそれぞれのマイクロチャネル流入／流出ポート１４を有する。

本発明は特定のマイクロリアクタ構成の使用または特定のマイクロ構造の使用に限定されないが、図示される実施形態において、第１のマイクロ構造２０は２つの反応体を混合するため、及び反応体と熱流体の間の熱交換を与えるために構成することができる。この目的のため、第１のマイクロ構造２０は一般に反応体を複数の反応体流路にかけて分配するように構成された流体マイクロチャネルを有するであろう。続いて、これらの反応体流路のそれぞれは、反応体が混ぜ合わさり、反応する、第１のマイクロ構造２０内の混合域に導かれるであろう。さらに、第１のマイクロ構造２０は流体マイクロチャネル内の反応体流体と熱流体マイクロチャネル内の熱流体の間の熱交換のために構成された熱流体マイクロチャネルを有することもできる。あるいは、第１のマイクロ構造２０はただ単機能マイクロ構造として、すなわち、流体分配マイクロ構造、熱交換マイクロ構造または反応体混合マイクロ構造として、構成することができる。これらの機能のいずれかの組合せに対する流体マイクロ構造の特定の設計は、コーニング社(Corning Incorporated)社の欧州特許出願公開第１６７９１１５Ａ１号、第１８５４５３６Ａ１号、第１６０４７３３Ａ１号、第１７２０６５０Ａ０号の明細書及びその他の同様に類別された欧州特許明細書と欧州特許出願明細書に提示される教示を含む、技術上の様々な教示から得ることができる。

第２のマイクロ構造３０は第１のマイクロ構造２０の下流に示され、図示される実施形態においては、主に反応体の内部滞留時間を長くする大容積マイクロチャネルを提供するように構成されたミニリアクタとして構成される。あるいは、またはさらに、第２のマイクロ構造３０は第１のマイクロ構造２０を参照して説明した機能、すなわち、流体分配、熱交換、反応体混合の様々な組合せを実行するように構成することができる。図５〜７を参照すれば、ミニリアクタ３０は押出成形ハニカム構造６０として作成することができ、ハニカム構造６０は熱流体流路及び反応体流路としてそれぞれ指定された特定の軸方向流路６２を有する。図６及び７に示されるように、ハニカム構造内の滞留時間は、軸方向ハニカム流路６２の選択された末端６４を塞ぎ、塞がれた末端６４の近くでハニカム壁６６の一部を除去して隣接流路と相互に流通させ、ハニカム構造６０内に遠回りの流路を定めることによって、長くすることができる。図６及び７に示される流路は説明の目的にために提示されるに過ぎず、本発明を実施する当業者には当然であろうように、一層複雑であるかまたはそれほど複雑ではない様々な流路を、閉塞及び壁除去のための特定の流路を選択することによって構成することができる。

第３のマイクロ構造は図１において第１及び第２のマイクロ構造の下流に示され、図示される実施形態において、主に、マイクロチャネルクエンチフローまたは加水分解マイクロリアクタに対する場合であろうように、圧力降下が低く、流れ抵抗が小さいことが重要である動作に対して一般に用いられる、チャネルが比較的大きいマイクロリアクタとして構成される。

一般に、マイクロ構造２０，３０，４０は、それぞれのマイクロ構造が異なる機能または機能の異なる組合せを実行するように構成される場合は特に、２つないしさらに多くの異なる作成方法で形成されるであろう。例えば、第１のマイクロ構造２０が主に反応体混合のために構成される場合は様々なフラットモールディングプロセスで形成することができ、第２のマイクロ構造３０がミニリアクタとして構成される場合は押出成形プロセスによって形成することができ、第３のマイクロ構造４０がクエンチフローまたは加水分解マイクロリアクタとして構成される場合はホットプレス法で形成することができる。これらの全ては上に挙げた特許出願明細書に説明されている。この可能であり得る多様な構成形態が与えられれば、本明細書に説明される様々な流体相互接続幹線１０により、他の場合には共通の相互接続幹線上に集成することができないであろう様々な異なるプロトコルの下で作成することができた流体マイクロ構造を用いて集成共通幹線マイクロリアクタを本発明を実施する当業者が構成することが可能になる。

この目的のため、相互接続流入／流出口１２に付帯する複数の非高分子材相互接続シール５０を有する集成マイクロリアクタ１００が提供される。さらに詳しくは、流体相互接続幹線１０の相互接続流入／流出ポート１２は非高分子材相互接続シール５０の１つにおいて流体マイクロ構造２０，３０，４０のマイクロチャネル流入／流出ポート１４とインターフェースされる。非高分子材相互接続シール５０は様々な仕方で形成することができる。一実施形態において、非高分子材相互接続シール５０は、流体相互接続幹線１０及び流体マイクロ構造２０，３０，４０の隣接する焼結ガラス部分として形成することができる。あるいは、図１Ａ及び１Ｂを参照すれば、非高分子材相互接続シール５０は、隣接する流体相互接続幹線１０の焼結ガラス部分と流体マイクロ構造２０，３０，４０の間に配された離散または連続する焼結ガラス粒子層５２を設けることによって形成することができる。

離散または連続する焼結ガラス粒子層が非高分子材相互接続シール５０を形成するために利用される場合、隣接する流体相互接続幹線１０のガラス部分と流体マイクロ構造２０，３０，４０の線膨張係数と同等の線膨張係数を示す焼結ガラス粒子を与えることが有利であり得る。焼結ガラス粒子及び、パラフィンのような、結合剤を含むペーストとして焼結ガラス粒子層を与えることも好ましいことであり得る。また別の実施形態において、非高分子材相互接続シール５０は、流体マイクロ構造の１つのガラスまたはセラミックの部分、流体相互接続幹線のガラスまたはセラミックの部分及び介在する非高分子材結合材料によって共同形成される、シールインターフェースを有する。いずれの場合にも、相互接続シール５０には、比較的高いかまたは比較的低い動作温度、すなわち高分子材シールが壊れるかまたは劣化する温度における改善された性能のために非高分子材が選ばれる。

相互接続マイクロチャネル１５は流体相互接続幹線によって完全に定められ、例えば、別途に流体マイクロ構造２０，３０，４０を結合するために配管、コネクタ、バルブまたはその他の流体ハンドリングハードウエアが用いられる場合には存在するであろう、別のシールインターフェースが介在することなく、非高分子材シール５０の間を延びる。図１に示されるように、流体相互接続幹線１０のそれぞれの相互接続流入／流出ポート１２は高分子材相互接続シール５０の１つにおいて、対応する、流体マイクロ構造２０，３０，４０の１つのマイクロチャネルの１つのマイクロチャネル流入／流出ポート１４とインターフェースされる。この結果、集成マイクロリアクタ１００は相互接続幹線１０を利用して流体マイクロ構造２０，３０，４０との間の−耐薬品性及び動作圧力及び動作温度に関して−性能の高い接続を備える。相互接続幹線１０はまた、マイクロ構造と付随する固定及びシール形成ハードウエアの間の外部接続の数を大きく減じることによって、集成マイクロリアクタ１００を単純化する。

さらに、相互接続幹線１０は、熱相互接続マイクロチャネル１６を組み込むように構成することもできるから、集成マイクロリアクタにおけるプロセス制御を向上させることができる。さらに詳しくは、図１，３及び４をまとめて参照すれば、流体マイクロ構造２０，３０，４０のいずれかがマイクロ構造の隣接するマイクロチャネルを流過している反応体流体と熱流体の間の熱交換のために構成された熱流体マイクロチャネルを有するべきであれば、熱相互接続マイクロチャネル１６を、別の非高分子材相互接続シール５０を介して、流体マイクロ構造２０，３０，４０の熱流体マイクロチャネルと流通する態様で配置することができる。

図１に示されるように、流体相互接続幹線１０は、多層マニホールドの個々の層が複数の独立な相互接続マイクロチャネルに集まるように構成された、層間開口及び層内塞栓のネットワークを有する、多層マニホールドとして構成することができる。この結果、流体相互接続幹線１０は様々な複雑さをもつ様々な流体マイクロ構造を補足するように構成することができる。層間開口のそれぞれの位置は、相互接続流入／流出ポート１２が様々な流体マイクロ構造の標準Ｉ/Ｏパターンまたは高度に特殊化された用途のための専用Ｉ/Ｏパターンを補足するように、選ぶことができる。さらに、改質することができるガラス、セラミックまたは複合材料で相互接続幹線１０を構成することによって、層間開口のそれぞれの寸法、位置及び形状を様々な技術用途に整合するように専用化することができる。

上述したように、流体マイクロ構造２０，３０，４０は、例えば、射出成形、フラットモールディング、ホットプレス、押出成形、等を含む、複数の異なる作成プロセスに相応する多様な流体マイクロ構造のセットを定めることができる。この状況において、非高分子材相互接続シール５０は相互接続流入／流出ポート１２を、多様な流体マイクロ構造２０，３０，４０の対応するマイクロチャネル流入／流出ポート１４と、それぞれの相互接続流入／流出ポート１２が実質的に同等、すなわち、同じ相互接続幹線１０−一意的構造−で形成されていても、インターフェースすることができる。この結果、本発明の実施において、相互接続幹線１０は、様々な異なる構造形状及び、流体分配、熱交換、反応体混合、クエンチフロー、加水分解、滞留時間整定及びこれらの組合せを含むが、これらには限定されない、マイクロリアクタ機能を定める、流体マイクロ構造２０，３０，４０との非高分子材相互接続シールを形成するために利用することができる。

本発明にしたがう集成マイクロリアクタ１００，特に流体マイクロ構造が複数の異なる作成プロセスに相応する集成マイクロリアクタを作成するために、複数の異なる作成プロセスのそれぞれが共通の焼結工程を含むように作成方式を調整することができる場合が多いであろう。この場合、非高分子材相互接続シールは共通焼結工程の実行時に形成することができる。さらに詳しくは、流体相互接続幹線１０及び複数の異なる流体マイクロ構造２０，３０，４０を有する集成マイクロリアクタ１００が与えられれば、初めに流体相互接続幹線１０を流体マイクロ構造２０，３０，４０に、マイクロチャネル流入／流出ポート１４を適切に配置された相互接続流入／流出ポート１２に位置合せすることによって、位置合せすることができる。位置合せがなされると、位置合せされた状態で集成マイクロリアクタ１００全体が焼結されて、非高分子材相互接続シール５０が形成され、様々な流体マイクロ構造２０，３０，４０の未焼結部分すなわち「生地」部分の作成が完了する。

図４を参照すれば、上述した一括焼結を容易にするため、流体相互接続幹線１０及び流体マイクロ構造２０，３０，４０を、マイクロ構造及び幹線がそれに沿って支持され得る支持面を選ばれたマイクロ構造が定めるように、構成することができる。例えば、図４においては、一組の流体マイクロ構造４０が相互接続幹線１０の下面に配置されて支持面を定める。残りの流体マイクロ構造２０，３０は相互接続幹線１０の上面に配置される。この構成及びこれと同様の構成が与えられれば、流体マイクロ構造のコンポーネントが未焼結生地状態にあり、配置されたまま、上述した焼結工程にかけることができる集成状態で、相互接続幹線１０及び流体マイクロ構造２０，３０，４０を焼結支持面７０によって支持することができる。

マイクロリアクタ技術に詳しい当業者には理解されるであろうように、本明細書に説明される反応体マイクロチャネル及び熱交換マイクロチャネルの複雑さは広範に変わることができ、比較的単純な略図形態で示されているに過ぎない。例えば、本発明にしたがう比較的単純な集成マイクロリアクタ１００が図２に示されているが、図３及び４にはさらに複雑な集成マイクロリアクタ１００が示されている。図３では、チャネルが比較的大きいマイクロロアクタ４０が一対の混合マイクロ構造２０を相互接続するために用いられ、それぞれのマイクロリアクタ３０が対応する混合マイクロ構造の上に積み重ねられている。

特定の特性を、または特定の態様で機能を具現化するために特定の仕方で「構成される」本発明のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的とされる用途の記述とは対照的に、構造の記述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成される」態様への本明細書における言及はコンポーネントの実在の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造特性の明確な叙述として解されるべきである。

本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」は、本明細書において、いずれかの量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因し得る固有の不確定性の大きさを表すために用いられることに注意されたい。

本発明を詳細に、また本発明の特定の実施形態を参照して、説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本発明のいくつかの態様は本明細書において好ましいかまたは特に有利であるとされているが、本発明は本発明のそのような好ましい態様に必ずしも限定されることにはならないと考えられる。

１０ 流体相互接続幹線
１２ 相互接続流入／流出ポート
１４ マイクロチャネル流入／流出ポート
１５ 相互接続マイクロチャネル
１６ 熱相互接続マイクロチャネル
２０，３０，４０ 流体マイクロ構造
５０ 非高分子材相互接続シール
５２ 焼結ガラス粒子層
６０ ハニカム構造
６２ 軸方向流路
６４ 流路末端
６６ ハニカム壁
７０ 焼結支持面
１００ 集成マイクロリアクタ

Claims (5)

1. 流体相互接続幹線及び複数の流体マイクロ構造を有する集成マイクロリアクタにおいて、
   前記流体マイクロ構造のそれぞれが、それぞれのマイクロチャネル流入／流出ポートを有する、複数の流体マイクロチャネルを有し、
   前記流体相互接続幹線が、相互接続流入／流出ポートを有する、少なくとも１つの相互接続マイクロチャネルを有し、
   前記集成マイクロリアクタが、前記相互接続流入／流出ポートに付帯する、複数の非高分子材相互接続シールを有し、
   前記流体相互接続幹線の前記相互接続流入／流出ポートが前記非高分子材相互接続シールの１つにおいて前記流体マイクロ構造の前記マイクロチャネル流入／流出ポートとインターフェースされ、
   前記相互接続マイクロチャネルが前記流体相互接続幹線によって完全に定められ、別のシールインターフェースの介在なしに前記非高分子材相互接続シールの間を延びるように構成される、
   ことを特徴とする集成マイクロリアクタ。
2. 前記複数の流体マイクロ構造の少なくとも１つが成形プロセスで形成された混合マイクロ構造を含み、
   前記複数の流体マイクロ構造の少なくとも１つが押出成形リアクタ体を含み、
   前記複数の流体マイクロ構造の少なくとも１つがホットプレス法で形成されたクエンチフローまたは加水分解マイクロリアクタを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集成マイクロリアクタ。
3. 前記複数の流体マイクロ構造が、射出成形、フラットモールディング、ホットプレス、押出成形及びこれらの組合せから選ばれる複数の異なる作成プロセスに相応する、それぞれのマイクロ構造形状を有する多様な流体マイクロ構造セットを定め、
   前記相互接続幹線の前記相互接続流入／流出ポートのそれぞれの構成が実質的に同等であり、
   前記非高分子材相互接続シールが前記実質的に同等な相互接続流入／流出ポートを前記多様な流体マイクロ構造セットの対応するマイクロチャネル流入／流出ポートとインターフェースするように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集成マイクロリアクタ。
4. 前記複数の流体マイクロ構造が、流体分配、熱交換、反応体混合、クエンチフロー、加水分解、滞留時間整定及びこれらの組合せから選ばれる複数の異なるマイクロリアクタ機能を含む、多様な流体マイクロリアクタ機能セットを定め、
   前記相互接続幹線の前記相互接続流入／流出ポートのそれぞれの構成が実質的に同等であり、
   前記非高分子材相互接続シールが前記実質的に同等な相互接続流入／流出ポートを前記多様な流体マイクロリアクタ機能セットの対応するマイクロチャネル流入／流出ポートとインターフェースするように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集成マイクロリアクタ。
5. 前記複数の流体マイクロ構造が、流体分配マイクロ構造、熱交換マイクロ構造、反応体混合マイクロ構造、クエンチフローマイクロ構造、加水分解マイクロ構造及びこれらの組合せから選ばれる複数の異なる構造形状を含む多様なマイクロリアクタ構造セットを定め、
   前記相互接続幹線の前記相互接続流入／流出ポートのそれぞれの構成が実質的に同等であり、
   前記非高分子材相互接続シールが前記実質的に同等な相互接続流入／流出ポートを前記多様なマイクロリアクタ構造セットの対応するマイクロチャネル流入／流出ポートとインターフェースするように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の集成マイクロリアクタ。

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