JP3722054B2 - マイクロ反応器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロチャネルに互いに反応する２種類の流体を通流させ、これらの流体を反応させて微粒子を析出させるマイクロ反応器に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
マイクロ反応器は、微小な流路断面積の流体通流路を形成したマイクロチャネルに、互いに反応性のある２種類またはそれ以上の流体（液体または気体）を導き、これらの流体を互いに接触させることでマイクロ化学反応を生起するものである。このようなマイクロ反応器は、例えばバイオ・ケミカル反応を伴う特定物質の検出や、マイクロ領域（微小空間）での化学反応メカニズムの分析、更には化学物質の製造等に用いられる。
【０００３】
ちなみにマイクロ反応器は、例えば図４に示すように隔壁１により区画されて平行に設けられて流体の導入部をなす一対のマイクロチャネル２,３と、これらのマイクロチャネル２,３の出口部に連接されて上記流体の反応部をなすマイクロチャネル４とを備えて構成される。そして上記一対の流体導入用マイクロチャネル２,３に互いに反応する２種類の流体Ａ,Ｂをそれぞれ通流させ、反応用マイクロチャネル４において上記流体Ａ,Ｂを接触させてマイクロ化学反応を生起させ、微粒子Ｐを析出させるものとなっている。
【０００４】
尚、上記マイクロチャネル２,３,４の流路断面積は、一般的には１０〜５００μｍ角程度であり、このような微小な流路断面積のマイクロチャネルは、シリコンをエッチングする等のマイクロマシンニング技術を用いて形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこのようなマイクロ反応器を用いて化学物質を製造する場合、反応性流体Ａ,Ｂの接触によって析出した微粒子Ｐが次第にマイクロチャネル４内に堆積し、特に図中Ｑに示すようにマイクロチャネル２,３の出口部周辺に堆積し、マイクロチャネルを詰まらせると言う不具合がある。このような目詰まりの問題は、マイクロチャネルの流路断面積を広くすることにより緩和することができるが、マイクロ反応器自体の特徴が損なわれると言う大きな問題がある。これ故、従来においては、専ら、マイクロチャネルを定期的に超音波洗浄しているのが実情である。
【０００６】
しかしながら化学プラント等においてマイクロ反応器を用いて化学物質を製造するような場合、複数のマイクロチャネル、例えば１００〜１０００個のマイクロチャネルを平行に設けたマイクロ反応器を用い、流体Ａ,Ｂのマイクロ化学反応を同時に大量に生起することになるので、その洗浄自体が非常に困難なものとなると考えられる。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、マイクロチャネルの目詰まりの問題を招来することなく、互いに反応する２種類の流体の接触によるマイクロ化学反応を安定に生起することのできる簡易な構成のマイクロ反応器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係るマイクロ反応器は、出口部を揃えて互いに平行に対をなして設けられて、互いに反応する２種類の流体をそれぞれ通流させるマイクロチャネルを備え、これらのマイクロチャネルからそれぞれ吐出されて層流をなして流れる前記２種類の流体の接触領域において化学反応を生起して微粒子を析出させるものであって、
特に前記対をなすマイクロチャネルの間にこれらの各マイクロチャネルと平行に設けられて、前記２種類の流体のそれぞれと反応することのない流体を通流させて該流体を前記２種類の流体の層流間に吐出し、これによって層流をなして流れる前記２種類の流体の接触領域を前記各マイクロチャネルの出口部から離反させる補助マイクロチャネルを設けることで、前記微粒子の析出領域を前記マイクロチャネルの出口部から遠ざけたことを特徴としている。
【０００９】
具体的には、例えば水酸化カルシウム［Ｃa(ＯＨ)₂］の水溶液（流体Ａ）を通流させる第１のマイクロチャネルと、炭酸水［Ｈ₂ＣＯ₃］（流体Ｂ）を通流させる第２のマイクロチャネルとの間に、水［Ｈ₂Ｏ］（流体Ｃ）を通流させる補助マイクロチャネルを設ける。そして補助マイクロチャネルから吐出させる水によって上記水酸化カルシウムと炭酸とが接触する領域を前記第１および第２のマイクロチャネルの出口部から離反させ、前記水酸化カルシウムと炭酸との反応により析出する炭酸カリウム［ＣaＣＯ₃］の微粒子が前記第１および第２のマイクロチャネルの出口部周辺に堆積しないようにしたことを特徴としている。
【００１０】
好ましくは前記マイクロチャネルおよび補助マイクロチャネルは、その出口部を揃えて互いに平行に設けられ、前記各流体の合流部をなす反応用マイクロチャネルに連接されたものとして実現される。
また前記マイクロチャネルおよび補助マイクロチャネルを、互いに平行にそれぞれ複数チャネルずつ設ける場合には、前記補助マイクロチャネルを複数対マイクロチャネルの間に、または各マイクロチャネルを囲んで設けることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るマイクロ反応器について説明する。
図１はこの実施形態に係るマイクロ反応器の概略構成を示す断面図である。このマイクロ反応器は、互いに反応する２種類の流体Ａ,Ｂ、例えば水酸化カルシウム［Ｃa(ＯＨ)₂］の水溶液および炭酸水［Ｈ₂ＣＯ₃］をそれぞれ通流させる第１および第２のマイクロチャネル１１,１２と、これらのマイクロチャネル１１,１２の間に設けられて上記各流体Ａ,Ｂとは反応することのない流体Ｃを通流する補助マイクロチャネル１３とを備える。これらの３つのマイクロチャネル１１,１２,１３は、その出口部を揃えて互いに平行に設けられるものであって、流体Ａ,Ｂの反応部をなす反応用マイクロチャネル１４に連接された構造をなす。
【００１２】
尚、上記各マイクロチャネル１１,１２,１３,１４は、シリコンをエッチングする等して形成された溝として実現される。より具体的には反応用マイクロチャネル１４は、外壁１５,１６により囲まれた幅広の空間（流体通流路）として実現される。またその出口部を揃え、上記反応用マイクロチャネル１４に連接されて互いに平行に設けられる３つのマイクロチャネル１１,１２,１３は、上記外壁１５,１６間に設けられた２つの隔壁１７,１８により区画される３つ空間（流体通流路）として実現される。
【００１３】
このように構成されたマイクロ反応器によれば、マイクロチャネル１１,１２から反応用マイクロチャネル１４にそれぞれ吐出される流体Ａ,Ｂは、その出口部において上記マイクロチャネル１１,１２の間に設けられた補助マイクロチャネルＣから吐出される流体Ｃを間にして層流をなして流れ、その接触が互いに阻止される。そして上記流体Ａ,Ｂは、反応用マイクロチャネル１４を流れるに従って前記流体Ｃを含んで次第に混合して接触し、マイクロ化学反応を生起して微粒子を析出する。具体的には水酸化カルシウム［Ｃa(ＯＨ)₂］と炭酸水［Ｈ₂ＣＯ₃］との接触によるマイクロ化学反応により、炭酸カリウム［ＣaＣＯ₃］の微粒子を析出する。
【００１４】
この際、補助マイクロチャネル１３から吐出される流体Ｃは、図１に示すように流体Ａ,Ｂの接触による微粒子の析出領域Ｐを前記マイクロチャネル１１,１２,１３の出口部近傍、特に隔壁１７,１８の端部から離反させる役割を果たす。従って流体Ａ,Ｂの接触により析出する微粒子が隔壁１７,１８の端部に堆積することがなく、従来のようにマイクロチャネル１１,１２,１３の出口部を塞いで目詰まりを発生させるような不具合を招来することがない。
【００１５】
この結果、従来のようにマイクロチャネルを定期的に超音波洗浄する等の処理が不要となり、前述した炭酸カリウム［ＣaＣＯ₃］の微粒子を連続して安定に生成することが可能となる。特に微小空間にてマイクロ化学反応を生起するマイクロ反応器の特徴を損なうことなしに、その反応生成物（微粒子）を安定に生成することが可能となる。
【００１６】
尚、前記各マイクロチャネル１１,１２,１３をそれぞれ複数チャネル設け、これらの各マイクロチャネル１１,１２,１３を立体的に配列して流体Ａ,Ｂの反応生成物を大量生産する場合には、例えば図２(ａ)に示すように複数の補助マイクロチャネル１３を、それぞれ対をなす複数の第１および第２のマイクロチャネル１１,１２の間にそれぞれ設けるようにすれば良い。或いは図２(ｂ)に示すように複数の補助マイクロチャネル１３を、複数の第１および第２のマイクロチャネル１１,１２をそれぞれ囲んで設けるようにすれば良い。
【００１７】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば図３に示すように流体Ｃを循環させる循環槽２１内に、流体Ａ,Ｂをそれぞれ供給する第１および第２のマイクロチャネル（ノズル）２２,２３を設け、これらのマイクロチャネル（ノズル）２２,２３からそれぞれ吐出される流体Ａ,Ｂ間に上記流体Ｃが供給されるようにしても良い。この場合、上記マイクロチャネル（ノズル）２２,２３間の流体Ｃが通流する隙間が補助マイクロチャネルとして機能することになる。
【００１８】
尚、図中、２４は循環槽２１内に流体Ｃを循環させるポンプ（スクリュー機構）を示している。また前記第１および第２のマイクロチャネル（ノズル）２２,２３を互いに離反させてそれぞれ複数本設けることも勿論可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、対をなして互いに反応する２種類の流体をそれぞれ通流するマイクロチャネルの間に、前記２種類の流体と反応することのない流体を通流させる補助マイクロチャネルを設けているので、これらのマイクロチャネルの出口部に上記２種類の流体が反応して析出する微粒子が堆積することがなく、従ってマイクロチャネルの目詰まりを招来することがない。従ってその超音波洗浄等を不要とすることのみならず、マイクロ化学反応を連続して安定に生起させ得る簡易な構成のマイクロ反応器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ反応器の要部概略構成図。
【図２】補助マイクロチャネルの配置構造を示す断面図。
【図３】本発明の更に別の実施形態に係るマイクロ反応器の概略構成図。
【図４】従来のマイクロ反応器の概略構成図。
【符号の説明】
１１,１２ 対をなすマイクロチャネル
１３ 補助マイクロチャネル
１４ 反応用マイクロチャネル
１５,１６ 外壁
１７,１８ 隔壁
２１ 循環槽（補助マイクロチャネル）
２２,２３ マイクロチャネル（ノズル）

Claims (3)

1. 出口部を揃えて互いに平行に対をなして設けられて、互いに反応する２種類の流体をそれぞれ通流させるマイクロチャネルを備え、これらのマイクロチャネルからそれぞれ吐出されて層流をなして流れる前記２種類の流体の接触領域において化学反応を生起して微粒子を析出させるマイクロ反応器であって、
   前記対をなすマイクロチャネルの間にこれらの各マイクロチャネルと平行に設けられ、前記２種類の流体のそれぞれと反応することのない流体を通流させて該流体を前記２種類の流体の層流間に吐出して、層流をなして流れる前記２種類の流体の接触領域を前記各マイクロチャネルの出口部から離反させる補助マイクロチャネルを設けたことを特徴とするマイクロ反応器。
2. 前記マイクロチャネルおよび補助マイクロチャネルは、これらのマイクロチャネルからそれぞれ吐出された流体の合流部をなす反応用マイクロチャネルを形成する外壁間に、該外壁と平行に設けられた２つの隔壁により互いに区画されて、上記隔壁の端部を前記各マイクロチャネルの出口部として設けられたものである請求項１に記載のマイクロ反応器。
3. 前記マイクロチャネルおよび補助マイクロチャネルは、それぞれ複数チャネル設けられ、前記補助マイクロチャネルは対をなすマイクロチャネルの間に、または各マイクロチャネルをそれぞれ囲んで設けられるものである請求項１に記載のマイクロ反応器。

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