JP5211426B2 - マイクロリアクタシステム - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ流路内で二液を化学反応させるためのマイクロリアクタ装置及びシステムに関する。
コンピュータの世界に代表されるように、社会の様々な分野においてマイクロ化が進んでいる。マイクロ化により効率化がはかれるとともに省資源、省エネルギーの点からの社会的要請に応えることができる。
化学産業の中核である高分子合成や有機合成の分野におけるマイクロ化の取り組みは、他の科学技術分野に比べて遅れていた。しかしながら、近年、この分野でも活発に研究が行われるようになってきた。
化学反応を行うためのマイクロデバイスはマイクロリアクタと呼ばれており、数10μm〜数100μmの髪の毛程度のマイクロ流路を備える。マイクロ流路を用いて、原料を供給し、反応液を排出する。マイクロリアクタは、(1)加熱、冷却速度が速い、(2)流れが層流である、(3)単位体積当たりの表面積が大きい、(4)物質の拡散長が短いので反応が迅速に進行する等の特徴がある。マイクロリアクタによって提供されるマイクロな反応場は、化学反応そのものにも本質的な影響を与える可能性を秘めている。
例えば、従来、実験室での合成から工業的な生産へのスケールアップのために、多大な時間と労力を必要とする問題があった。しかしながら、工業的な生産に、マイクロリアクタを用いる場合には、マイクロリアクタの数を増やすことにより生産量を増大(ナンバーリングアップ)させることができるために、スケールアップが容易である。従って、実験室での合成からマイクロリアクタを用いた化学プラントへの移行を、高速に且つ効率的に行えると期待されている。
非特許文献1には、Y字型やT字型のマイクロリアクタの例が記載されている。Y字型やT字型のマイクロリアクタは、最も簡単な形状のマイクロリアクタであり、二液は分子拡散で混合し反応が起こる。混合の時間は、マイクロリアクタの流路幅の2乗に比例するので、流路幅が小さい方が、反応が効率的に進むことが知られている。
特許文献1には、Y字型やT字型のマイクロリアクタの改良型としては、2液を交互に配置して並行に流す多層構造のマイクロリアクタが記載されている。ナンバーリングアップを行なう場合、多数のマイクロリアクタを用いる、この場合、全てのマイクロリアクタの反応条件を均一にする必要がある。特許文献2には、全てのマイクロリアクタの反応液排出部位にヒータを備え、各反応液排出部の温度制御を行なっている。
特願2002−319638号公報 特願2001−237843号公報 岡本秀穂、マイクロリアクタ・システムの生産プロセスとしての可能性、「化学装置」 2002年9月号
マイクロリアクタにおいて反応を確実に行うためには、反応に最適な温度、反応に最適な原料供給量、反応に最適な反応液排出量等が必要である。しかしながら、これらの条件は、原料及び反応液の種類、化学反応の種類、等によって異なる。
本発明の目的は、様々な条件下にて最適な化学反応を行うことができるマイクロリアクタシステムを提供することにある。
本発明によるマイクロリアクタシステムは、複数のマイクロリアクタクラスタが恒温槽内に並べて保持されてなる。マイクロリアクタクラスタは、複数のマイクロリアクタユニットが枠部材に積層されて一体に支持されてなる。マイクロリアクタユニットは、第1及び第2の原料供給部、反応容器及び前記反応液排出部を、基板の同一面上に連設してなる。
本発明によると、マイクロリアクタ装置及びシステムによって様々な条件下にて最適な化学反応を行うことができる。
図1を参照して本発明によるマイクロリアクタユニットの例を説明する。マイクロリアクタユニット10で反応させる2液を、原料A、原料Bとし、反応生成物を反応液Cとする。本例のマイクロリアクタユニット10は、原料Aを所定の温度に保温しながら供給するための第1の原料供給部11、原料Bを所定の温度に保温しながら供給するための第2の原料供給部12、原料Aと原料Bを所定の温度に保持しながら反応させる反応容器14、反応液を所定の温度に保温しながら排出する反応液排出部13、及び、基板15を有する。第1の原料供給部11、第2の原料供給部12、反応容器14、及び、反応液排出部13は基板15の上に配置されている。第1及び第2の原料供給部11、12と反応液排出部13の間に反応容器14が配置されている。反応容器14内にはマイクロリアクタチップ(図示なし)が配置されている。
第1の原料供給部11は、円筒部材111、及び、円筒部材111を両側から支持する2本の支持部材112、113を有する。円筒部材111の外面には、原料Aを反応容器14に供給するための第1の配管21が螺旋状に巻かれている。
第2の原料供給部12の構造及び寸法は第1の原料供給部11の構造及び寸法と同一であってよい。第2の原料供給部12の円筒部材121の外面には、原料Bを反応容器14に供給するための第2の配管22が螺旋状に巻かれている。
反応液排出部13の構造は第1及び第2の原料供給部11、12の構造と同様であるが寸法は異なる。即ち、反応液排出部13は、円筒部材131、及び、円筒部材131を両側から支持する2本の支持部材132、133を有する。円筒部材131の外面には、反応液Cを反応容器14から排出するための第3の配管23が螺旋状に巻かれている。これらの配管の構造は図2を参照して説明する。
マイクロリアクタユニット10は、恒温槽(図示しない)内に配置される。恒温槽には、水、冷媒等の液体が充填されている。この液体は、目的とする化学反応に最適な温度に保持されている。マイクロリアクタユニット10は、この液体に侵漬されているから、常に一定の温度に保持される。
反応容器14の上面には孔14Aが設けられている。この孔14Aを介して反応容器14内に、この液体が充填される。従って、マイクロリアクタチップ(図示なし)は、この液体に侵漬されている。
マイクロリアクタユニット10の各部を構成する材料は、熱伝導性の良い材料、例えば、金属を用いることが望ましい。ただし、原料及び反応液と接触する部分には、フッ素樹脂やハステロイなどの耐食性合金を使用してよい。
基板15や円筒部材等の構造物は、恒温槽内の水又は冷媒の流動を妨げないように、金網、パンチングメタルなどで構成するとよい。それによって、水又は冷媒の対流が促進され、伝熱効率が向上する。
第1及び第2の原料供給部11、12の円筒部材111、121に巻かれた配管21、22の径は、好ましくは1mm以下であり、より好ましくは、数10μm〜数100μmである。配管21、22、23の長さ及び巻き数は、必要な伝熱面積から求める。必要は伝熱面積は、必要な伝熱量から求められる。必要な伝熱量は、恒温槽内の液体と配管内の液体の温度差、配管の熱伝導率、界面の熱伝達率、配管内の液体の流量及び熱容量等から求められる。反応液排出部13の円筒部材131に巻かれた配管23の長さ及び巻き数も同様に、必要な伝熱量及び伝熱面積から求める。
本例では、配管21、22、23の長さ及び巻き数を変化させることにより伝熱量を調節することができる。したがって、伝熱量の調節が容易である。また、配管の曲率は一定であるから、圧力損失のばらつきが少なく、強度も一定となる。
図2を参照して本発明によるマイクロリアクタユニットの構造を詳細に説明する。反応容器14は、円筒状の容器である本体140、原料Aを注入するための第1の注入口141、原料Bを注入するための第2の注入口142、及び、反応液Cを排出するための排出口143を有する。これらの注入口141、142及び排出口143は、本体の側面に接続されている。反応容器14はホルダ144によって基板15上に固定される。
図2では、原料Aを供給するための第1の配管21、原料Bを供給するための第2の配管22、及び、反応液Cを排出するための第3の配管23の図示は省略されている。図2の矢印付の実線及び破線211〜218は、原料A、B及び反応液Cの流れを示す。これらの矢印付の実線及び破線は、配管の経路を模式的に示す。
先ず、第2の原料供給部12における原料Bの流れについて説明する。原料Bは、矢印211の方向から円筒部材121内に入り、配管取出口121Aから円筒部材121の外面に出て、円筒部材121の外面にて矢印212示すように螺旋状に移動し、配管引込口121Bから再度円筒部材121内に入り、矢印213に示すように第2の注入口142に導かれる。第2の配管22の経路は、この原料Bの流れと略同一である。
原料Aは、矢印214の方向から円筒部材111内に入り、配管取出口111Aから円筒部材111の外面に出て、円筒部材111の外面にて螺旋状に移動し、配管引込口111Bから再度円筒部材111内に入り、矢印215に示すように第1の注入口141に導かれる。第1の配管21の経路は、この原料Bの流れと略同一である。
反応液Cは、矢印216に示すように、反応液排出口143から円筒部材131内に入り、配管取出口131Aから円筒部材131の外面に出て、円筒部材131の外面にて矢印217にて示すように螺旋状に移動し、配管引込口131Bから再度円筒部材131内に入り、矢印218の方向に導かれる。第3の配管23の経路は、この反応液Cの流れと略同一である。
原料A及びBは、それぞれ原料供給部11、12に配置された第1及び第2の配管を通過するとき、配管を介して周囲の水又は冷媒と熱交換を行う。それによって原料A及びBは、反応容器14に到達するまでに、反応に最適な温度になる。原料A及びBは、それぞれ注入口141、142から反応容器14内のマイクロリアクタチップ(図示なし)に注入され、混合及び化学反応を起こす。反応容器14及びその内部のマイクロリアクタチップも恒温槽の水又は冷媒に浸漬されている。従って、マイクロリアクタチップ内の反応液Cの温度も一定に保たれる。反応液は、反応容器14の反応液排出口143から第3の配管23を通って排出される。反応液は、反応液排出部13に配置された第3の配管23を通過するとき、配管を介して周囲の水又は冷媒と熱交換を行う。それによって反応液は、反応に最適な温度に保持される。従って、反応液が、第3の配管23を経由して恒温槽の外部に排出されるまでの間に、反応液の化学反応は十分に進行する。従って、マイクロリアクタユニットからは、完全に化学反応の進んだ反応液が取り出される。
図3は複数のマイクロリアクタユニット10を含むマイクロリアクタクラスタ300の例を示す。本例のマイクロリアクタクラスタ300は、複数のマイクロリアクタユニット10とそれを支持する枠部材を有する。枠部材は、2本の固定枠301、302と取っ手303を有する。マイクロリアクタユニット10の基板15の両端を、2つの固定枠301、302に固定することにより、マイクロリアクタユニット10は2つの固定枠301、302の間に支持される。固定枠301、302には、配管を通すための孔304が形成されている。取っ手303の両端には、突出部303A、303Bが設けられている。即ち、取っ手303は、2本の固定枠301、302より僅かに外側に突出している。取っ手303を持つことによって、マイクロリアクタクラスタ300を持ち上げることができる。
図4は、複数のマイクロリアクタクラスタ300を恒温槽401内に配置する方法を示す。恒温槽の開口部の両側に、支持架402が設けられている。マイクロリアクタクラスタ300の取っ手303の突出部303A、303Bを、支持架402上に配置することによって、マイクロリアクタクラスタは保持される。支持架402には、複数の凹部403が形成されている。マイクロリアクタクラスタ300の取っ手の突出部を、凹部403に係合させることによって、マイクロリアクタクラスタ300は所定に位置に固定され、恒温槽401内に吊り下げることができる。
次に、図5を参照して、本発明のマイクロリアクタユニットを複数配置したプラントシステムについて説明する。本例のプラントシステムは、並列に配置された複数のマイクロリアクタユニット10を有する。各マイクロリアクタユニット10は、原料Aを所定の温度に保持しながら供給するための第1の原料供給部11、原料Bを所定の温度に保持しながら供給するための第2の原料供給部12、原料Aと原料Bを所定の温度にて反応させる反応容器14、及び、反応液を所定の温度に保持しながら排出する反応液排出部13を有する。破線で示す部分50はマイクロリアクタクラスタを構成しており、恒温槽内に配置される。
マイクロリアクタユニットの原料供給部11、12には原料供給用の配管21、22がそれぞれ接続され、反応液排出部13には反応液排出用の配管23が接続されている。
原料供給用の配管21、22には、それぞれ2方バルブ211、221及びニードルバルブ212、222が設けられている。原料供給用の配管21、22の先端は、それぞれマニホールド213、223に接続されている。反応液排出用の配管23には、ニードルバルブ233が設けられている。反応液排出用の配管23の先端は、マニホールド233に接続されている。
マニホールド213、223には、それぞれ原料供給配管214、224が接続され、マニホールド233には、反応液排出用配管234が接続されている。
原料供給配管214、224には、それぞれ送液ポンプ215、225と圧力センサ216、226が設けられている。圧力センサ216、226は、送液ポンプ215、225の下流側に設けられている。原料供給配管214、224の先端は、それぞれ原料Aのタンク217及び原料Bのタンク227に接続されている。反応液排出用配管234には、圧力センサ236が設けられている。反応液排出用配管234の先端は、反応液タンク231に接続されている。
送液ポンプ215、225を駆動することによって、タンク217、227から、それぞれ原料A、原料Bが、マニホールド213、223に送液される。原料A、原料Bは、マニホールド213、223の各分岐口から送出され、それぞれ2方バルブ211、221及びニードルバルブ212、222を経由してマイクロリアクタユニットの原料供給部11、12へ送液される。原料Aと原料Bは、反応容器14にて混合し、反応する。反応液は、反応液排出部13から排出され、ニードルバルブ232を経由してマニホールド233に送られ、1本の反応液排出用配管234にて合流し反応液タンク237に貯蔵される。
原料供給配管214、224の圧力センサ216、226によって計測した供給圧と、反応液排出用配管234の圧力センサ236によって計測した排出圧の差が、各マイクロリアクタユニット10における原料A、Bの圧力損失となる。この圧力損失が、時間が経過によって変化することがないように、原料供給配管214、224を流れる原料の流量を調節する。
また、この圧力損失は、全てのマイクロリアクタユニットにおいて同一でなければならない。全てのマイクロリアクタユニットにおいて、原料供給部11、12の配管の巻き数を同一にし、排出部13の配管の巻き数を同一にし、マニホールド213、223とマニホールド2332の間の配管の長さを同一にすることにより、圧力損失が同一となる。それにより全てのマイクロリアクタには同量の原料が送液され、同条件で化学反応合成を行うことができる。
また、特定のマイクロリアクタユニットの圧力損失が他のマイクロリアクタユニットの圧力損失と異なる場合には、そのマイクロリアクタユニット以外の配管の2方バルブ211、221を閉じ、そのマイクロリアクタユニットの圧力損失をニードルバルブ212、222を用いて調整する。このような作業を行うことによって、全てのマイクロリアクタユニットの圧力損失を同一にすることができる。
また、本例のプラントシステムの生産量を調整する場合には、並列に配置されたマイクロリアクタユニットの個数を増減すればよい。また、このようなマイクロリアクタクラスタを複数個接続してもよい。更に、所定のマイクロリアクタユニットの2方バルブ211、222を閉じることによってそのマイクロリアクタユニットを停止させてもよい。
以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
本発明のマイクロリアクタユニットの構造を示す図である。 本発明のマイクロリアクタユニットの分解図である。 本発明のマイクロリアクタクラスタの例を示す図である。 本発明のマイクロリアクタクラスタを複個恒温槽に設置方法を示す図である。 本発明のマイクロリアクタを用いたプラントシステムを示す図である。
符号の説明
10…マイクロリアクタユニット、11、12…原料供給部、13…反応液排出部、14…反応容器、14A…孔、15…基板、21、22、23…配管、111…円筒部材、111A…配管取出口、111B…配管引込口、112、113…支持部材、121…円筒部材、121A…配管取出口、121B…配管引込口、122、123…支持部材、131…円筒部材、131A…配管取出口、131B…配管引込口、132、133…支持部材、140…本体、141、142…注入口、143…排出口、144…ホルダ、211…2方バルブ、212…ニードルバルブ、213…マニホールド、214…原料供給配管、215…送液ポンプ、216…圧力センサ、217…タンク、221…2方バルブ、222…ニードルバルブ、223…マニホールド、224…原料供給配管、225…送液ポンプ、226…圧力センサ、227…タンク、232…ニードルバルブ、233…マニホールド、234…反応液排出用配管、236…圧力センサ、237…反応液タンク

Claims (3)

  1. 基板と、
    前記基板上の長手方向に沿って配され、第1の配管が螺旋状に巻かれる円筒部材を備えた第1の原料供給部と、
    前記基板上の長手方向に沿って配され、第2の配管が螺旋状に巻かれる円筒部材を備えた第2の原料供給部と、を相互に平行に配置し、
    前記基板上の長手方向中央部に、内部にマイクロリアクタチップが設けられた反応容器を配置し、
    前記基板上の長手方向に沿って、前記第1及び第2の配管とは反対側に、第3の配管が螺旋状に巻かれる円筒部材を備えた反応液排出部を配置し、
    前記第1及び第2の原料供給部、前記反応容器及び前記反応液排出部を、前記基板の同一面上に連設してなるマイクロリアクタユニットと、
    複数の前記マイクロリアクタユニットが枠部材に積層されて一体に支持されたマイクロリアクタクラスタを有し、
    複数の前記マイクロリアクタクラスタが、恒温槽内に複数並べて保持されることを特徴とするマイクロリアクタシステム
  2. 請求項1記載のマイクロリアクタシステムにおいて、前記第1の配管、前記第2の配管及び前記第3の配管の少なくとも1つの長さを調節することができるように構成されていることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
  3. 請求項1記載のマイクロリアクタシステムにおいて、前記第1の配管、前記第2の配管及び前記第3の配管の少なくとも1つの巻き数を調節することができるように構成されていることを特徴とするマイクロリアクタシステム。
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