JP2013542051A - マイクロ流体装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、頂壁、底壁、側壁を有するプロセスチャネルを含むマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ、１．０ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び当該プロセスチャネル内にある支持手段を有する、マイクロ流体装置に関する。前記支持手段は、前記プロセスチャネルの前記底壁と前記頂壁との間で前記頂壁に対して実質的に垂直な方向に延在する。前記マイクロ流体装置は、前記プロセスチャネルに平行な少なくとも１つの熱交換手段及び任意にスタティック混合要素を含む。本発明は、更に、このようなマイクロ流体装置を含むキットオブパーツ及びマイクロ流体システムに関する。

Description

本発明は、新規設計のマイクロ流体装置、このようなマイクロ流体装置を含むキットオブパーツ（ｋｉｔ ｏｆ ｐａｒｔｓ）及びこのようなマイクロ流体装置を含むモジュールシステムに関する。

マイクロ流体装置は、少なくとも１つの次元においてミリメートル未満の領域を有するものとして定義される。用語「流体（ｆｌｕｉｄｉｃ）」は、本発明の文脈において、「例えばマイクロ又はナノ粒子のような小さな粒子を任意に含む液体及び／又はガス状の成分に関する」と解釈される。

マイクロ流体装置は、当業者に知られている。ＷＯ２００４／０２２２３３において、複数の流体的に接続された流体供給すきまをもつ少なくとも１つのベースボードと、同じような構成の任意の中間ボードと、ベースボードや中間ボードに取り付けられて脱着可能な複数のマイクロ流体モジュールと、それぞれが１つ以上の流体入口及び／又は出口を有し、複数の流体接続部とを有するモジュールのマイクロ流体システムが記述されている。

マイクロ流体装置が使用されているマイクロ流体システムも又当業者に知られている。例えば、ＷＯ０３／０３９７３６は、連続合成のための、画定された反応空間と反応条件とを前記合成のために備えるマイクロリアクターシステム、ならびに化学反応を実行するための前記マイクロリアクターの使用に関する。ＷＯ０３／０３９７３６によると、前記マイクロリアクターシステムはモジュール設計であり、プロセスユニットは摩耗係合により相互に接続するプロセスモジュールから作製され、及び前記プロセスユニット中の流体接続は前記プロセスモジュールの摩耗接続によって得られる。

ＷＯ２００７／１１２９４５は、少なくともｎ個のプロセスモジュールであって、（ｎは１以上の整数である）強固な第一の材料で作られており、及び、反応液を収容し及び導くために、少なくとも１つの反応液通路を含むプロセスモジュール、及び少なくともｎ＋１個の熱交換モジュールであって、前記第一の材料とは異なる延性のある材料で作られており、及び、熱交換液を収容し及び導くために、少なくとも１つの熱交換液通路を含む熱交換モジュールのスタックを含み、ここにおいて、それぞれのプロセスモジュールは、２つの隣接する熱交換モジュールにより挟まれる、マイクロリアクターシステムアセンブリを開示している。

従来知られているマイクロ流体装置及びシステムの不利益は、スケールアップが複数のマイクロ流体装置を並列に設置することでしか達成できないことである。この理由は、従来のマイクロ流体装置における圧力低下が、当該従来のマイクロ流体装置を通じる流速が増大するときに、急速に増大することである。

従来知られているマイクロ流体装置の他の不利益は、特定の化学反応が特定のリアクターチップ設計を必要とするということである。それ故、従来知られたマイクロ流体装置で設計、製作されたマイクロ流体システムは幾分柔軟性がない。急速なスケールアップ実験はそれ故時間と費用がかかる。

当業者に知られているマイクロ流体装置の更に他の不利益は、つまり（ｃｌｏｇｇｉｎｇ）が起きると、チャネルが容易に塞がれてしまう可能性があることである。このことはマイクロ流体装置の完全な機能停止につながる可能性がある。

本発明の目的は、従来知られているマイクロ流体装置の上述の不利益を少なくとも部分的に克服することである。本発明の他の目的は、マイクロ流体システムの構成要素（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋｓ）として用いられることができる、柔軟性を有するマイクロ流体装置を提供することである。

これらの目的は、頂壁、底壁及び側壁を有するプロセスチャネルを含むマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは０．２ｍｍと３ｍｍの間の、好ましくは０．３ｍｍと２．５ｍｍの間の、より好ましくは０．５ｍｍと２ｍｍの間の高さを有する、マイクロ流体装置により達せられる。プロセスチャネルは、１．０ｍｍと５０ｍｍの間の、好ましくは２．０ｍｍと４０ｍｍの間の、より好ましくは３．０ｍｍと３０ｍｍの間の、より好ましくは５．０ｍｍと２５ｍｍの間の、更により好ましくは１０ｍｍと２０ｍｍの幅を有してよい。

プロセスチャネルの高さは、ここで、底壁と底壁に面する頂壁との間の距離であると理解される。底壁が完全に直線でない場合には、高さは、頂壁と底壁との間の最長距離と理解される。同様に、側壁が頂壁に対して実質的に垂直に延在しない場合には、幅は互いに面する側壁間の最長距離と理解される。

プロセスチャネルは当該チャネル内において支持手段を含む。当該支持手段は、底壁と頂壁との間で頂壁に対して実質的に垂直方向に延在する。これは、支持手段の壁が、底壁と頂壁との間で、支持手段に穴が無い状態で延在することを意味している。それ故、プロセスチャネル内を流れる流体は、支持手段の周囲を流れる。

本発明のマイクロ流体装置は、上記で定義したプロセスチャネルと平行な少なくとも１つの熱交換手段を含む。プロセスチャネルは、プロセスフローを収容するように構成され、プロセスフローは、単一の反応成分（予熱又は予冷のため）と、反応成分の混合物と、任意に、反応生成物（更なる混合及び／又は反応（すなわち滞留時間）を与えるため）とを含んでよい。

チャネル及び支持物の寸法は、それがガラス製であれば、その中にチャネルを形成するためのサンドブラスト又はエッチング技術に用いられる伝達要素（ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）の設計により決定される。チャネルの寸法及び支持要素を規定するために、そのような装置の構築に使用される技術及び構築材料に依存して、他の技術が用いられてよい。装置内のチャネル及び支持構造の寸法は、設計に基づく合理的許容範囲内で決定される。

チャネルの形成にサンドブラスト又はエッチング技術が用いられる場合には、プロセスチャネルの断面は通常台形をしている。台形の側壁は、頂壁から底壁に向けて、例えば１０〜３０°の角度内で徐々に細くなってよい。この場合、頂壁の位置における側壁間の距離が最大であるので、この距離がチャネルの幅として規定される。

本発明によるマイクロ流体装置内のチャネル及び支持構造の寸法は、標準的な光学顕微鏡技術により測定可能である。

プロセスチャネルの寸法は、チャネルにおける圧力低下が少ないようにするものである。すなわち従来のマイクロ流体装置のチャネルにおける圧力低下より１０〜１００００倍少ない。小さい圧力低下により、本発明による複数のマイクロ流体装置を直列につないでの使用が可能になる。

支持手段の容積のプロセスチャネルの理論上の容積に対する比率は、本発明によるマイクロ流体装置の混合性能を最適化するように選択されてよい。プロセスチャネルの理論上の容積は、ここで、プロセスチャネルの実際の容積（流体がプロセスチャネルにおいて流れることができる容積）とプロセスチャネル内の支持手段の容積との合計であると理解される。理論的な容積はプロセスチャネルの幅、高さ及び長さから算出可能である。プロセスチャネルの実際の容積は、プロセスチャネルがその内部に含みうる、例えば水等の液体の容積によって算出されうる。それ故支持手段の容積は、プロセスチャネルの理論上の容積とプロセスチャネルの実際の容積との差異として算出できる。支持手段の容積は、プロセスチャネルの理論的容積の好ましくは２０〜７５容積％、より好ましくは３０〜６５容積％、更により好ましくは４０〜６０容積％である。支持手段は、マイクロ流体装置に対して機械的強度をもたらすだけではなく、例えばプロセスチャネルを通じる乱流を強める等、良い方向で、チャネル内の流体力学にも影響しうる。事実、プロセスチャネルは、ミリメートル未満の次元の多くの小さなチャネル（本発明においてマイクロチャネルと呼ばれる）の重ね合わせとして考えてもよい。マイクロチャネルは、平行に延び、又互いに絡まりあっていて（ｉｎｔｅｒｔｗｉｎｅｄ）よい。平行に延びるマイクロチャネルの数は、１と５０の間、好ましくは３と２５の間、より好ましくは５と１５の間であってよい。単一のマイクロチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間、好ましくは０．３ｍｍと２．５ｍｍの間、更に好ましくは０．５ｍｍと２ｍｍの間の高さを有してよい。単一のマイクロチャネルの幅は、０．１ｍｍと５ｍｍの間、好ましくは０．２ｍｍと３ｍｍの間、より好ましくは０．３ｍｍと２ｍｍの間、より好ましくは０．５ｍｍと１．５ｍｍの間、更により好ましくは０．８ｍｍと１．２ｍｍの間であってよい。支持手段は、マイクロチャネルの（側）壁構成物として考えてもよい。この構成の結果として、例えばつまりによりマイクロチャネルが塞がれたり完全にブロックされたりするときに、流体は他の絡まりあったマイクロチャネルを通して通路を見つけることになりうる。つまりによる圧力低下は、それ故限られたものになりうる。

加えて、支持手段の設計は、チャネルにおける流体力学に影響を与えるように、死容積（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）及びマイクロチャネルのつまりの可能性を最小化するように、最適化されることができる。

好ましくは、マイクロ流体装置のチャネルの長さは、０．１ｍと５ｍの間、より好ましくは０．３ｍと４ｍの間、最も好ましくは０．５ｍと３ｍの間である。

プロセスチャネルは、チャネルの全長より小さな寸法を有するプレート上に収まるように、曲線状で及び／又は湾曲していてよい。プレートは円盤状（半導体産業において用いられるウエハーの形状に似ている）でよい。プレートは又５ｃｍと５０ｃｍの間の、好ましくは７ｃｍと４０ｃｍの間の、より好ましくは１０ｃｍと３０ｃｍの間の、更により好ましくは１５ｃｍと２５ｃｍの間の長さ及び５ｃｍと５０ｃｍの間の、好ましくは７ｃｍと４０ｃｍの間の、より好ましくは１０ｃｍと３０ｃｍの間の、更により好ましくは１５ｃｍと２５ｃｍの間の幅を有する長方形又は正方形でもよい。

マイクロ流体装置のプロセスチャネルの容積は、好ましくは０．３ｍｌと１００ｍｌの間、より好ましくは１ｍｌと５０ｍｌの間、最も好ましくは３ｍｌと２５ｍｌの間である。本発明によるマイクロ流体装置のチャネルの容積は、既知の密度の流体で全チャネルを満たし、流体でチャネルを満たす前後の重量差異を測定することで測定可能である。チャネルの容積は、次に重量差を流体の密度で割ることによって算出できる。

支持手段は、複数の支持要素を含んでよく、支持要素間の距離は、０．１ｍｍと５ｍｍの間、好ましくは０．２ｍｍと４ｍｍの間、より好ましくは０．５ｍｍと３ｍｍの間でよい。

支持要素は、１と２５の間の、好ましくは２と１５の間の、より好ましくは３と１０の間の、より好ましくは４と７のアスペクト比を有してよい。アスペクト比（Ａ．Ｒ．）は、式１によって定義される：
Ａ．Ｒ．＝ｄ_１／ｄ_２ （式１）

ここで、ｄ１は、第一の方向の支持要素の最大の寸法を示し、ｄ２は、第二の方向の支持要素の最大の寸法を示す。第一の方向及び第二の方向は、プロセスチャネルの頂壁に平行な平面に位置している。第二の方向は第一の方向に対して実質的に垂直であってよい。例えば、長方形の支持要素のアスペクト比は、支持要素の長さを支持要素の幅で割って算出される。楕円形の支持要素のアスペクト比は、楕円の長軸の長さ（ｂ）を楕円の短軸の長さ（ａ）で割って算出されてよい。更なる例は、図２の詳細な説明により与えられる。

１つの特定の好ましい実施態様において、頂壁、底壁及び側壁を有するプロセスチャネルを含むマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ及び１．０ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び当該プロセスチャネル内にある支持手段を有し、前記支持手段は、前記プロセスチャネルの前記底壁と前記頂壁との間で前記頂壁に対して実質的に垂直な方向に延在し、前記マイクロ流体装置は、前記プロセスチャネルに平行な少なくとも１つの熱交換手段を含み、前記支持手段の容積は、前記流体が前記プロセスチャネル内を流れることができる容積と前記プロセスチャネル内の前記支持手段の容積との合計の２０〜７５容積％であり、好ましくは３０〜６５容積％であり、より好ましくは４０〜６０容積％であり、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ及び０．１ｍｍと５ｍｍの間の幅を有する１と５０の間のマイクロチャネルを含み、前記支持手段は、前記マイクロチャネルの壁部材であり、前記プロセスチャネルの長さは０．１ｍと５ｍの間であり、前記プロセスチャネルは０．３ｍｌと１００ｍｌの間の容積を有し、前記支持手段は複数の支持要素を含み、これら支持要素間の距離は０．１ｍｍと５ｍｍの間である、マイクロ流体装置が提供される。好ましくは、前記支持要素は、０．１ｍｍと５０ｍｍの間の大きさを有する長次元及び０．１ｍｍと５ｍｍの間の大きさを有する短次元とを含み、前記長次元の前記大きさは前記短次元の前記大きさより大きく、前記支持要素は、前記プロセスチャネル内において前記支持要素の前記長次元が前記プロセスチャネルの長さ軸と平行になるように配置され、前記支持要素は１と２５の間のアスペクト比を有する。

支持要素は長方形、ダイアモンド形、卵形、目の形、楕円形、円柱形等の種々の形状をとってよい。ここで言及した支持要素の形状は、頂壁から見た支持要素の形状であって、頂壁に対して実質的に垂直に延在する支持要素の壁によって規定される形状であることは理解されるであろう。

支持要素が円柱形を有する場合、好ましくは直径の範囲は、１ｍｍと７ｍｍの間、好ましくは１．５ｍｍと６ｍｍの間、より好ましくは２ｍｍと５ｍｍの間である。支持要素の高さはプロセスチャネルの高さに等しい。

支持要素は、０．１ｍｍと６０ｍｍの間の，好ましくは、１ｍｍと５０ｍｍの間の、より好ましくは５ｍｍと５０ｍｍの間の大きさを有する長次元（例えば長さ）及び０．１ｍｍと５ｍｍの間の、好ましくは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の、より好ましくは０．５ｍｍと１ｍｍの間の大きさを有する短次元（例えば幅）を含んで有してよい。前記長次元の前記大きさは前記短次元の前記大きさより長い。支持要素は、プロセスチャネル内で支持要素の長次元がプロセスチャネルの長さ軸と平行になるよう構成されてよい。これらの支持要素は、支持要素中の亀裂発生部位を防ぐため丸められた角を有してもよい。

支持要素の設計は、支持要素の更なる下流に伸びる積層境界層を形成することによって又はプロセスチャネルに乱流を形成することによって、マイクロ流体装置の死容積を減少させうる。第一の機構を生じる支持要素の設計は、いかなる流速においても死容積を最小化するので、好ましい。

支持要素は、プロセスチャネル内で、ランダムに、又は格子アレー状（ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）に、好ましくは交互格子アレー（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）状に配置されてよい。支持要素のランダムな配置又は交互格子アレーの配置の利点は、１つ又は複数のマイクロチャネルがブロックされていない場合であっても、前記マイクロチャネルを通じる流体の通路が絡まりあっていることである。このような設計は、プロセスチャネル中を通過する流体のよりよい混合をもたらしうる。この設計は、更に、より狭い滞留時間の分布を生じうる。

流体装置は、更にスタティック混合要素を含んでもよい。そのような装置は、構成要素（例えば化学反応における反応成分）の混合を、マイクロ流体装置及びそれによって形成されるマイクロ流体システムの滞留時間部位（ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｓｅｃｔｉｏｎ）において反応が起こる前に可能にする。このような装置は、第一の及び第二の反応成分の間の混合及び反応の後一定時間が経過した後に、第三、第四又は更なる反応成分が加えられる必要があるマイクロ流体システムにもまた使用されてよい。

好ましくは、前記スタティック混合要素は、少なくとも２つの入口と１つの混合部分とを含む。前記混合部分は、少なくとも２つの入口及び前記マイクロ流体装置の前記プロセスチャネルに接続される。

実施態様において、前記少なくとも２つの入口は、少なくとも第二のプロセスチャネル及び第三のプロセスチャネルを含み、これらプロセスチャネルは０．２ｍｍと３ｍｍの間の、好ましくは０．３ｍｍと２．５ｍｍの間の、より好ましくは０．５ｍｍと２ｍｍの間の高さと、０．５ｍｍと５０ｍｍの間の、好ましくは１．０ｍｍと４０ｍｍの間の、更に好ましくは１．５ｍｍと３０ｍｍの間の幅及び支持手段を有する。この実施態様において、前記スタティック混合要素の前記混合部分は、交互配列の突起（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｒｉｄｇｅｓ）を有する第四のプロセスチャネルを含む。

本発明のマイクロ流体装置は、種々の機能を含むプレート（例えば、マイクロリアクター、加熱又は冷却手段等）を組み合わせることにより構築されてよい。ここで、このプレートは好ましくは融合している（ｆｕｓｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ）。当該マイクロ流体装置は、前記プロセスチャネルを含む少なくとも１つのプレート及び好ましくは、熱交換流体が通過することができるようにする熱交換チャネルを含む２つのプレートを含み、前記プロセスチャネルを含む前記少なくとも１つのプレートは、熱交換チャネルを含む２つのプレートの間に挟まれる。この実施態様の利点は、熱交換が、熱交換プレートとプロセスチャネルを含む少なくも１つのプレート（すなわちプロセスプレート）との間の最適な表面接触により最適化されること及びマイクロ流体装置がマイクロ流体システム内で個々のプロセスチャネルとして動作されうることである。任意にマイクロ流体装置はエンドプレートを含んでよい。プロセスチャネルは、重なり合った２つの鏡像のプレート内に設けられることもでき、これにより、プロセスチャネルの高さを２倍にしてもよい。本発明によるマイクロ流体装置は、それ故、好ましくは融合された３から６枚の間のプレートを含む。

実施態様において、熱交換手段は、伝導性熱交換要素を含む。

本発明によるマイクロ流体装置は、いかなる適当な材料、例えば、ガラス、金属又は金属合金（例えば鉄、ハステロイ）、セラミックス、溶融シリカ、炭化シリコン（ＳｉＣ）、炭化シリコンでコーティングされたグラファイト、からなってもよい。好ましい実施態様において、本発明のマイクロ流体装置は，ガラス又は溶融シリカからなる。ガラス又は溶融シリカの使用は、マイクロ流体装置中の反応が目視検査により確認できる、リアクターが化学的に不活性であるという利点を有する。溶融シリカをリアクター材料として使用することは、溶融シリカが赤外（ＩＲ）波長領域で半透明であるという利点（ガラスの使用に比して）を有する。これは、マイクロ流体装置の動作中の赤外分光分析も又可能にする。又、伝導ではなく放射により直接プロセスフローを加熱してよい赤外加熱器の使用も可能にする。

本発明は、
ａ．頂壁、底壁、及び側壁を有するプロセスチャネルを含む少なくも１つのマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ、１．０ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び当該プロセスチャネル内にある支持手段を有し、前記支持手段は、前記プロセスチャネルの前記底壁と前記頂壁との間で前記頂壁に対して実質的に垂直な方向に延在し、当該マイクロ流体装置は更に、前記プロセスチャネルに平行な少なくとも１つの熱交換手段を含む、マイクロ流体装置と；
ｂ．頂壁、底壁、及び側壁を有するプロセスチャネルを含む少なくも１つのマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ、１．０ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び当該プロセスチャネル内にある支持手段及びスタティック混合要素を有し、前記支持手段は、前記プロセスチャネルの前記底壁と前記頂壁との間で前記頂壁に対して実質的に垂直な方向に延在し、当該マイクロ流体装置は更に、前記プロセスチャネルに平行な少なくとも１つの熱交換手段を含む、マイクロ流体装置と；
ｃ．少なくとも１つの封止手段と、
ｄ．ホルダ及びクランプ手段と、
を含むキットオブパーツにも又関する。

好ましい実施態様において、キットオブパーツは、マイクロ流体装置ａ．及びｂ．を含み、これらは好ましくは０．３ｍｍと２．５ｍｍの間の、より好ましくは０．５ｍｍと２ｍｍの間の高さ及び好ましくは２．０ｍｍと４０ｍｍの間の、より好ましくは３．０ｍｍと３０ｍｍの間の、より好ましくは５．０ｍｍと２５ｍｍの間の、更により好ましくは１０ｍｍと２０ｍｍの幅を有するプロセスチャネル及び支持手段を含む。

好ましくは、キットオブパーツは、更に少なくとも１つの熱交換モジュールを含む。熱交換モジュールは、反応成分を予熱するために及び／又は反応生成物を冷却するために必要とされうる。熱交換モジュールはマイクロ流体装置ａ．に似たマイクロ流体装置を含んでよい。

キットオブパーツは、種々の大きさのプロセスチャネルを有するマイクロ流体装置ａ．を含んでよい。例えば、キットオブパーツは、０．３ｍｌと１０ｍｌの間の、好ましくは０．５ｍｌと５ｍｌの間の、更に好ましくは１ｍｌと３ｍｌの間の容積をもつプロセスチャネルを有する少なくとも１つのマイクロ流体装置ａ．を含む。キットオブパーツは更に、０．３ｍｌと１００ｍｌの間の、好ましくは１ｍｌと５０ｍｌの間の、更に好ましくは３ｍｌと２５ｍｌの間の容積をもつプロセスチャネルを有する少なくとも１つのマイクロ流体装置ａ．を含む。同様に、キットオブパーツは、上記に示したような種々のサイズを有するプロセスチャネルを有するマイクロ流体装置ｂ．を含んでよい。

小さいプロセスチャネル容積のマイクロ流体装置は、研究室規模の実験及び生産に用いられてよい。一方、より大きなプロセスチャネル容積のマイクロ流体装置は、スケールアップ及び大規模生産目的で用いられてよい。

当該キットオブパーツは、更に、マイクロ流体装置の出口を次のマイクロ流体装置の入口に接続するための少なくとも１つの接続手段を含んでよい。このような接続手段は封止手段（例えばＯ−ｒｉｎｇ）を収容するための少なくとも１つの凹部を有するプレートを含んでよい。接続手段は更に、プレート全体を通じて穴を有してよく、これらの穴は、マイクロ流体装置の出口が次のマイクロ流体装置の入口に流体的に接続するように構成される。このような接続手段の利点は、マイクロ流体装置の入口と出口が標準化されうるため、それがキットオブパーツの柔軟性を増すということである。このことは、マイクロ流体装置のすべての入口と出口が、マイクロ流体装置の両サイドから到達可能であるように作られているということである（実際上は、プロセスチャネルの最初又は最後におけるマイクロ流体装置全体を通じる穴によって）。マイクロ流体装置は又、プロセスチャネルに接続されていない装置全体を通じる穴も含んでよい。このような穴は、マイクロ流体システム内の他のモジュールを流体的に接続するために用いられうる。接続プレートは又、次のマイクロ流体装置に接続される必要がないプロセスチャネルを塞いでもよい。

接続プレートは、いかなる適当な材料、例えば、ガラス、溶融シリカ、金属又は金属合金（例えば鉄、ハステロイ）及び高分子材料で作られてもよい。

好ましくは、接続プレートは、浸食性の（例えば、腐食性の）化学製品に対して耐性をもつ材料で作られる。より好ましくは、接続プレートは、例えば、エポキシ高分子又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を含む高分子材料で作成される。ＰＥＥＫは、接続プレート用材料として最も好ましい。

好ましくは封止手段は化学耐性のものであり、好ましくは弾性をもった材料、例えばペルフルオロアルカン高分子、好ましくはペルフルオロエチレン、例えばＰｅｒｌａｓｔ（登録商標）又はＫａｌｒｅｚ（登録商標）を含む材料である。封止手段は、少なくとも１つのＯ−ｒｉｎｇを含んでよい。

このキットオブパーツの利点は、それがマイクロ流体システム設計に柔軟性をもたせることである。キットオブパーツの既述の要素は、柔軟性をもつ構成要素であると考えられてよく、どのような望まれる方法で接続されてもよい。他の利点は、スケールアップ実験が比較的速くなされうることである。特定の化学反応に対して、特別に設計されたマイクロ流体装置は必要とされない。本発明によるキットオブパーツの更に他の利点は、マイクロ流体装置を互いに接続するための追加の配管が必要とされないことであり、このことと、接続手段及び封止手段に用いられる材料との組み合わせが、２５０°Ｃ迄の高温及び４０ｂａｒ迄の高圧に耐えうるマイクロ流体システムの構築を可能にする。

キットオブパーツは、実行されるべき特定のタイプの反応のためのマイクロ流体システムを設計するために用いられてよい。マイクロ流体装置（ｂ）（混合モジュール（Ｍ）とも呼ばれる）を、マイクロ流体装置（ａ）（滞留時間モジュール（Ｒ）とも呼ばれる）と、カスタマイズして組み合わせることによって、複数の成分が、望まれる時間間隔で混合されることができる。接続手段及び封止手段は、種々のマイクロ流体装置の入口及び出口の間の流体密封接続（ｆｌｕｉｄ ｔｉｇｈｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）を確立するために用いられてよい。

すべてのモジュール（プロセスモジュール及び熱交換モジュール）は、モジュールの外形寸法が大きさにおいて実質的に同等であるように設計される。モジュールの端は流体接続を確立するための穴を含む。例えば、熱交換モジュールは、２つの連続したプロセスモジュールの出口及び入口の間の流体接続が、熱交換モジュールを通じた小さいチャネルを通じて確立されることができるように、プロセスモジュールの入口及び出口と同一の位置に穴を含んでよい。モジュールの設計は、プロセスモジュールのすべての入口及び出口がモジュールの一方の側にあり、熱交換モジュールの入口及び出口が反対側にあるようにされてもよい。この利点は、別個の処理流れ及び熱変換流体の流れが容易に確立されることができるということである。

使用後に、マイクロ流体システムは容易に分解されることが可能で、別個のプロセスモジュール及び熱変換モジュールは容易に洗浄されることが可能である。このため、マイクロ流体システムを構成するマイクロ流体装置は、同一の又は異なった反応を実行するどのような構成でも再度使用されることができる。

キットオブパーツは、多様な反応に対して容易で柔軟性をもつリアクターアセンブリーのためのツールキットを提供する。キットオブパーツは、使用が容易で、保守も容易である。

本発明は、
ａ．頂壁、底壁、及び側壁を有するプロセスチャネルを含む少なくとも１つのマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ、１．０ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び当該プロセスチャネル内にある支持手段を有し、前記支持手段は、前記プロセスチャネルの前記底壁と前記頂壁との間で前記頂壁に対して実質的に垂直な方向に延在し、当該マイクロ流体装置は更に、前記プロセスチャネルに平行な少なくとも１つの熱交換手段を含む、マイクロ流体装置と；
ｂ．頂壁、底壁、及び側壁を有するプロセスチャネルを含む少なくとも１つのマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ、１．０ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び当該プロセスチャネル内にある支持手段及び、スタティック混合要素を有し、前記支持手段は、前記プロセスチャネルの前記底壁と前記頂壁との間で前記頂壁に対して実質的に垂直方向に延在し、当該マイクロ流体装置は更に、前記プロセスチャネルに平行な少なくとも１つの熱交換手段を含む、マイクロ流体装置と；
ｃ．少なくとも１つの封止手段と；
ｄ．ホルダ及びクランプ手段と
を含むマイクロ流体システムにも又関する。マイクロ流体装置ａ．及びｂ．を含むスタックが形成されて互いに流体接続がなされてよい。マイクロ流体装置のプロセスチャネルの出口と次のマイクロ流体装置のプロセスチャネル入口との間の封止された（すなわち流体密封の）接続が、前記出口と前記入口との間に封止手段を、及びクランプ手段によって提供されるクランプ力を、提供することにより、確立されてよい。

マイクロ流体システムは更に、マイクロ流体装置の出口を次のマイクロ流体装置の入口に接続するための少なくとも１つの接続手段を含んでよい。このような接続手段は前述されている。後続のマイクロ流体装置の熱交換チャネル間の流体密封接続は、同様に作られる。

本発明の他の側面は、いずれかのクレームに記載の少なくとも２つのマイクロ流体装置と、少なくとも１つの封止手段と、ホルダ及びクランプ手段とを含むキットオブパーツであって、当該キットオブパーツは更に、少なくとも１つの接続手段及び前記封止手段のための少なくとも１つの位置決め手段を含み、前記位置決め手段は前記封止手段を収容するための少なくとも１つの穴を含み、前記接続手段は穴を含み、前記接続手段の前記穴及び前記位置決め手段の前記穴は、前記キットオブパーツの動作中にマイクロ流体装置の出口を次のマイクロ流体装置の入口に流体接続するように構成される、キットオブパーツを提供する。

好ましくは、マイクロ流体システムは、マイクロ流体装置ａ．及びｂ．を含み、これらは好ましくは０．３ｍｍと２．５ｍｍの間の、より好ましくは０．５ｍｍと２ｍｍの間の高さ及び好ましくは２．０ｍｍと４０ｍｍの間の、より好ましくは３．０ｍｍと３０ｍｍの間の、より好ましくは５．０ｍｍと２５ｍｍの間の、更により好ましくは１０ｍｍと２０ｍｍの幅を有するプロセスチャネルと、支持手段とを含む。

好ましくは、マイクロ流体システムは、すべての反応成分が、それらが混合され、反応を起こす前に、システム内で予熱されることができるように設計される。これは、関与する各反応成分について、少なくとも１つの滞留時間モジュール（一体化された熱交換、すなわち熱交換プレートを含むマイクロ流体装置を含むもの）を、マイクロ流体システムにおける第一のモジュールとして構成することによって達成されることができる。その後、反応成分を混合し、反応が開始することを可能にするように、混合モジュールが配置されてよい。（初期の）反応成分の混合の後、反応時間を決定するために、滞留時間モジュールが直列に配置されてよい。追加の反応成分が、後の段階で反応混合物と共に混合されてよい。追加の反応成分は、予熱されてもよい。マイクロ流体システムから出る前に、反応混合物は室温まで冷却されてよい。熱交換の設計は、反応熱（もし反応が発熱性であれば）が反応成分を予熱するために用いられるようであってよい。上述の基本動作は「コールドイン・コールドアウト（ｃｏｌｄ ｉｎ／ｃｏｌｄ ｏｕｔ）」とも呼ばれ、加熱及び冷却ステップが、予熱モジュールを含む第一のホルダ、プロセスモジュール（混合及び反応）を含む第二のホルダ及び反応生成物を冷却するための冷却モジュールを含む第三のホルダの間を配管することを必要とする、別個の／異なったホルダ内で行われる必要がないという利点がある。好ましくは、上述の処理は単独のホルダ内に組み込まれることが可能で、これにより、配管及び接続の使用を除去することになり、これは、特に高温（例えば２５０°Ｃ迄）及び高圧（例えば４０ｂａｒ迄）での稼働の際に、システムの不具合のリスクを軽減することにつながる。

同様の構成が、例えば、最適な反応条件が室温より低く及び／又反応が吸熱性であって、室温より下の温度で生成物が得られる場合に、反応成分の予冷及び／又は最終反応生成物の加熱を確立するために用いられてよい。

本発明は、スケールアップ化学反応を実行するための上述のマイクロ流体システムの使用にも関する。マイクロ流体システムは、例えば、浸食的な反応成分を含むスケールアップ反応又はセンシティブな反応成分を含む反応に用いられてよい。本発明によるマイクロ流体システムの重要な用途は、薬剤のスケールアップ及び製造である。

スタティックミキサーを含まないマイクロ流体装置の略図を示す。 スタティック混合要素を含むマイクロ流体装置の略図を示す。 図１Ａ及び１Ｂに示されたマイクロ流体装置のプロセスチャネル２の詳細の略図を示す。 図１Ｂに示された混合要素の詳細の略図を示す。 支持要素の種々の形状を概略的に示す。 プロセスチャネルの内部における支持要素の配置を概略的に示す。 交互格子アレー構成の支持要素の実施態様を概略的に示す。 交互格子アレー構成の支持要素の実施態様を概略的に示す。 図１Ａに示す単独のマイクロ流体装置の構成を概略的に示し、ここで、プロセスチャネルを含むプレートが２つの熱交換プレート及び２つのエンドプレートの間に挟まれている。 図１Ｂに示す単独のマイクロ流体装置の積層を概略的に示し、ここでプロセスチャネル及び混合セクションを含むプレートが２つの熱交換プレート及び２つのエンドプレートとの間に挟まれている。 本発明によるキットオブパーツの部分であってよい接続手段の３次元の図を概略的に示す。 図４Ｃに示される接続手段の上面図を概略的に示す。 Ａ＋Ｂ→Ｐのような２つの反応成分を含む反応を実行するための、混合要素を含む１つのマイクロ流体装置及び混合要素を有さない４つのマイクロ流体装置を含むマイクロ流体システム設計の例を概略的に示す。 Ａ＋Ｂ→Ｉ及びＩ＋Ｃ→Ｑのような同時に混合されない３つの反応成分を含む反応を実行するための、混合要素を含む２つのマイクロ流体装置及び混合要素を含まない３つのマイクロ流体装置を含むマイクロ流体システム設計の例を概略的に示す。 本発明によるキットオブパーツの図を概略的に示す。 本発明によるキットオブパーツの更なる図を概略的に示す。

ここから、本発明について添付図を参照してより詳細に説明する。

図１Ａは、入口３及び出口４を有するプロセスチャネル２を含む本発明によるマイクロ流体装置１ａの略図を示す。図１Ｂは、入口３ａ及び他の入口３ｂ及び出口４’を有するプロセスチャネル２を含む本発明によるマイクロ流体装置１ｂの略図を示す。これら入口３ａ及び３ｂは、プロセスチャネル２に接続される混合セクション５に接続される。

これらマイクロ流体装置１ａ及び１ｂのプロセスチャネル２の内部の例が、図１Ｃに示される。図１Ｃは、実質的に平行な対向する壁６ａ及び６ｂ並びに実質的に平行な長手方向の軸６ｃを有するプロセスチャネル２を示す。この例によるプロセスチャネルの内部は更に、支持手段として支持要素７ａ及び７ｂを含む。この例の支持要素７ａは、軸６ｃに沿って配列されており、長さＬ_１及び幅Ｗ_１を有する。支持要素７ｂは、軸６ｃに実質的に平行に（及びそれ故壁６ａ及び６ｂに実質的に平行に）配列されており、長さＬ_２ 及び幅Ｗ_２を有する。支持要素７ａ及び７ｂの長さは、実質的に同等であるが、必ずしも全く同じである必要はない

支持要素７ａの幅は、支持要素７ｂの幅より実質的に大きくてよい（すなわちＷ_１＞Ｗ_２）。壁６ａ及び６ｂの高さと支持要素７ａ及び７ｂの高さとは、実質的に同じである。

図１Ｄは、図１Ｂに示される混合セクション５の内部の略図を示す。この例による混合セクションは、交互格子突起１０ａ，１０ｂ，１１ａ及び１１ｂを含むスタティック混合セクションである。突起は、それらが混合セクション５の底壁１２ｂから突き出すように（すなわち突起１０ａ及び１０ｂ）又は混合セクション５の頂壁から突き出すように（すなわち突起１１ａ及び１１ｂ）構成される。突起は、軸１３に対してそれぞれ角度α_１，α_２，α_３及びα_４で配列される。角度α_１，α_２，α_３及びα_４は、互いに独立して選択され、５°から８５°、好ましくは１５°から７５°、より好ましくは３０°から６０°、更により好ましくは４０°及び５０°の範囲である。突起は、プロセスチャネルの高さの５％と９５％の間の高さを有してよく、好ましくは、プロセスチャネルの高さの１０％と９０％の間の、更に好ましくは２５％と７５％の間の高さを有してよい。言い換えると、突起の高さとプロセスチャネルの高さとの比率（すなわち、それぞれｈ_１０ａ／ｈ_ｃ，ｈ_１０ｂ／ｈ_ｃ，ｈ_１１ａ／ｈ_ｃ，ｈ_１１ｂ／ｈ_ｃ）は、０．０５と０．９５の間、好ましくは０．１と０．９の間、より好ましくは０．２５と０．７５の間でよい。このように、突起１０ａ，１０ｂ，１１ａ及び１１ｂの高さは、支持要素とは違って、プロセスチャネルの高さとは異なっている。突起１０ａ，１０ｂ，１１ａ及び１１ｂの高さは同じでも異なっていてもよい。混合効率を改良する可能性をもつ異なった交互配列の突起設計が可能である。交互配列の突起の一例は、Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｒｉｄｇｅｓ ｓｔａｔｉｃ ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒｓ、Ｘ．Ｆｕ、ｅｔ ａｌ．、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ， Ｂ１１４， （２００６），ｐ６１８−６２４に見られ、これは参照によって本明細書に組み込まれる。交互配列の突起の構成によって、比較的短い混合長に亘って高い混合効率が得られうる。それ故、マイクロ流体装置における圧力低下全体に対する混合セクションの影響は少ない。ミキサーの設計は、突起１０ａと１１ａとが、そして１０ｂと１１ｂとが、それぞれ交差し、これら突起の間の流れを制限するようなものである。流れの制限は、プロセスチャネルのどちらの側においても対称ではない。突起１０ｂ及び１１ｂは、互いにわずかなオフセット（Δｘ）を有する。突起１０ａ及び１１ａについても同様である。スタティックミキサーは、次のように作動する：矢印Ｒ及びＳで示した方向に流体流れが流れる。流れの下半分の右部分が、突起１０ｂによってプロセスチャネルの左手側に導かれ、そこでその部分が、流体流れの下側の左手部分と混合される。流れの上半分の左手部分が、突起１１ｂによってプロセスチャネルの右手側に導かれ、そこでその部分が、流体流れの上側の右手側と混合される。これを何回か（この例では２回）繰り返すことにより、流体流れは混合される。

本発明によるマイクロ流体装置のプロセスチャネル内の支持要素の設計は、非常に重要である。注意深く選択された設計は、プロセスチャネルの死容積を減少し、それ故プロセスチャネルを流れる反応している流体混合物の滞留時間分布を減少してよい。図２で示したような支持要素のアスペクト比（Ａ．Ｒ．）は、以下のように算出されてよい：
図２Ａ（円形）：

図２Ｂ（楕円形）：Ａ．Ｒ．＝ｂ／ａ；
図２Ｃ（正方形）：Ａ．Ｒ．＝Ｌ_ｒ／Ｗ_ｒ−Ｗ_ｒ／Ｗ_ｒ＝１；
図２Ｄ−Ｅ（長方形）：Ａ．Ｒ．＝Ｌ_ｒ／Ｗ_ｒ；
図２Ｆ−Ｇ（ダイアモンド）：Ａ．Ｒ．＝Ｌ_ｄ／Ｗ_ｄ
図２Ｈ（目の形）：Ａ．Ｒ．＝Ｌ_ｅ／Ｗ_ｅ．

プロセスチャネルの死容積の減少は、支持要素を、動作中に、従来の（例えば、長方形の）支持要素が使用される場合よりも下流に延在する、支持要素に沿った層流境界層が形成されるように設計することによって達成されてよい。この目的のためには、円形、楕円形（卵形）、ダイアモンド型又は、目の形のデザインが最も適当でありうる（２Ａ，２Ｂ，２Ｆ，２Ｇ及び２Ｈ参照）。プロセスチャネルの死容積を減少する他の方法は、支持要素の後ろで乱流を起こすことでよい。これは、特に中高流速において有効である。この目的のためには、図２Ｃ、２Ｄ及び２Ｅに示された形状を有する支持要素がより適当である。図２Ｅは、丸められた角８０を有する長方形の支持要素も又可能であることを示す。この例において、マイクロ流体装置はガラス製のため、丸められた角も又ガラスのストレス亀裂を防ぐ。

更に、混合効率及びそれ故滞留時間分布も又、プロセスチャネル２内部の支持要素の配列に依存する。図３Ａは概略的に、プロセスチャネル内の支持要素の配列を示す。これは、図１Ｃに示される構成に似ている。図３Ａ内の矢印Ｆ及びＧは、２つの異なる流体通路を示す。これら流体通路はマイクロチャネルを表すと理解される。障害物９０がマイクロチャネルにおいて発生するとき、マイクロチャネルが絡まり合っているので流体通路Ｈは変化する。矢印Ｆ及びＧ参照。

より効率的な混合は、流体通路を非常に絡まり合ったマイクロチャネルを通すことで得られてよい。図３Ｂ及び３Ｃは、それぞれダイアモンド型（図３Ｂ）及び円形（図３Ｃ）を有する支持要素の交互格子アレーの配置を概略的に示す。図３Ｂ及び３Ｃにおいて、Ｋ及びＬで示された矢印はそれぞれ、支持要素で交わるフローが２つの別個の部分的な流れに分けられることを示しており、支持要素に対して一方は左に進み、一方は右に進む。更なる下流において部分的な流れは、種々の支持要素から発生した部分的な流れと合流してよい。このプロセス、更なる下流において、より効率的な混合が得られるように繰り返される。

図４Ａ及び４Ｂは、本発明によるマイクロ流体装置の構成を概略的に示す。第一にマイクロ流体装置は、滞留時間チャネルを含む少なくとも１つのプレート（１ａ）又は混合セクション（５，図１Ｂ参照）も含む少なくとも１つのプレート（１ｂ）を含む。マイクロ流体装置は、更に２つの熱交換プレート２０ａ及び２０ｂ、及び、２つのエンドプレート２１ａ及び２１ｂをそれぞれ含む。本発明におけるマイクロ流体装置は、図４Ａ及び４Ｂに示すように、機械的組み立てにより及び／又プレートの溶融により形成されてよい。

図４Ｃ及び４Ｄは、本発明によるキットオブパーツの一部であってよい接続手段を概略的に示す。接続手段７０は封止手段７４と共に、図５及び６（図５における矢印Ｖ）に示される各マイクロ流体装置の間に挿入されてよい。これは、接続手段７０における穴７２を通して、例えばマイクロ流体装置１ｂの出口４’とマイクロ流体装置１ａ（ｉ）の入口３（ｉ）との間に流体密封接続を確立するためである。封止手段７４は、接続手段７０内の凹部７３に配置される。穴７１は、クランプ手段、例えばボルト及びナットを収容するために配置される。同様の接続が、他のマイクロ流体装置間に確立されてよい。

図７Ａは、本発明によるキットオブパーツの更なる図を概略的に示す。図７Ａは、図４Ｃ及び４Ｄの接続手段７０並びに封止手段７４により接続された本発明によるマイクロ流体装置１が積み重ねられた層を示す。

図４Ｃ及び４Ｄを参照して説明したように、接続手段７０は、２つの隣接したマイクロ流体装置１の間に挿入される。接続手段７０は、各々が穴７２を有する凹部７３を有する。封止手段７４は、接続手段７０の凹部７３に収容される。

組み立てられた後、流体密封接続が、接続手段７０内の穴７２を通じて、隣接したマイクロ流体装置１の間に確立される。

図７Ｂは、本発明によるキットオブパーツの更なる図を概略的に示す。図７Ｂは、本発明によるマイクロ流体装置１が積み重ねられた層を示す。マイクロ流体装置１は、接続手段７０ａ、封止手段７４及び該封止手段７４のための位置決め手段７０ｂにより接続される。

接続手段７０ａは、２つの隣接したマイクロ流体装置１の間に挿入される。接続手段７０ａは、穴７２ａを有する。位置決め手段７０ｂは、穴７３ｂを有する。この実施態様において、封止手段７４は、第二の位置決め手段７０ｂの穴７３ｂ内に収容される。これは封止手段７４が、マイクロ流体装置１を含むアセンブリとは離れた場所で、適当な位置に設置されることを可能にする。封止手段７４を位置決め手段７０ｂの穴７３ｂ内の適当な位置に置くこと及び第二の接続手段７０ｂを接続手段７０ａの上に置くことは、システムの構築を容易にする。

組み立てられた後、流体密封接続が、接続手段７０ａ内の穴７２ａ及び位置決め手段７０ｂ内の穴７３ｂを通じて、隣接したマイクロ流体装置１の間に確立される。入口及び出口の反対側において（図５の矢印Ｗ）、封止手段を有する接続手段が、ホルダ内にスタックがクランプされる際の機械的ストレスを避けるため及びマイクロ流体装置の連続する熱交換層（図示されていない）の間に流体密封接続を確立するために、スペーサとして挿入されてよい。

接続手段の設計（すなわち、穴の位置）を変更することにより、マイクロ流体装置のスタックのすべての入口とスタックのすべての出口とを接続することにより、並列の接続も確立可能である。並列及び直列接続の組み合わせも、マイクロ流体装置間の配管の必要なしに確立可能である。

例
比較例Ａ：流速の関数としての、単体の従来のマイクロ流体装置の滞留時間及び測定された圧力低下

ガラス製の従来のマイクロ流体装置は一般に５．５６ｍｌのプロセスチャネル容積及び１０ｍのプロセスチャネル長を有する。プロセスチャネルの断面は、それ故約０．５５６ｍｍ^２であり、プロセスチャネルは少なくとも１つのミリメートル未満の領域の次元を有する。プロセスチャネルの断面は台形に類似する。チャネルの幅、すなわちチャネルの最大幅は、頂壁の長さであり、１．０ｍｍである。側壁は底壁に向かって約２０°の角度で傾斜している。チャネルの高さ、すなわちチャネルの最大高さは、０．７ｍｍである。プロセスチャネルは、支持手段を有しない。平均滞留時間は、プロセスチャネルの容積を流速で割って算出される。プロセスチャネルの入口及び出口の間の圧力低下は、従来のマイクロ流体装置の入口及び出口に配置された２つの圧力センサーによって測定される。圧力低下は次に、マイクロ流体装置の出口で測定された圧力を、マイクロ流体装置の入口で測定された圧力から差し引いて算出される。結果は、表１にまとめられている。

表１：従来のマイクロ流体装置における流速の関数としての滞留時間及び圧力低下

表１は、圧力低下が、流速の増加と共に急速に増加することを示す。従来のマイクロ流体装置は、直列に使用することに（特に、高速の流速が望まれる場合）適していない。

例１：本発明による単体のマイクロ流体装置（図１）の流速の関数としての滞留時間及び測定された圧力低下

ガラス製の図１Ａによるマイクロ流体装置は、通常１．１ｍの長さ及び１５ｘ１．４ｍｍ^２の断面を有する（図１参照）。支持要素なしのプロセスチャネルの容積は、それ故約２３．１ｍｌである。プロセスチャネルの実際の容積は、通常約１０ｍｌであり、この特定の例では１１．３ｍｌである。それ故支持要素（図１Ｃ参照）は、プロセスチャネルの容積の約５０％を占める。平均滞留時間は、プロセスチャネルの容積（１１．３ｍｌ）を流速で割って算出される。図４Ａ及び４Ｂに示されたマイクロ流体装置が、本発明による単体のマイクロ流体装置における一定温度での圧力低下を測定するために使用される。この例におけるマイクロ流体装置は、反応容積を提供及び／又増加させる（すなわち一定流速で滞留時間を加える）ために使用されるいわゆる滞留時間モジュールである。矢印３０により示された供給流れは、第一のエンドプレート２１ａ及び第一の熱交換モジュール２０ａの中の穴３１及び３２を通してそれぞれ、本発明によるマイクロ流体装置１ａのプロセスチャネル２の入口３に対して供給される。流れはマイクロ流体装置１ａのプロセスチャネル２（滞留時間モジュール）を通過し、プロセスチャネル２の出口４から出る。流れは、その後第二の熱交換モジュール２０ｂ及び第二のエンドプレート２１ｂ内にある穴４０及び４１を通過し、矢印４２で示すようにマイクロ流体システムの外で終わる。熱交換モジュールは、４つの平行熱交換チャネル、例えば熱交換モジュール２０ｂに対する６０、６１、６２及び６３、を含む。平行熱交換チャネルは、矢印５０で示されるように、熱交換流体（すなわち加熱又は冷却流体）を同時に供給される。点線５２は、熱交換モジュール２０ａ及び２０ｂが、平行にも動作することを示す：熱交換流体の供給は部分的に熱交換モジュール２０ａの４つのチャネルを通じ、部分的に熱交換モジュール２０ｂを通じる。点線５３は、それぞれの熱交換モジュール２０ａ及び２０ｂの上側チャネルの戻りの流れを示す。後者のチャネルは、６０という数字で表している。矢印５１で示された流れは、並列に動作する８つの熱交換チャネルの戻りの流れ全体を含む。マイクロ流体装置の入口と出口との間の圧力低下は、マイクロ流体装置の入口及び出口に配置された２つのオメガＤＰＧ １２０圧力センサーによって測定される（図４ＡのＰ_１及びＰ_２及び図４ＢのＰ_３及びＰ_４参照）。図４Ａによるマイクロ流体装置（滞留時間モジュール）における圧力低下は、以下のように算出される：Δｐ_１＝ｐ_１−ｐ_２。図４Ｂ（混合モジュール）によるマイクロ流体装置における圧力低下は、以下のように算出される：Δｐ_２＝ｐ_３−ｐ_４。結果は表２にまとめられている。

表２：本発明によるマイクロ流体装置（図１Ａ及び４Ａ）における２５°Ｃの水の流速の関数としての滞留時間及び圧力低下

例２：流速の関数としての本発明による単体のマイクロ流体装置（図１Ｂ）の滞留時間及び測定された圧力低下

例１並びに図１Ａ及び４Ａを参照して与えられた上記の説明に加えて、図４Ｂによるマイクロ流体装置は、混合セクション５を含み、これは、通常５ｃｍの長さを有し、この場合には、それぞれ反応成分Ａ及びＢのための２つの入口３ａ及び３ｂを有する。プロセスチャネル２は通常、１．０５ｍの長さ及び通常１５ｘ１．４ｍｍ^２の断面を有する（図１Ｃ参照）。支持要素及び交互格子突起を除いたプロセスチャネル２及び混合セクション５の全容積は、それ故約２３．１ｍｌである。プロセスチャネルの実際の容積は通常約１０ｍｌであり、この特定の例では、１１．３ｍｌである。それ故、支持要素及び交互格子突起（図１Ｃ及び１Ｄ参照）は、プロセスチャネル及び混合セクションの全容積の約５０％を占める。平均滞留時間は、プロセスチャネルの容積（１１．３ｍｌ）を流速で割って算出される。プロセスチャネルの入口及び出口の間の圧力低下は、例１で前述のようにマイクロ流体装置の入口及び出口に配置された２つの圧力センサーで測定される。結果は、表３にまとめられている。

表３：流速の関数としての本発明によるマイクロ流体装置（図１Ｂ及び４Ｂ）における２５°Ｃの水の滞留時間及び圧力低下

表３の表２に対する比較により、図１Ｂに示す本発明による混合セクションを含むマイクロ流体装置における全圧力低下が、図１Ａに示す本発明によるマイクロ流体装置のおける圧力低下より大きいことが分かる。

例３：２つの反応成分を含む反応を実行するためのマイクロ流体システム設計：Ａ＋Ｂ→Ｐ

図５は、例２による１つのマイクロ流体装置１ｂ及び例１による４つのマイクロ流体装置１ａ（ｉ）、１ａ（ｉｉ）、１ａ（ｉｉｉ）及び１ａ（ｉｖ）を含むマイクロ流体システムの略図を示す。反応成分Ａ及びＢは、マイクロ流体装置１ｂの入口３ａ及び３ｂにそれぞれ供給される。反応成分はマイクロ流体装置１ｂの混合セクション５内で混合される。次に、混合物はマイクロ流体装置１ｂのプロセスチャネル２を通過する。混合物は、マイクロ流体装置１ｂを出口４で出て、入口３（ｉ）を通って、例１による滞留時間モジュールである次のマイクロ流体装置に入る。混合物は、このように４つの滞留時間モジュールを通過し、生成物Ｐは、例１（１ａ（ｉｖ））による４番目のマイクロ流体装置の出口４（ｉｖ）でマイクロ流体システムを出る。

この例において、流速及びモジュールの総数の圧力低下及び滞留時間に対する影響が決定された。結果は表４に示される。

表４：２５°Ｃの水の流速及び直列になっているマイクロ流体装置（モジュール）の総数（図５に示される例）の関数としての滞留時間及び圧力低下

１：Ｍは混合モジュール、すなわち図１Ｂで示されるマイクロ流体装置を表す；Ｒは滞留時間モジュール、すなわち図１Ａで示されるマイクロ流体装置を表す。

表４は、望ましい流速１００ｍｌ／ｍｉｎ（６Ｌ／ｈｒ）及び約２分の滞留時間（Ａ及びＢのＰへの適切な変換を得るために必要）において２０個のモジュール（１個の混合モジュール（図１Ｂ）に１９個の滞留時間モジュール（図１Ａ）が直列に続く）が必要であることを示す。この例によるマイクロ流体システムおける総圧力低下は、１３０１．１ｍｂａｒである。

例４：２つの反応成分を含む反応Ａ＋Ｂ→Ｉ及びＩ＋Ｃ→Ｑを達成するためのマイクロ流体システムの設計

図６は、例２によるマイクロ流体装置１ｂ（ｉ）を含むマイクロ流体システムの略図を示す。マイクロ流体装置１ｂ（ｉ）には、例１による２つのマイクロ流体装置１ａ（ｉ）及び１ａ（ｉｉ）が続き、これらには例２による第二のマイクロ流体装置１ｂ（ｉｉ）が続き、さらにこれには例１による第三のマイクロ流体装置１ａ（ｉｉｉ）が続く。反応成分Ａ及びＢは、マイクロ流体装置１ｂ（ｉ）の入口３ａ（ｉ）及び３ｂ（ｉ）にそれぞれ供給される。反応成分はマイクロ流体装置１ｂ（ｉ）の混合セクション５（ｉ）内で混合される。次に、混合物はマイクロ流体装置１ｂ（ｉ）のプロセスチャネル２’（ｉ）を通過する。混合物は、マイクロ流体装置１ｂ（ｉ）を出口４’（ｉ）で出て、入口３（ｉ）を通って、例１による滞留時間モジュールである次のマイクロ流体装置に入る。混合物は、２つの滞留時間モジュール（１ａ（ｉ）及び１ａ（ｉｉ））を通過する。混合物は、次に第二の混合モジュール１ｂ（ｉｉ）の入口３ａ（ｉｉ）に供給され、第三の反応成分Ｃと混合され、これが第二の混合モジュール１ｂ（ｉｉ）の入口３ｂ（ｉｉ）に供給される。Ａ、Ｂの混合物及び中間生成物Ｉは、第二の混合モジュール３ｂ（ｉｉ）の混合領域５（ｉｉ）内で反応成分Ｃと混合される。次に得られた混合物は、第二の混合モジュールのプロセスチャネル２’（ｉｉ）を通過し、モジュールを出口４’（ｉｉ）で出て、入口３（ｉｉｉ）で第四の最終の滞留時間モジュールに入る。生成物Ｑは、例１による３番目のマイクロ流体装置（１ａ（ｉｉｉ））の出口４（ｉｉ）でマイクロ流体システムを出る。

この例はモジュール方式が、原反応成分（ここでＡ及びＢ）の望ましい滞留時間において付加的な反応成分（ここでＣ）の複数の入口位置を有するマイクロ流体システムの設計に柔軟性を与えることを示す。結果は表５に示される。

表５：２５°Ｃの水の流速及び直列になっているマイクロ流体装置（モジュール）の総数の関数としての滞留時間及び圧力低下（例が図５に示される）。

例５：２つの反応成分を含む反応（Ａ＋Ｂ→Ｉ及びＩ＋Ｃ→Ｑ）を実行するための、並列配置の従来のマイクロ流体装置（表１参照）と、本発明によるモジュール直列配置のマイクロ流体システム設計との間の比較

表５：ａ）並列配置の従来のマイクロ流体装置及びｂ）直列配置の本発明によるモジュールマイクロ流体システムについての２５°Ｃの水の流速及び滞留時間の関数としての圧力低下。

表５は、ａ）並列配置の従来のマイクロ流体装置及びｂ）直列配置の本発明によるマイクロ流体装置のマイクロ流体システムにおける総圧力低下を示す。表５は又、並列配置の従来のマイクロ流体装置が生産速度（すなわち流速）に関係なくマイクロ流体システムにおける圧力低下を示すのに対し、直列配置の本発明によるマイクロ流体装置における圧力低下が生産速度の増加に伴って増加することも示す。表５は、更に、本発明によるマイクロ流体装置の直列構成は、短い滞留時間が求められる場合にきわめて有効であることを示す。

並列リアクター（すなわち、従来のマイクロ流体装置）は、比較的低い流速における大きい圧力低下のため、直列に設置することができない。生産能力を増加する（複数のリアクターを並列に設置することによって）必要のある場合には、動作条件（例えば圧力低下）は、同一のままにとどまる。

本発明による直列リアクター（すなわち、マイクロ流体装置）は、以下を示す。
−高い生産能力に対する低い圧力低下及び高速反応（＜１分）の利点
−生産能力増加に伴う圧力低下増進（及び他のすべての設計パラメーター一定）
−２つのタイプのマイクロ流体装置の使用（すなわち、混合モジュール（図１Ｂ）及び滞留時間モジュール（図１Ａ））が、追加の反応成分及び（追加の）滞留時間の導入を自由にする。

モジュール方式は、基本的にどのような反応方式に基づくリアクターの設計にも大きな柔軟性を与える。

Claims (17)

1. 頂壁、底壁、及び側壁を有するプロセスチャネル（２）を含むマイクロ流体装置（１ａ）であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ、１．０ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び当該プロセスチャネル内にある支持手段（７ａ，７ｂ）を有し、前記支持手段は、前記プロセスチャネルの前記底壁と前記頂壁との間で前記頂壁に対して実質的に垂直な方向に延在し、前記マイクロ流体装置は、前記プロセスチャネルに平行な少なくとも１つの熱交換手段を含む、マイクロ流体装置。
2. 請求項１に記載のマイクロ流体装置であって、前記支持手段の容積は、好ましくは、流体が前記プロセスチャネル内を流れることができる容積と前記プロセスチャネル内の前記支持手段の容積との合計の２０〜７５容積％であり、より好ましくは３０〜６５容積％であり、更に好ましくは４０〜６０容積％である、マイクロ流体装置。
3. 請求項１又は２に記載のマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．２ｍｍと３ｍｍの間の高さ及び０．１ｍｍと５ｍｍの間の幅を有する１と５０の間のマイクロチャネルを含み、前記支持手段は、前記マイクロチャネルの壁部材であり、任意に、前記プロセスチャネルの長さは０．１ｍと５ｍの間である、マイクロ流体装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載のマイクロ流体装置であって、前記プロセスチャネルは、０．３ｍｌと１００ｍｌの間の容積を有する、マイクロ流体装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のマイクロ流体装置であって、前記支持手段は複数の支持要素を含み、これら支持要素間の距離は０．１ｍｍと５ｍｍの間であり、前記支持要素は、０．１ｍｍと５０ｍｍの間の大きさを有する長次元及び０．１ｍｍと５ｍｍの間の大きさを有する短次元を有し、前記長次元の前記大きさは前記短次元の前記大きさより大きく、前記支持要素は、前記プロセスチャネル内において、前記支持要素の前記長次元が前記プロセスチャネルの長さ軸と平行になるように配置され、前記支持要素は、１と２５の間のアスペクト比を有する、マイクロ流体装置。
6. 請求項５に記載のマイクロ流体装置であって、前記支持要素の形状は、長方形、ダイアモンド形、卵形、目の形又は楕円形であり、又は前記支持要素は１ｍｍと７ｍｍの間の直径を有する円柱形であり、前記支持要素は、ランダムに、又は、格子アレー状に、好ましくは交互格子アレー状（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）に配列される、マイクロ流体装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載のマイクロ流体装置であって、当該マイクロ流体装置は、更に、スタティック混合要素を含み、好ましくは、前記スタティック混合要素は、少なくとも２つの入口（３ａ，３ｂ）と、混合部分（５）とを含み、前記混合部分は、前記少なくとも２つの入口及び前記マイクロ流体装置（１ｂ）の前記プロセスチャネル（２）に接続される、マイクロ流体装置。
8. 請求項７に記載のマイクロ流体装置であって、前記少なくとも２つの入口は、少なくとも第二のプロセスチャネル及び第三のプロセスチャネルを含み、これらチャネルは、０．５ｍｍと３ｍｍの間の高さ、０．５ｍｍと５０ｍｍの間の幅及び支持手段を有し、前記スタティック混合要素の前記混合部分（５）は、交互配列の突起（１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ）（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｒｉｄｇｅｓ）を有する第四のプロセスチャネルを含む、マイクロ流体装置。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載のマイクロ流体装置であって、当該マイクロ流体装置は、前記プロセスチャネルを含む少なくとも１つのプレートを含み、前記熱交換手段は、熱交換流体が通過することができるようにする熱交換チャネルを含むプレートを含み、前記プロセスチャネルを含む前記少なくとも１つのプレートは、熱交換チャネルを含む２つのプレートの間に挟まれる、マイクロ流体装置。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載のマイクロ流体装置であって、当該マイクロ流体装置は、ガラス、金属、金属合金、セラミックス、溶融シリカ、炭化シリコン、又は炭化シリコンでコーティングされたグラファイトからなり、好ましくは当該マイクロ流体装置はガラス又は溶融シリカからなる、マイクロ流体装置。
11. ａ．少なくとも１つの請求項１乃至６の何れか一項に記載のマイクロ流体装置と、
    ｂ．少なくとも１つの請求項７乃至９の何れか一項に記載のマイクロ流体装置と、
    ｃ．少なくとも１つの封止手段と、
    ｄ．ホルダ及びクランプ手段と、
    を含むキットオブパーツ。
12. 請求項１１に記載のキットオブパーツであって、当該キットオブパーツは、異なった大きさを有する少なくとも２つの請求項１乃至６の何れか一項に記載のマイクロ流体装置を含み、当該キットオブパーツは、異なった大きさを有する少なくとも２つの請求項７乃至９の何れか一項に記載のマイクロ流体装置を含む、キットオブパーツ。
13. 請求項１１乃至１２の何れか一項に記載のキットオブパーツであって、当該キットオブパーツは、少なくとも１つの接続手段（７０）を含み、当該接続手段は、前記封止手段（７４）を収容するための少なくとも１つの凹部（７３）を有するプレートを含み、前記少なくとも１つの接続手段は、任意に、マイクロ流体装置（１ｂ）の出口（４’）を次のマイクロ流体装置（１ａ（ｉ））の入口（３（ｉ））に流体接続するための穴（７２）を含む、キットオブパーツ。
14. 少なくとも２つの請求項１乃至１０の何れか一項に記載のマイクロ流体装置（１）と、少なくとも１つの封止手段（７４）と、ホルダ及びクランプ手段とを含むキットオブパーツであって、当該キットオブパーツは、更に、少なくとも１つの接続手段（７０ａ）及び前記封止手段のための少なくとも１つの位置決め手段（７０ｂ）を含み、
    前記位置決め手段は、前記封止手段を収容するための少なくとも１つの穴（７３ｂ）を有し、
    前記接続手段は穴（７２ａ）を含み、
    前記接続手段の前記穴及び前記位置決め手段の前記穴は、前記キットオブパーツの動作中にマイクロ流体装置の出口を次のマイクロ流体装置の入口に流体接続するように構成される、キットオブパーツ。
15. 請求項１３乃至１４の何れか一項に記載のキットオブパーツであって、前記接続手段は、ガラス、溶融シリカ、金属、金属合金及び高分子材料からなる群から選択される材料からなるプレートであり、好ましくは、当該接続プレートは、エポキシ高分子又はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる、キットオブパーツ。
16. ａ．少なくとも１つの請求項１乃至６の何れか一項に記載のマイクロ流体装置と、
    ｂ．少なくとも１つの請求項７乃至９の何れか一項に記載のマイクロ流体装置と、
    ｃ．少なくとも１つの封止手段と、
    ｄ．ホルダ及びクランプ手段と、
    を含むマイクロ流体システムであって、マイクロ流体装置ａ．及びｂ．を含むスタックが形成されて互いに流体接続がなされ、マイクロ流体装置の前記チャネルの出口と次のマイクロ流体装置の前記チャネルの入口との間の封止された（すなわち流体密封の）接続が、前記出口と前記入口との間に封止手段を、また、前記クランプ手段によって提供されるクランプ力を、提供することによって確立され、任意に、前記マイクロ流体システムの第一のモジュールとして、関与する各反応成分のために、少なくとも１つの滞留時間モジュールが設けられ、混合モジュールがこれに続き、前記反応成分が混合され反応が開始される前に、前記反応成分が予熱されるか又は予冷されることができるようにされる、マイクロ流体システム。
17. 浸食的な反応成分を伴う化学反応又はセンシティブな反応成分を伴う反応をスケールアップするための、請求項１６に記載のマイクロ流体システムの使用。

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