JP5139628B2 - Micro chemical devices - Google Patents
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Description
本発明は、微少な流路を用いて、流体の混合及び反応を行うマイクロ化学デバイスに関する。 The present invention relates to a microchemical device that mixes and reacts fluids using minute flow paths.
マイクロ化学プラントは、マイクロスケールの空間内での混合、化学反応、分離などを利用した生産設備であり、大型タンク等を用いた従来のバッチ方式のプラントと比較して多くの有利点を備える。例えば、複数の流体の混合や化学反応を短時間且つ微量の試料で行えること、装置が小型であるため実験室レベルで生成物の製造技術を確立できればナンバリングアップを行うことで容易に量産用の設備化ができること、爆発などの危険を伴う反応にも適用可能であること、多品種少量生産を必要とする化合物の生成などにも素早く適応できること、需要量に合わせた生産量の調整が容易にできることなどである。このため、化学工業や医薬品工業の分野では、流体の混合または反応を行い材料や製品を製造するための好適な装置として注目され、近年、その研究開発が盛んに行われている。 A microchemical plant is a production facility that uses mixing, chemical reaction, separation, etc. in a microscale space, and has many advantages over conventional batch-type plants using large tanks and the like. For example, mixing of multiple fluids and chemical reactions can be performed in a short amount of time with a small amount of sample. It can be installed in equipment, can be applied to reactions involving dangers such as explosions, can be quickly adapted to the production of compounds that require high-mix low-volume production, and production volume can be easily adjusted to meet demand. It can be done. For this reason, in the fields of chemical industry and pharmaceutical industry, it has been attracting attention as a suitable apparatus for producing materials and products by mixing or reacting fluids, and research and development has been actively conducted in recent years.
マイクロ化学プラントは、材料供給装置、マイクロミキサ、熱交換装置、マイクロリアクタ、分離装置、これらの各装置を接続する配管、及び制御装置などを主構成要素とする。このうち、マイクロミキサ及びマイクロリアクタは、それぞれ流路幅が数μm〜1mm程度のオーダーである微少な流路を有し、この流路に導かれた複数種類の流体を互いに接触させることで混合または化学反応を生起するものである。マイクロミキサとマイクロリアクタとは、基本的には共通な構成とされ、一般にその用途が混合である場合はマイクロミキサと呼び、化学反応である場合はマイクロリアクタと呼ぶ。 The micro chemical plant has, as main components, a material supply device, a micromixer, a heat exchange device, a microreactor, a separation device, piping connecting these devices, a control device, and the like. Among these, the micromixer and the microreactor each have a minute flow channel having a flow channel width on the order of several μm to 1 mm, and are mixed or mixed by bringing a plurality of types of fluids led to the flow channel into contact with each other. It causes a chemical reaction. The micromixer and the microreactor are basically configured in common, and are generally called a micromixer when the application is mixing, and called a microreactor when they are chemical reactions.
このようなマイクロミキサ及びマイクロリアクタは、マイクロ化学プラントにおいては非常に重要なデバイスであり、特許文献としてもいくつか提示されている。このようなマイクロミキサとマイクロリアクタとをこの順で結合することで、混合と化学反応とをこの順で行うマイクロ化学デバイスを構成することができる。この結合には、従来においては、例えば図8に示すように、マイクロミキサ1’における導出口P2’とマイクロリアクタ7’における導入口P3’とを例えばニップルやチューブ等の配管NPを用いて連通接続していた。
Such a micromixer and a microreactor are very important devices in a microchemical plant, and some patent literatures are also presented. By connecting such a micromixer and a microreactor in this order, a microchemical device that performs mixing and chemical reaction in this order can be configured. Conventionally, for this connection, as shown in FIG. 8, for example, as shown in FIG. 8, the outlet P2 ′ in the
しかしながら、マイクロミキサ1’とマイクロリアクタ7’とを配管NPにより連通接続することにより、配管NP内で流体が滞留することがあった。また、マイクロミキサ1’で混合された流体がマイクロリアクタ7’へ導入される前に、放熱や受熱などにともなう温度変動のような外乱の影響を受け、化学反応を起こしてしまうことがあった。配管NP内は、温度条件等が制御できない空間であり、精密な反応制御を行うマイクロリアクタ7’へ導入される前に、このような化学反応が生じることは、生成品の品質劣化につながる。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、流体の滞留や温度変動のような外乱の影響を排除でき、生成品の品質の向上を図ることのできるマイクロ化学デバイスを提供することを目的とする。
However, when the
請求項1の発明は、複数種類の被反応流体をマイクロ流路を介して混合及び反応させるマイクロ化学デバイスMDにおいて、被反応流体を導入するための第1入口ポートP1と、第1入口ポートP1に連通し被反応流体を混合させるための第1マイクロ流路43R,43Lと、第1マイクロ流路43R,43Lに連通し混合済みの被反応流体を導出するための第1出口ポートP2とを備えるマイクロミキサ1と、マイクロミキサ1により混合された混合済流体を導入するための第2入口ポートP3と、第2入口ポートP3に連通し混合済流体を反応させるための複数の第2マイクロ流路91と、各第2マイクロ流路91に連通し反応済みの被反応流体を導出するための第2出口ポートP4とを備えるマイクロリアクタ7とを有し、マイクロミキサ1とマイクロリアクタ7とは、第1出口ポートP2と第2入口ポートP3とが直接に連通接続しており、第2入口ポートP3は、千鳥状に貫穿された複数のチューブ支持孔92Hを有し、第2マイクロ流路91はチューブ状であり、第2入口ポートP3の各チューブ支持孔92Hに嵌入されて支持されることにより、千鳥状に配列されて第2入口ポートP3と連通していることを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, in the microchemical device MD that mixes and reacts a plurality of types of fluids to be reacted via the microchannel, the first inlet port P1 for introducing the fluid to be reacted and the first inlet port P1 The first
請求項2の発明は、第1出口ポートP2が形成された面と第2入口ポートP3が形成された面とは、それぞれ互いに密接可能なフラット面とされている。 In the invention of claim 2, the surface on which the first outlet port P2 is formed and the surface on which the second inlet port P3 is formed are flat surfaces that can be in close contact with each other.
請求項3の発明は、第1マイクロ流路43R,43L及び第2マイクロ流路91の断面積はそれぞれ0.5mm2以下である。
In the invention of
本発明のマイクロ化学デバイスMDによると、マイクロミキサ1における第1出口ポートP2とマイクロリアクタ7における第2入口ポートP3とは配管を介さずに直接に連通接続するので、流体の滞留や温度変動のような外乱の影響を排除でき、生成品の品質の向上を図ることができる。
According to the microchemical device MD of the present invention, the first outlet port P2 in the
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は本発明に係るマイクロ化学デバイスの正面一部断面図、図2はマイクロミキサの正面一部断面図、図3は図1のA−A線矢視図、図4は流路形成体を構成する第1エレメント及び第2エレメントの外観斜視図、図5はマイクロミキサにおけるマイクロ流路を模式的に示す図、図6はマイクロリアクタの正面一部断面図、図7は図6のB−B線矢視図である。なお、図4(A)は第1エレメントを示し、図4(B)は第2エレメントを示す。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 is a partial front sectional view of a microchemical device according to the present invention, FIG. 2 is a partial front sectional view of a micromixer, FIG. 3 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. FIG. 5 is a diagram schematically showing a micro flow path in the micromixer, FIG. 6 is a partial cross-sectional front view of the microreactor, and FIG. FIG. FIG. 4A shows the first element, and FIG. 4B shows the second element.
図1に示すように、本発明に係るマイクロ化学デバイスMDは、マイクロミキサ1及びマイクロリアクタ7から構成される。
As shown in FIG. 1, the microchemical device MD according to the present invention includes a
図2に示すように、マイクロミキサ1は、外殻体2、流路形成体室付蓋体3、流路形成体4及びプラグ5などから構成され、入口ポートP1から導入された被反応液であるモノマーと重合開始剤とを流路形成体4内で混合して、出口ポートP2から導出する装置である。上記構成要素はいずれもステンレス鋼を材質とする。
As shown in FIG. 2, the
外殻体2は、一端に開口部を備える有底筒状体である。その側壁21には冷却液入口ポートH1、冷却液出口ポートH2及びボルト締結穴H3が穿設され、底蓋22にはプラグ嵌入穴H4が穿設される。冷却液入口ポートH1及び冷却液出口ポートH2は、それぞれマイクロミキサ本体の軸線J1に対して等対角位置となるように側壁21の肉厚方向に穿設された貫通穴である。ボルト締結穴H3は、側壁21における開口部側の周面上に円周方向に等間隔となるように合計6箇所穿設された有底穴である。プラグ嵌入穴H4は、底蓋22の肉厚方向に穿設された貫通穴である。これら各穴には雌ネジが形成される。
The outer shell 2 is a bottomed cylindrical body having an opening at one end. The side wall 21 is provided with a coolant inlet port H1, a coolant outlet port H2, and a bolt fastening hole H3, and the
流路形成体室付蓋体3は、外殻体2の開口部を密閉するための蓋部31と、蓋部31の一端中央部から軸線J1方向に延設した中空の円柱状部32とからなる。円柱状部32における中空部分は、流路形成体4を内装するための流路形成体室32Sとして機能する。蓋部31の他端はフラット面とされる。図3に示すように、蓋部31の周縁部には、外殻体2におけるボルト締結穴H3の位置に対応するように、合計6個のボルト穴H5が貫穿される。また蓋部31は、円柱状部32における流路形成体室32Sと連通する出口ポートP2を備える。外殻体2と流路形成体室付蓋体3とはボルトB1(図1参照)により締結することで一体化する。円柱状部32の外周面と外殻体2の内周面との間には、冷却液室3Sとして機能する密閉空間が形成される。冷却液室3Sには、配管により冷却液入口ポートH1及び冷却液出口ポートH2に接続された図示しない冷却液循環ポンプから冷却液が供給される。
The
流路形成体4は、第1エレメント4Rと第2エレメント4Lとが直列に交互に複数段連結することにより構成される。本実施形態では5段としている。第1エレメント4Rは、図4(A)に示すように、ピン孔41及びマイクロ流路43Rを有する。具体的には、図5に示すように、2本の貫通孔内をそれぞれ時計回り方向の180度の捩り角をもった隔壁BWで仕切って形成される2本ずつのマイクロ流路43R1,43R2,43R1’,43R2’からなる。貫通孔の断面積は1mm2、従って各マイクロ流路43Rの断面積は0.4mm2程度である
The flow
第2エレメント4Lは、図4(B)に示すように、ピン孔41及びマイクロ流路43Lを有する。2本の貫通孔内をそれぞれ反時計回り方向の180度の捩り角をもった隔壁で仕切って形成される2本ずつのマイクロ流路を備えることを除いては、第2エレメント4Lは基本的には第1エレメント4Rと同様の構成である。第1エレメント4Rと第2エレメント4Lとはピン孔41に挿着したピン45を介して、交互に直列に合計5個連結することで一体化して流路形成体4を構成し、流路形成体室32Sに内装される。
As shown in FIG. 4B, the
プラグ5は、末窄まり状に貫穿された入口ポートP1を備えると共に、プラグ穴H4の雌ネジと螺合可能な雄ネジを外周面に備える。プラグ5の先端51は流路形成体室32Sの上流側に嵌入して流路形成体4の上流側の端面を押圧可能な押圧部とされる。流路形成体4を内装した状態で、流路形成体4の上流側の端面を圧接するようにプラグ5をプラグ嵌入穴H4に締結することで、流路形成体4を固定保持する。入口ポートP1は、配管により図示しない被反応液供給系に接続される。なお被反応液供給系はモノマーと重合開始剤とを被反応液としてマイクロミキサ1に同時に圧送する手段である。
The plug 5 includes an inlet port P1 penetrating in a constricted shape, and a male screw that can be screwed with a female screw of the plug hole H4 on the outer peripheral surface. The
なお、ラジカル重合を行ってポリマーを生成する場合は、モノマーとして、例えば塩化ビニル、酢酸ビニル、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、アクリロニトリル、スチレンなどが用いられ、そのときの重合開始剤として、例えば過酸化ベンゾイル、2,2−アゾビスイソブチロニトリルなどが用いられる。また、アニオン重合を行ってポリマーを生成する場合は、モノマーとして、例えばスチレン、アクリロニトリル、アクリル酸メチル、メタクリル酸メチルなどが用いられ、そのときの重合開始剤として、例えばプチルリチウム、ナトリウム、ナトリウムフタレンなどが用いられる。 When a polymer is produced by radical polymerization, for example, vinyl chloride, vinyl acetate, methyl acrylate, methyl methacrylate, acrylonitrile, styrene or the like is used as a monomer. Benzoyl oxide, 2,2-azobisisobutyronitrile and the like are used. When a polymer is produced by anionic polymerization, for example, styrene, acrylonitrile, methyl acrylate, methyl methacrylate or the like is used as a monomer, and as a polymerization initiator at that time, for example, butyl lithium, sodium, sodium phthalate, etc. Ren etc. are used.
マイクロリアクタ7は、図6に示すように、ハウジング8、反応室形成体9及び蓋体10からなり、入口ポートP3から流入した混合済みの被反応液を反応室形成体9内で反応させて、出口ポートP4から導出する装置である。上記構成要素はいずれもステンレス鋼を材質とする。
As shown in FIG. 6, the
ハウジング8は、その長手方向についての両端部にそれぞれ第1径大部81及び第2径大部82を備え、正面視が略H字形の略円筒体である。第1径大部81の側壁には、ハウジング8の空洞部に向かう熱媒出口ポートH6が貫穿され、更に熱媒出口ポートH6の貫穿方向と直交する方向に合計6個のボルト穴H8が貫穿される。第1径大部81の内周面端部は溝部811を有する。第2径大部82の側壁には、空洞部に向かう熱媒入口ポートH7が穿設され、熱媒入口ポートH7の貫穿方向と直交する方向に合計6個のボルト締結穴H9が貫穿される。ボルト締結穴H9は、第2径大部82における周面上に円周方向に等間隔となるように合計6箇所穿設された有底穴である。これら各穴には雌ネジが形成される。
The housing 8 is provided with a first
反応室形成体9は、合計19本の微細径チューブ91、及び微細径チューブ91の両端を支持する2つの支持体92(92A,92B)からなる。各支持体92は、その表面に千鳥状となるようにチューブ支持孔92Hが貫穿される。微細径チューブ91は、その内周面の断面積が0.5mm2以下であり、両端部をそれぞれ各支持体92のチューブ支持孔92Hに嵌入しロウづけなどにより固着することにより両持ち支持される。このようにして製作した反応室形成体9は、まず支持体92Bを第1径大部81側の開口部からハウジング8の中空部8Sに挿入し、続いて第1径大部81側に形成された溝部811に支持体92Aを係合させることで、ハウジング8の中空部8S内に合計19本の微細径チューブ91が配設される構成となる。このとき、第2径大部82の端面と支持体92Bの端面とは面一となるように構成され、その面はフラット面とされる。また、第1径大部81の端面と支持体92Aの端面とは面一となるように構成され、その面はフラット面とされる。なお19本の微細径チューブ91の各開口部が本発明の第2入口ポートに相当する。
The reaction chamber forming body 9 includes a total of 19 fine-
蓋体10は、ハウジング8における第2径大部82側の開口部を被覆可能なサイズとされる。蓋体10の周縁部には、ハウジング8におけるボルト締結穴H9の位置に対応するように、合計6個のボルト穴H10が貫穿される。また蓋体10は、反応室形成体9における微細径チューブ91と連通する出口ポートP4を備える。蓋体10のボルト穴H10と第2径大部82のボルト締結穴H9との位置が合うようにしてボルトB1を締め付けることでハウジング8に蓋体10が取り付けられる。その際、支持体2Bと蓋体10との間にパッキン等のシール部材を設けてもよい。2つの支持体92とハウジング8の内周面との間には、熱媒室8Sとして機能する密閉空間が形成される。熱媒室8Sには、配管により熱媒入口ポートH7及び熱媒出口ポートH6に接続された図示しない熱媒循環ポンプから熱媒が供給される。
The
以上のように構成されたマイクロミキサ1とマイクロリアクタ7とは、マイクロミキサ1における蓋部31のボルト穴H5と外殻体2のボルト締結穴H3とマイクロリアクタ7における第1径大部81のボルト穴H8との位置が合うようにしてボルトB2を締め付けることで合体する。ここで、蓋部31の他端はフラット面とされ、第1径大部81の端面と支持体92Aの端面とは面一となるように構成され、その面はフラット面とされているため、マイクロミキサ1における出口ポートP2とマイクロリアクタ7における入口ポートP3とが直接に連通接続する。
The
従って、マイクロミキサ1における入口ポートP1とマイクロリアクタ7における出口ポートP4とは、流路形成体4内の各マイクロ流路43R,43L、出口ポートP2、微細径チューブ91を介して連通することになる。被反応液供給系により入口ポートP1に圧送された被反応液は、まずマイクロミキサ1において時計回り方向の旋回と反時計回り方向の旋回とを交互に行うように流れることで混合が行われ、続いてマイクロリアクタ7において化学反応が行われて出口ポートP4から導出される。
Therefore, the inlet port P1 in the
マイクロミキサ1における出口ポートP2とマイクロリアクタ7における入口ポートP3とは配管を介さずに直接に連通接続するので、流体の滞留や温度変動のような外乱の影響を排除でき、生成品の品質の向上を図ることができる。
Since the outlet port P2 in the
以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上に開示した実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら実施の形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、更に特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むことが意図される。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, embodiment disclosed above is an illustration to the last, Comprising: The scope of the present invention is not limited to these embodiment. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 マイクロミキサ
7 マイクロリアクタ
43 マイクロ流路(第1マイクロ流路)
91 微細径チューブ(第2マイクロ流路)
MD マイクロ化学デバイス
P1 入口ポート(第1入口ポート)
P2 出口ポート(第1出口ポート)
P3 入口ポート(第2入口ポート)
P4 出口ポート(第2出口ポート)
1
91 Micro tube (second micro flow path)
MD micro chemical device P1 inlet port (first inlet port)
P2 exit port (1st exit port)
P3 inlet port (second inlet port)
P4 exit port (second exit port)
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