JP2016013543A - Microreactor module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロリアクターモジュールに関する。さらに詳しくは、化学反応を効率化することが可能なマイクロリアクターモジュールに関する。 The present invention relates to a microreactor module. More specifically, the present invention relates to a microreactor module that can improve the efficiency of chemical reactions.
マイクロリアクターは、化学反応の制御を容易化し得ること、反応生成物の収率、純度を改善し得ること、また、体積当りの表面積の比率を高め得ること等の点から、化学反応の効率化の手段として注目されている。すなわち、マイクロリアクターは、化学反応において、反応場をミクロな空間で行うことにより、従来の化学反応に対して本質的な変化をもたらすことから、例えば、医薬品やファインケミカル製品の合成の分野等において、その製造効率の向上が期待されている。また、ナンバーリングアップする(並列化することによって数を増加する)ことにより、従来のスケールアップをする場合と比較して、本格生産への移行を効率よくかつ容易に行うことも可能である。 A microreactor can improve the efficiency of chemical reactions in that it can facilitate control of chemical reactions, improve the yield and purity of reaction products, and increase the ratio of surface area per volume. It is attracting attention as a means of That is, the microreactor brings about an essential change with respect to a conventional chemical reaction by performing a reaction field in a micro space in a chemical reaction. For example, in the field of synthesis of pharmaceuticals and fine chemical products, Improvement of the production efficiency is expected. In addition, it is possible to efficiently and easily shift to full-scale production by numbering up (increasing the number by paralleling) as compared with the case of conventional scale-up.
現在、多くのマイクロリアクターは、熱伝導性のよい金属板に、多数のマイクロサイズの溝を形成し、この金属板の複数枚を積層したチャンネル構造とすることにより、表面積を大きくし、熱交換効率を高めているが、このような構成のマイクロリアクターの製造のために用いられるマイクロ加工技術や組立技術等は、極めて精密で困難な作業を要する技術であることから、製造コストが増大するとともに、汎用性や設計的自由度に乏しい等の問題があった。 Currently, many microreactors have a channel structure in which a number of micro-sized grooves are formed in a metal plate with good thermal conductivity, and a plurality of these metal plates are stacked to increase the surface area and heat exchange. Although the efficiency is increased, the micro processing technology and assembly technology used for manufacturing the microreactor having such a configuration are technologies that require extremely precise and difficult work, and thus the manufacturing cost increases. There were problems such as poor versatility and design freedom.
また、製造工程を簡略化し、汎用性や設計的自由度を高めるため、構成材料として、従来の金属や硝子を、プラスチックに変更して製造されたマイクロリアクターも提案されている。例えば、屈曲可能なフッ素樹脂又はシリコンゴム等の不活性構成材料からなる中空状マイクロチャネルの内表面に酵素分子を固定化させたマイクロリアクターが開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, in order to simplify the manufacturing process and increase versatility and design freedom, a microreactor manufactured by changing a conventional metal or glass to plastic as a constituent material has been proposed. For example, a microreactor is disclosed in which enzyme molecules are immobilized on the inner surface of a hollow microchannel made of an inactive constituent material such as a bendable fluororesin or silicon rubber (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に開示されたマイクロリアクターは、ある程度の簡略化は実現されているものの、熱交換効率が必ずしも十分ではないという問題がある。
However, the microreactor disclosed in
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、化学反応における熱交換効率が高く、化学反応を効率化することが可能なマイクロリアクターモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a microreactor module that has high heat exchange efficiency in a chemical reaction and can improve the efficiency of the chemical reaction.
本発明によって、以下のマイクロリアクターモジュールが提供される。なお、本発明のマイクロリアクターモジュールとは、反応液への熱供給を効率的に行う反応場を提供する中空糸とその反応場へ熱源を提供する熱媒体を供給する筒状ケースとを有し、化学反応の種類やマイクロリアクターとして要求される機能等に応じて、マイクロリアクターの構成単位として、単独で又は並列化や直列化等によって適宜組み合わせて用いられる基本単位を意味する。 According to the present invention, the following microreactor module is provided. The microreactor module of the present invention includes a hollow fiber that provides a reaction field that efficiently supplies heat to the reaction solution, and a cylindrical case that supplies a heat medium that provides a heat source to the reaction field. According to the type of chemical reaction, the function required as a microreactor, etc., it means a basic unit used as a structural unit of a microreactor alone or in combination as appropriate by parallelization or serialization.
[1]その内部で、反応液を、熱媒体を介した温度制御の下に化学反応させるマイクロリアクターモジュールであって、前記反応液が流入する反応液入口及び流出する反応液出口、並びに前記熱媒体が流入する熱媒体入口及び流出する熱媒体出口を有する筒状ケースと、前記筒状ケースの内部の、前記反応液入口及び前記反応液出口の間に配設された複数本の中空糸と、を備え、前記反応液を、前記複数本の中空糸のそれぞれの中空部に流動させるとともに、前記熱媒体を、前記複数本の中空糸の少なくとも外側を前記反応液との熱交換可能に流動させて、前記反応液を、前記中空糸の前記中空部において、前記熱媒体による熱交換を介した温度制御の下に化学反応させることを特徴とするマイクロリアクターモジュール。 [1] A microreactor module in which a reaction liquid is chemically reacted under temperature control via a heat medium, the reaction liquid inlet into which the reaction liquid flows in, the reaction liquid outlet through which the reaction liquid flows out, and the heat A cylindrical case having a heat medium inlet through which the medium flows and a heat medium outlet through which the medium flows; and a plurality of hollow fibers disposed between the reaction liquid inlet and the reaction liquid outlet inside the cylindrical case; The reaction liquid is caused to flow into each hollow portion of the plurality of hollow fibers, and the heat medium is allowed to flow at least outside the plurality of hollow fibers so that heat exchange with the reaction liquid is possible. The microreactor module is characterized in that the reaction liquid is chemically reacted in the hollow portion of the hollow fiber under temperature control through heat exchange by the heat medium.
[2]前記複数本の中空糸は、それぞれ、外径が2〜1000μmで、膜厚が1〜100μmで、長さが50〜2000mmである前記[1]に記載のマイクロリアクターモジュール。 [2] The microreactor module according to [1], wherein each of the plurality of hollow fibers has an outer diameter of 2 to 1000 μm, a film thickness of 1 to 100 μm, and a length of 50 to 2000 mm.
[3]前記複数本の中空糸は、それぞれ、フッ素系樹脂、シリコーン、ポリオレフィン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、芳香族系樹脂、金属、カーボン、又はガラスから形成された前記[1]又は[2]に記載のマイクロリアクターモジュール。 [3] The plurality of hollow fibers are each formed of a fluorine resin, silicone, polyolefin resin, polyimide resin, polyether ether ketone resin, aromatic resin, metal, carbon, or glass. The microreactor module according to [1] or [2].
[4]前記複数本の中空糸は、2〜数千本が結束されたものである前記[1]〜[3]のいずれかに記載のマイクロリアクターモジュール。 [4] The microreactor module according to any one of [1] to [3], wherein the plurality of hollow fibers are a bundle of 2 to thousands.
[5]前記複数本の中空糸は、前記筒状ケースの前記反応液入口及び前記反応液出口部分において、その長手方向の中央部分よりも密な状態で結束された入口結束部及び出口結束部を形成する前記[1]〜[4]のいずれかに記載のマイクロリアクターモジュール。 [5] The plurality of hollow fibers are an inlet bundling portion and an outlet bundling portion that are bundled in a more dense state than the central portion in the longitudinal direction at the reaction liquid inlet and the reaction liquid outlet of the cylindrical case. The microreactor module according to any one of [1] to [4], wherein:
[6]前記複数本の中空糸は、前記入口結束部及び前記出口結束部の間の前記中央部分において、前記入口結束部及び前記出口結束部からそれぞれ放射状に拡大して、前記入口結束部及び前記出口結束部より疎な状態で結束された中央結束部を形成する前記[5]に記載のマイクロリアクターモジュール。 [6] The plurality of hollow fibers expand radially from the inlet binding portion and the outlet binding portion, respectively, in the central portion between the inlet binding portion and the outlet binding portion, and the inlet binding portion and The microreactor module according to [5], wherein a central bundling portion that is bundled in a state that is less sparse than the outlet bundling portion is formed.
[7]前記筒状ケースの内部をその長手方向に垂直な方向に横断して、前記中央結束部を2〜50の空間領域に均等間隔で区画するとともに、前記中空糸を挿通させることが可能で、かつ前記熱媒体を通過、流動させることが可能な構成を有する、1〜49枚の拡散棚板を、さらに備えた前記[6]に記載のマイクロリアクターモジュール。 [7] The inside of the cylindrical case is traversed in a direction perpendicular to the longitudinal direction thereof, and the central binding portion is partitioned into 2 to 50 space areas at equal intervals, and the hollow fiber can be inserted. In addition, the microreactor module according to [6], further including 1 to 49 diffusion shelf plates having a configuration capable of passing and flowing the heat medium.
[8]前記拡散棚板は、前記中空糸を挿通させることが可能で、かつ前記熱媒体を通過、流動させることが可能な網目又は複数の貫通孔を有する前記[7]に記載のマイクロリアクターモジュール。 [8] The microreactor according to [7], wherein the diffusion shelf has a mesh or a plurality of through holes through which the hollow fiber can be inserted and through which the heat medium can pass and flow. module.
本発明によって、化学反応における熱交換効率が高く、化学反応を効率化することが可能なマイクロリアクターモジュールが提供される。具体的には、下記の(1)〜(7)の効果が得られる。
(1)中空糸を使用した中空糸型マイクロリアクターモジュールであるため、マイクロ加工の困難さが少なく、また、多種多様な中空糸を使用することができるため、適用範囲を拡大することができる。
(2)反応液の流量が一定の場合、中空糸の長さを変えることにより反応時間を調整することができる。また、流速を変えることにより、反応時間を調整することができる。
(3)中空糸の結束本数によって生産量を調整することができる。さらにまた、モジュールを並列使用することでもナンバーリングアップを容易に行うことができ、本格生産へ円滑に移行することができる。
(4)使用目的に応じて、中空糸の構成材料を変えることにより、耐熱、耐溶媒性、耐圧強度、熱交換効率、コスト等を適宜選択することができる。
(5)使用目的に応じて、中空糸の外径や膜厚を変えることにより、耐圧強度、熱交換効率等を、適宜選択することができる。
(6)反応用マイクロリアクターモジュールの後に冷却用マイクロリアクターモジュールを配置することにより、副反応を抑止することができる。
(7)いくつかのステップを経る多段階化学反応に対して、マイクロリアクターモジュールを直列に複数配置することにより対応することができ、フローケミストリーに最適である。
According to the present invention, there is provided a microreactor module having high heat exchange efficiency in a chemical reaction and capable of increasing the efficiency of the chemical reaction. Specifically, the following effects (1) to (7) can be obtained.
(1) Since it is a hollow fiber type microreactor module using a hollow fiber, there is little difficulty in micromachining, and since a wide variety of hollow fibers can be used, the applicable range can be expanded.
(2) When the flow rate of the reaction liquid is constant, the reaction time can be adjusted by changing the length of the hollow fiber. Further, the reaction time can be adjusted by changing the flow rate.
(3) The production amount can be adjusted by the number of hollow fibers bound. Furthermore, numbering up can be easily performed by using modules in parallel, and a smooth transition to full-scale production can be achieved.
(4) By changing the constituent material of the hollow fiber according to the purpose of use, heat resistance, solvent resistance, pressure strength, heat exchange efficiency, cost, and the like can be appropriately selected.
(5) By changing the outer diameter and film thickness of the hollow fiber according to the purpose of use, the pressure strength, the heat exchange efficiency, etc. can be appropriately selected.
(6) By arranging the cooling microreactor module after the reaction microreactor module, side reactions can be suppressed.
(7) A multi-stage chemical reaction through several steps can be handled by arranging a plurality of microreactor modules in series, which is optimal for flow chemistry.
以下、本発明に係るマイクロリアクターモジュールの一の実施の形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a microreactor module according to the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1に示すように、本実施の形態のマイクロリアクターモジュールは、その内部で、反応液RLを、熱媒体HMを介した温度制御の下に化学反応させるマイクロリアクターモジュール100であって、反応液RLが流入する反応液入口11及び流出する反応液出口12、並びに熱媒体HMが流入する熱媒体入口13及び流出する熱媒体出口14を有する筒状ケース1と、筒状ケース1の内部の、反応液入口11及び反応液出口12の間に配設された複数本の中空糸2と、を備え、反応液RLを、複数本の中空糸2のそれぞれの中空部に流動させるとともに、熱媒体HMを、複数本の中空糸2の少なくとも外側を反応液RLとの熱交換可能に流動させて、反応液RLを、中空糸2の中空部内において、熱媒体HMによる熱交換を介した温度制御の下に化学反応させ、最終的に製品PDとして取り出すことを特徴とするものである。なお、本実施の形態のマイクロリアクターモジュール100においては、筒状ケース1の全体を保温断熱カバー4で覆った構造とすることが好ましい。また、図示はしないが、マイクロリアクターモジュール100の前段で均一触媒の導入をしない場合、中空糸2は、その内部に、不均一触媒を含ませることもできる。
As shown in FIG. 1, the microreactor module of the present embodiment is a
ここで、反応液RLとしては特に制限はないが、ミクロン単位の細い中空糸内を流れるため、流れを阻害しない流動性の高いものであることが好ましい。また、熱媒体HMとしては特に制限はないが、例えば、水、シリコンオイル、エチレングリコール水溶液等を挙げることができる。具体的には、市販されているシリコンオイル(信越化学工業社製、商品名:KF−96)や、エチレングリコール水溶液(東京理化器械社製、商品名:ナイブラインZ−1)等を挙げることができる。反応液RLと熱媒体HMとは、マイクロリアクターモジュール100の中で、互いに対向する流れとして構成することが効率的な熱交換を実現する上で好ましい。この場合、熱媒体HMを、複数本の中空糸2の少なくとも外側を(好ましくは、複数本の中空糸2の相互間に隙間を設けて、この隙間にも)反応液RLとの熱交換可能に流動させることが好ましい。なお、本実施の形態のマイクロリアクターモジュール100は、上述のように、必要に応じて、並列化及び/又は直列化して用いることができる。
Here, the reaction liquid RL is not particularly limited. However, since the reaction liquid RL flows in a thin hollow fiber of a micron unit, it is preferable that the reaction liquid RL has high fluidity that does not inhibit the flow. Moreover, there is no restriction | limiting in particular as the heat medium HM, For example, water, silicone oil, ethylene glycol aqueous solution etc. can be mentioned. Specific examples include commercially available silicon oil (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., trade name: KF-96), ethylene glycol aqueous solution (manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd., trade name: Nibrine Z-1), and the like. it can. The reaction liquid RL and the heat medium HM are preferably configured as flows facing each other in the
本実施の形態に用いられる筒状ケース1は、その大きさとしては特に制限はないが、例えば、後述する中空糸2の大きさに対応して、直径が10〜200mm及び長さが50〜2000mmであることが好ましい。また、金属、合成樹脂等の構成材料から形成されたものであることが、機械的強度、耐熱性、耐腐食性、加工性の点で好ましい。例えば、ステンレス、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン系樹脂等が好適に用いられる。筒状ケースは、熱媒体の加熱により外筒側から熱放出ロスがあり、これを防ぐために筒状ケース全体を保温断熱カバー4で覆った構造とすることが好ましい。保温断熱カバー4としては特に制限はなく、汎用のものを用いることができる。
The size of the
図1に示すように、筒状ケース1は、反応液入口11、反応液出口12、熱媒体入口13及び熱媒体出口14を有している。
As shown in FIG. 1, the
本実施の形態に用いられる複数本の中空糸2は、それぞれ、内径が2〜1000μmであることが好ましく、10〜700μmであることがさらに好ましく、100〜500μmであることが特に好ましい。中空糸の内径が小さいほど背圧抵抗が増大し、また、内径が大きいほど熱交換効率が低下するため、反応の種類や要求される条件等に応じて最適な内径を採用することが好ましい。また、膜厚としては、1〜100μmであることが好ましく、5〜50μmであることがさらに好ましい。1μm未満であると、耐圧強度が低下することがあり、100μmを超えると、熱伝導が悪くなり、熱交換効率が低下することがある。さらに、長さとしては、50〜2000mmであることが好ましい。50mm未満であると、十分な熱交換効果を得ることができないことがあり、2000mmを超えると、背圧抵抗が増大しすぎることがある。
The plurality of
また、中空糸2は、構成材料として、それぞれ、フッ素系樹脂、シリコーン、ポリイミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、芳香族系樹脂、金属(例えば、ステンレス)、カーボン、又はガラスから形成されたのであることが好ましい。中でも、中空糸の製造の難易度、汎用性、設計的自由度等を考慮すると、フッ素系樹脂、シリコーン、ポリオレフィン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、芳香族系樹脂等の合成樹脂であることがさらに好ましい。さらに、上記の合成樹脂の他に、反応の種類や要求される機能等に応じて、機械的強度(耐圧強度)、耐熱性、耐腐食性等に優れた中空糸材料、例えば、ステンレス(具体的にはSUS316)等を用いてもよい。
In addition, the
また、中空糸は、2〜数千本が結束されたものであることが好ましく、5〜1000本であることがさらに好ましい。数千本を超えると、作製上の困難さや、コストが増大することがある。 Moreover, it is preferable that 2 to several thousand hollow fibers are bundled, and more preferably 5 to 1000 hollow fibers. If it exceeds several thousand, manufacturing difficulty and cost may increase.
また、中空糸2は、筒状ケース1の反応液入口11及び反応液出口12部分において、その長手方向の中央部分よりも密な状態で結束された入口結束部22及び出口結束部23を形成することが好ましい。特に、結束本数が多くなる場合、結束等の作業を簡易化することができること等から好ましい。
Further, the
また、中空糸2は、入口結束部22及び出口結束部23の間の中央部分において、入口結束部22及び出口結束部23からそれぞれ放射状に拡大して、入口結束部22及び出口結束部23より疎な状態で結束された中央結束部24を形成することが、熱媒体の通り道を確保して、効率的な熱交換を実現することが可能になる。
Further, the
図1〜図3に示すように、筒状ケース1の内部をその長手方向に垂直な方向に横断して、中央結束部24を2〜50の空間領域に均等間隔で区画するとともに、中空糸2を挿通させることが可能で、かつ熱媒体HMを通過、流動させることが可能な構成を有する、1〜49枚の拡散棚板3を、さらに備えたものであることが好ましい。なお、図1では、拡散棚板3を3枚設置した場合を示す。このように構成することによって、中空糸2を、熱媒体HMとの効率的な熱交換のためにバランスよく配置することが可能で、また、熱媒体HMを中空糸2の表面全体に均一に行き渡らせることが可能となる。
As shown in FIGS. 1 to 3, the inside of the
拡散棚板3としては、例えば、中空糸2を挿通させることが可能で、かつ熱媒体HMを通過、流動させることが可能な網目を有する網目拡散棚板31(図2(a)参照)、複数の均一な孔径の貫通孔を有する均一孔拡散棚板32(図2(b)参照)及び異径な孔径の貫通孔を有する異径孔拡散棚板33(図2(c)及び図3参照)を挙げることができる。
As the
拡散棚板3の構成材料としては、耐熱性、耐腐食性、強度等を考慮し、例えば、ステンレス、フッ素系樹脂等から形成されたものを挙げることができる。また、拡散棚板3の孔径は、中空糸2の外径よりも少し大きくして熱媒体が通れるようにして構成することが好ましい。具体的に、網目拡散棚板31の場合、網目の大きさは、中空糸2の外径の2倍程度であることが好ましい。均一孔拡散棚板32の場合、均一孔の大きさも、中空糸2の外径の2倍程度であることが好ましい。また、異径孔拡散棚板33の場合は、中空糸2用の孔と熱媒体HM用の孔から構成することが好ましい。また、熱媒体HM用の孔の大きさの合計は、異径拡散棚板33の全体の面積の20〜30%程度であることが好ましい。さらに、熱媒体HM用の孔は、1個の孔ではなく3〜4個の小さな孔に分け、左右いずれかの片側に偏在させることが好ましい。その配置についても、図3に示すように、その熱媒体HM用の孔を異径拡散棚板33ごとに左右交互にずらして配置することが、熱媒体HMを撹拌、置換して、筒状ケース1の全体に隈なく行き渡らせることができる点で好ましい。
Examples of the constituent material of the
上述のように、化学反応において、マイクロリアクターモジュール100の前段で均一触媒CA(図4参照)の導入をしない場合、中空糸2は、その内部に、不均一触媒を含ませることもできる。この場合、不均一触媒としては、例えば、マイクロサイズ径のワイヤー状に形成されたワイヤー触媒、その内壁に塗布された塗布触媒、又は充填されたポーラスな充填触媒のように構成することができる。いずれの不均一触媒の配置も反応液RLの流れを阻害しないものとすることが好ましい。
As described above, in the chemical reaction, when the homogeneous catalyst CA (see FIG. 4) is not introduced before the
図4に示すように、本発明のマイクロリアクターモジュール100を中心に、化学反応システムを構成することができる。すなわち、送液ポンプ(P1〜P3)、ミキサーモジュール200、熱媒体循環恒温槽300、圧力センサーPS、温度センサー(TS1、TS2、TS3)、配管等の構成部品から構成することができる。送液ポンプ(P1〜P3)としては特に制限はなく、用途に応じて適宜選択することができる。例えば、プランジャー型ポンプ、シリンジ型ポンプ、チューブポンプ、バルブレスプランジャーポンプ等を挙げることができる。
As shown in FIG. 4, a chemical reaction system can be configured around the
ミキサーモジュール200は、送液ポンプ(P1〜P3)を介して供給された原料M1、原料M2、及び均一触媒CAを均一に混合してマイクロリアクターモジュール100に導入するために用いられる。例えば、原料M1、M2、及び均一触媒CAの混合を行う場合、図4に示す、三方の分岐入口から導入し、10μm程度の硝子玉を充填したミキサーモジュール等を挙げることができる。
The
熱媒体循環恒温槽300は、マイクロリアクターモジュール100に、反応温度に相応した熱媒体HMを供給するために用いられる。また、必要に応じ、反応後の液を急冷し、副反応を止めたい場合は、図5に示すように冷却用の熱媒体循環恒温槽(以下、「冷媒体循環恒温槽」)400をもう一台用意して対応することができる。この場合、反応用のマイクロリアクターモジュール100の後に冷却用のマイクロリアクターモジール100を取り付けることができる。
The heat
圧力センサーPSは、マイクロリアクターモジュール100の反応液入口11(図1参照)に設置し、反応時の圧力をモニターするために用いられる。また、図4〜図6に示すように、温度センサー(TS1〜TS7)は、化学反応の段数(用いられるマイクロリアクターモジュール100の設置台数)等に応じて、マイクロリアクターモジール100の反応液入口11及び反応液出口12における温度、並びに筒状ケース1内の熱媒体の温度をモニターするために用いられる。例えば、図4に示す場合は、流れ方向において、TS1、TS3、TS2の順に、また、図5に示す場合は、TS1、TS3、TS2、TS5、TS4の順に、さらに、図6に示す場合は、TS1、TS3、TS2、TS5、TS4、TS7、TS6の順に配置されている。なお、TS3、TS5、TS7は、筒状ケース1内の熱媒体の温度をモニターするために用いられる。
The pressure sensor PS is installed at the reaction solution inlet 11 (see FIG. 1) of the
図4に示す反応システムは、1段階の化学反応システムであるが、上述のように、化学反応の段数等に応じ、いくつかのステップを経る多段階化学反応システムに対しては、反応用マイクロリアクターモジュールを直列に複数配置することにより対応することができる。例として、3段階の化学反応システムを図6に示す。 The reaction system shown in FIG. 4 is a one-stage chemical reaction system. However, as described above, for a multi-stage chemical reaction system that undergoes several steps according to the number of chemical reaction stages, etc., a reaction micro reaction system is used. This can be dealt with by arranging a plurality of reactor modules in series. As an example, a three-stage chemical reaction system is shown in FIG.
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によっていかなる制限を受けるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
実施例1は、図4に示すように、マイクロリアクターモジュール100を中心とした構成を示す。すなわち、送液ポンプ(P1)としてチューブ式ローラー型ポンプを用い、また、熱媒体循環恒温槽300として加熱循環恒温槽を用い、さらに、温度センサー(TS2)を用いて構成した。
(Example 1)
Example 1 shows a configuration centering on a
マイクロリアクターモジュール100としては、以下のものを用いた。すなわち、図1の中空糸2として、内径が500μm、膜厚が35μm、外径が570μm、長さが300mmのフッ素系樹脂中空糸を56本結束したものを用いた。筒状ケース1としては、外径が22mm、長さが412mmのフッ素系樹脂を用い、その全体を、保温断熱カバー4で被覆した。また、拡散棚板3として、穴径が1.0mmのフッ素樹脂拡散棚板(図2(b)参照)を1枚用いた。
As the
上述のようにして得られたマイクロリアクターモジュール100に、図4に示すように、送液ポンプ(P1)と熱媒体循環恒温槽300を連結した。送液ポンプ(P1)からマイクロリアクターモジュール100に、20℃の水を反応液RLとして送液し、熱媒体循環恒温槽300から80℃に加温したシリコンオイル(信越化学工業社製、商品名:KF−96)を熱媒体として循環させた。マイクロリアクターモジュール100の出口側に温度センサーTS2を取り付け、温度の変化を測定した。熱媒体循環恒温槽300の熱媒体の流速は、600ml/分とした。送液ポンプ(P1)からの20℃の水の流速を8、22、32、40、65、85、110、130ml/分と変化させ、各流速での熱交換効率を評価した。マイクロリアクターモジュール100の内部容量3.3mlの値から、各流速における滞留時間は、8ml/分で24.8秒、22ml/分で9.0秒、32ml/分で6.2秒、40ml/分で5.0秒、65ml/分で3.0秒、85ml/分で2.3秒、110ml/分で1.8秒、130ml/分で1.5秒になる。マイクロリアクターモジュール100における反応液の流速と、マイクロリアクターモジュール100の出口側における反応液の温度との関係を図7に示す。その結果、高流速側の1.5秒でも高温を保ち、瞬時に熱交換が行われており、マイクロリアクターモジュール100は、マイクロリアクターとして適していることが分かった。
As shown in FIG. 4, a liquid feed pump (P1) and a heat
(実施例2)
実施例2は、図5に示すように、反応用マイクロリアクターモジュールと冷却用マイロリアクターモジュールとを組合せた構成を示す。図5に示すように、実施例1と同様に、送液ポンプ(P1)からマイクロリアクターモジュール100に、20℃の水を反応液RLとして送液したが、実施例1と異なり、実施例1におけるマイクロリアクターモジュール100の後に、さらに、同じマイクロリアクターモジュール100を直列に繋げた。前者を反応用とし、熱媒体循環恒温槽300から80℃に加温したシリコンオイル(信越化学工業社製、商品名:KF−96)を熱媒体として循環させた。後者を冷却用とし、新たに加えた冷媒体循環恒温槽400から20℃のエチレングリコール水溶液(東京理化器械社製、商品名:ナイブラインZ−1)を冷却用熱媒体(冷媒体)として流した。送液ポンプ(P1)からの20℃の水の流速を8、22、32、40、65、85、110、130ml/分と変化させ、各流速での熱交換効率を評価した。冷却用マイクロリアクターモジュール100の内部容量3.3mlの値から、各流速における滞留時間は、8ml/分で24.8秒、22ml/分で9.0秒、32ml/分で6.2秒、40ml/分で5.0秒、65ml/分で3.0秒、85ml/分で2.3秒、110ml/分で1.8秒、130ml/分で1.5秒になる。冷却用マイクロリアクターモジュール100における反応液の流速と、冷却用マイクロリアクターモジュール100の出口側における反応液の温度との関係を図8に示す。実施例1と同じように、熱交換効率が非常に良く、瞬間的に冷却できることにより、反応を止め、副反応を抑えることが分かった。
(Example 2)
Example 2 shows a configuration in which a reaction microreactor module and a cooling myloreactor module are combined as shown in FIG. As shown in FIG. 5, similarly to Example 1, 20 ° C. water was fed from the liquid feed pump (P1) to the
(比較例1)
実施例1において、マイクロリアクターモジュール100の中空糸2を、外径が3mm、内径が2mm、長さが1030mmのフッ素系樹脂チューブ1本(内部容量3.3ml)に置き換えたこと以外は、実施例1と同様にした。実施例1と同様にして評価した。送液ポンプ(P1)からの20℃の水の流速を8、22、32、40、65、85、110ml/分と変化させ、各流速での熱交換効率を評価した。フッ素系樹脂チューブの内部容量3.3mlの値から、各流速における滞留時間は、8ml/分で24.8秒、22ml/分で9.0秒、32ml/分で6.2秒、40ml/分で5.0秒、65ml/分で3.0秒、85ml/分で2.3秒、110ml/分で1.8秒になる。フッ素系樹脂チューブにおける反応液の流速と、フッ素系樹脂チューブの出口側における反応液の温度との関係を図9に示す。実施例1に比べ、熱交換効率は非常に悪く、上述のフッ素系樹脂チューブは、マイクロリアクターとしては適さないことが分かった。
(Comparative Example 1)
In Example 1, except that the
本発明のマイクロリアクターモジュールは、化学反応を効率化することが要求される医薬品やファインケミカル製品等を製造する各種合成化学工業の分野で有効に利用される。 The microreactor module of the present invention is effectively used in the fields of various synthetic chemical industries for producing pharmaceuticals, fine chemical products, and the like that are required to make chemical reactions more efficient.
1 筒状ケース
2 中空糸
3 拡散棚板
4 保温断熱カバー
11 反応液入口
12 反応液出口
13 熱媒体入口
14 熱媒体出口
22 入口結束部
23 出口結束部
24 中央結束部
31 網目拡散棚板
32 均一孔拡散棚板
33 異径孔拡散棚板
100 マイクロリアクターモジュール
200 ミキサー
300 熱媒体循環恒温槽
400 冷媒体循環恒温槽
CA 均一触媒
HM 熱媒体
M1〜M4 原料
P1〜P3 送液ポンプ
PD 製品
PS 圧力センサー
RL 反応液
TS1〜TS7 温度センサー
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記反応液が流入する反応液入口及び流出する反応液出口、並びに前記熱媒体が流入する熱媒体入口及び流出する熱媒体出口を有する筒状ケースと、
前記筒状ケースの内部の、前記反応液入口及び前記反応液出口の間に配設された複数本の中空糸と、を備え、
前記反応液を、前記複数本の中空糸のそれぞれの中空部に流動させるとともに、前記熱媒体を、前記複数本の中空糸の少なくとも外側を前記反応液との熱交換可能に流動させて、前記反応液を、前記中空糸の前記中空部において、前記熱媒体による熱交換を介した温度制御の下に化学反応させることを特徴とするマイクロリアクターモジュール。 Inside, a microreactor module that chemically reacts a reaction solution under temperature control via a heat medium,
A cylindrical case having a reaction liquid inlet and a reaction liquid outlet through which the reaction liquid flows, a heat medium inlet and a heat medium outlet through which the heat medium flows; and
A plurality of hollow fibers disposed between the reaction solution inlet and the reaction solution outlet inside the cylindrical case,
The reaction liquid is caused to flow in the respective hollow portions of the plurality of hollow fibers, and the heat medium is caused to flow at least outside of the plurality of hollow fibers so that heat exchange with the reaction liquid is possible. A microreactor module, wherein a reaction liquid is chemically reacted in the hollow portion of the hollow fiber under temperature control through heat exchange with the heat medium.
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