JP4543312B2 - マイクロリアクタ - Google Patents

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Description

近年、レーザ光による光触媒化学反応や光酵素化学反応を活用した超分子の創生、光反応を利用した酵素やたんぱく質などの生化学物質の分離・精製の制御を行う研究が進められている。また、レ−ザ光により生成されるプラズマを利用したスペクトル分析など状態分析への応用も勧められている。本発明はこのような分野で使用される反応容器としてのマイクロリアクタに関するものである。
マイクロリアクタは非常に小型の反応容器で、シリコン，水晶，ポリマー，金属など物理化学特性が明らかな物質で構成され、一般に長さ数ｃｍ、流体の流路の直径が１０〜１００μｍ程度に加工される。加工にはマイクロエレクトロニクスやマイクロマシン（ＭＥＭＳ）等の微細加工技術が用いられる。
生化学反応を行う容器をマイクロ化すると、微小空間に特有の効果が現れる。マイクロマシンのスケール効果として、マイクロ化に伴う表面積、体積比の増大により反応液を混合しなくても分子の拡散により混合が進み反応が起こりやすくなる。即ち、スケールが小さいと層流支配の流れとなり拡散距離を短くすれば短い時間で混合することが可能である。
このようなマイクロリアクタの先行技術しては下記の非特許文献や特許文献が知られている。
藤井 輝人：「集積型マイクロリアクタ−チップ」、 ながれ第20巻第2号（2001年4月発行）、pp.99-105 外輪 健一郎、草壁 克己：「マイクロリアクタ−で極めるCFD」、 Fluent Asian Pacific ニュースレター Fall（2002） 特開２００３−１２６６８６号公報
図２（ａ，ｂ）は上記非特許文献１，２に記載されたマイクロリアクタの構成を示すもので、Ｙ字型の流路を合流させる合流路に２液を流し、その２液の反応を行わせるものである。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図２（ａ，ｂ）において、１０は溝１１が形成された第１基板（ＰＤＭＳ樹脂・・・Ｐｏｌｙ−ｄｉｍｅｔｈｙｌｏｘａｎｅ）であり、この溝は第１流路１１ａ、第２流路１１ｂ、合流路１１ｃで構成されている。１２ａは第１流路１１ａの端部に形成された第１流入口、１２ｂは第２流路１１ｂの端部に形成された第２流入口、１３は合流路１１ｃの端部に形成された流出口である。１４は第２基板（ＰＭＭＡ・・・メタクリル樹脂）で第１基板１０の溝が形成された側を覆って固定されている。このようなマイクロリアクタの溝の断面は１００μｍ２程度である。
図２（ｃ）は第１，第２流路１１ａ，１１ｂを流れてきた成分の異なる流体が合流路１１ｃで合流した状態を示すもので、スケールが小さいために層流支配の流れとなる。このようにマイクロスケールの流路内ではレイノルズ数が１より小さいケースがほとんどであり、例えば２種類の液相間で抽出操作等を行う場合に利用可能である。そして、層流状態であっても流れの幅を小さく（拡散距離を短く）すれば短い時間で混合することができる。
図３（ａ〜ｃ）は上記特許文献１に記載されたマイクロリアクタの構成を示す平面図である。図において図２と同一要素には同一符号を付している。
図（ａ）において切欠き２３は第１，第２流路が合流する合流点付近に形成され、その底部から合流路までの隔壁は１０μｍ程度の肉厚、加熱範囲は１００μｍ程度とされている。２０はレンズによって絞られたレーザ光である。なお、この例では第１基板１０の材質としてはＳＵＳ，アルミ，ガラスなどが用いられる。
図２（ｂ）は第１基板１０の材質をガラスや透明プラスチックなどの光透過性部材で構成し、第１基板１０を用いて直接凸レンズやフレネルレンズを形成した例を示している。これらの場合でも凸レンズやフレネルレンズを介してレーザ光を照射して加熱し合流路を流れる流体の化学反応を促進する。
ところで、図２に示す従来のマイクロ流路を用いたマイクロリアクタは、流路を結合することによる分子の拡散による反応を目的とするものであり、図３に示すマイクロリアクタはレーザによって温度などを制御して合流路を流れる流体の化学反応を促進するものである。
しかしながら、流体の種類によっては単に加熱するだけでは限られた化学反応しか得られないという問題があった。本発明は、合流路に超音波を印加する機構を設け、反応生成物の分離、濃縮をおこなうように構成したマイクロリアクタを提供することを目的としている。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、
前記合流路の下流側を複数路に分岐し、前記合流路の側面に超音波強度が可変な超音波を照射するための超音波発振手段を配置すると共に、前記合流路を流れる流体の特定の分子に対して超音波を共鳴させて合流路の流れ方向に垂直な方向に濃度差を生じさせ、
前記合波路を通過後に前記下流側に設けた分岐路で濃縮・分離を行うようにしたことを特徴とする。
本発明のうち請求項２記載の発明は、
複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、
前記合流路の下流側を複数路に分岐し、前記合流路の側面に超音波強度が可変な超音波を照射するための超音波発振手段を配置すると共に、合流路を流れる流体が拡散・混合される際に超音波照射で微泡を発生させ、混合・反応生成を促進してラジカル生成等を伴う高エネルギ−状態のリアクタをつくり出し、前記合流路を流れる流体の特定の分子に対して超音波を共鳴させて合流路の流れ方向に垂直な方向に濃度差を生じさせ、前記超音波により分解・反応・混合した液体を流路の後段に設けた分岐路で分岐して分離・濃縮を行うようにしたことを特徴とする。
請求項１によれば、合流路の下流側を複数路に分岐し、合流路の側面に超音波強度が可変な超音波を照射するための超音波発振手段を配置すると共に、合流路を流れる流体の特定の分子に対して超音波を共鳴させて合流路の流れ方向に垂直な方向に濃度差を生じさせ、合波路を通過後に下流側に設けた分岐路で濃縮・分離を行うようにし、
請求項２によれば、合流路の下流側を複数路に分岐し、合流路の側面に超音波強度が可変な超音波を照射するための超音波発振手段を配置すると共に、合流路を流れる流体が拡散・混合される際に超音波照射で微泡を発生させ、混合・反応生成を促進してラジカル生成等を伴う高エネルギ−状態のリアクタをつくり出し、合流路を流れる流体の特定の分子に対して超音波を共鳴させて合流路の流れ方向に垂直な方向に濃度差を生じさせ、超音波により分解・反応・混合した液体を流路の後段に設けた分岐路で分岐して分離・濃縮を行うようにしたので、特定の化学反応の促進、特定の反応生成物質の分離・濃縮が可能となる。
本発明の実施形態の一例を図１に示す。なお、図２，３と同一要素には同一符号を付している。
図１において、第１流入口１２ａからはＡ液が流入し、第２流入口１２ｂからはＢ液が流入する。これらの液は合流路１１ｃで合流し流出口１３ａ，１３ｂを介して流出する。
なお、図では省略するが第１基板１０の合流路１１ｃが形成された側には先に従来例で説明した図２で示すものと同様の第２基板が形成され、流入口１２ａ，１２ｂ、流出口１３ａ，１３ｂなどを覆っているものとする。
３０は合流路１１ｃに沿って配置された超音波発振素子であり、合流路１１ｃ内を流れるＡ液，Ｂ液の流れ方向に対して直角方向に超音波Ｔを照射する。この超音波発振素子は図示しない超音波素子の制御手段により超音波の強度が調整可能とされている。なお、長音波素子３０の長さや合流路１１ｃの側壁との距離は最適となるように設計されているものとする。
このような超音波リアクタによれば、被照射液が通過する合流路１１ｃに超音波発振素子から超音波が照射されるように配置されており、合流路内を流れる液体の分子に超音波を照射することができる。
上述の構成において、合流路１１ｃを流れる特定の分子に対して特定の波長の超音波が共鳴散乱する場合、この分子は超音波素子から遠ざかる方向に力を受けて、合流路１１ｃの流れ方向に垂直な方向（超音波の進行波方向）に濃度差が生じる。
合流路１１ｃ通過後に流路を分岐して分流させると特定の分子の濃縮・分離が可能となる。共鳴散乱する分子は、超音波の周波数を変化させることにより変えることできる。また、この共鳴散乱は超音波の強度を高くすることにより、特定の分子の分子鎖のみを切断するようにして分解することも可能である。
また、図１に示す実施例のように、合流路１１ｃ内で拡散・混合される際に超音波照射で微泡を発生させると混合・反応生成を促進することもできる。特に、超音波が照射された反応場は超音波による微泡の発現・消失という現象が生じる。そのため合流路１１ｃ内は数千気圧で数万度の極限環境となり、ラジカル生成等を伴う高エネルギ−状態のリアクタを容易につくり出すことができる。
超音波により分解・反応・混合した液体は流路の後段を分岐して分離・濃縮することもできる。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。実施例では合流路を流れる２液に超音波を照射したが、特定波長の光を照射しての反応促進や光励起イオン化を行うことも可能である。
また、合流路に電界印加手段を設け電界による分離・濃縮を行わせたり、反応生成物質の種類に応じて磁界を印加するように構成することもできる。
また、実施例では２つの流入路と２つの流出路を設けた例について説明したが、流入路と流出路は２以上であってもよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
本発明のマイクロリアクタの実施形態の一例を示す図である。 従来のマイクロリアクタの説明図である。 従来のマイクロリアクタの説明図である。
符号の説明
１０ 第１基板
１１ 溝
１１ａ 第1流路
１１ｂ 第２流路
１１ｃ 合流路
１２ａ 第１流入口
１２ｂ 第２流入口
１３ａ 第１流出口
１３ｂ 第２流出口
１４ 第２基板
３０ 超音波発振素子





























Claims (2)

  1. 複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、
    前記合流路の下流側を複数路に分岐し、前記合流路の側面に超音波強度が可変な超音波を照射するための超音波発振手段を配置すると共に、前記合流路を流れる流体の特定の分子に対して超音波を共鳴させて合流路の流れ方向に垂直な方向に濃度差を生じさせ、
    前記合波路を通過後に前記下流側に設けた分岐路で濃縮・分離を行うようにしたことを特徴とするマイクロリアクタ。
  2. 複数の流路と、これら複数の流路が合流する合流路と前記複数の流路を流れる流体を前記合流路で合流させて反応させるマイクロリアクタにおいて、
    前記合流路の下流側を複数路に分岐し、前記合流路の側面に超音波強度が可変な超音波を照射するための超音波発振手段を配置すると共に、合流路を流れる流体が拡散・混合される際に超音波照射で微泡を発生させ、混合・反応生成を促進してラジカル生成等を伴う高エネルギ−状態のリアクタをつくり出し、前記合流路を流れる流体の特定の分子に対して超音波を共鳴させて合流路の流れ方向に垂直な方向に濃度差を生じさせ、前記超音波により分解・反応・混合した液体を流路の後段に設けた分岐路で分岐して分離・濃縮を行うようにしたことを特徴とするマイクロリアクタ。
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