JP2013522035A - マイクロリアクタ - Google Patents

Abstract

マイクロリアクタは、外側曲面および内側曲面を有し、遠心力を発生させるように構成された少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルを有する反応チャネルと、少なくとも１つの反応物質を反応チャネル内に供給するように構成された入口と、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの内側曲面と連通する第１の部分出口および少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの外側曲面と連通する第２の部分出口に分岐する出口とを含んでよい。

Description

マイクロシステムは、電子回路によらない機能、たとえば検知および作動を実行する小形のデバイスである。マイクロシステムは、化学反応および／または生化学反応を生じさせるマイクロリアクタと、分離工程および／または分析工程を実行する１つまたは複数のユニットとを含む。マイクロリアクタは、典型的な横方向寸法が１ｍｍよりも小さく、化学反応および／または生化学反応を生じさせる封じ込め部を含み、このような封じ込め部の最も典型的な形態はマイクロチャネルである。マイクロリアクタは、化学反応および／または生化学反応のより簡単なプロセス制御を可能にし、不要な副反応が生じる可能性を低下させる。したがって、このようなマイクロリアクタをさまざまな種類の化学反応および／または生化学反応に適用することに関心が抱かれている。

以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照する。図面において、同様の記号は通常、文脈上異なる構成要素を示す場合を除き同様の構成要素を示す。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲において説明する例示的な実施形態は制限的なものではない。本明細書に示す主題の趣旨および範囲から逸脱せずに、他の実施形態を利用してよく、かつ他の変更を施してもよい。本明細書において概略的に説明し各図に示されている本開示の各態様は、すべてが本明細書において明示的に企図される、さまざまな異なる構成における配置、置換、組み合わせ、分離、および設計が可能であることが容易に理解されよう。

マイクロリアクタの例示的な実施形態を示す概略図である。 図１Ａのマイクロリアクタの平面図である。 マイクロリアクタの他の例示的な実施形態を示す概略分解図である。 図２Ａのマイクロリアクタの三次元らせん構成を示す概略図である。 マイクロリアクタの他の例示的な実施形態を示す概略分解図である。 マイクロリアクタの他の例示的な実施形態の概略図である。 図４Ａのマイクロリアクタの平面図である。 網状フィルタを含む図４Ａのマイクロリアクタの概略図である。 邪魔板を含む図４Ａのマイクロリアクタの概略図である。

本明細書では、用語「相」は、ある物質の物理的に特徴的な形態を指す。たとえば、ある物質の相は、気相、液相、および固体の相のような物質の既知の状態を含んでよい。また、物質の相には、気液混合相、気固混合相、液固混合相、および気液固混合相のようなあらゆる混合状態を含めてもよい。気相の物質は、液相の物質よりも密度が低く、液相の物質は固相の物質よりも密度が低い。したがって、説明のために、以下では、気相の物質は液相または固相の物質に対してより軽い相の物質であると言い、液相または気液混合相の物質は固相の物質に対してより軽い相の物質であると言う。また、以下では、固相の物質は気相、液相、または気液混合相の物質に対してより重い相の物質であると言い、液相の物質は気相の物質に対してより重い相の物質であると言う。

本明細書では、「生成物」は反応時に形成される物質を指す。たとえば、引用によって本明細書に全体が組み込まれるInternational Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (1997)を参照されたい。本明細書では、用語「反応物質（複数可）」は、マイクロリアクタに進入する元の物質を指す。本明細書では、用語「反応」は、１つまたは複数の物質が他の１つまたは複数の物質に転換されるプロセスを指す。本明細書では、用語「反応する」、「反応した」、および「反応している」は、本明細書で定義される反応が生じていることを意味する。

少なくとも１つの反応物質は、化学反応または生化学反応によって１つまたは複数の生成物を生成することができる。反応は、おおざっぱに化合、分解、置換、および複分解に分類することができる。一例として、化合反応では、２つ以上の反応物質を化合して単一の生成物を生成することができる。分解反応では、１つの反応物質を２つ以上の生成物に分離することができる。また、置換反応および複分解反応では、２つ以上の生成物を生成するように２つ以上の反応物質中の構成要素を入れ替えることができる。

一実施形態では、マイクロリアクタは、外側曲面および内側曲面を有し、遠心力を発生させるように構成された、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルを有する反応チャネルと、少なくとも１つの反応物質を反応チャネルに供給するように構成された入口と、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの内側曲面と連通する第１の部分出口および少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの外側曲面と連通する第２の部分出口に分岐する出口とを含む。

いくつかの実施形態では、入口は、反応チャネルの一方の端部に連結されてもよく、出口は、反応チャネルの他方の端部に連結されてもよい。入口は１つの経路または通路として形成されてもよく、一方、出口は、２つの部分出口、すなわち第１の部分出口および第２の部分出口に分岐するように形成されてもよい。第１の部分出口は、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの内側曲面から延ばしてもよく、一方、第２の部分出口は、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの外側曲面から延ばしてもよい。したがって、第１の部分出口は、第２の部分出口と比べて、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの中心のより近くに位置してもよい。

反応チャネルは少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルを含むので、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの湾曲によって遠心力を発生させることができる。発生した遠心力を、曲線状マイクロチャネル内を流れる反応物質または生成物のような物質に加えてもよく、物質が曲線状マイクロチャネルの湾曲の中心から遠ざかってもよい。

曲線状マイクロチャネル内の遠心力Ｆは、数式Ｆ＝ｍｖ^２／ｒによって表すことができ、この場合、ｍは、曲線状マイクロチャネル内を流れる物質の質量（または密度）であり、ｒは、曲線状マイクロチャネルの曲率半径である。したがって、曲線状マイクロチャネル内を流れる物質に加えられる遠心力は物質の質量または密度に比例する。したがって、より低い密度を有するより軽い相の物質は、曲線状マイクロチャネルの内側曲面に沿って流れる傾向があり、一方、より高い密度を有するより重い相の物質は、曲線状マイクロチャネルの外側曲面に沿って流れる傾向がある。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの各々は、サブミリメートルからミリメートルの範囲の幅または深さを有してよい。たとえば、深さ値または幅値は、約３ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、または約０．１ｍｍ以下である。少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの長さは任意の寸法であってよい。いくつかの実施形態では、マイクロチャネルの長さは数インチ程度であってよい（１インチ＝２．５４ｃｍ）。たとえば、マイクロチャネルの長さは約６インチ（１５．２４ｃｍ）、約３インチ（７．６２ｃｍ）、約１インチ（２．５４ｃｍ）、または約０．５インチ（１．２７ｃｍ）以下である。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの長さ方向の寸法は可変であっても一定であってもよい。たとえば、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルは、三次元らせん反応チャネルまたはサイクロン型反応チャネルを形成するように構成される。

いくつかの実施形態では、反応チャネルの少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの一部は実質的に半円形または半楕円形を有してよい。少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの断面は、たとえば、矩形、方形、台形、三角形、円形、または半円形などであるがそれらに限らない任意の形状であってよい。

いくつかの実施形態では、生成物または副産物は、少なくとも１つの反応物質によって形成されても、あるいは反応チャネル内の少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内を流れる２つ以上の反応物質同士の反応によって形成されてもよい。副産物には、反応によって生成された任意の種類の生成物系および／または廃棄物系を含めてもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの反応物質、生成物、および副産物は互いに異なる相を有してもよい。一例として、反応チャネル内を流れる物質（たとえば、反応物質、生成物、および／または副産物）は、気液混合相、気固混合相、液固混合相、および気液固混合相のような複数の相を形成してもよい。

少なくとも２つの異なる相を有する物質が少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内を流れるとき、各物質は、その相に応じて異なるように、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内で発生した遠心力を受ける。上述のように、遠心力は、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内を流れる各物質の質量または密度に比例する。したがって、これらの物質、すなわち、少なくとも１つの反応物質、生成物および副産物のうちで、より軽い相を有する物質は、加えられる遠心力が比較的小さいので曲線状マイクロチャネル内の内側曲面に沿って流れる傾向があり、したがって、この物質は、内側曲面から延ばされた第１の部分出口を通じて収集することができる。それに対して、より重い相を有する物質は、加えられる遠心力が比較的大きいので曲線状マイクロチャネル内の外側曲面に沿って流れる傾向があり、そのため、この物質は、外側曲面から延ばされた第２の部分出口を通じて収集することができる。したがって、少なくとも１つの反応物質、生成物および副産物は、反応チャネルの少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内のさまざまな経路内を流れることができ、そのため、各々の相に応じて第１の部分出口および第２の部分出口から別々に収集することができる。その結果、マイクロリアクタを使用することによって、複数の物理相を有する物質を各々の相に応じて互いに容易にかつ効率的に分離することができる。

一実施形態では、マイクロリアクタを使用して化学反応および／または生化学反応のようなさまざまな種類の反応を実施してもよい。いくつかの実施形態では、マイクロリアクタを使用して、生成物および／または副産物が反応物質に対して異なる相を有する反応を実施してもよい。

一実施形態では、マイクロリアクタ内を流れる少なくとも１つの反応物質は、マイクロリアクタにおける反応時に生成物および／または副産物を生成する任意の物質であってよい。一例として、少なくとも１つの反応物質は、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する任意の物質であってよい。反応時に少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内を流れる少なくとも１つの反応物質から生成される生成物は、気相、液相、気液混合相、液固混合相、および固相のいずれか１つを有してよい。少なくとも１つの反応物質から任意に生成される副産物は、液相、液固混合相、および固相のいずれか１つを有してよい。

一実施形態では、マイクロリアクタは、パターン化、フォトリソグラフィ、およびエッチングのようなさまざまな公知の微細加工技術のいずれかを使用することによって製造することができる。一例として、マイクロリアクタは、金属、シリコン、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、ガラス、セラミック、プラスチック、ポリマーなどの基板に対して微細加工プロセスを実施することによって製造されてもよい。一例として、Ｘ線リソグラフィを使用したＬＩＧＡ（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｉｎｇ Ａｂｆｏｒｍｉｎｇ）技術、ＥＰＯＮ ＳＵ−８（商標）を使用した高アスペクト比フォトリソグラフィ、マイクロ放電加工（．ｍｕ．−ＥＤＭ）、深掘りＲＩＥ（ｄｅｅｐ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）によるシリコンの高アスペクト比加工、ホットエンボス加工、ステレオリソグラフィ、レーザマシーニング、イオンビームマシーニング、およびダイヤモンドなどの硬質の物質によって作られたマイクロツール使用した機械的マイクロ切削を微細加工技術として使用してもよい。これらの技術のいずれかを単独で使用しても２つ以上の技術を組み合わせてもよい。微細加工技術の詳細については、たとえば、引用によって全体が本明細書に組み込まれる、「Microreactors, Epoch-making Technology for Synthesis」（吉田潤一編、ＣＭＣ出版発行、２００３年）および「Fine Processing Technology, Application Volume--Application to Photonics, Electronics and Mechatronics--」（高分子学会委員会編、日本、エヌ・ティー・エス発行、２００３年）に記載された方法を参照されたい。

別の実施形態では、マイクロリアクタは、外側および内側の曲面を有し、遠心力を発生させるように構成された実質的に円形の反応マイクロチャネルを含んでよい。マイクロリアクタは、少なくとも１つの固体触媒粒子および少なくとも１つの反応物質を実質的に円形の反応マイクロチャネル内に供給するように構成された入口と、実質的に円形の反応マイクロチャネルの内側曲面と連通する出口とをさらに含んでよい。少なくとも１つの反応物質は、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有してよい。

マイクロリアクタは実質的に円形の反応マイクロチャネルを含むので、実質的に円形の反応マイクロチャネルの湾曲によって遠心力を発生させることができる。したがって、少なくとも１つの固体触媒粒子および実質的に円形の反応マイクロチャネル内を流れる少なくとも１つの反応物質に遠心力を加えることができる。実質的に円形の反応マイクロチャネル内を流れる少なくとも１つの反応物質にマイクロリアクタ内で触媒反応を生じさせて生成物を含む物質を形成することができる。

いくつかの実施形態では、マイクロリアクタを使用し、少なくとも１つの固体触媒粒子を使用して任意の触媒反応を実施することができる。いくつかの実施形態では、マイクロリアクタを使用し、少なくとも１つの固体触媒粒子および少なくとも１つの反応物質を使用して触媒反応を実施することができる。固体触媒粒子と気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する少なくとも１つの反応物質との触媒反応によって、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する生成物を形成することができる。上述のように、円形の反応物マイクロチャネル内を流れる物質に異なるように遠心力を加えることができる。したがって、触媒粒子と触媒反応によって形成された生成物とは、異なる遠心力を受けることができる。たとえば、実質的に円形の反応マイクロチャネル内を流れる少なくとも１つの固体触媒粒子は、どちらもそれぞれ、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する、少なくとも１つの反応物質および生成物と比べて、より大きな遠心力を受けることができる。したがって、少なくとも１つの触媒粒子は、比較的大きい遠心力を受けるので実質的に円形の反応マイクロチャネル内の外側円形面に沿って流れ、そのため、遠心力が発生する反応マイクロチャネルの中心から遠ざけられる。それに対して、少なくとも１つの反応物質および生成物は、比較的小さい遠心力を受けるので実質的に円形の反応マイクロチャネル内の内側円形面に沿って流れ、したがって、反応マイクロチャネルの内側曲面内を流れる。そのため、少なくとも１つの反応物質および気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する生成物を含む物質を、内側曲面と連通する出口から収集することができ、一方、少なくとも１つの触媒固体粒子は実質的に円形の反応マイクロチャネルに残る。

いくつかの実施形態では、実質的に円形の反応マイクロチャネルは、少なくとも１つの固体触媒粒子を外側曲面に沿って循環させるように構成される。したがって、少なくとも１つの反応物質が連続的にマイクロリアクタ内に供給される限り、マイクロリアクタ内に残る少なくとも１つの触媒固体粒子を連続的に触媒反応に使用することができる。

いくつかの実施形態では、入口は、実質的に円形の反応マイクロチャネルの外側曲面に接線方向に連結されてもよい。出口は、実質的に円形の反応マイクロチャネルの内側曲面から形成されてもよい。一例として、出口は、入口から離れ実質的に円形の反応マイクロチャネルの中心に近い位置に、実質的に円形の反応マイクロチャネルの内側曲面から形成されてもよく、したがって、少なくとも１つの反応物質は、マイクロチャネル内の少なくとも１つの固体触媒粒子と接触することによって実質的に生成物に転換することができる。出口が入口から離れていると、少なくとも１つの反応物質が少なくとも１つの固体触媒粒子に十分な時間にわたって接触できるように少なくとも１つの反応物質を実質的に円形の反応マイクロチャネルに沿って循環させることができる。

具体的に言えば、入口は、連結点の所で実質的に円形の反応マイクロチャネルに連結されてよく、出口は、分岐点の所で実質的に円形の反応マイクロチャネルから分岐されてよい。一例として、実質的に円形の反応マイクロチャネルに沿った連結点と分岐点の間の角度は、約２５０度である。たとえば、実質的に円形の反応マイクロチャネルに沿った連結点と分岐点との間の角度は、約２５０度から約３６０度まで、約２６０度から約３６０度まで、約２７０度から約３６０度まで、約２８０度から約３６０度まで、約２９０度から約３６０度まで、約３００度から３６０度まで、約３１０度から約３６０度まで、約３２０度から約３６０度まで、約３３０度から約３６０度まで、約３４０度から約３６０度まで、約３５０度から約３６０度まで、約２５０度から約２６０度まで、約２５０度から約２７０度まで、約２５０度から約２８０度まで、約２５０度から約２９０度まで、約２５０度から約３００度まで、約２５０度から約３１０度まで、約２５０度から約３２０度まで、約２５０度から約３３０度まで、約２５０度から約３４０度まで、または約２５０度から約３５０度までであってよいが、それらに限らない。たとえば、実質的に円形の反応マイクロチャネルに沿った連結点と分岐点との間の角度は、約２５０度、約２６０度、約２７０度、約２８０度、約２９０度、約３００度、約３１０度、約３２０度、約３３０度、約３４０度、または約３５０度であってよいが、それらに限らない。

いくつかの実施形態では、マイクロリアクタは、少なくとも１つの固体触媒粒子が出口に流入するのを防止するように構成されたフィルタリングデバイスをさらに含んでよい。一例として、フィルタリングデバイスは網状フィルタまたは邪魔板を含んでもよい。たとえば、網状フィルタは、金属またはガラスを使用して製造されてもよい。網状フィルタは、少なくとも１つの固体触媒粒子が出口から流出するのを防止するように少なくとも１つの固体触媒粒子の特定のサイズよりも小さいメッシュサイズを有してよい。

いくつかの実施形態では、実質的に円形の反応マイクロチャネルは、サブミリメートルからミリメートルの範囲内の幅または深さを有してよい。一例として、深さ値または幅値は、約３ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、または約０．１ｍｍ以下である。実質的に円形の反応マイクロチャネルの長さは任意の寸法であってよい。いくつかの実施形態では、実質的に円形の反応マイクロチャネルの長さは数インチ程度であってよい（１インチ＝２．５４ｃｍ）。一例として、実質的に円形の反応マイクロチャネルの長さは、約６インチ（１５．２４ｃｍ）、約３インチ（７．６２ｃｍ）、約１インチ（２．５４ｃｍ）、または約０．５インチ（１．２７ｃｍ）以下である。いくつかの実施形態では、実質的に円形の反応マイクロチャネルの長さ方向の寸法は可変であっても一定であってもよい。いくつかの実施形態では、実質的に円形の反応マイクロチャネルの断面は、たとえば、矩形、方形、台形、三角形、円形、または半円形などであるがそれらに限らない任意の形状であってよい。

他の実施形態では、反応方法は、少なくとも１つの反応物質を、曲線状マイクロチャネルを有するマイクロリアクタ内に流すことと、少なくとも１つの反応物質を曲線状マイクロチャネル内で少なくとも１つの生成物に転換することと、少なくとも１つの生成物を、少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、曲線状マイクロチャネルの内側曲面または曲線状マイクロチャネルの外側曲面のいずれかに沿って流すこととを含んでよい。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの生成物は、より軽い相の第１の生成物とより重い相の第２の生成物とを有する。また、少なくとも１つの生成物を、少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、曲線状マイクロチャネルの内側曲面または曲線状マイクロチャネルの外側曲面のいずれかに沿って流すことは、曲線状マイクロチャネル内で遠心力を発生させることと、第１の生成物を曲線状マイクロチャネルの内側曲面に沿って流し、第２の生成物を曲線状マイクロチャネルの外側曲面に沿って流すこととを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、反応方法は、曲線状マイクロチャネルのそれぞれ内側曲面および外側曲面と連通する第１の出口および第２の出口を使用することによって、第１の生成物と第２の生成物を別々に収集することをさらに含んでもよい。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの反応物質をマイクロリアクタ内に流すことは、少なくとも１つの固体触媒粒子を曲線状マイクロチャネル内に流し、少なくとも１つの固体触媒粒子と少なくとも１つの反応物質との触媒反応を生じさせることを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの反応物質と少なくとも１つの生成物の各々は、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有してよい。また、少なくとも１つの生成物を、少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、曲線状マイクロチャネルの内側曲面または曲線状マイクロチャネルの外側曲面のいずれかに沿って流すことは、曲線状マイクロチャネル内で遠心力を発生させることと、少なくとも１つの生成物を曲線状マイクロチャネルの内側曲面に沿って流し、さらに、少なくとも１つの固体触媒流体を曲線状マイクロチャネルの外側曲面に沿って流すこととを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、反応方法は、曲線状マイクロチャネルの内側曲面と連通する出口から少なくとも１つの生成物を収集することをさらに含んでもよい。反応方法は、少なくとも１つの固体粒子を曲線状マイクロチャネル内を循環させることをさらに含んでもよい。

マイクロリアクタを使用して、化学反応および／または生化学反応のようなさまざまな種類の反応を実施してもよい。一例として、マイクロリアクタを使用して、反応によって生成された生成物および／または副産物が反応物質に対して異なる相を有する反応を実施してもよい。

少なくとも１つの反応物質は、少なくとも１つの生成物、すなわち第１の生成物および／または第２の生成物（たとえば、副産物）を生成する任意の物質であってよい。このような生成物は、マイクロリアクタ内での反応時とは異なる相を有してもよい。一例として、少なくとも１つの反応物質は、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する任意の物質であってよく、反応時に少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内を流れる少なくとも１つの反応物質から生成される生成物は、気相、液相、気液混合相、液固混合相、および固相のいずれか１つを有してよく、任意に、少なくとも１つの反応物質から生成される副産物は、液相、液固混合相、および固相のいずれか１つを有してよい。

たとえば、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する少なくとも１つの反応物質は、生成物、および任意に、固相を有する副産物を形成する反応時に少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内を流れるが、それに限らない。この場合、生成物および任意の副産物に対してより軽い相を有する少なくとも１つの反応物質は、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内の内側曲面に沿って流れる傾向があり、一方、生成物および任意の副産物は、少なくとも１つの曲線状マイクロチャネル内の外側曲面に沿って流れる傾向がある。その結果、少なくとも１つの反応物質を、内側曲面と連通する第１の部分出口から収集することができ、生成物および任意の副産物を外側曲面と連通する第２の部分出口から収集することができる。したがって、マイクロリアクタを反応に使用することによって、少なくとも１つの反応物質を生成物および任意の副産物から容易にかつ効率的に分離することができる。

たとえば、少なくとも１つの反応物質および生成物は、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有してよく、副産物は固相を有してよいが、それに限らない。この場合、少なくとも１つの反応物質および生成物を第１の部分出口から収集することができ、副産物を第２の部分出口から収集することができる。したがって、マイクロリアクタを使用して、副産物を少なくとも１つの反応物質および生成物から容易にかつ効率的に分離することができる。

たとえば、少なくとも１つの反応物質は、気相を有してよく、生成物および任意の副産物は、液相、固相、および液固混合相のいずれか１つを有してよいが、それに限らない。この場合、少なくとも１つの反応物質を第１の部分出口から収集することができ、生成物および任意の副産物を第２の部分出口から収集することができる。したがって、マイクロリアクタを反応に使用して、少なくとも１つの反応物質を生成物および任意の副産物から容易にかつ効率的に分離することができる。

たとえば、少なくとも１つの反応物質および生成物は気相を有してよく、副産物は、液相、固相、および液固混合相のいずれか１つを有してよいが、それに限らない。この場合、少なくとも１つの反応物質および生成物を第１の部分出口から収集することができ、副産物を第２の部分出口から収集することができる。したがって、マイクロリアクタを反応に使用して、少なくとも１つの反応物質および生成物を副産物から容易にかつ効率的に分離することができる。

いくつかの実施形態では、反応方法は、少なくとも１つの触媒固体粒子をマイクロリアクタ内に流すことをさらに含んでもよい。

以下に、図面を参照して、本発明によるマイクロリアクタについて詳しく説明する。

図１Ａは、マイクロリアクタの例示的な実施形態を示す概略図であり、図１Ｂは、図１Ａのマイクロリアクタの平面図である。図１Ａおよび図１Ｂは、マイクロリアクタ１００が反応チャネル１１０と、入口１２０と、分岐出口１３０とを含むことを示している。反応チャネル１１０は、曲線状マイクロチャネル１１２と、外側曲面１１４と、内側曲面１１６とを含む。出口１３０は、第１の部分出口１３２と第２の部分出口１３４とに分岐している。

図１Ｂを参照するとわかるように、入口１２０は、連結点Ｃの所で曲線状マイクロチャネル１１２の一方の端部に連結されてよく、出口１３０は、分岐点Ｂの所で曲線状マイクロチャネル１１２の他方の端部から分岐してよい。一例として、入口１２０は直線通路の形状を有し、サブミリメートルからミリメートルの範囲の長さを有してよい。曲線状マイクロチャネル１１２は、実質的に半円形または半楕円形を有してよい。一例として、図１Ｂは、曲線状マイクロチャネル１１２に沿った連結点Ｃと分岐点Ｂとの間の角度が約１８０度であってよいことを示している。この角度は、図示の角度に限らず、上述のようなさまざまな角度であってよい。また、図１Ｂは、出口１３０を分岐点Ｂの所で第１の部分出口１３２および第２の部分出口１３４に分岐してもよく、したがって、出口１３０を実質的にＶ字形の通路として形成してもよいことを示している。実質的に半円形または半楕円形を有する曲線状マイクロチャネル１１２の半径および出口１３０の長さは、それぞれサブミリメートルからミリメールの範囲を有してよい。

一実施形態では、曲線状マイクロチャネル１１２の一部は実質的に半円形または半楕円形であってもよい。一例として、曲線状マイクロチャネル１１２は、サブミリメートルからミリメールの範囲の幅または深さを有してよい。たとえば、深さまたは幅は、約３ｍｍ以下、約１ｍｍ以下、約０．５ｍｍ以下、または約０．１ｍｍ以下である。曲線状マイクロチャネル１１２の長さは任意の寸法であってもよい。一例として、曲線状マイクロチャネル１１２の長さは数インチ程度であってよい（１インチ＝２．５４ｃｍ）。たとえば、マイクロチャネルの長さは、約６インチ（１５．２４ｃｍ）、約３インチ（７．６２ｃｍ）、約１インチ（２．５４ｃｍ）、または約０．５インチ（１．２７ｃｍ）以下であるが、それに限らない。別の例として、曲線状マイクロチャネル１１２の長さ方向の寸法は可変であっても一定であってもよい。曲線状マイクロチャネル１１２の断面は、たとえば、矩形、方形、台形、三角形、円形、または半円形などであるがそれらに限らない任意の形状であってよい。

マイクロリアクタ１００は、任意の公知の方法によって製造されてよい。一実施形態では、マイクロリアクタ１００は、シリコンウェハなどの基板に対してパターン化、フォトリソグラフィ、およびエッチングのような微細加工技術を実施することによって製造することができる。一例として、シリコンウェハなどの基板の両側に窒化物をコーティングすることができ、プラズマエッチングを使用して、窒化物コーティングの下に位置する基板の所望の部分（たとえば、反応チャネル１１０の一部）を露出させることによって、基板の上側にコーティングされた窒化物をパターン化することができる。次いで、基板の上側の露出させた部分をエッチングして反応チャネル１１０を形成することができる。微細加工された基板の上側を、黒鉛被覆パッドなどであるがそれに限らない適切な被覆材料によって覆い、反応物質および生成物などの物質を反応チャネル１１０内において送る漏れ止め導管を構成することができる。

一実施形態では、注射器、マイクロピペット、またはマイクロポンプなどの注入デバイスを使用することによって、少なくとも１つの反応物質を反応物質槽またはタンクからマイクロリアクタ１００の入口１２０に導入することができる。次いで、まだ曲線状マイクロチャネル１１２内では十分な反応が生じないので、少なくとも１つの反応物質は外側曲面１１４と内側曲面１１６の両方に沿って流れることができる。少なくとも１つの反応物質が曲線状マイクロチャネル１１２内をある時間にわたって流れた後、化学反応または生化学反応が徐々に進行し、したがって、少なくとも１つの反応物質は、生成物および任意の副産物を生成することができる。少なくとも１つの反応物質、生成物および任意の副産物は、少なくとも２つの異なる相を有してよい。この場合、少なくとも１つの反応物質、生成物および任意の副産物のうちで、より軽い相の物質が、曲線状マイクロチャネル１１２内の内側曲面１１６に沿って流れて第１の部分出口１３２から収集され、一方、より重い相の物質が、曲線状マイクロチャネル１１２内の外側曲面１１４に沿って流れて第２の部分出口１３４から収集される。より軽い相の物質を、第１の部分出口１３２の一方の端部に連結されたより軽い相の物質の槽またはタンク内に流すことができ、一方、より重い相の物質を、第２の部分出口１３４の一方の端部に連結されたより重い相の物質の槽またはタンク内に流すことができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの固体触媒粒子を少なくとも１つの反応物質と一緒に入口１２０に導入して少なくとも１つの反応物質の反応を容易にすることができる。次いで、気相、液相、または気液混合相の少なくとも１つの反応物質よりも大きな遠心力が少なくとも１つの固体触媒粒子に加えられるので、少なくとも１つの固体触媒粒子は外側曲面１１４に沿って流れることができる。したがって、少なくとも１つの固体触媒粒子を、外側曲面１１４に連結された第２の部分出口１３４から収集することができ、再使用することができる。図２Ａは、マイクロリアクタの別の例示的な実施形態を示す概略分解図である。一実施形態では、マイクロリアクタ２００は、三次元らせん構造を形成するように４つの曲線状マイクロチャネルを含んでよい。図２Ｂは、図２Ａのマイクロリアクタの三次元らせん反応チャネルを示す概略図である。

図２Ａおよび図２Ｂは、マイクロリアクタ２００が、通路および入口によって互いに連結された４つの曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８と、反応物質を順次４つの曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８に流入させる入口と、４つの曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８を通過する反応物質を反応チャネル２１０から流出させる分岐出口２３０とを有する三次元らせん反応チャネル２１０を含むことを示している。曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８の各々は、図１Ａに示されているように外側曲面および内側曲面を有してよい。また、曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８の各々は、外部または上部マイクロチャネル（たとえば、２１２、２１４、２１６）から少なくとも１つの反応物質または生成物を受け取る入口２２０、２５２、２５４、および２５６を有してよい。また、曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、および２１６の各々は、少なくとも１つの反応物質を下部マイクロチャネル（たとえば、２１４、２１６、２１８）に流入させる貫通穴２４２、２４４、２４６を有してよい。

曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８の各々は、限定されないがシリコン、または微細加工可能な任意の物質の、別個の基板上に微細加工することができる。各基板上に微細加工された曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、および２１６の各々の端部をエッチングして、曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８を連結するように構成された貫通穴２４２、２４４、および２４６を形成することができる。微細加工された基板同士を接合することができ、一方、各基板上の曲線状マイクロチャネルを貫通穴２４２、２４４、および２４６を介して他の基板上の他の曲線状マイクロチャネル（複数可）に連結することもできる。したがって、相互に連結された曲線状マイクロチャネルを三次元らせん反応チャネルを形成するように構成することができる。

詳細に説明すると、図２Ａおよび図２Ｂに示されているように、上述のようにフォトリソグラフィおよびエッチングのような標準的な微細加工技術を使用して、第１の基板上に曲線状マイクロチャネル２１２を微細加工することができる。第１の基板をさらに微細加工して、入口２２０を曲線状マイクロチャネル２１２の一方の端部に接触するように形成することができる。曲線状マイクロチャネル２１２の他方の端部をエッチングして貫通穴２４２を形成することができる。第２の基板および第３の基板を微細加工してそれぞれ、曲線状マイクロチャネル２１４および２１６ならびに入口２５２および２５４を形成することができ、次いで、上述のようにフォトリソグラフィおよびエッチングのような標準的な微細加工技術を使用し、曲線状マイクロチャネル２１４および２１６の一方の端部をエッチングして、それぞれ貫通穴２４４および２４６を形成することができる。第４の基板を微細加工して曲線状マイクロチャネル２１８、入口２５６、および出口２３０を微細加工することもでき、フォトリソグラフィおよびエッチングのような標準的な微細加工技術を使用して、出口２３０をさらに第１の出口２３２および第２の出口２３４に分岐させることができる。ここで、曲線状マイクロチャネル２１２の貫通穴２４２を曲線状マイクロチャネル２１４の入口２５２と連通するように形成することができ、曲線状マイクロチャネル２１４の貫通穴２４４を曲線状マイクロチャネル２１６の入口２５４と連通するように形成することができ、曲線状マイクロチャネル２１６の貫通穴２４６を曲線状マイクロチャネル２１８の入口２５６と連通するように形成することができる。

次に、第１の基板上の曲線状マイクロチャネル２１２の一方の端部の所の貫通穴２４２が第２の基板上の曲線状マイクロチャネル２１４の入口２５２と連通できるように、第１の基板を第２の基板の上側に接合することができる。次いで、第２の基板上の曲線状マイクロチャネル２１４の端部の所の貫通穴２４４が第３の基板上の曲線状マイクロチャネル２１６の入口２５４と連通できるように、第２の基板の下側を第３の基板の上側に接合することができる。その後、第３の基板上の曲線状マイクロチャネル２１６の端部の所の貫通穴２４６が第４の基板上の曲線状マイクロチャネル２１８の入口２５６と連通できるように、第３の基板の下側を第４の基板の上側に接合することができる。曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８内を流れる物質が漏れるのを回避するように、各々に曲線状マイクロチャネルが微細加工された複数の基板同士を気密に接合することができる。次いで、曲線状マイクロチャネル２１２が微細加工された第１の基板の上側を、曲線状マイクロチャネル２１２内を流れる物質用の漏れ止め導管を形成するように構成された黒鉛被覆パッドなどであるがそれに限らない適切な被覆材料によって覆うことができる。したがって、図２Ｂに示されているように、４つの曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８を相互に連結して三次元らせんチャネルを形成することができる。当業者には、反応物質および生成物などの物質を反応チャネルに出し入れするためのチューブをそれぞれ入口２２０、第１の出口２３２、および第２の出口２３４に連結できることが明らかになろう。

当業者には、各々が別個の基板上に微細加工された複数の曲線状マイクロチャネルを相互に連結して三次元らせん反応チャネルを形成できることも明らかになろう。少なくとも２つの異なる相を有する物質が、少なくとも２つの曲線状マイクロチャネルを有する三次元らせん反応チャネル内を流れるとき、多相物質中のより軽い相の物質は曲線状マイクロチャネル内の内側曲面に沿って流れ、一方、多相物質中のより重い相の物質は曲線状マイクロチャネル内の外側曲面に沿って流れる。反応チャネルの長さが長くなるにつれて、分離効率を向上させることができる。したがって、少なくとも２つの曲線状マイクロチャネルを有する三次元らせん反応チャネル内を流れる多相物質を効率的に、軽い相の物質とより重い相の物質に分離することができる。

図３は、マイクロリアクタの他の例示的な実施形態を示す概略分解図である。図３は、マイクロリアクタ３００が、４つの曲線状マイクロチャネル３１２、３１４、３１６、および３１８と、外部から少なくとも１つの反応物質を受け取る入口３２０と、少なくとも１つの反応物質または生成物を反応チャネル３１０から流出させる分岐出口３３０とを有する反応チャネル３１０を含むことを示している。
反応チャネル３１０は、反応チャネル２１０と実質的に同様の方法において形成されてよい。たとえば、曲線状マイクロチャネル３１２、３１４、３１６、および３１８は、それぞれ外側曲面と内側曲面とを有してよく、上述のように、貫通穴３４２、３４４、および３４６ならびに入口３５２、３５４、および３５６によって相互に連結することができる。出口３３０は、第１の出口３３２および第２の出口３３４に分岐している。曲線状マイクロチャネル２１２、２１４、２１６、および２１８が実質的に同じ半径を有する反応チャネル２１０とは異なり、反応チャネル３１０は、下方に向かうにつれて半径が小さくなって円錐を形成するように形成されてよい。たとえば、第２の基板上に微細加工される曲線状マイクロチャネル３１４は、第２の基板上に配置された第１の基板上に微細加工される曲線状マイクロチャネル３１２よりも小さい半径を有し、第３の基板上に微細加工される曲線状マイクロチャネル３１６は、第３の基板上に配置された第２の基板の曲線状マイクロチャネル３１４よりも小さい半径を有し、第４の基板上に微細加工される曲線状マイクロチャネル３１８は、第４の基板上に配置された第３の基板上に微細加工された曲線状マイクロチャネル３１６よりも小さい半径を有する。したがって、各々に曲線状マイクロチャネルが微細加工された第１の基板から第４の基板はそれぞれ、半径が小さくなっており、図３に示されているようにサイクロン型反応チャネルを形成するように構成されてよい。

少なくとも２つの異なる相を有する物質が、湾曲が小さくなっていく少なくとも２つの曲線状マイクロチャネルを有するサイクロン型反応チャネル内を流れるとき、より軽い相の物質は曲線状マイクロチャネル内の内側曲面に沿って流れ、一方、より重い相の物質は曲線状マイクロチャネル内の外側曲面に沿って流れる。反応チャネルの長さが長くなるにつれて、分離効率が向上する。したがって、少なくとも２つの曲線状マイクロチャネルを有するサイクロン型反応チャネル内を流れる多相物質を、効率的に軽い相の物質とより重い相の物質に分離することができる。

図４Ａは、マイクロリアクタの別の例示的な実施形態の概略図であり、図４Ｂは、図４Ａのマイクロリアクタの平面図である。図４Ａおよび図４Ｂは、マイクロリアクタ４００が実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０と、入口４２０と、出口４３０とを含むことを示している。実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０は、外側円形壁４１２と内側円形壁４１４とを有してよい。図４Ｂに示されているように、入口４２０は、連結点Ｃの所で外側円形壁４１２に接線方向に連結されてよく、出口４３０は、分岐点Ｂの所で内側円形壁４１４から実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の中心の方へ突き出てよい。本明細書では、「接線方向」は、図４Ｂに示されているように、少なくとも１つの反応物質および／または少なくとも１つの固体触媒粒子を、連結点Ｃの所で流れに強い抵抗を与えずに、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０に流入させるかあるいは導入することができるように、入口４２０が実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０に連結されることを意味する。

実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の外側円形壁４１２に連結された入口４２０、および実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の内側円形壁４１４から突き出た出口４３０は、マイクロリアクタ１００、２００、および３００に関して説明したように、フォトリソグラフィおよびエッチングのような標準的な微細加工技術を使用して基板上に微細加工されてよい。触媒粒子以外の気相、液相、または気液混合相の反応物質および生成物のような物質を排出するように構成されるように出口４３０の端部を基板にエッチングする。次いで、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内を流れる物質用の漏れ止め導管を形成するように構成された、黒鉛被覆パッドなどであるがそれに限らない適切な被覆材料によって基板の上側を覆う。反応物質および生成物などの物質を反応チャネルに出し入れするためのチューブをそれぞれ入口４２０および出口４３０に連結することができる。

図４Ａでは、少なくとも１つの触媒固体粒子が、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内の外側円形面に沿って流れ、そのまま実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内で連続的に循環され、触媒反応を生じさせる。少なくとも１つの触媒固体粒子以外の気相、液相、または気液混合相の物質が、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内の内側円形面に沿って流れ、出口４３０を通してマイクロリアクタ４００から除去される。

一実施形態では、少なくとも１つの触媒固体粒子と少なくとも１つの反応物質を一緒にあるいは別々に入口４２０に導入し、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内に移動させることができる。実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内で触媒反応が進行すると、少なくとも１つの反応物質は、生成物および任意の副産物を生成する。少なくとも１つの触媒固体粒子は固相であるが、少なくとも１つの反応物質、生成物、および任意の副産物はそれぞれ、気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する。したがって、少なくとも１つの触媒固体粒子は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の外側円形壁４１２に沿って流れ、一方、少なくとも１つの反応物質、生成物、および任意の副産物は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の内側円形壁４１４に沿って流れる。これは、少なくとも１つの触媒固体粒子が、少なくとも１つの反応物質、生成物、および任意の副産物よりも比較的大きい遠心力を受け、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の中心から遠ざけられるからである。出口４３０が実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の内側円形壁４１４から突き出ているので、外側円形壁４１２に沿って流れる少なくとも１つの触媒固体粒子は、そのまま実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の外側円形壁４１２に沿って連続的に循環される。しかし、少なくとも１つの反応物質、生成物、および任意の副産物は、出口４３０に流入し、槽またはタンクに収集される。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの触媒固体粒子をマイクロリアクタの実質的に円形の反応マイクロチャネル内で懸濁させることができる。他の実施形態では、少なくとも１つの触媒固体粒子をマイクロリアクタの実質的に円形の反応マイクロチャネル内で流動化させることができる。少なくとも１つの触媒固体粒子を使用するあらゆる触媒反応にマイクロリアクタを使用できることが当業者には明らかになろう。

一例として、マイクロリアクタの実質的に円形の反応マイクロチャネルに連結された入口または入口と連通する触媒導入ポートに触媒粒子の懸濁液を圧力下で導入し、一方、実質的に円形の反応マイクロチャネルに少なくとも１つの触媒固体粒子が充填されるまで、マイクロリアクタの実質的に円形の反応マイクロチャネルの内側円形壁から突き出る出口の所で真空引きすることによって、少なくとも１つの触媒固体粒子をマイクロリアクタに充填することができる。当業者には、少なくとも１つの触媒固体粒子をマイクロリアクタに充填する任意の他の方法を適用してもよいことが明らかであろう。

いくつかの実施形態では、マイクロリアクタは、分岐点Ｂに位置し、少なくとも１つの触媒固体粒子が出口に流入するのを防止するように構成されたフィルタリングデバイスをさらに含んでもよい。一例として、フィルタリングデバイスは、図４Ｃおよび図４Ｄに示されているように、網状フィルタまたは邪魔板などであってよいが、それらに限らない。

図４Ｃは、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の出口４３０と内側円形壁との間の接合領域（たとえば、図４Ｂに示されている分岐点Ｂ）に位置する網状フィルタ４３２をさらに含むマイクロリアクタ４００の概略図である。網状フィルタ４３２は、少なくとも１つの触媒固体粒子が出口４３０に流入するのを防止するように構成されてよい。詳細に説明すると、少なくとも１つの触媒固体粒子は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内の外側円形面に沿って流れることができ、一方、少なくとも１つの触媒固体粒子以外の気相、液相、または気液混合相の物質は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内の内側円形面に沿って流れる。網状フィルタ４３２によって、少なくとも１つの触媒固体粒子が出口４３０に流入するのを防止し、この触媒固体粒子を実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内に残すことができる。したがって、少なくとも１つの触媒固体粒子は、触媒反応の間、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内に残って反応マイクロチャネル４１０内を連続的に循環され、一方、少なくとも１つの触媒固体粒子以外の物質は、出口４３０を通して実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０から除去されてよい。

図４Ｄは、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の出口４３０と内側円形壁との間の接合領域に位置する邪魔板４３４をさらに含むマイクロリアクタ４００の概略図である。邪魔板４３４は、少なくとも１つの触媒固体粒子が出口４３０に流入するのを防止するように構成されてもよい。邪魔板は一般に、流体の流れまたは光もしくは音声の放出を制限または規制するように構成されたプレートまたは機械的デバイスである。詳細に説明すると、少なくとも１つの触媒固体は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の外側円形面に沿って流れ、一方、少なくとも１つの触媒固体粒子以外の気相、液相、または気液混合相の物質は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内の内側円形面に沿って流れる。少なくとも１つの触媒固体粒子は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０内に残り反応マイクロチャネル４１０内を連続的に循環されて触媒反応を生じさせ、一方、少なくとも１つの触媒固体粒子以外の気相、液相、または気液混合相の流体物質は、実質的に円形の反応マイクロチャネル４１０の内側円形壁から突き出る出口４３０を通してマイクロリアクタ４００から除去されてよい。

当業者には、このプロセスおよび方法ならびに本明細書において開示される他のプロセスおよび方法について、それらのプロセスおよび方法において実施される機能を異なる順序で実現してもよいことが認識されよう。また、概略的に説明したステップおよび工程は例として記載されたものであり、開示された実施形態の本質から逸脱せずに、いくつかのステップおよび工程は省略可能であってよく、あるいはいくつかのステップおよび工程を組み合わせてステップおよび工程の数を減らしても、あるいは追加的なステップおよび工程に拡張してもよい。

本開示は、本出願に記載され、さまざまな態様の例示を目的として与えられた特定の実施形態に関して限定すべきではない。当業者には明らかなように、この出願の趣旨および範囲から逸脱せずに多数の修正および変形を施すことができる。当業者には、上記の記載から、本開示に列挙された方法および装置に加えて、本開示の範囲内の機能的に均等な方法および装置が明らかになろう。このような修正および変形は、添付の特許請求の範囲内の修正および変形を目的としたものである。本開示は、添付の特許請求の範囲の各項と、そのような特許請求の範囲に与えられる均等物の全範囲によってのみ制限されるべきである。本開示が特定の方法、試薬、化合物組成、または生体系に限定されず、当然、それらの方法、試薬、化合物組成、または生体系を変形してもよいことを理解されたい。本明細書で使用される用語が特定の実施形態を説明するためのみの用語であり、制限を目的としたものではないことも理解されたい。

本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。

通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（たとえば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（たとえば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（たとえば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（たとえば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。

また、本開示の各特徴または態様がマーカッシュグループによって記述されている場合、当業者には、それによって、本開示がマーカッシュグループの任意の個々の成員または成員から成る任意の個々の小グループによっても記述されることが認識されよう。

当業者には理解されるように、書面において説明することのようなあらゆる目的のために、本明細書において開示された全範囲があらゆる可能な小範囲およびその小範囲の組み合わせも包含する。あらゆる列挙された範囲を、少なくとも均等な２分の１、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１などに分割された同じ範囲を十分に記述し有効化するものとして容易に認識することができる。非制限的な例として、本明細書において論じた各範囲は、２番目の３分の１、真ん中の３分の１、最初の３分の１などに容易に分割することができる。当業者には理解されるように、「まで（ｕｐ ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」などのようなすべての用語は、記載された数を含み、後で上述のように小範囲に分割することのできる範囲を指す。最後に、当業者には理解されるように、範囲は個々の各成員を含む。したがって、たとえば、１つ〜３つのセルを有する群は、１つのセルを有する群、２つのセルを有する群、または３つのセルを有する群を指す。同様に、１つ〜５つのセルを有する群は、１つのセルを有する群、２つのセルを有する群、３つのセルを有する群、４つのセルを有する群、または５つのセルを有する群を指す。他の場合についても同様である。

上記のことから、本開示のさまざまな実施形態が例示のために記載されており、かつ本開示の範囲および趣旨から逸脱せずにさまざまな修正を施すことができることが理解されよう。したがって、本明細書で開示されたさまざまな実施形態は制限を目的としたものではなく、真の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲によって示される。

Claims (69)

1. マイクロリアクタであって、
   外側曲面および内側曲面を有し、遠心力を発生させるように構成された少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルを有する反応チャネルと、
   前記反応チャネルに流体結合され、少なくとも１つの反応物質を前記反応チャネル内に供給するように構成された入口と、
   前記反応チャネルに流体結合され、前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面と連通する第１の部分出口および前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面と連通する第２の部分出口に分岐する出口とを備えるマイクロリアクタ。
2. 前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの一部は、実質的に半円形または半楕円形を有する、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
3. 前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルは三次元らせん反応チャネルを形成する、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
4. 前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルはサイクロン型反応チャネルを形成する、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
5. 少なくとも１つの反応物質および前記反応物質の少なくとも１つの生成物を含み、
   前記少なくとも１つの反応物質または少なくとも１つの生成物の一方が他方よりも重い相を有し、
   前記より重い相を有する前記一方は、前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って配置され、前記他方は、前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って配置される、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
6. 前記内側曲面は、前記第１の部分出口の表面と連続する、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
7. 前記外側曲面は、前記第２の部分出口の表面と連続する、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
8. 前記入口は前記反応チャネルの一方の端部に配置され、前記出口は前記反応チャネルの反対側の端部に配置される、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
9. 前記入口は直線通路を含む、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
10. 前記曲線状マイクロチャネルは、寸法が３ｍｍ未満の深さおよび／または幅を有する、請求項１に記載のマイクロリアクタ。
11. 前記曲線状マイクロチャネルは、矩形、方形、台形、三角形、円形、または半円形のうちの１つの断面形状を有する、請求項１に記載のリアクタ。
12. 前記曲線状マイクロチャネル内に配置された触媒を備える、請求項１に記載のリアクタ。
13. 前記反応チャネルを有する基板本体を備える、請求項１に記載のリアクタ。
14. 前記反応チャネルが密閉されるように前記基板本体上に配置されたカバリングを備える、請求項１３に記載のリアクタ。
15. 前記反応チャネルに流体結合された反応物質槽を備える、請求項１に記載のリアクタ。
16. 前記マイクロリアクタおよびリアクタ槽に動作可能に結合された注入デバイスを備える、請求項１５に記載のリアクタ。
17. 互いに結合され、各々が、隣接する前記基板本体の曲線状マイクロチャネルに流体結合された曲線状マイクロチャネルを有する、複数の基板本体を備える、請求項１に記載のリアクタ。
18. 前記複数の曲線状マイクロチャネルは、実質的に同じ曲率半径を有する、請求項１７に記載のリアクタ。
19. 前記複数の曲線状マイクロチャネルは、順次徐々に小さくなる曲率半径を有する、請求項１７に記載のリアクタ。
20. 前記第１の部分チャネル出口はフィルタを含む、請求項１に記載のリアクタ。
21. 前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルは、実質的に円形のマイクロチャネルの少なくとも一部である、請求項１に記載のリアクタ。
22. 前記出口は、前記円形マイクロチャネル内に配置され、出口導管が、前記円形マイクロチャネルを前記出口に流体結合する、請求項２１に記載のリアクタ。
23. 前記入口は前記円形マイクロチャネルの接線方向に位置する、請求項２２に記載のリアクタ。
24. 前記円形マイクロチャネル内に触媒が懸濁される、請求項２１に記載のリアクタ。
25. 前記円形マイクロチャネル内で触媒が流動化される、請求項２１に記載のリアクタ。
26. 前記出口導管はフィルタを含む、請求項２２に記載のリアクタ。
27. 前記出口導管は、前記円形マイクロチャネル内の前記出口導管の所に配置され、流れを前記出口導管から遠ざけるように向けられた邪魔板を含む、請求項２２に記載のリアクタ。
28. マイクロリアクタであって、
    外側曲面および内側曲面を有し、遠心力を発生させるように構成された実質的に円形の反応マイクロチャネルと、
    前記円形の反応マイクロチャネルに流体結合され、少なくとも１つの固体触媒粒子および少なくとも１つの反応物質を前記実質的に円形の反応マイクロチャネル内に供給するように構成された入口と、
    前記円形の反応マイクロチャネルに流体結合され、前記実質的に円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面と連通する表面を有する出口とを備えるマイクロリアクタ。
29. 前記入口は、前記実質的に円形の反応マイクロチャネルの前記外側曲面に接線方向に連結される、請求項２８に記載のマイクロリアクタ。
30. 前記出口は、前記実質的に円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面から突き出る、請求項２８に記載のマイクロリアクタ。
31. 気相、液相、および気液混合相のいずれか１つを有する少なくとも１つの反応物質を含む、請求項２８に記載のマイクロリアクタ。
32. 前記実質的に円形の反応マイクロチャネルは、前記少なくとも１つの固体触媒粒子を前記反応マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って流し、かつ前記少なくとも１つの反応物質を前記反応マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って流すように構成される、請求項３１に記載のマイクロリアクタ。
33. 前記出口は、前記入口から離れた位置において前記実質的に円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面から突き出ており、それによって、前記少なくとも１つの反応物質は、前記マイクロチャネル内の前記少なくとも１つの固体触媒粒子と接触することによって、実質的に生成物に転換される、請求項３１に記載のマイクロリアクタ。
34. 前記少なくとも１つの固体触媒粒子が前記出口に流入するのを防止するように構成されたフィルタリングデバイスをさらに備える、請求項３１に記載のマイクロリアクタ。
35. 前記フィルタリングデバイスは網状フィルタまたは
    邪魔板である、請求項３４に記載のマイクロリアクタ。
36. 前記実質的に円形の反応マイクロチャネルは、前記少なくとも１つの固体触媒粒子を前記反応マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って循環させるように構成される、請求項２８に記載のマイクロリアクタ。
37. 少なくとも１つの反応物質および前記反応物質の少なくとも１つの生成物を含み、
    前記少なくとも１つの反応物質または少なくとも１つの生成物の一方が他方よりも重い相を有し、
    前記より重い相を有する前記一方は、前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って配置され、前記他方は、前記少なくとも１つの曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って配置される、請求項２８に記載のマイクロリアクタ。
38. 前記入口は直線通路を含む、請求項２８に記載のマイクロリアクタ。
39. 前記円形マイクロチャネルは、寸法が３ｍｍ未満の深さおよび／または幅を有する、請求項２８に記載のマイクロリアクタ。
40. 前記曲線状マイクロチャネルは、矩形、方形、台形、三角形、円形、または半円形のうちの１つの断面形状を有する、請求項２８に記載のリアクタ。
41. 前記円形マイクロチャネル内に配置された触媒を備える、請求項２８に記載のリアクタ。
42. 前記円形マイクロチャネルを有する基板本体を備える、請求項２８に記載のリアクタ。
43. 前記円形マイクロチャネルが密閉されるように前記基板本体上に配置されたカバリングを備える、請求項４２に記載のリアクタ。
44. 前記入口に流体結合された反応物質槽を備える、請求項２８に記載のリアクタ。
45. 前記円形マイクロチャネルおよび反応物質槽に動作可能に結合された注入デバイスを備える、請求項４４に記載のリアクタ。
46. 前記出口は、前記円形マイクロチャネル内に配置され、出口導管が、前記円形マイクロチャネルを前記出口に流体結合する、請求項２８に記載のリアクタ。
47. 前記入口は前記円形マイクロチャネルの接線方向に位置する、請求項４６に記載のリアクタ。
48. 前記円形マイクロチャネル内に触媒が懸濁される、請求項２８に記載のリアクタ。
49. 前記円形マイクロチャネル内で触媒が流動化される、請求項２８に記載のリアクタ。
50. 反応方法であって、
    少なくとも１つの反応物質を、曲線状マイクロチャネルを有するマイクロリアクタ内に流すことと、
    前記曲線状マイクロチャネル内で前記少なくとも１つの反応物質を少なくとも１つの生成物に転換することと、
    前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記曲線状マイクロチャネルの内側曲面または前記曲線状マイクロチャネルの外側曲面のいずれかに沿って流すこととを含む反応方法。
51. 前記少なくとも１つの生成物は、より軽い相の第１の生成物およびより重い相の第２の生成物を有し、
    前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記曲線状マイクロチャネルの内側曲面または前記曲線状マイクロチャネルの外側曲面のいずれかに沿って流すことは、
    前記曲線状マイクロチャネル内で遠心力を発生させることと、
    前記第１の生成物を前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って流し、前記第２の生成物を前記曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って流すこととを含む、請求項５０に記載の反応方法。
52. 前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面および前記外側曲面と連通する第１の出口および第２の出口をそれぞれ使用することによって、前記第１の生成物および前記第２の生成物を別々に収集することをさらに含む、請求項５０に記載の反応方法。
53. 少なくとも１つの反応物質をマイクロリアクタ内に流すことは、
    少なくとも１つの固体触媒粒子を前記曲線状マイクロチャネル内に流し、前記少なくとも１つの固体触媒粒子と前記少なくとも１つの反応物質との間に触媒反応を生じさせることを含む、請求項５０に記載の反応方法。
54. 前記少なくとも１つの反応物質および前記少なくとも１つの生成物の各々が、気相、液相、および気液混合物相のいずれか１つを有する、請求項５３に記載の反応方法。
55. 前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記曲線状マイクロチャネルの内側曲面または前記曲線状マイクロチャネルの外側曲面のいずれかに沿って流すことは、
    前記曲線状マイクロチャネル内に遠心力を発生させることと、
    前記少なくとも１つの生成物を前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って流し、さらに、前記少なくとも１つの固体触媒粒子を前記曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って流すこととを含む、請求項５４に記載の反応方法。
56. 前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面と連通する出口から前記少なくとも１つの生成物を収集することをさらに含む、請求項５５に記載の反応方法。
57. 反応方法であって、
    請求項１から請求項２７のいずれか一項に記載のマイクロリアクタを設けることと、
    少なくとも１つの反応物質を前記マイクロリアクタ内に流すことと、
    前記曲線状マイクロチャネル内で前記少なくとも１つの反応物質を少なくとも１つの生成物に転換することと、
    前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面または前記曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面のいずれかに沿って流すこととを含む反応方法。
58. 前記少なくとも１つの生成物は、より軽い相の第１の生成物およびより重い相の第２の生成物を有し、
    前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面または前記曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面のいずれかに沿って流すことは、
    前記曲線状マイクロチャネル内で遠心力を発生させることと、
    前記第１の生成物を前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って流し、前記第２の生成物を前記曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って流すこととを含む、請求項５７に記載の反応方法。
59. 前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面および前記外側曲面と連通する前記第１の部分出口および前記第２の部分出口をそれぞれ使用することによって、前記第１の生成物および前記第２の生成物を別々に収集することをさらに含む、請求項５７に記載の反応方法。
60. 少なくとも１つの反応物質をマイクロリアクタ内に流すことは、
    少なくとも１つの固体触媒粒子を前記曲線状マイクロチャネル内に流し、前記少なくとも１つの固体触媒粒子と前記少なくとも１つの反応物質との間に触媒反応を生じさせることを含む、請求項５７に記載の反応方法。
61. 前記少なくとも１つの反応物質および前記少なくとも１つの生成物の各々が、気相、液相、および気液混合物相のいずれか１つを有する、請求項５７に記載の反応方法。
62. 前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面または前記曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面のいずれかに沿って流すことは、
    前記曲線状マイクロチャネル内に遠心力を発生させることと、
    前記少なくとも１つの生成物を前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って流し、さらに、前記少なくとも１つの固体触媒粒子を前記曲線状マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って流すこととを含む、請求項６０に記載の反応方法。
63. 前記曲線状マイクロチャネルの前記内側曲面と連通する前記出口から前記少なくとも１つの生成物を収集することをさらに含む、請求項５７に記載の反応方法。
64. 反応方法であって、
    請求項２８から請求項４９のいずれか一項に記載のマイクロリアクタを設けることと、
    少なくとも１つの反応物質を前記円形の反応マイクロチャネル内に流すことと、
    前記円形の反応マイクロチャネル内で前記少なくとも１つの反応物質を少なくとも１つの生成物に転換することと、
    前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面または前記円形の反応マイクロチャネルの前記外側曲面のいずれかに沿って流すこととを含む反応方法。
65. 前記少なくとも１つの生成物は、より軽い相の第１の生成物およびより重い相の第２の生成物を有し、
    前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面または前記円形の反応マイクロチャネルの前記外側曲面のいずれかに沿って流すことは、
    前記曲線状マイクロチャネル内で遠心力を発生させることと、
    前記第１の生成物を前記円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って流し、前記第２の生成物を前記円形の反応マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って流すこととを含む、請求項６４に記載の反応方法。
66. 少なくとも１つの反応物質を前記円形の反応マイクロチャネル内に流すことは、
    少なくとも１つの固体触媒粒子を前記円形の反応マイクロチャネル内に流し、前記少なくとも１つの固体触媒粒子と前記少なくとも１つの反応物質との間に触媒反応を生じさせることを含む、請求項６４に記載の反応方法。
67. 前記少なくとも１つの反応物質および前記少なくとも１つの生成物の各々が、気相、液相、および気液混合物相のいずれか１つを有する、請求項６４に記載の反応方法。
68. 前記少なくとも１つの生成物を、前記少なくとも１つの生成物の物理相に応じて、前記円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面または前記円形の反応マイクロチャネルの前記外側曲面のいずれかに沿って流すことは、
    前記円形の反応マイクロチャネル内に遠心力を発生させることと、
    前記少なくとも１つの生成物を前記円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面に沿って流し、さらに、前記少なくとも１つの固体触媒粒子を前記円形の反応マイクロチャネルの前記外側曲面に沿って流すこととを含む、請求項６４に記載の反応方法。
69. 前記円形の反応マイクロチャネルの前記内側曲面と連通する前記出口から前記少なくとも１つの生成物を収集することをさらに含む、請求項６４に記載の反応方法。

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