JP4449997B2

JP4449997B2 - マイクロリアクタシステム

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Publication number: JP4449997B2
Application number: JP2007061185A
Authority: JP
Inventors: 美緒鈴木; 盛典富樫; 理志佐野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: JP2008221095A; US20080226516A1; DE102008006066A1

Description

本発明は、数１０〜数１００μｍ程度のマイクロ流路内で少なくとも２液を化学反応させるためのマイクロリアクタシステムに関し、特に最適条件を求め、生産量を増大させるものに好適である。

実験室での合成から工業的な生産への移行時において、スケールアップのためにパイロットプラントの製作・確認が不可欠となっており、多大な時間と労力が必要であった。

マイクロリアクタにおいては温度及び反応時間を精密に制御し、高い効率で化学反応を行うことが可能であり、マイクロチャンネルチップの微小流路内での目的とする化学反応に関与する各種条件、例えば、反応領域の温度条件および試薬溶液の濃度や流量等を好適に調整するため、微小流路から得られる生成物をサンプリングして分析し、その結果に基づいてマイクロチャンネルチップにおける反応条件を制御することが知られ、例えば特許文献１に記載されている。

また、溶液の種類や混合比を変更して次の処理液を得たい場合、前回の溶液の残りが混入することを避けるため、処理の度にマイクロ流体チップを交換するため、マイクロ流体チップを挟んで固定するクランプを設け、種類の異なる溶液をマイクロ流体チップに供給することが知られ、例えば特許文献２に記載されている。

さらに、マイクロチップで大量合成を可能とするとともに、高効率な化学反応を実現するため、マイクロチップを所定枚数で積層一体化することが知られ、例えば特許文献３に記載されている。

特開２００６−１４５５１６号公報特開２００６−１０２６５０号公報特開２００２−２９２２７５号公報

特許文献１に記載のものでは、単一のマイクロリアクタで化学反応を行っているので、反応状が微小であるマイクロリアクタで得られる物質生産量では実用生産に必要な生産性を確保することが困難である。

また、特許文献２に記載のものでは、処理の度にマイクロ流体チップを交換しなければならず、実用的にまで大量生産するには、工数が掛かりコストアップ要因となる。

さらに、特許文献３に記載のものでは、単に、生産量を増大させるものであり、マイクロリアクタ流路構造そのものを最適化したり、マイクロリアクタ毎に反応温度を変化させたりして、個々のマイクロリアクタ毎に反応条件を変化させるには不適である。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、実験室での合成から工業生産までの移行が容易で、マイクロリアクタによる生産を格段に高速・効率的に行うことが容易なマイクロリアクタシステムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、２液を原料溶液として混合して目的生成物を得るマイクロ流路を有したマイクロリアクタと、前記マイクロリアクタに導入する原料溶液を貯留するための原料タンクと、前記原料溶液を前記マイクロリアクタへ送液するポンプと、前記マイクロリアクタの温度を設定する温度制御装置と、前記マイクロリアクタ内で混合された混合溶液を回収する混合溶液タンクとを備えたマイクロリアクタシステムにおいて、複数個並列に配置された前記マイクロリアクタと、それぞれの前記マイクロリアクタの下流側に設置された流量計と、それぞれの前記マイクロリアクタで混合された混合溶液の組成を検出強度として検出する検出器と、前記ポンプによる送液量を制御し、前記流量計による流量の値と前記検出器による検出強度の値とが入力され、前記原料溶液が混合されてから前記検出器で検出されるまでの反応時間と、前記目的生成物の収率と、を演算する処理装置と、を備え、前記処理装置は、それぞれの前記マイクロリアクタにおいて前記ポンプによる送液量を変化させる手段と、変化させた毎に前記反応時間と前記目的生成物の収率とを演算して記憶する手段と、記憶された前記反応時間と前記目的生成物の収率とに基づいて複数個のうちいずれかの前記マイクロリアクタを選択決定する手段と、を有し、複数個の前記マイクロ流路は、少なくとも流路断面積あるいは流路長のいずれかが異なるものを含む。

本発明によれば、マイクロリアクタを複数個並列配置した化学反応装置において、反応条件が異なる反応を複数同時に行い、かつその結果を生成物の収率として算出し流路毎に比較することが自動で可能となるので、マイクロリアクタによる生産を格段に高速・効率的にし、実験室での合成から工業生産までの移行を容易とすることができる。

以下、図１〜図６を参照して本発明による一実施の形態を詳細に説明する。

図１はマイクロリアクタを並列化した装置の構成を示したものである。マイクロリアクタ１０１を３個並列化し、マイクロリアクタ１０１とその前後流路は、継手など（図示せず）を用いて接続することで取り外し及び交換を可能としている。原料タンク１０３中の溶液はポンプ１０２によって複数個並列に配置されたマイクロリアクタ１０１に送液される。マイクロリアクタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃの流路構造が異なっている。

３液以上の混合の場合は原料タンク１０３およびポンプ１０２を混合する溶液の種類に対応する台数を用意し、３液以上を混合する流路構造を持つマイクロリアクタ１０１を設置することで２液の混合と同様となる。

各マイクロリアクタ１０１の後部流路に流量計１０４および検出器１０５を設置する。検出器１０５はマイクロリアクタ１０１内で混合された混合溶液の溶質組成を検出するものであり、吸光法による検出器，光熱変換分光法を利用した検出器等が良い。流量計104および検出器１０５は処理装置１０８と電気的に接続されており、検出値は処理装置108に送られる。

処理装置１０８は流量計１０４によって測定された流量と、マイクロリアクタ１０１から検出器１０５までの流路体積とから反応時間を算出し、検出器１０５によって検出される原料と、生成物と、の溶液組成から混合溶液中の原料の反応率と、生成物及び副生成物の収率とを算出し、算出されたそれぞれの値をデータとして記憶する。

また、処理装置１０８にはポンプ１０２の流量制御機能，温度制御装置１０７の温度制御機能を備える。

温度制御装置１０７は個々のマイクロリアクタ１０１の温度を一定に保つ機能を有し、恒温水槽やペルチェなどが良い。またマイクロリアクタ１０１内での反応を制御、あるいは促進させるため、光ファイバーなどの光照射装置（図示せず），マイクロ波照射装置
（図示せず）などを温度制御装置１０７と併用、あるいは単独で用いることが良い。

次に、図１の装置を用いたマイクロリアクタの反応効率評価の詳細を説明する。

流量計１０４において検出された流量をＱとし、またマイクロリアクタ１０１から検出器１０５までの流路体積をＶとすると、溶液が混合されてから検出されるまでの反応時間ｔ_Rはｔ_R＝Ｖ／Ｑで表される。

図２（ａ）に示すように、運転時間ｔ₁₁からｔ₁₂の間にポンプ１０２によって送液する流量をＱ₁₁からＱ₁₂と変化させた場合の流量計１０４により検出される流量はＱ₁₃から
Ｑ₁₄と変化し、このとき反応時間ｔ_Rはｔ_R11からｔ_R12と流量に反比例して減少する。

検出器１０５により検出される値は原料と生成物との検出強度の違いにより原料の反応率、あるいは目的生成物および副生成物の収率が算出でき、図２（ａ）と同様にポンプ流量を変化させた場合、収率を求めると図２（ｂ）に示すように変化する。

図２（ｃ）は異なった流路構造を持つマイクロリアクタ１０１を３個並列に設置した図１記載の装置を用い、反応時間と目的生成物の収率の関係を示したグラフであり、Ｙ_a，Ｙ_bおよびＹ_cはそれぞれマイクロリアクタ１０１ａでの収率、マイクロリアクタ１０１ｂでの収率、マイクロリアクタ１０１ｃでの収率を表している。

マイクロリアクタによる反応はマイクロリアクタの流路構造や流路幅に影響を受ける。よって異なるマイクロリアクタによる原料の反応率、あるいは目的生成物および副生成物の収率を図２（ｃ）のように求めることで、異なるマイクロリアクタ間での反応効率の比較が行え、この例ではマイクロリアクタ１０１ｂを用い反応時間をｔ_R13 以上としたときに効率よく反応を行えるということが分かる。また、複数のマイクロリアクタを用いれば、それぞれの流路毎に反応条件、例えば温度などを変化させた場合、効率良い反応条件を決定することができる。

図３は、他の実施の形態であり、図１の装置に対しマイクロリアクタの後部流路を合流させ、電磁三方弁によって流路の切り替えを行っている。

マイクロリアクタ１０１は、取り外し及び交換が可能とされ、検出器１０５の後部に電磁三方弁３０１を設置し、その後部流路を合流させ流路の下流末端に生成溶液タンク302を設置する。電磁三方弁３０１は処理装置１０８から切り替えられる。

ポンプ１０２後部の流路分岐部からマイクロリアクタ１０１への導入部、およびマイクロリアクタ１０１後部流路から電磁三方弁後部の流路合流部までの配管については、流路構造が同一となるマイクロリアクタ１０１を設置した場合に各マイクロリアクタ間で流量が同一となるよう配管長さおよび配管径を同一に揃えることが良く、ニードルバルブ303を配管内に組み込んで、ニードルバルブ３０３の前部流路に流量あるいは圧力を検出する流路センサ３０４を設置し、検出値に基づきニードルバルブ３０３によって流量の調整を行うことで各流路への均一な送液が可能となる。

次に図１または図３で示す装置を用いたパラメータサーベイについて、処理装置１０８の処理フローの一例を図２，図３、および図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、目的生成物の収率の評価基準とするパラメータサーベイについて説明を行う。パラメータとして流路毎に変化させる条件としてはマイクロリアクタ１０１の流路幅，マイクロリアクタ１０１の流路構造，反応温度などであり、少なくともいずれか１つのパラメータについて各流路で異なる。

全体流量の決定４０１を行い、ポンプ１０２を稼動し、その後、試行回数ｎのカウント４０２を行い、各分岐流路それぞれについて流量計１０４の値およびマイクロリアクタ
１０１から検出器１０５までの流路体積より反応時間の算出４０３を行う。

次に各マイクロリアクタ１０１を含む分岐流路それぞれについて検出器１０５の入力値から収率Ｙの算出４０４を行う。試行回数が１回目の場合のみ収率を記録し、全体流量の決定４０１のステップへ戻る。

なお２回目以降の全体流量は前回の流量と比較し常に増加、あるいは常に減少させる。２回目以降の試行の場合、処理装置１０８は各マイクロリアクタ１０１を含む分岐流路それぞれについて前回試行時の収率Ｙ_n-1とＹ_nの比較４０６を行い、うち１箇所以上でＹ_nがＹ_n-1と比較し、同程度あるいは大きい値をとるとき全体流量の決定４０１へと戻り次の試行を行う。

すべての各マイクロリアクタ１０１を含む分岐流路についてＹ_nがＹ_n-1と比較し明らかに小さい場合、ここまでの試行を通しての各マイクロリアクタ１０１を含む分岐流路における収率最大値Ｙ_max の比較４０７を行い、最も高い収率を得られた流路およびその流路において収率が最大となった試行時の流量，反応時間（反応時間の算出４０３によって算出されている場合）を最適条件として最適条件の表示４０８を行い、試行を行った流量，反応時間および収率の記録４０９を行って試行を終了する。

原料の反応率あるいは副生成物の収率の高低を評価基準とするパラメータサーベイを行う際には、前回試行時の収率Ｙ_n-1とＹ_nの比較４０６以降の判断と処理は目的生成物の収率の高低を評価基準としたときとは異なり、以下のように行う。

収率Ｙ_n-1とＹ_nの比較４０６において１箇所以上でＹ_nがＹ_n-1と比較し同程度あるいは小さい値をとるとき全体流量の決定４０１へと戻り次の試行を行う。すべての各マイクロリアクタ１０１を含む分岐流路についてＹ_nがＹ_n-1と比較し明らかに大きい場合、ここまでの試行を通しての各マイクロリアクタ１０１を含む分岐流路における収率最小値Ｙ_min の比較を行い、最も低い反応率あるいは収率を得られた流路およびその流路において反応率あるいは収率が最小となった試行時の流量，反応時間（反応時間の算出４０３によって算出されている場合）を最適条件として最適条件の表示４０８を行い、試行を行った流量，反応時間および収率データの記録４０９を行って試行を終了する。

図１または図３で示す装置、また図４の処理フローに基づく運用によって、マイクロリアクタでの実証実験において検討が必要とされるパラメータである流路幅，流路形状，反応温度，反応時間を複数同時に変更することが容易であり、上記の実証実験によって最適条件が求められたならば、図３で示す装置においてマイクロリアクタ１０１を着脱可能とし、最適条件が得られた分岐流路に接続されるマイクロリアクタ１０１と同一構造のマイクロリアクタ１０１が複数個並列となるように交換することで、生産量を拡大して連続運転を行う。

次に同一のマイクロリアクタを用いた連続生産時における操作フローについて図３および図５を用いて説明する。

処理装置１０８は予め設定された流量および温度にてポンプ１０２および温度制御装置１０７を稼動させる。その後、流路センサ３０４および流量計１０４によって検知される値より各流路に対し均一送液が行われているかのチェック５０１を行う。各流路への送液が均一でない、すなわち流路センサ３０４または流量計１０４の値が流路間で均一でない場合は、ニードルバルブ３０３の操作５０６によって流量の調整を行う。

各流路間での流量が均一となった場合、検出器１０５からの溶液組成の検出値が各流路間で均一かの判断５０２を行う。入力値が均一でない、すなわち各流路での反応効率にバラつきがある場合、流路になんらかの異常がある可能性があり、処理装置１０８は警告の表示５０４を行い、ポンプ１０２停止の判断５０３によってポンプ１０２の停止の停止命令を受けた場合は試行を行った流量，反応時間および収率の記録５０５を行い終了する。

入力値が均一である場合は運転を続行し、ポンプ１０２停止の判断５０３によってポンプ１０２の停止命令を受けていない場合は再度検出器１０５からの入力値が各流路間で均一かの判断５０２に戻ることで、流路の監視を繰り返しながら運転を継続する。ポンプ
１０２の停止の判断５０３によって停止命令を受けた場合は試行を行った流量，反応時間および収率の記録５０５を行い終了する。

また、処理装置１０８は、均一送液が行われているかのチェック５０１および検出器
１０５からの溶液組成の検出器が各流路間で均一かの判断５０２において値が均一でなかった場合、検出器後部の電磁三方弁３０１を生成溶液タンク３０２側から混合溶液タンク１０６側へ切り替える。逆にこれらが均一である場合には電磁三方弁３０１を混合溶液タンク１０６から生成溶液タンク３０２側へと切り替える。これらの作業によって複数個のマイクロリアクタを用いた生産における品質を一定に保つことが可能となる。

次に図６を用いてマイクロリアクタ１０１の流路内径をパラメータとするパラメータサーベイに用いる例を示す。マイクロリアクタ１０１については、溶液が混合する混合部の流路断面が円管形状である。また、マイクロリアクタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃについては、流路内径をそれぞれｄ_a，ｄ_b，ｄ_cとし、流路長をｌ_a，ｌ_b，ｌ_cとすると、ｄ_a＝ｎｄ_b＝ｍｄ_c及びｌａ＝ｎｌ_b＝ｍｌ_cが同時に成り立つ、すなわち各マイクロリアクタ１０１において流路内径の比と流路長の比が等しくなるマイクロリアクタ１０１を接続する。

ポンプ１０２によって送液される原料溶液は、マイクロリアクタ１０１の前部流路の流路分岐部から各分岐流路に分配される。このとき各分岐流路に流れる流体の液量は各分岐流路間の圧力損失ΔＰについて、ΔＰ_a＝ΔＰ_b＝ΔＰ_c となるように配分される。この圧力損失ΔＰは溶液の粘度ρ，流路長ｌ，流速ｖ、および流路内径ｄによってΔＰ＝３２
ρｌｖ／ｄ² と定義されるので、この式より各マイクロリアクタ１０１混合流路内の流速ｖについてｖ_a＝ｎｖ_b＝ｍｖ_c が導かれる。

一方マイクロリアクタ１０１の混合流路における反応時間ｔ_Rはｔ_R＝ｌ／υで表されるため、マイクロリアクタ１０１の流路内径についてｄ_a＝ｎｄ_b＝ｍｄ_c 、流路長についてｌ_a＝ｎｌ_b＝ｍｌ_cを同時に満たす場合、マイクロリアクタ１０１ａ，１０１ｂ,１０１ｃにおける反応時間ｔ_Ra，ｔ_Rb，ｔ_Rcについては、ｔ_Ra＝ｔ_Rb＝ｔ_Rcが成り立つ。すなわちマイクロリアクタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃについて流路内径ｄの比と流路長ｌの比とを等しくすれば、各マイクロリアクタ１０１における反応時間を等しくすることができる。

したがって、マイクロリアクタ１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃについて流路内径の比と流路長の比とが等しいマイクロリアクタ１０１を図４の装置に設置し、検出器１０５をマイクロリアクタ１０１の後部流路に設置することで、異なる流路幅のマイクロリアクタにおける反応効率の違いについて反応時間を揃えつつ同時に測定およびモニタ１０９で表示することができる。

測定の信頼性を上げるためには、ポンプ１０２後部の流路分岐部からマイクロリアクタ１０１への導入部、およびマイクロリアクタ１０１後部流路から電磁三方弁後部の流路合流部までの配管部分の圧力損失がマイクロリアクタ１０１混合部の圧力損失と比較して十分に小さくなるよう、配管長さを極力短くしかつ配管内径を大きくするなどの工夫を施すことが望ましい。

また図３に示した流量計１０４、またニードルバルブ３０３および流路センサ３０４は必要としないが、流路の状態監視，装置の信頼性向上などのために設置することが良い。

図６に示した装置を用いて流路径を変化させたパラメータサーベイを行う際の処理装置１０８の処理フローについては、図１ないし図３に示す装置の場合と同様に図４のフローチャートにそって行う。ただし図６の装置に対し各マイクロリアクタを含む流路に流量計を設置しない場合、反応時間の算出４０２は各マイクロリアクタ１０１の体積の合計Vsumを装置の全体流量Ｑで除することで算出する。

また、マイクロリアクタ１０１とその前後流路について継手など（図示せず）を用いて接続することで取り外し及び交換を可能とし、さらに図３の装置と同様に電磁三方弁301，生成溶液タンク３０２，ニードルバルブ３０３，流路センサ３０４を設置することで、図５に示す操作フローと同様に連続生産を行う。

本発明による一実施の形態であるマイクロリアクタシステムを示すブロック図。一実施の形態による反応時間対収率を示すグラフ。図１によるマイクロリアクタシステムを量産対応としたことを示すブロック図。一実施の形態によるパラメータサーベイ時の処理フローチャート。図３に示したマイクロリアクタシステムを用いた操作フローチャート。一実施の形態による流路内径をパラメータとするパラメータサーベイ時を示すブロック図。

符号の説明

１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃマイクロリアクタ
１０２ポンプ
１０３原料タンク
１０４流量計
１０５検出器
１０６混合溶液タンク
１０７温度制御装置
１０８処理装置
１０９モニタ
３０１電磁三方弁
３０２生成溶液タンク
３０４流路センサ

Claims

２液を原料溶液として混合して目的生成物を得るマイクロ流路を有したマイクロリアク
タと、前記マイクロリアクタに導入する原料溶液を貯留するための原料タンクと、前記原
料溶液を前記マイクロリアクタへ送液するポンプと、前記マイクロリアクタの温度を設定
する温度制御装置と、前記マイクロリアクタ内で混合された混合溶液を回収する混合溶液
タンクとを備えたマイクロリアクタシステムにおいて、
複数個並列に配置された前記マイクロリアクタと、
それぞれの前記マイクロリアクタの下流側に設置された流量計と、
それぞれの前記マイクロリアクタで混合された混合溶液の組成を検出強度として検出す
る検出器と、
前記ポンプによる送液量を制御し、前記流量計による流量の値と前記検出器による検出
強度の値とが入力され、前記原料溶液が混合されてから前記検出器で検出されるまでの反
応時間と、前記目的生成物の収率と、を演算する処理装置と、を備え、
前記処理装置は、それぞれの前記マイクロリアクタにおいて前記ポンプによる送液量を
変化させる手段と、変化させた毎に前記反応時間と前記目的生成物の収率とを演算して記
憶する手段と、記憶された前記反応時間と前記目的生成物の収率とに基づいて複数個のう
ちいずれかの前記マイクロリアクタを選択決定する手段と、を有し、複数個の前記マイクロ流路は、少なくとも流路断面積あるいは流路長のいずれかが異なるものを含むことを特徴とするマイクロリアクタシステム。
請求項１に記載のマイクロリアクタシステムにおいて、
それぞれの前記マイクロリアクタは着脱が可能とされたことを特徴とするマイクロリア
クタシステム。
請求項１に記載のマイクロリアクタシステムにおいて、
複数個の前記マイクロリアクタのマイクロ流路は、流路断面が円管形状とされ、相互間において流路内径の比と流路長の比が等しくされたことを特徴とするマイクロリアクタシ
ステム。
請求項１に記載のマイクロリアクタシステムにおいて、
前記マイクロリアクタ内で混合された混合溶液を合流して回収する生成溶液タンクを備えることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
請求項１に記載のマイクロリアクタシステムにおいて、
前記マイクロリアクタ内で混合された混合溶液を合流して回収する生成溶液タンクと、前記検出器の下流側に接続され前記混合溶液を前記混合溶液タンクあるいは前記生成溶液タンクへと切り替える電磁三方弁と、を備えたことを特徴とするマイクロリアクタシステ
ム。