JP4972726B2 - Phase inversion temperature emulsification apparatus and emulsification method - Google Patents

Phase inversion temperature emulsification apparatus and emulsification method Download PDF

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Description

この発明は、マイクロリアクタを用いた乳化、特には転相温度乳化を行う装置及び方法に関するものであり、得られるエマルション径の微細化を図る。   The present invention relates to an apparatus and method for performing emulsification using a microreactor, in particular, phase inversion temperature emulsification, and aims to reduce the diameter of the resulting emulsion.

水中油滴(O/W型)エマルションは、塗料や化粧品、食品などの分野に用いられ、微粒子調製やマイクロカプセル調製において基本となる分散系である。エマルションの調製法としては、攪拌翼やホモジナイザーによる機械的攪拌が一般的であるが、これらの方法で得られるエマルションは多分散であるため、調製後の分級操作の必要性や安定性の問題が生じることが知られている。このような背景から、単分散エマルション調製が可能な方法が近年注目を集めている。   Oil-in-water (O / W type) emulsions are used in the fields of paints, cosmetics, foods and the like, and are a basic dispersion system for fine particle preparation and microcapsule preparation. As a method for preparing an emulsion, mechanical stirring with a stirring blade or a homogenizer is generally used. However, since emulsions obtained by these methods are polydispersed, there is a need for classification operation after preparation and problems of stability. It is known to occur. From such a background, a method capable of preparing a monodisperse emulsion has recently attracted attention.

単分散エマルション調製の代表的な方法としては、例えば非特許文献1〜4に記載されているような、SPG膜乳化法、マイクロチャネル乳化法、マイクロ流路分岐乳化法等が知られている。   As typical methods for preparing a monodisperse emulsion, for example, an SPG membrane emulsification method, a microchannel emulsification method, a microchannel branch emulsification method and the like as described in Non-Patent Documents 1 to 4 are known.

H. Yoshizawa et al., Col. Polym. Sci. 282 (2004) 965-971H. Yoshizawa et al., Col. Polym. Sci. 282 (2004) 965-971 Y. Hatake et al., J. Appl. Polym. Sci. 64 (1997) 1107-1113Y. Hatake et al., J. Appl. Polym. Sci. 64 (1997) 1107-1113 H. Yoshizawa et al., J. Chem. Eng. Japan, 29 (1996) 1027-1029H. Yoshizawa et al., J. Chem. Eng. Japan, 29 (1996) 1027-1029 S. Sugiura et al., J. Colloid Interface Sci. 227 (2000) 95-103S. Sugiura et al., J. Colloid Interface Sci. 227 (2000) 95-103

また、微細なエマルションを得る方法としては、転相乳化法が知られている。転相乳化法は、目的とする型と反対の型のエマルションを調製しておき、分散質濃度の増加、温度の加温や冷却などの操作により臨界点に達した時に転相させて目的とする型のエマルションを調製するものである。かかる転相乳化法の具体例としては、例えば特許文献1に、ポリグリセリンエステルとアルキルポリグリコシドを油性剤に溶解又は分散させた油相を転相温度以上に加熱して撹拌し乍ら、同じ温度に加熱した水相を徐々に加えて乳化せしめ、転相温度以下に冷却して転相させる水中油型乳化物の製造方法が記載されている。   As a method for obtaining a fine emulsion, a phase inversion emulsification method is known. In the phase inversion emulsification method, an emulsion of the opposite type to the intended type is prepared, and when the critical point is reached by operations such as increasing the dispersoid concentration, heating the temperature, and cooling, the phase inversion emulsification method is used. This type of emulsion is prepared. As a specific example of such a phase inversion emulsification method, for example, in Patent Document 1, an oil phase in which a polyglycerin ester and an alkyl polyglycoside are dissolved or dispersed in an oily agent is heated to a temperature above the phase inversion temperature and stirred. A method for producing an oil-in-water emulsion in which an aqueous phase heated to a temperature is gradually added to emulsify and cooled to a temperature below the phase inversion temperature to cause phase inversion is described.

特開平9−308822号公報JP-A-9-308822

しかし、非特許文献1〜4に記載されているような単分散エマルション調製法では、得られるエマルション径は最小でも10μm程度であり、より微細なエマルションを得ることのできる技術が要求されている。また、特許文献1に記載されているような転相乳化法は、一般にバッチ単位での処理であり、初期乳化工程とは別に、初期乳化後のエマルションを加熱し冷却する工程が必要となるが、この加熱冷却には時間を要することから、熱履歴の影響により製品の品質やエマルションの安定性に悪影響を及ぼすおそれがあった。   However, in the monodisperse emulsion preparation methods as described in Non-Patent Documents 1 to 4, the emulsion diameter obtained is at least about 10 μm, and a technique capable of obtaining a finer emulsion is required. Moreover, the phase inversion emulsification method as described in Patent Document 1 is generally a process in batch units, and apart from the initial emulsification step, a step of heating and cooling the emulsion after the initial emulsification is required. Since this heating and cooling takes time, there is a risk of adversely affecting the quality of the product and the stability of the emulsion due to the influence of the thermal history.

この発明は、従来技術が抱えるこのような問題点を解決することを課題とするものであり、その目的は、連続的に安定な微細エマルションを調製することのできる装置及び方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a device and a method capable of preparing a continuously stable fine emulsion, and to solve such problems of the prior art. is there.

前記の目的を達成するため、この発明の転相温度乳化装置は、連続相となる第1の液体を導入するための第1入口ポート、分散相となる第2の液体を導入するための第2入口ポート、これら第1及び第2入口ポートに連通し、導入された二液を混合乳化させて第1の液体中に第2の液体が分散した初期エマルションを調製するマイクロ流路、及び該マイクロ流路に連通し前記初期エマルションを回収するための出口ポートとを具える合流マイクロリアクタユニットと、前記初期エマルションを転相温度以上に加熱して転相を生じさせ、第2の液体中に第1の液体が分散した中間エマルションを調製する少なくとも1つの加熱マイクロリアクタユニットと、前記加熱された中間エマルションを転相温度以下に冷却して転相を生じさせ、第1の液体中に第2の液体が分散しており、初期エマルションよりも微細な最終エマルションを調製する少なくとも1つの冷却マイクロリアクタユニットと 前記加熱マイクロリアクタユニットと前記冷却マイクロリアクタユニットとの間に配設され、前記加熱マイクロリアクタユニット側を発熱面とし、前記冷却マイクロリアクタユニット側を吸熱面としたペルチェ素子とを積層してなるものである。かかる構成を採用することにより、設置面積を小さくしながらも、熱制御性が高まり、熱エネルギーを効率的に利用してエマルションの加熱及び冷却を迅速に行うことが可能となる。 In order to achieve the above object, a phase inversion temperature emulsifying device of the present invention includes a first inlet port for introducing a first liquid that becomes a continuous phase and a second inlet for introducing a second liquid that becomes a dispersed phase. Two inlet ports, a microchannel that communicates with these first and second inlet ports, mixes and emulsifies the two introduced liquids to prepare an initial emulsion in which the second liquid is dispersed in the first liquid, and A confluence microreactor unit having an outlet port connected to the microchannel and recovering the initial emulsion; and the initial emulsion is heated to a phase inversion temperature or higher to cause phase inversion; at least one heating microreactor unit 1 of the liquid to prepare an intermediate emulsion dispersed, cause phase inversion by cooling the heated intermediate emulsion below the phase inversion temperature, the first liquid The second liquid is dispersed, is arranged between the at least one cooling microreactor units preparing fine final emulsion than the initial emulsion, and the heating microreactor unit and the cooling microreactor unit during the heating A Peltier element having a microreactor unit side as a heat generating surface and a cooling microreactor unit side as a heat absorbing surface is laminated. By adopting such a configuration, the thermal controllability is enhanced while the installation area is reduced, and it becomes possible to quickly heat and cool the emulsion by efficiently using thermal energy.

また、この装置では、マイクロ流路はY字状に形成されており、第1入口ポートに連通する流路部と第2入口ポートに連通する流路部のなす角が0度より大きく90度より小さいことが好ましく、30度〜60度の範囲内とすることがさらに好ましい。   In this apparatus, the micro flow path is formed in a Y shape, and the angle formed by the flow path portion communicating with the first inlet port and the flow path portion communicating with the second inlet port is greater than 0 degree and 90 degrees. It is preferably smaller, and more preferably in the range of 30 to 60 degrees.

さらに、マイクロ流路中の第1及び第2の液体の流れが層流となることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the flow of the first and second liquids in the microchannel is a laminar flow.

さらにまた、マイクロ流路は、第1入口ポートに連通する流路部の幅が第2入口ポートに連通する流路部の幅よりも大きいことが好ましい。   Furthermore, in the micro flow channel, the width of the flow channel portion communicating with the first inlet port is preferably larger than the width of the flow channel portion communicating with the second inlet port.

加えて、加熱マイクロリアクタユニットの出口温度とエマルションの転相温度の差が10〜30℃の範囲内にあることが好ましく、15〜25℃の範囲内にあることがさらに好ましい。   In addition, the difference between the outlet temperature of the heating microreactor unit and the phase inversion temperature of the emulsion is preferably in the range of 10 to 30 ° C, and more preferably in the range of 15 to 25 ° C.

また、冷却マイクロリアクタユニットの出口温度が10℃〜室温(25℃)の範囲内にあることが好ましく、10〜20℃の範囲内にあることがさらに好ましい。   The outlet temperature of the cooling microreactor unit is preferably in the range of 10 ° C. to room temperature (25 ° C.), more preferably in the range of 10 to 20 ° C.

そして、この発明の転相温度乳化方法は、連続相である第1の液体中に分散相である第2の液体が分散したエマルションを形成するに当たり、第1の液体及び第2の液体をマイクロ流路に導入し、該マイクロ流路内で二液を混合乳化して、第1の液体中に第2の液体が分散した初期エマルションを調製し、ペルチェ素子の発熱面に取り付けられた加熱マイクロリアクタユニットを用いて前記エマルションを転相温度以上に加熱して転相を生じさせ、第2の液体中に第1の液体が分散した中間エマルションを調製し、前記ペルチェ素子の吸熱面に取り付けられた冷却マイクロリアクタユニットを用いて前記中間エマルションを転相温度以下に冷却して転相を生じさせ、第1の液体中に第2の液体が分散しており、初期エマルションよりも微細な最終エマルションを得ることを特徴とする。かかる構成を採用することにより、熱制御性が高まり、エマルションの加熱及び冷却を迅速に行うことが可能となる。 The phase inversion temperature emulsification method according to the present invention, when forming an emulsion in which the second liquid that is the dispersed phase is dispersed in the first liquid that is the continuous phase, A heated microreactor that is introduced into a flow path, mixes and emulsifies the two liquids in the micro flow path, prepares an initial emulsion in which the second liquid is dispersed in the first liquid, and is attached to the heat generating surface of the Peltier element The emulsion was heated above the phase inversion temperature using a unit to cause phase inversion, and an intermediate emulsion in which the first liquid was dispersed in the second liquid was prepared and attached to the endothermic surface of the Peltier element using a cooling microreactor units by cooling the intermediate emulsion below the phase inversion temperature cause phase inversion, in the first liquid and the second liquid is dispersed, fine than the initial emulsion Characterized in that to obtain a final emulsion. By adopting such a configuration, the thermal controllability is enhanced, and the emulsion can be rapidly heated and cooled.

また、この方法では、マイクロ流路中で、第1及び第2の液体が層流を形成することが好ましい。   In this method, it is preferable that the first and second liquids form a laminar flow in the microchannel.

さらに、初期エマルションを、その転相温度よりも10〜30℃高い温度範囲にまで加熱することが好ましく、転相温度よりも15〜25℃高い温度範囲にまで加熱することがさらに好ましい。   Furthermore, the initial emulsion is preferably heated to a temperature range 10 to 30 ° C. higher than the phase inversion temperature, and more preferably heated to a temperature range 15 to 25 ° C. higher than the phase inversion temperature.

さらにまた、中間エマルションを、10℃〜室温(25℃)の温度範囲にまで冷却することが好ましく、10〜20℃の温度範囲にまで冷却することがさらに好ましい。   Furthermore, the intermediate emulsion is preferably cooled to a temperature range of 10 ° C. to room temperature (25 ° C.), more preferably to a temperature range of 10 to 20 ° C.

加えて、最終エマルションのエマルション径が1μm未満であることが好ましい。   In addition, the emulsion diameter of the final emulsion is preferably less than 1 μm.

この発明によれば、転相温度乳化においてエマルションの加熱及び冷却が迅速に行われることから、品質及び安定性が高く、エマルション径の小さなエマルションを連続的に調製することが可能となる。   According to the present invention, since the emulsion is rapidly heated and cooled in the phase inversion emulsification, it is possible to continuously prepare an emulsion having high quality and stability and a small emulsion diameter.

以下、図面を参照しつつ、この発明の実施の形態を説明する。図1は、この発明に従う代表的な転相温度乳化装置の分解斜視図であり、図2は、図1の装置を組み立てた状態で示す側面図であり、図3は、図1の装置の合流マイクロリアクタユニットの平面図である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view of a typical phase inversion temperature emulsifying device according to the present invention, FIG. 2 is a side view showing the assembled device of FIG. 1, and FIG. 3 is a view of the device of FIG. It is a top view of a merging microreactor unit.

図1に示す転相温度乳化装置1は、第1入口ポート2、第2入口ポート3及び出口ポート4を具える合流マイクロリアクタ5を有する。合流マイクロリアクタ5には、一方の端部が出口ポート4に連通しており、他方の端部が二股に分岐して第1入口ポート2及び第2入口ポート3に連通するマイクロ流路6が形成されている。   A phase inversion temperature emulsification apparatus 1 shown in FIG. 1 has a confluence microreactor 5 having a first inlet port 2, a second inlet port 3, and an outlet port 4. The merging microreactor 5 is formed with a micro flow path 6 having one end communicating with the outlet port 4 and the other end branching into two branches and communicating with the first inlet port 2 and the second inlet port 3. Has been.

また、装置1は、内部にマイクロ流路7、8がそれぞれ形成された加熱マイクロリアクタユニット9及び冷却マイクロリアクタユニット10も有する。加熱マイクロリアクタユニット9は、仕切りプレート11及び銅製の伝熱プレート12を介して熱源であるペルチェ素子13の発熱面に取り付けられている。冷却マイクロリアクタユニット10は、冷却用ウォータジャケット14の一方の面に接しており、この冷却用ウォータジャケット14の他方の面は、銅製の伝熱プレート15を介してペルチェ素子13の冷却面に取り付けられている。   The apparatus 1 also includes a heating microreactor unit 9 and a cooling microreactor unit 10 in which microchannels 7 and 8 are formed, respectively. The heating microreactor unit 9 is attached to a heat generating surface of a Peltier element 13 that is a heat source via a partition plate 11 and a copper heat transfer plate 12. The cooling microreactor unit 10 is in contact with one surface of the cooling water jacket 14, and the other surface of the cooling water jacket 14 is attached to the cooling surface of the Peltier element 13 via a copper heat transfer plate 15. ing.

合流マイクロリアクタ5の一方の面には、マイクロ流路6内での乳化状態を観察するためのガラスプレート16が押え板17により取り付けられており、他方の面には、マイクロ流路6内を流れる液体を予備冷却するための予備冷却ウォータジャケット18が取り付けられている。この予備冷却ウォータジャケットは必須ではなく、合流マイクロリアクタ5に供給される液体の温度や転相温度に応じて適宜省略することができる。   A glass plate 16 for observing the emulsified state in the microchannel 6 is attached to one surface of the confluence microreactor 5 by a presser plate 17, and the other surface flows in the microchannel 6. A precooling water jacket 18 for precooling the liquid is attached. This preliminary cooling water jacket is not essential, and can be appropriately omitted depending on the temperature of the liquid supplied to the merging microreactor 5 and the phase inversion temperature.

また、冷却マイクロリアクタユニット10には、冷却用ウォータジャケット14とは反対側に、マイクロ流路8内での乳化状態を観察するためのガラスプレート19が押え板20により取り付けられている。   In addition, a glass plate 19 for observing the emulsified state in the micro flow path 8 is attached to the cooling microreactor unit 10 by a pressing plate 20 on the side opposite to the cooling water jacket 14.

これら各部材を順次積層し、ボルト等の固定手段により液密に固定し、各ユニット間をパイプ又はチューブで接続すると、図2に示したように、非常に設置面積の小さな装置が構成される。   When these members are sequentially laminated, liquid-tightly fixed by fixing means such as bolts, and the units are connected by pipes or tubes, a device with a very small installation area is configured as shown in FIG. .

次に、かかる装置1を用いて、転相温度乳化を実施する方法を説明する。   Next, a method for performing phase inversion temperature emulsification using the apparatus 1 will be described.

まず、所望のエマルションで連続相となる第1の液体を第1入口ポート2に、分散相となる第2の液体を第2入口ポート3にそれぞれ導入する。導入された第1及び第2の液体は、マイクロ流路6を通り、マイクロ流路6の分岐部において互いに合流する。このとき、第1液体と第2液体は平行二相流を形成し、その接触界面において徐々に乳化が進行し、すなわち第2液体の液滴が形成され、これが第1液体中に分散する。そして、マイクロ流路6の出口ポート4に達するまでの間に、二液の完全な乳化が行われる。このようにマイクロ流路6内で二液を混合すると、流路の幅よりも分散相の液滴の径が小さなエマルションを得ることができる。この結果、マイクロ流路6の出口ポート4からは、第1の液体中に第2の液体が分散した初期エマルションが得られる。   First, a first liquid that becomes a continuous phase in a desired emulsion is introduced into the first inlet port 2, and a second liquid that becomes a dispersed phase is introduced into the second inlet port 3. The introduced first and second liquids pass through the microchannel 6 and merge with each other at a branching portion of the microchannel 6. At this time, the first liquid and the second liquid form a parallel two-phase flow, and the emulsification gradually proceeds at the contact interface thereof, that is, droplets of the second liquid are formed and dispersed in the first liquid. The two liquids are completely emulsified before reaching the outlet port 4 of the microchannel 6. When two liquids are mixed in the microchannel 6 in this way, an emulsion in which the diameter of the droplets of the dispersed phase is smaller than the width of the channel can be obtained. As a result, an initial emulsion in which the second liquid is dispersed in the first liquid is obtained from the outlet port 4 of the microchannel 6.

この初期エマルションを、パイプ又はチューブを介して加熱マイクロリアクタユニット9に導入する。加熱マイクロリアクタユニット9は、仕切りプレート11及び伝熱プレート12を介してペルチェ素子13の発熱面からの熱が伝えられており、導入された初期エマルションは、マイクロ流路7を通りながら、この熱により加熱され、転相温度を超えた時点で転相が生じ、第2液体中に第1液体が分散した中間エマルションとなる。このとき、マイクロ流路7内に保持されている初期エマルションは、微量であり、その熱容量が小さいため、迅速かつ均一に加熱される。このため、バッチ処理を行っていた従来の転相乳化法に比べると、第1液体及び第2液体、さらには必要によりこれら液体に添加されている乳化剤の品質に与える影響が極めて少なく、かつ中間エマルションの乳化状態が極めて均質となる。   This initial emulsion is introduced into the heated microreactor unit 9 via a pipe or tube. Heat from the heating surface of the Peltier element 13 is transmitted to the heating microreactor unit 9 via the partition plate 11 and the heat transfer plate 12, and the introduced initial emulsion passes through the microchannel 7 by this heat. When heated and the phase inversion temperature is exceeded, phase inversion occurs, resulting in an intermediate emulsion in which the first liquid is dispersed in the second liquid. At this time, the initial emulsion held in the microchannel 7 is a very small amount and has a small heat capacity, and thus is quickly and uniformly heated. For this reason, compared with the conventional phase inversion emulsification method in which batch processing has been performed, the influence on the quality of the first liquid and the second liquid and, if necessary, the emulsifier added to these liquids is extremely small, and intermediate The emulsified state of the emulsion becomes very homogeneous.

次いで、この中間エマルションを、パイプ又はチューブを介して冷却マイクロリアクタユニット10に導入する。冷却マイクロリアクタユニット10は、ウォータジャケット14により冷却されており、さらにこのウォータジャケットユニット14の熱は、伝熱プレート12を介してペルチェ素子13の吸熱面により吸熱されている。このため、導入された中間エマルションは、マイクロ流路8を通りながら冷却され、転相温度を下回った時点で転相が生じ、第1液体中に第2液体が分散した最終エマルションとなる。このとき、マイクロ流路8内に保持されている中間エマルションは微量であり、その熱容量が小さいため、迅速かつ均一に冷却される。このようにして初期エマルションを2回転相させることで、初期エマルションよりも微細で斉一な、すなわちエマルション径が初期エマルションのそれよりも小さく単分散な最終エマルションが得られる。   This intermediate emulsion is then introduced into the cooled microreactor unit 10 via a pipe or tube. The cooling microreactor unit 10 is cooled by the water jacket 14, and the heat of the water jacket unit 14 is absorbed by the heat absorbing surface of the Peltier element 13 via the heat transfer plate 12. For this reason, the introduced intermediate emulsion is cooled while passing through the microchannel 8, and phase inversion occurs when the temperature falls below the phase inversion temperature, resulting in a final emulsion in which the second liquid is dispersed in the first liquid. At this time, the intermediate emulsion held in the micro flow path 8 is a very small amount, and its heat capacity is small, so that it is cooled quickly and uniformly. In this way, by rotating the initial emulsion twice, a final emulsion that is finer and uniform than the initial emulsion, that is, the emulsion diameter is smaller than that of the initial emulsion and is monodispersed is obtained.

このように、この発明に従う転送温度乳化方法では、全ての工程がマイクロリアクタ内で行われることから、加温及び冷却を迅速かつ均一に行うことができる上、エマルションの連続製造が可能である。また、この発明に従う転送温度乳化装置は、各ユニットを積層して構成されているので、非常にコンパクトである。   Thus, in the transfer temperature emulsification method according to the present invention, all steps are performed in the microreactor, so that heating and cooling can be performed quickly and uniformly, and continuous production of emulsions is possible. Further, the transfer temperature emulsification apparatus according to the present invention is very compact because it is configured by laminating the units.

合流マイクロリアクタ5のマイクロ流路6は、図示の例のようにY字状に形成されていることが好ましい。これにより、マイクロ流路6内で形成される分散相の液滴の径が小さくなる。また、第1液体と第2液体が円滑に合流できるように、第1入口ポート2に連通する流路部と第2入口ポート3に連通する流路部のなす角(図3の角α)を0度より大きく90度より小さな角度とすることが好ましい。さらに、この角αは、形成される分散相の液滴の径に影響を与えることから、液滴の径を小さくする観点から30〜60度の範囲内とすることが好ましい。   The micro flow path 6 of the confluence microreactor 5 is preferably formed in a Y shape as in the illustrated example. As a result, the diameter of the dispersed phase droplets formed in the microchannel 6 is reduced. In addition, an angle formed by the flow channel portion communicating with the first inlet port 2 and the flow channel portion communicating with the second inlet port 3 so as to allow the first liquid and the second liquid to smoothly merge (angle α in FIG. 3). Is preferably larger than 0 degree and smaller than 90 degrees. Furthermore, since this angle α affects the diameter of the droplets of the dispersed phase to be formed, it is preferable that the angle α is in the range of 30 to 60 degrees from the viewpoint of reducing the diameter of the droplets.

また、マイクロ流路6中の第1及び第2の液体の流れがそれぞれ層流となるように送液を行うことが好ましい。マイクロ空間では通常のマクロ空間と比較して界面張力と粘性力の寄与が非常に大きくなる特徴を有している。そのため、乱流を起こすためには、これら液体の流量を非常に大きくする必要があり、これは、送液に要するエネルギーの増加を招く上、加熱及び冷却マイクロリアクタユニットの高性能化及び/又は大型化を余儀なくされる。しかし、発明者らが合流マイクロリアクタユニットでの乳化について研究を重ねたところ、マイクロ流路内では、二液が層流のまま並行して流れていても接触界面による十分な乳化が生ずることが分かった。したがって、省エネルギー化と装置の小型化の観点から、二液を層流で送液することが有利となる。   Moreover, it is preferable to perform liquid feeding so that the flow of the 1st and 2nd liquid in the microchannel 6 becomes a laminar flow, respectively. The micro space has the feature that the contribution of the interfacial tension and the viscous force becomes very large compared to the normal macro space. For this reason, in order to cause turbulent flow, it is necessary to increase the flow rate of these liquids. This causes an increase in energy required for liquid transfer, and also improves the performance and / or size of the heating and cooling microreactor unit. It is forced to become. However, the inventors have conducted research on emulsification in the combined microreactor unit, and found that sufficient emulsification by the contact interface occurs in the microchannel even if the two liquids flow in parallel in laminar flow. It was. Therefore, it is advantageous to send two liquids in a laminar flow from the viewpoint of energy saving and downsizing of the apparatus.

さらに、マイクロ流路6は、第1入口ポート2に連通する流路部の幅が第2入口ポート3に連通する流路部の幅よりも大きいことが好ましい。このように分散相となる第2液体の流路を相対的に小さく構成することで、初期エマルションにおける第2流体の液滴径を小さくすることができる。   Further, in the micro flow channel 6, the width of the flow channel portion communicating with the first inlet port 2 is preferably larger than the width of the flow channel portion communicating with the second inlet port 3. As described above, by configuring the flow path of the second liquid serving as the dispersed phase to be relatively small, the droplet diameter of the second fluid in the initial emulsion can be reduced.

加熱マイクロリアクタユニット9では、初期エマルションをその転相温度よりも
10〜30℃高い温度範囲にまで加熱することが好ましい。一般に、転相温度において初期エマルションの100%が転相するわけではなく、転相温度よりも20℃程度高い温度でほぼ100%が転相することから、この温度にまで加熱することが最終エマルションの微細化の上で有利である。一方、過剰に加熱を行うと、第1液体及び第2液体、さらには必要によりこれら液体に添加されている乳化剤の品質への影響が懸念される上、加熱マイクロリアクタユニット9及び冷却マイクロリアクタユニット10の大型化を招くことから、転相温度+30℃以下の温度範囲で加熱することが有利である。
In the heating microreactor unit 9, it is preferable to heat the initial emulsion to a temperature range higher by 10 to 30 ° C. than the phase inversion temperature. In general, 100% of the initial emulsion does not invert at the phase inversion temperature, and almost 100% inversion occurs at a temperature about 20 ° C. higher than the phase inversion temperature. This is advantageous in terms of miniaturization. On the other hand, if heating is performed excessively, there is a concern about the influence on the quality of the first liquid and the second liquid and, if necessary, the emulsifier added to these liquids, and the heating microreactor unit 9 and cooling microreactor unit 10 Since it leads to an increase in size, it is advantageous to heat in a temperature range of the phase inversion temperature + 30 ° C. or less.

冷却マイクロリアクタユニット10では、中間エマルションを室温(25℃)以下にまで冷却することが好ましい。一般に、転相温度において中間エマルションの100%が転相するわけではなく、室温以下の温度でほぼ100%が転相することから、この温度にまで冷却することが最終エマルションの微細化の上で有利である。一方、過剰に冷却を行うと、冷却に要する時間とエネルギーが増大する上、冷却マイクロリアクタユニット10の大型化を招くことから、10℃以上の温度範囲で冷却することが有利である。   In the cooling microreactor unit 10, it is preferable to cool the intermediate emulsion to room temperature (25 ° C.) or lower. In general, 100% of the intermediate emulsion does not invert at the phase inversion temperature, and almost 100% inversion occurs at a temperature below room temperature. Therefore, cooling to this temperature is necessary for the refinement of the final emulsion. It is advantageous. On the other hand, if the cooling is performed excessively, the time and energy required for cooling increase and the size of the cooling microreactor unit 10 is increased. Therefore, it is advantageous to cool in a temperature range of 10 ° C. or higher.

また、図示の例のように、加熱リアクタユニット9と冷却リアクタユニット10との間に、ペルチェ素子13を配設し、加熱リアクタユニット9側が発熱面とし、冷却リアクタユニット10側が吸熱面となるように通電することが好ましい。このように構成することで、1つのユニット(ペルチェ素子)で加熱と冷却を同時に行えることから、装置の一層の小型化が可能となる。また、加熱温度の高精度な制御が可能となる。このとき、加熱リアクタユニット9の出口で温度を測定し、この温度に基づいてペルチェ素子の発熱量を制御することが好ましい。ペルチェ素子のみによる吸熱では所望の冷却温度に達しない場合には、図示のように、さらに冷却用ウォータジャケット14を設けてもよい。無論、ペルチェ素子に代えて、他の熱源、例えば加熱用ウォータジャケットや面ヒータ等を用いることもできる。   Further, as in the illustrated example, a Peltier element 13 is disposed between the heating reactor unit 9 and the cooling reactor unit 10 so that the heating reactor unit 9 side becomes a heat generating surface and the cooling reactor unit 10 side becomes a heat absorbing surface. Is preferably energized. With this configuration, heating and cooling can be performed simultaneously with one unit (Peltier element), and thus the apparatus can be further downsized. In addition, the heating temperature can be controlled with high accuracy. At this time, it is preferable to measure the temperature at the outlet of the heating reactor unit 9 and control the heat generation amount of the Peltier element based on this temperature. If the desired cooling temperature is not reached by heat absorption by only the Peltier element, a cooling water jacket 14 may be further provided as shown in the figure. Of course, instead of the Peltier element, other heat sources such as a heating water jacket or a surface heater can be used.

さらに、最終エマルションの安定性を高める観点からは、前記の各パラメータを適宜に設定して、従来技術では達成が困難であった1μm未満のエマルション径とすることが好ましい。   Furthermore, from the viewpoint of improving the stability of the final emulsion, it is preferable to set the above parameters appropriately so that the emulsion diameter is less than 1 μm, which has been difficult to achieve with the prior art.

なお、上述したところはこの発明の実施形態の一部を示したに過ぎず、この発明の趣旨を逸脱しない限り、これらの構成を交互に組み合わせたり、種々の変更を加えたりすることができる。例えば、処理する液体の転相温度や処理量に応じて、マイクロ流路の経路長を変えたり、複数の加熱及び冷却マイクロリアクタユニットを設けたりすることもできる。   The above description shows only a part of the embodiment of the present invention, and these configurations can be combined alternately or various changes can be made without departing from the gist of the present invention. For example, the path length of the micro flow path can be changed or a plurality of heating and cooling microreactor units can be provided according to the phase inversion temperature and the processing amount of the liquid to be processed.

次に、前記して説明した転送温度乳化装置を用いて実際にエマルションを調製したので、その結果を説明する。   Next, since the emulsion was actually prepared using the transfer temperature emulsification apparatus described above, the result will be described.

実験で用いた装置は、図1と同様の構成であり、合流マイクロリアクタユニットのマイクロ流路が、第1液体側で幅132μm、第2液体側で幅100μmであり、深さはいずれも47μmであった。また、加温マイクロリアクタユニット及び冷却マイクロリアクタユニットのマイクロ流路はいずれも、幅が711μm、深さが35μmであった。   The apparatus used in the experiment has the same configuration as in FIG. 1, and the micro flow path of the confluence microreactor unit has a width of 132 μm on the first liquid side, a width of 100 μm on the second liquid side, and a depth of 47 μm. there were. In addition, the microchannels of the heating microreactor unit and the cooling microreactor unit both had a width of 711 μm and a depth of 35 μm.

連続相となる第1液体として、蒸留水を100μl/分の割合で第1入口ポートに供給し、分散相となる第2液体として、20質量%の非イオン性界面活性剤(Brij30)と80質量%のドデカンの混合溶液を50μl/分の割合で第2入口ポートに供給した。   Distilled water is supplied to the first inlet port as a first liquid that becomes a continuous phase at a rate of 100 μl / min, and 20% by mass of a nonionic surfactant (Brij30) and 80% as a second liquid that becomes a dispersed phase. A mixed solution of mass% dodecane was supplied to the second inlet port at a rate of 50 μl / min.

加熱マイクロリアクタユニットの出口温度を60℃に制御し、冷却マイクロリアクタユニットの出口温度を20℃に制御して、最終エマルションを得た。この最終エマルションに対して動的光散乱(DLS)測定を行ったところ、平均エマルション径が95.2nmであり、多分散度指数が8.6であった。この結果、この発明に従う装置及び方法は、これまでの乳化技術では達成が困難であったナノエマルションを調製する有効な手段であることが分かった。   The exit temperature of the heating microreactor unit was controlled to 60 ° C. and the exit temperature of the cooling microreactor unit was controlled to 20 ° C. to obtain the final emulsion. When this final emulsion was subjected to dynamic light scattering (DLS) measurement, the average emulsion diameter was 95.2 nm and the polydispersity index was 8.6. As a result, it has been found that the apparatus and method according to the present invention are an effective means for preparing nanoemulsions that have been difficult to achieve with conventional emulsification techniques.

以上の説明から明らかなように、この発明により連続的に安定なナノエマルションを調製することが可能となり、医薬分野で近年活発に研究されているドラッグデリバリーシステム(DDS)や農薬・化粧品関連分野、さらには食品関連分野への応用が期待できる。   As is clear from the above description, the present invention makes it possible to prepare a continuously stable nanoemulsion, which has been actively researched in the pharmaceutical field in recent years, such as drug delivery systems (DDS), agricultural chemicals / cosmetics-related fields, Furthermore, application to food related fields can be expected.

この発明に従う代表的な転相温度乳化装置の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the typical phase inversion temperature emulsification apparatus according to this invention. 図1の装置を組み立てた状態で示す側面図である。It is a side view shown in the state which assembled the apparatus of FIG. 図1の装置の合流マイクロリアクタユニットの平面図である。It is a top view of the confluence | merging microreactor unit of the apparatus of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 転相温度乳化装置
2 第1入口ポート
3 第2入口ポート
4 出口ポート
5 合流マイクロリアクタ
6、7、8 マイクロ流路
9 加熱マイクロリアクタユニット
10 冷却マイクロリアクタユニット10
11 仕切りプレート
12、15 伝熱プレート
13 ペルチェ素子
14 冷却用ウォータジャケット
16、19 ガラスプレート
17、20 押え板
18 予備冷却ウォータジャケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Phase inversion temperature emulsification apparatus 2 1st inlet port 3 2nd inlet port 4 Outlet port 5 Merge microreactor 6, 7, 8 Micro flow path 9 Heating microreactor unit 10 Cooling microreactor unit 10
11 Partition plate 12, 15 Heat transfer plate 13 Peltier element 14 Water jacket for cooling 16, 19 Glass plate 17, 20 Holding plate 18 Preliminary cooling water jacket

Claims (6)

連続相となる第1の液体を導入するための第1入口ポート、分散相となる第2の液体を導入するための第2入口ポート、これら第1及び第2入口ポートに連通し、導入された二液を混合乳化させて第1の液体中に第2の液体が分散した初期エマルションを調製するマイクロ流路、及び該マイクロ流路に連通し前記初期エマルションを回収するための出口ポートとを具える合流マイクロリアクタユニットと、
前記初期エマルションを転相温度以上に加熱して転相を生じさせ、第2の液体中に第1の液体が分散した中間エマルションを調製する少なくとも1つの加熱マイクロリアクタユニットと、
前記加熱された中間エマルションを転相温度以下に冷却して転相を生じさせ、第1の液体中に第2の液体が分散しており、初期エマルションよりも微細な最終エマルションを調製する少なくとも1つの冷却マイクロリアクタユニットと、
前記加熱マイクロリアクタユニットと前記冷却マイクロリアクタユニットとの間に配設され、前記加熱マイクロリアクタユニット側を発熱面とし、前記冷却マイクロリアクタユニット側を吸熱面としたペルチェ素子とを積層してなる転相温度乳化装置。
A first inlet port for introducing a first liquid that becomes a continuous phase, a second inlet port for introducing a second liquid that becomes a dispersed phase, and a first inlet port and a second inlet port that communicate with the first and second inlet ports. A microchannel for preparing an initial emulsion in which the two liquids are mixed and emulsified to disperse the second liquid in the first liquid, and an outlet port connected to the microchannel for recovering the initial emulsion. A combined microreactor unit,
At least one heated microreactor unit that heats the initial emulsion above the phase inversion temperature to cause phase inversion to prepare an intermediate emulsion in which the first liquid is dispersed in a second liquid;
The heated intermediate emulsion is cooled to a phase inversion temperature or lower to cause phase inversion, and the second liquid is dispersed in the first liquid, and at least one for preparing a final emulsion finer than the initial emulsion Two cooling microreactor units;
A phase inversion temperature emulsification device, which is disposed between the heating microreactor unit and the cooling microreactor unit, and is formed by laminating a Peltier element having the heating microreactor unit side as a heat generating surface and the cooling microreactor unit side as a heat absorbing surface. .
前記マイクロ流路はY字状に形成されており、前記第1入口ポートに連通する流路部と前記第2入口ポートに連通する流路部のなす角が0度より大きく90度より小さい、請求項1に記載の乳化装置。   The microchannel is formed in a Y shape, and an angle formed by a channel portion communicating with the first inlet port and a channel portion communicating with the second inlet port is larger than 0 degree and smaller than 90 degrees. The emulsification apparatus according to claim 1. 前記マイクロ流路中の前記第1及び第2の液体の流れが層流となる、請求項1又は2に記載の乳化装置。   The emulsification apparatus according to claim 1 or 2, wherein the flow of the first and second liquids in the microchannel is a laminar flow. 前記マイクロ流路は、前記第1入口ポートに連通する流路部の幅が前記第2入口ポートに連通する流路部の幅よりも大きい、請求項1〜3のいずれか一項に記載の乳化装置。   4. The micro flow channel according to claim 1, wherein a width of a flow channel portion communicating with the first inlet port is larger than a width of a flow channel portion communicating with the second inlet port. 5. Emulsifying device. 前記加熱マイクロリアクタユニットの出口温度と前記エマルションの転相温度の差が10〜30℃の範囲内にある、請求項1〜4のいずれか一項に記載の乳化装置。   The emulsification apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein a difference between an outlet temperature of the heating microreactor unit and a phase inversion temperature of the emulsion is in a range of 10 to 30 ° C. 前記冷却マイクロリアクタユニットの出口温度が10℃〜室温(25℃)の範囲内にある、請求項1〜5のいずれか一項に記載の乳化装置。   The emulsification apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein an outlet temperature of the cooling microreactor unit is in a range of 10 ° C to room temperature (25 ° C).
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