JP4867000B2

JP4867000B2 - 深溝型マイクロリアクタ

Info

Publication number: JP4867000B2
Application number: JP2005235852A
Authority: JP
Inventors: 健一郎外輪
Original assignee: University of Tokushima
Current assignee: University of Tokushima
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-08-16
Also published as: JP2007050320A

Description

本発明はマイクロリアクタの構造に関し、特に量産性を改善した新規な流路構造を有する深溝型マイクロリアクタに関する。

マイクロリアクタは代表径が通常１ｍｍ以下の流路で構成された化学反応装置であって、文字どおり小型で省スペース、省エネである上に、化学反応の高純度化、高効率化、安全性の向上等のメリットが得られるので、次世代の化学装置として期待されている。しかしマイクロリアクタ１個当たりの処理量が通常では１ｍｌ／ｍｉｎ程度で、1年間連続運転しても約０．５トン／年であり、大量生産には不向きである。そのためマイクロリアクタで構成された化学プロセスの処理量を増大させるには、通常多数のマイクロリアクタを並列に利用する。この並列化によって増大させる手法は一般にナンバリングアップと呼ばれる。

しかし、多数のマイクロリアクタを並列化させるためには多くの技術的問題がある。まず、複雑な配管技術すなわち、多くのマイクロリアクタに管路を接続し、すべてのリアクタに均一に流体が流れるようにする技術、また、高度な制御技術すなわち、すべてのマイクロリアクタの運転状態、例えば、温度、圧力、流量などが所望の状態にあることを監視・制御する技術、さらには、反応系のメンテナンス技術例えば、沈殿物等で閉塞が生じたときにその箇所を特定するための技術や、監視技術が確立されて閉塞などの不具合が生じたマイクロリアクタが発見された場合には、これを予備品と容易に交換できるようにする技術など、多種多様な技術を必要としている。

以上のような問題点から、現実的には１０個程度の並列化が限度と考えられ、マイクロリアクタを利用したプロセスでの生産量は精々年間１０トン以下が現実的と考えられている。そのため、マイクロリアクタはこの程度の需要量で間に合い、且つ比較的高価な医薬品分野への適用以外には殆ど考えられない状況となっていた。

マイクロリアクタの量産性を向上させる方法として、流路断面の幅と高さの比（アスペクト比）を大きくする方法が考えられる（例えば特許文献１及び２参照）。しかし、流量を大きくしようとすると、原料流体の流れが偏って、図１に示すような偏流が生じる可能性がある。この場合、流体体積に対する接触面積は著しく小さくなり、反応を効率的に進めることができない。アスペクト比を大きくした場合、一般型マイクロリアクタ（図２に示す）と同様に反応器としての性能を発揮させるためには、図３に示すように、２つの流体が深さ方向に薄膜状に広がり、接触する必要がある。岡本らは、偏流対策として合流部に整流板を入れる構造を提案している（特許文献１参照）。しかしながら、岡本らが試作したリアクタでは幅５０mmを有するにも拘わらず、実験では最大の流量でも１．４２４ｍｌ／ｍｉｎまでの検証に止まっている。

また、マイクロリアクタ内部での混合や反応の効率アップ或いはスピードアップを図る他の方法として、アスペクト比の大きいマイクロチャンネルでは、流路内部に微細構造を形成することで反応・混合を促進することが考えられる。このような流路内部に微細構造を形成させるという考え方は、Ｓｔｒｏｏｋらが報告している（非特許文献１参照）。しかし、１００μｍオーダーの流路内部に１０μｍオーダーの微細構造を形成するのは、高い加工技術を要するうえ、内部構造が複雑となり沈殿物を伴う場合には部分的に堆積を生じ、閉塞の原因になるなどの問題がある。
特開２００４−２９０９７１号公報特開２００５−１６９２１３号公報 A.D. Strook et al., Science, 295,pp.647-651, 2002.

従って、本発明の目的は、マイクロリアクタの反応面の特徴を活かしながら量産性を改良した新規の流路構造を有するマイクロリアクタを提供することであり、具体的には２つ以上の原料流体が偏流しないように、深さ方向に薄膜状に広がって接触する理想的な流動状態を保ちつつ、さらに流体の反応・混合をよりよく促進し反応効率を高めるように、流体同士の接触面積を増大させる構造を持ったマイクロリアクタを提供することである。

課題を解決するための第一の発明は、流れ方向に垂直な断面形状が短辺と長辺を持つ矩形の、アスペクト比が１０以上のマイクロ空間からなる反応流路を有し、原料流体を反応流路に注入する複数の注入口の少なくとも１つ以上が、長辺側の反応流路壁面上にスリット状に設けられたマイクロリアクタにおいて、層流となって供給される上流側の流体に対して、下流側で供給する流体を、それらの原料流体を注入口に供給する複数の原料流路の壁面に凹凸部を設けることにより、その流れ方向における断面形状を前記凹凸部の形状に対応した波状として供給することを特徴とするマイクロリアクタである。

短辺側を流路の幅とすると、長辺側は深さ方向である。従来の一般的なマイクロリアクタは幅と深さが１ｍｍ以下であるが、本発明によると、流路の幅に比べて深さの寸法を大きくすることにより、反応流路の容量を大きくしている。注入口は原料流路と反応流路を繋ぎ、原料を反応流路に供給するところであるが、当該注入口を反応流路壁面に深さ方向に沿ってスリット状に設けることにより、流体が反応流路の深さ方向の全体に亘って均等に供給される。さらに注入時の原料流体の断面形状を波状として供給することにより、流路上流から層流となって供給される他の原料流体と合流する地点で流体間の接触面が波状となり、流路下流に向かって流体同士の接触面積を飛躍的に増大させることができる。その結果マイクロリアクタの量産性を改良することができる。

第二の発明は、原料流路壁面の凹凸部が、当該壁面上に規則的に設けられた溝からなる凹部である請求項１記載のマイクロリアクタである。壁面の凹凸構造を微細構造と呼ぶことがあるが、壁面に凹部を形成してもよいし、下記の第三の発明のように凸部を形成してもよい。凹凸の形状、寸法に応じて、流出する原料流体の断面形状が変わるが、詳細な構造は原料の性質、リアクタの材質、及び反応や混合の目的に応じて設計することができる。

さらに第三の発明は、原料流路壁面の凹凸部が、当該壁面上に規則的に設けられたじゃま板状の突起物からなる凸部である請求項１記載のマイクロリアクタである。

第四の発明は、原料流路の幅を、流路壁面上にスリット状に設けられた注入口の幅よりも広くしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロリアクタである。流路壁面上にスリット状に設けることにより、供給する原料の種類を増やす場合に容易に原料供給路を増設することができるうえ、注入口の幅よりも原料流路の幅を広くすることにより、液だめとなり、流体を流路幅全体に分散させる際の圧力損失を低く抑えることができ、より均一な送液を可能にする効果がある。

以下、本発明を図によってさらに詳細に説明する。本発明における深溝型とは、一般的なマイクロリアクタを深さ方向に引き延ばした形状としたものである。すなわち流路の幅に対する深さの比（アスペクト比）を大きくしたものである。図２は従来の一般的なＴ字型マイクロリアクタの一例を示し、図３は改良した深溝型マイクロリアクタの一例を示す。一般的マイクロリアクタ（図２）は、流路深さ（H２）、流路幅（W２）ともに通常は1ｍｍ以下である。このマイクロチャンネルを利用して２種類の原料を接触させると、断面図（図２の（Ｂ））に示すように、流路内部断面には、原料２１と原料２２が層流となって接触面２３を形成し接触する。これに対し深溝型マイクロリアクタ（図３）は、このマイクロチャンネルを利用して２種類の原料を接触させると、断面図（図３の（Ｂ））に示すように、流路内部断面には、原料３１と原料３２が層流となって広い接触面３３を形成し接触する。この様にして深溝型マイクロリアクタは、マイクロリアクタの特性を活かしながら流量を増大させることができる。

しかし、単に深溝型にしただけでは、流路断面積の増大効果が得られるに過ぎず、それ以上の反応率の向上や反応速度の増大は期待できない。本発明によると、原料流路の壁面に凹凸部を設けることにより、注入時の原料流体の断面形状を波状となるようにする。それにより、原料流体同士の接触面積が増大し、それに応じて反応効率を高めるので、結果としてマイクロリアクタの生産能力を増大することができる。

本発明が従来のマイクロリアクタと異なる他の特徴は、原料流路４５、４６が液だめとなっていることである。流体を流路幅全体に分散させる際の圧力損失を低く抑えている。これにより、より均一な送液を可能にしている。さらに他の特徴は、上流からの流体に対し、下流の流体を横から合流する形態の流れになっていることから、反応させる原料の数を増やすときも、注入口を増やすことで対応できる。これは従来のＴ字型をベースにした深溝型マイクロリアクタでは達成できない。

送液圧力が同じ場合、流量は流路断面積にほぼ比例するため、例えば深さを１０倍（アスペクト比１０）にすれば、処理量を１０倍に増大させることができるが、本発明における深溝型マイクロリアクタによると、原料流路壁面の凹凸形状により流体の断面形状が波状となるので、原料流体同士の接触面積が増大し、さらなる量産性の改善ができる。流路幅を１００μｍとして深さを数ｃｍ〜数１０ｃｍ（アスペクト比＝数１００〜数１０００）とすると、深溝型マイクロリアクタ1個当たりの処理量を１００トン／年オーダーに増大させることが可能となる。さらに１０個のナンバリングアップを行うことにより１，０００トン／年オーダーの大量生産を達成でき、医薬品以外の産業分野へも応用範囲を広げることができる。さらに原料流路４５、４６が液だめとなっていることにより、流体を流路幅全体に分散させる際の圧力損失を低く抑えることができ、より均一な送液を可能にしている。また、上流をＡ液、下流をＢ液とすると、Ａ液の流れに横からＢ液が合流する形態の流れになっていることから、反応させる原料の数を増やすときも、合流部を容易に増やすことで対応できる。

ガラス板を用いて深溝型マイクロリアクタを作成し、流動状態の観察を行った。流動状態
の可視化のため、ＮａＯＨ水溶液（以下、「Ａ液」と略す）と、ＢＴＢ水溶液（以下「Ｂ
液」と略す）を混合する実験を行い、これらの混合によって青い発色が生じる様子を観察
した。各種の流路構造をもつ深溝型マイクロリアクタについて流動特性を検討した結果、
図３（Ｂ）に示すような流動状態を形成することができた構造の断面図を図４（Ａ）に、
斜視図を図４（Ｂ）に示す。これは流路４１の壁面４２にスリット状に設けた原料注入口
４３及び４４と生成物の出口４７を有し、原料流路４５のＡ液と原料流路４６のＢ液を流
路に向かって垂直方向に導入するものである。試作した深溝型マイクロリアクタの流路幅
は０．１ｍｍ、深さは２７ｍｍ（アスペクト比２７０）とした。Ａ液とＢ液をそれぞれ５０ｍｌ／ｍｉｎで供給し、合計１００ｍｌ／ｍｉｎの処理量での実験を行った。１００ｍｌ／ｍｉｎは約５０ｍ^３／年に相当する。このような高流量の条件においても、流れの可視化結果から図３（Ｂ）に示すような理想的な流動状態が形成されていることが明らかとなった。

原料流路に微細構造を形成した本発明の深溝型マイクロリアクタの概念図を図５に示す。原料Ａの入り口から流路出口までの長さを５ｍｍ、原料Ａの入り口から原料Ｂとの合流部までの長さを０．５ｍｍ、原料流路および反応流路のいずれもマイクロ空間の幅は、１００μｍとする。微細構造を形成するのは、原料Ａが原料Ｂの流れと合流する部分に対応する原料流路の先端とし、複数の矩形型の溝が凹部となって、深さ方向に並んでいる構造とする。微細構造の拡大図を図５（Ｂ）に、図５（Ｂ）をイの方向から見た図を図５（Ｃ）に示す。微細構造の溝の幅、深さ、長さはそれぞれ１００μｍ、１００μｍ、２００μｍとし、高さ方向に２００μｍピッチで形成する。

この様な深溝型マイクロリアクタに原料を供給した場合の流動状態を流体力学によって数
値解析した。供給する原料Ａ、Ｂのいずれも密度が１０００ｋｇ／ｍ^３、粘度が０．００
１Ｐａｓとし、原料Ａ、原料Ｂの入口流速は同一とする。数値計算に当たっては、流路全
体を大きさ１０μｍのメッシュでモデル化し、微分項の離散化には二次差分を用いる。流
れのシミュレーションは計算流体力学ソフトウェアＦｌｕｅｎｔ６．２（Ｆｌｕｅｎｔ社
・米国）を使用する。計算によって求められた出口における流体ＡとＢの接触面の形状を
図６に示す。流路内の微細構造がない場合には、接触面は平面となるが、微細構造が存在
する場合には、図６に示すように接触面が波状に変形する。また、流速を（a）０．０１
ｍ／ｓ、（ｂ）０．１m／s、（ｃ）１．０m／sと流速を大きくするほど、より大きく変形
し、接触面積がより広くなっていることが分かる。

一例として、Ａ＋Ｂ→Ｃの仮想的な反応を取り上げ、これが進行する様子をシミュレーションした。定常状態の流動場における各成分の分布を次の方程式で表現した。

反応速度式としては以下の式を用いた。

ここでＣ_Ａ，Ｃ_Ｂ，Ｃ_Ｃはそれぞれ成分Ａ，Ｂ，Ｃのモル濃度を表す。反応速度定数ｋは、１０，０００ｍ^３／ｍｏｌ／ｓとし、拡散係数Ｄ_Ａ，Ｄ_Ｂ，Ｄ_Ｃはすべて１．０×１０^―９ｍ^２／ｓとした。段落［００１９］に示した流路内部における流動状態と各成分の濃度分布をＦｌｕｅｎｔ６．２を用いて計算した。求められた分布のうち、出口におけるＣの平均濃度を求め、反応器の性能評価に用いた。

図７に、出口における反応生成物Ｃの平均濃度に対して、微細構造が与える影響をまとめる。図７の縦軸は、微細構造が存在する場合における出口でのＣの平均濃度を、微細構造が無い場合の濃度で割った値を示している。流速が大きいほどＣの平均濃度の上昇率が大きい。以上より、微細構造が反応を促進する効果のあることが示された。

望ましくない流動状態（偏流）の一例を示した断面図である。（Ａ）一般のＴ字マイクロリアクタを示す斜視図と（Ｂ）流動状態の断面図である。示した平面図である。（Ａ）深溝型マイクロリアクタを示す斜視図と、（Ｂ）理想的な流動状態の断面図である。（Ａ）本発明の深溝型マイクロリアクタの一例を示す平面図と、（Ｂ）本発明の深溝型マイクロリアクタの一例を示す斜視図である。（Ａ）原料流路に微細構造を持つ本発明の深溝型マイクロリアクタの一例を示す斜視図、（Ｂ）本発明の微細構造の拡大図、（Ｃ）拡大図（Ｂ）をイの方向から見た微細構造の拡大図である。本発明の深溝型マイクロリアクタにおける流動状態を表す流体断面の説明図である。本発明の微細構造による反応促進効果を示すグラフである。縦軸は、微細構造がある場合の出口におけるCの平均濃度を微細構造が無い場合の値で除した値を示し、Ｃの平均濃度の増加率を表している。

符号の説明

１１、２１、３１、５１・・・・・・原料流体Ａ
１２、２２、３２、５２・・・・・・原料流体Ｂ
１３、２３、３３・・・・・・・・・接触面
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３・・・・・・・・・流路幅
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３・・・・・・・・・流路深さ
４１・・・・・・・・・・・・・・・反応流路
４２・・・・・・・・・・・・・・・壁面
４３、４４・・・・・・・・・・・・原料流体の注入口
４５、４６・・・・・・・・・・・・原料流路
４７・・・・・・・・・・・・・・・出口
Ａ、Ｂ・・・・・・・・・・・・・・原料流体

Claims

流れ方向に垂直な断面形状が短辺と長辺を持つ矩形の、アスペクト比が１０以上のマイクロ空間からなる反応流路を有し、原料流体を反応流路に注入する複数の注入口の少なくとも１つ以上が、長辺側の反応流路壁面上にスリット状に設けられたマイクロリアクタにおいて、層流となって供給される上流側の流体に対して、下流側で供給する流体を、それらの原料流体を注入口に供給する複数の原料流路の壁面に凹凸部を設けることにより、その流れ方向における断面形状を前記凹凸部の形状に対応した波状として供給することを特徴とするマイクロリアクタ。
原料流路壁面の凹凸部が、当該壁面上に規則的に設けられた溝からなる凹部請求項１記載のマイクロリアクタ。
原料流路壁面の凹凸部が、当該壁面上に規則的に設けられたじゃま板状の突起物からなる凸部である請求項１記載のマイクロリアクタ。
原料流路の幅を、反応流路壁面上にスリット状に設けられた注入口の幅よりも広くしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロリアクタ。