JPWO2020017246A1

JPWO2020017246A1 - 光反応装置及び方法

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Publication number: JPWO2020017246A1
Application number: JP2020531198A
Authority: JP
Inventors: 強荒井; 雅彦則常
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2039-06-24
Also published as: JP7075490B2; WO2020017246A1

Abstract

装置の大型化を抑えながらも処理量が向上する光反応装置及び方法を提供する。光反応装置は、反応部（４７）と、光源ユニット（１３）と、冷却器（２４）とを備え、光反応性化合物を含有する反応対象液を流しながら、反応対象液に光を照射することにより、光反応させる。反応部（４７）の内部には、第１板状部材（４１）と第２板状部材（４２、６２）とにより扁平流路（Ｐ１）が形成されている。光源ユニット（１３）は面状に配された複数の光源を有し、第１板状部材（４１）の第２板状部材（４２、６２）側とは反対側に配される。冷却器（２４）は、反応部（４７）の温度を光源ユニット（１３）側から調節する。

Description

本発明は、光反応装置及び方法に関する。

光の照射により光反応させる光反応装置として、光反応を連続的に行う装置が知られている。この装置は、光反応性化合物を含有する反応対象液を流しながら、流れている反応対象液に光を照射することにより、光反応を行う。

例えば、特許文献１にはマイクロ反応器と、非原料ガスを供給するガス供給部と、液体原料を供給する液体原料供給部とを備え、光分解反応を行う装置が記載されている。マイクロ反応器は、内面に光触媒層が設けられ、液体原料が流れるマイクロ流路を備える。マイクロ流路は、光透過性材料により構成され、断面が矩形、円形、楕円、または多角形などである。マイクロ流路は、流路径が１０〜２０００μｍであり、断面が矩形の場合の長辺の長さ／短辺の長さ、及び断面が円の場合の長直径／短直径は、１〜２０程度とされている。

特許文献２の光反応装置は、ポーラスシリコンの層がマイクロ流路の内面に設けられた反応部と、マイクロ流路に原料液体を送り込む送り込み手段と、ポーラスシリコン層に光を照射する光照射手段とを備える。マイクロ流路は数１０〜数１０００μｍ程度の微細な径の流路とされており、幅５０μｍ〜１０００μｍ、深さ１０μｍ〜１０００μｍが好ましいと記載されている。

また、特許文献３には、チューブが螺旋状に巻き付けられている透明で円筒状の内部容器と、円筒容器に接触しないように配される光源と、内部容器と光源との間に配される冷却管とを備える光反応装置が記載されている。

特開２００９−２３３６０６号公報特開２０１１−１６１４１６号公報特開２００９−２１９９４７号公報

特許文献１〜３のいずれの装置においても処理量を増加させる場合には、光反応に必要な照射時間を確保しながら反応対象液の流量を大きくするために、光源を大きくし、かつ、マイクロ流路またはチューブを長くするといった装置の大型化が必要になる。しかし、この手法は圧力損失が大きくなってしまうため、処理量の向上には限界がある。

そこで、本発明は、装置の大型化を抑えながらも処理量が向上する光反応装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、反応部と、光源ユニットと、光源側温調機構とを備え、光反応性化合物を含有する反応対象液を流しながら、反応対象液に光を照射することにより、光反応させる。反応部は、光を透過する第１板状部材と、第１板状部材と隙間をもって対面した第２板状部材とを有する。反応部は、第１板状部材と第２板状部材とにより１組の対向した面が画定された扁平流路が内部に形成されている。光源ユニットは、第１板状部材の第２板状部材側とは反対側に配されており、光を射出する複数の光源が面状に配されている。光源側温調機構は、反応部の温度を光源ユニット側から調節する。

光源側温調機構は、第３板状部材と、光源側供給部とを有することが好ましい。第３板状部材は、第１板状部材の光源ユニット側に、第１板状部材と隙間をもって対面した状態で配され、かつ、光を透過する。光源側供給部は、第３板状部材と第１板状部材との間に伝熱媒体を供給する。

第２板状部材は、光を反射することが好ましい。

第１板状部材と第２板状部材とは、起立した姿勢で配されることが好ましい。

扁平流路は、反応部の下部に反応対象液の供給口として開口し、かつ、反応部の上部に排出口として開口していることが好ましい。

扁平流路の反応対象液の流れ方向に直交する断面において、長手方向の長さをＷＰとし、短手方向の長さをＴＰとするときに、ＷＰ／ＴＰで求める比が少なくとも３であることが好ましい。

反応部の温度を光源ユニット側とは反対側から調節する背面側温調機構を備えることが好ましい。

背面側温調機構は、第４板状部材と、背面側供給部とを有することが好ましい。第４板状部材は、第２板状部材の第１板状部材とは反対側に、第２板状部材と隙間をもって対面した状態で配される。背面側供給部は、第２板状部材と第４板状部材との間に伝熱媒体を供給する。

本発明の光反応方法は、光反応性化合物を含有する反応対象液を流しながら、反応対象液に光を照射することにより、光反応させる。光反応方法は、反応部の内部に備えられる扁平流路に反応対象液を供給し、扁平流路内を流れている反応対象液に光を照射し、光源ユニット側か記反応部の温度を調節する。扁平流路は、光を透過する第１板状部材と、第１板状部材と隙間をもって対面した第２板状部材とにより１組の対向した面が画定されている。光は、第１板状部材の第２板状部材側とは反対側に配され、光を射出する複数の光源が面状に配された光源ユニットにより、反応対象液に照射される。

本発明によれば、装置の大型化を抑えながらも処理量が向上する。

光反応装置の概略斜視図である。光源の平面図である。光反応装置の一部断面図であり、（Ａ）は反応対象液の流れ方向に直交する断面図であり、（Ｂ）は反応対象液の流れ方向に沿った断面図である。扁平流路の説明図である。比ＷＰ／ＴＰと収率との関係を示すグラフである。光反応装置の説明図である。別の光反応装置の説明図である。別の光反応装置の説明図である。光反応の例の説明図である。

図１において、本発明の一実施形態である光反応装置１０は、光反応性化合物を含有する反応対象液１１（図３参照）を流しながら、反応対象液１１に光を照射することにより、光反応を連続的に行う。光反応装置１０は、光源ユニット１３と、反応ユニット１４とを備える。

光源ユニット１３は、反応対象液１１に光を照射するためのものである。光源ユニット１３は、板状に形成されており、一方の表面１３ａが光を射出する射出面となっている。以下、射出面に符号１３ａを付す。光源ユニット１３は、射出面１３ａが、反応対象液１１を流す方向（以下、流れ方向と称する）Ｘと平行となる状態に配する。この例では、流れ方向Ｘを鉛直方向上向きとしているので、射出面１３ａが鉛直方向となる状態に光源ユニット１３を垂直に起立した姿勢（垂直姿勢）で設けてある。光源ユニット１３の詳細は、別の図面を参照して後述する。なお、流れ方向Ｘに直交する方向を幅方向Ｙとし、流れ方向Ｘと幅方向Ｙとの両方に直交する方向を厚み方向Ｚとする。

反応ユニット１４は、ユニット本体２１と、送液部２２と、回収部２３と、冷却器２４とを備える。ユニット本体２１は概ね直方体状に形成されているが、形状はこの例に限定されない。ユニット本体２１のハウジング２７には、光源ユニット１３からの光を内部へ案内するための開口２７ａが形成されている。ユニット本体２１は、開口２７ａが光源ユニット１３と対向する状態に、配される。なお、開口２７ａは矩形としているが、開口の形状はこの例に限られない。

ユニット本体２１の内部には、反応対象液１１と水２８（図３参照）との各流路が形成されている。送液部２２と回収部２３とはユニット本体２１に接続しており、送液部２２は反応対象液１１をユニット本体２１へ供給し、回収部２３は光反応を経た反応対象液１１をユニット本体２１から回収する。この例では、反応対象液１１の流れ方向Ｘを前述のように鉛直方向上向きとしているから、送液部２２はユニット本体２１の下部、具体的にはハウジング２７の底面に形成された供給口Ｓ１に、回収部２３はユニット本体２１の上部、具体的にはハウジング２７の天面に形成された排出口Ｄ１（図３（Ｂ）参照）に、接続させている。

冷却器２４は、配管Ｌ１〜配管Ｌ６によりユニット本体２１と接続している。冷却器２４は、水２８をユニット本体２１へ供給し、ユニット本体２１を経た水２８を回収し、冷却した後に再びユニット本体２１へ供給する。このように、冷却器２４は、水２８をユニット本体２１へ供給する供給部と、ユニット本体２１から回収する回収部と、冷却する冷却部との機能を併せもつ。これにより、水２８は冷却器２４とユニット本体２１とを循環し、この循環によりユニット本体２１内における反応対象液１１は温度を調節されるから、光が照射され続けてもユニット本体２１の温度が上昇せず、光反応がより進みやすい。なお、反応ユニット１４の詳細については、別の図面を用いて後述する。

冷却器２４に接続している配管Ｌ１は、分岐部ＰＳ１において配管Ｌ２と配管Ｌ３とに分岐している。配管Ｌ２はユニット本体２１の光源ユニット１３側に、配管Ｌ３はユニット本体２１の光源ユニット１３側とは反対側（以下、背面側と称する）に接続している。配管Ｌ２及び配管Ｌ３の接続位置は、光源ユニット１３の下部であることが好ましく、本例でもそのようにしている。ハウジング２７の下部に形成されている供給口Ｓ２と供給口Ｓ３（図３参照）とは、配管Ｌ５と配管Ｌ６との接続部である。

また、冷却器２４に接続している配管Ｌ４は、分岐部ＰＳ２において配管Ｌ５と配管Ｌ６とに分岐している。配管Ｌ５はユニット本体２１の光源ユニット１３側に、配管Ｌ６はユニット本体２１の背面側に接続している。配管Ｌ５及び配管Ｌ６の接続位置は、光源ユニット１３の上部であることが好ましく、本例でもそのようにしている。ハウジング２７の上部に形成されている排出口Ｄ２と供給口Ｄ３（図３参照）とは、配管Ｌ４と配管Ｌ５との接続部である。

図２に示すように、光源ユニット１３は、複数の光源１７と、これら光源１７を支持する支持板１８とを有する。支持板１８の一面に複数の光源１７が面状に配されることにより、面状の射出面１３ａが形成されており、本例の射出面１３ａは平面状である。なお、この例では、各光源１７が支持板１８に埋め込まれ、各光源１７と支持板１８とが面一となっている。しかし、光源１７の支持板１８への設置態様は、射出面１３ａを面状に形成していればこの例に限られず、例えば、各光源１７は支持板１８の表面から突出した状態に設けられていてもよい。

光源１７は、この例ではＬＥＤ（Light Emitting Diode，発光ダイオード）であり、複数の光源１７は図２に示すように正方配列としている。しかし、光源は、ＬＥＤに限られず、光反応させる光反応性化合物に応じて適宜選択される。光源は、例えば、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプなどでもよい。複数の光源１７は、正方配列に限られず、例えばマトリックス配列などの他の規則的な配列でもよいし、不規則な配し方であってもよい。また、光源１７は、図２においては、列数（紙面横方向）を１６列、行数（紙面縦方向）を１５行として描いてあるが、光源１７の列数及び行数もこの例に限定されない。光源ユニット１３は、各光源１７のオンとオフ及びオンの場合の出力調節を行うコントローラ（図示無し）を備えており、反応対象液１１に対する照度を調節する。

幅方向Ｙにおける射出面１３ａの光が射出される領域の長さ（以下、射出幅と称する）ＷＥは、特に限定されない。しかし、反応ユニット１４における受光領域をより大きく確保する観点では、幅方向Ｙにおける開口２７ａの長さ（以下、開口幅と称する）Ｗ２７ａ（図１参照）と同じまたは開口幅Ｗ２７ａよりも大きいことが好ましく、この例では開口幅Ｗ２７ａよりも大きくしている。なお、本例では、幅方向Ｙに並んだ複数の光源１７の一端のひとつから他端のひとつまでの長さを射出幅ＷＥとしている。

図３に示すように、反応ユニット１４は、反応対象液１１及び／または水２８の流路を形成するための板状の部材及びハウジング２７等が組み合わされて構成されている。具体的には、光源ユニット１３側から、第３板状部材４３、第１板状部材４１、第２板状部材４２、第４板状部材４４の順で配され、互いに隙間をもって対面しており、互いに平行な状態、かつ垂直姿勢でハウジング２７の内部に設けられている。なお、互いの対向面のなす角が０．０６°以内であれば平行と見なしてよい。第１板状部材４１〜第４板状部材４４は、反応対象液１１及び／または水２８の流路を形成するためのものであり、そのため、反応対象液１１及び／または水２８が漏れ出さない状態に、ハウジング２７の内壁に固定されている。また、第１板状部材４１〜第４板状部材４４は、反応対象液１１及びまたは水２８の圧力によって破壊しない十分な強度としている。

第１板状部材４１と第２板状部材４２とは、反応対象液１１を平面状（平膜状）に流すためのものであり、ハウジング２７とともに、反応対象液１１を反応させる反応部４７を構成する。隙間をもって互いに対面している第１板状部材４１と第２板状部材４２とは、ＸＹ平面におけるサイズが概ね同じに形成されており、幅方向Ｙにおける長さよりも互いの間隔が小さく、これにより、断面が扁平な扁平流路Ｐ１を反応対象液１１の流路として反応部４７の内部に形成している。したがって、扁平流路Ｐ１は幅方向Ｙにおける長さ（以下、流路幅と称する）ＷＰが厚み方向Ｚにおける長さ（以下、流路厚みと称する）ＴＰよりも大きい面状（平面状）の流路となっている。このように、第１板状部材４１と第２板状部材４２とは、扁平流路Ｐ１の１組の対向面を画定し、互いの対向面４１ａ，４２ａとハウジング２７の内壁面とが扁平流路Ｐ１の壁面となっている。

前述の供給口Ｓ１と排出口Ｄ１とは、図３（Ｂ）に示すように、第１板状部材４１と第２板状部材４２との間に形成されている。供給口Ｓ１と排出口Ｄ１とは幅方向Ｙに延びたスリット状に形成されており、これらの開口面積（ＹＺ平面での面積）及び形状は、扁平流路のＹＺ平面における断面の面積及び形状と同じにしてある。これにより、反応対象液１１の流れは幅方向Ｙに延びた形状に成形され、扁平流路Ｐ１に案内された後、扁平流路Ｐ１から排出される。なお、この例では、供給口Ｓ１により、反応対象液１１の幅方向Ｙに延びた形状に成形しているが、供給口Ｓ１よりも上流、すなわち送液部２２側で幅方向Ｙに延びた形状に成形してもよい。

第１板状部材４１と第２板状部材４２とハウジング２７とで囲まれる扁平流路Ｐ１には、例えば流れ方向Ｘに延びた部材など、扁平流路Ｐ１を仕切る仕切り部材は設けられていない（非設置）。つまり扁平流路Ｐ１はひとつの空間として形成されており、これにより、反応対象液１１は、流れを幅方向Ｙで分割されることなく反応部４７の内部を流れる。扁平流路Ｐ１の内部に仕切り部材がある場合に比べて、仕切り部材の体積分の容積が反応対象液１１の流れ領域として確保され、すなわち体積効率が高い。また、仕切り部材がある場合には、仕切り部材近傍における反応対象液１１の流速の減少があるが、扁平流路Ｐ１は仕切り部材が非設置であるから仕切り部材に起因する流速の減少が無い。このように、装置の大型化が抑えられながらも大きな処理量が確保される。

扁平流路Ｐ１よりも光源ユニット１３側に配される第１板状部材４１と第３板状部材４３とは、光源１７からの光を透過する素材から形成されている。

第１板状部材４１と第３板状部材４３との素材は、光源ユニット１３からの光を透過するものであれば特に限定されない。例えば、ガラス、アクリル樹脂、塩化ビニルなどが挙げられる。特に第１板状部材４１は、反応対象液に侵されない素材とし、本例では第１板状部材４１と第３板状部材４３とは、ともにガラスとしている。

光源ユニット１３からの光が扁平流路Ｐ１の幅方向Ｙにおいて全域かつ均一に照射されるために、扁平流路Ｐ１の流路幅ＷＰは開口幅Ｗ２７ａ以下であることが好ましく、本例では開口幅Ｗ２７ａと同じにしてある。

第２板状部材４２は、第１板状部材４１同様に反応対象液に侵されない素材で形成しており、さらに、光源ユニット１３からの光を反射する素材で形成されていることが好ましい。本例でもそのようにしており、具体的には、ハステロイ（登録商標）で形成している。なお、第２板状部材４２は、少なくとも対向面４２ａが光を反射すればよい。したがって、例えば第２板状部材４２を厚み方向Ｚにおいて複層の構造とし、対向面４２ａを成す層に光を反射する素材を用いてもよい。このような例として、例えば、対向面４２ａを成す素材に鏡面をもつアルミ箔などを用いる態様がある。なお、扁平流路Ｐ１を画定するハウジング２７の内面も同様に、光を反射する素材で形成することが好ましい。

第１板状部材４１の光源ユニット１３側に配された第３板状部材４３と、第２板状部材４２の背面側に配された第４板状部材４４とは、前述の冷却器２４（図１参照）とともに、反応部４７の温度を調節する温調機構４８（図１参照）を構成している。第３板状部材４３と冷却器２４とは、光源ユニット１３側から調節する光源側の温調機構（以下、光源側温調機構と称する）である。また、第４板状部材４４と冷却器２４とは、背面側から調節する背面側の温調機構（以下、背面側温調機構と称する）である。

このように、この例では、ひとつの冷却器２４が光源側温調機構と背面側温調機構とのいずれも構成しているが、光源側温調機構と背面側温調機構とを、それぞれ別個の冷却器で構成してもよい。そのため、冷却器の個数等に応じて、冷却器とユニット本体２１とを接続する配管の態様は適宜変更され、個々の冷却器により第３板状部材４３と第１板状部材４１との間及び第４板状部材４４と第２板状部材４２との間に水２８が供給される。なお、冷却器２４を加熱器（図示無し）に置き換えてもよく、冷却器２４と加熱器とは対象とする反応の必要温度によって使い分ければよい。

第３板状部材４３は、第１板状部材４１と隙間をもって対面した状態で配されることにより、互いの隙間に水２８の流路（以下、水流路と称する）Ｐ２を、扁平流路Ｐ１と同様に扁平に形成している。第４板状部材４４も同様に、第２板状部材４２と隙間をもって対面した状態で配されることにより、互いの隙間に水流路Ｐ３を扁平に形成している。第２板状部材４２と第４板状部材４４とハウジング２７との各下部には貫通孔が水２８の供給口Ｓ２，Ｓ３として、及び第２板状部材４２と第４板状部材４４とハウジング２７との各上部には貫通孔が水２８の排出口Ｄ２，Ｄ３としてそれぞれ形成されている。水流路Ｐ２は供給口Ｓ２と排出口Ｄ２と接続し、水流路Ｐ３は供給口Ｓ３と排出口Ｄ３とに接続する。水流路は、この例に限られず、例えばチューブ（図示無し）を第１板状部材４１の光源側表面に接した状態に配し、チューブ内を水流路としてもよい。

ハウジング２７は、背面側にも開口２７ａと同様の開口２７ｂが形成されている。しかし、この例では光の照射に背面側は寄与しないから、開口２７ｂは無くてもよいし、第４板状部材４４をハウジング２７と一体に形成していてもよい。

水流路Ｐ２と水流路Ｐ３との流路幅ＷＰ、流路厚みＴＰ、及び流路長ＬＰは特に限定されない。ただし、反応部４７内をより確実に温度調節する観点では、流路幅ＷＰ及び流路長ＬＰは、扁平流路Ｐ１の流路幅ＷＰ及び流路長ＬＰと同じまたはそれらよりも大きくすることが好ましい。本例では、水流路Ｐ２と水流路Ｐ３とは同容積に形成しており、これらは、流路幅ＷＰが扁平流路Ｐ１よりも大きく、流路長ＬＰが扁平流路と同じにしている。なお、図３においては、図の煩雑化を避けるため、流路幅ＷＰと流路厚みＴＰと流路長ＬＰとは、扁平流路Ｐ１についてのみ図示してある。

扁平流路Ｐ１の流路厚みＴＰは、０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。扁平流路Ｐ１の流路厚みＴＰは、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内であることがより好ましく、１ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲内であることがさらに好ましい。なお、本例では扁平流路Ｐ１の流路厚みＴＰを６ｍｍとしている。

扁平流路Ｐ１の流路長ＬＰを流路幅ＷＰで除した値、すなわちＬＰ／ＷＰで求める比は、大きくとも３００であることが好ましい。ＬＰ／ＷＰで求める比は大きくても１００以下であることがより好ましく、大きくても５０であることがさらに好ましい。なお、本例では３２としている。

水２８は、伝熱媒体の一例である。伝熱媒体の他の例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、シリコーンオイルなどが挙げられる。

第２板状部材４２の対向面４２ａとハウジング２７の扁平流路Ｐ１を画定する内壁面とが、光を反射しない場合、または反射率が低い場合には、扁平流路Ｐ１のうち、図４に示すように対向面４２ａ及びハウジング２７の内壁面に近いほど、光の照射量が小さい領域（以下、低照射領域と称する）ＡＬとなる。すなわち、幅方向Ｙの端部のうち、厚み方向Ｚにおいて射出面１３ａから遠い領域ほど、光の照射量が小さくなる。この低照射領域ＡＬの幅方向Ｙにおける長さ（以下、低照射領域幅と称する）ＷＬは、流路厚みＴＰを一定とした場合には、一定である。そのため、流路幅ＷＰが大きいほど、流路幅ＷＰに対する低照射領域幅ＷＬの割合ＷＬ／ＷＰは小さく、よって、扁平流路Ｐ１を流れる反応対象液１１により多くの照射量で光が照射されるから好ましい。なお、図４においては、便宜上、ユニット本体２１のうち第２板状部材４２とハウジング２７の一部のみを描いており、また、供給口Ｓ１と排出口Ｄ１との図示は略してある。

さらに、扁平流路Ｐ１の幅方向Ｙにおける各端部では、反応対象液１１はハウジング２７の内壁面の抵抗を受けた状態で流れる。そのため、幅方向Ｙにおける端部では、一方の端部と他方の端部との間の中央部よりも流速が小さくなる。したがって、扁平流路Ｐ１のうち、壁面の抵抗を受ける領域の割合を小さくするほど、処理量が大きくなり、また、流速が幅方向Ｙにおいて均一な領域の割合が大きいことになるから目的とする生成物の収率も高くなる。

そこで、上記の低照射領域幅ＷＬと、幅方向Ｙにおける端部の抵抗との影響をできるだけ小さくするために、ＷＰ／ＴＰで求める比は少なくとも３であることが好ましく、本例では１０．４としている。ＷＰ／ＴＰで求める比は、３以上１０００以下の範囲内であることがより好ましく、上記の各影響をより確実に抑える観点で、５以上７５０以下の範囲内であることがさらに好ましく、１０以上５００以下の範囲内であること特に好ましい。

上記構成の作用を説明する。送液部２２により供給される反応対象液１１は、ユニット本体２１の第１板状部材４１と第２板状部材４２との間を、この例では鉛直方向上向きを流れ方向Ｘとして流れる。扁平流路Ｐ１は、射出面１３ａと平行の面状の流路であるから、反応対象液１１の流れは射出面１３ａに対面した平面状（平膜状）となっている。そのため、チューブ内を流すなどのような従来の手法に比べて、装置の大型化を避けながらも、より大流量で反応対象液１１を流すことができるから、光反応させる反応対象液１１の処理量が多くなる。また、平面状の流れに対して光が面状に照射されるから、扁平流路Ｐ１を通過する間の反応対象液１１の全域において光反応が進み、その結果、光反応により得られる生成物の収率も向上する。

例えば、扁平流路Ｐ１と同体積中に、チューブを面状に敷き詰めた場合と比べて、扁平流路Ｐ１はチューブ自体が占める体積分大きな容積をもつから、その分、流量が多く確保される。さらに、長いチューブの内壁の抵抗を受けずに済むから、圧力損失も小さくなり、大きな流速が確保され、かつ、扁平流路Ｐ１内での反応対象液１１の流速はチューブ内での流速に比べて均一である。なお、扁平流路Ｐ１の流路幅ＷＰを６２．５ｍｍ、流路厚みＴＰを６ｍｍ、流れ方向Ｘにおける長さ（以下、流路長と称する）ＬＰを２０００ｍｍとした扁平流路Ｐ１での処理量と、これと同体積中に面状に敷き詰めたチューブ（内径が４ｍｍ、厚みが１ｍｍ）での処理量とを、光反応の反応率が概ね同じになる状態において比較したところ、前者は後者の約２．９倍であることが確認されている。

第１板状部材４１と第２板状部材４２とが起立した姿勢、具体的には垂直姿勢であり、さらには下部から反応対象液１１が供給されるから、扁平流路Ｐ１の空気が排出口Ｄ１から排除されやすい。例えば、反応対象液１１の供給を開始した場合には、扁平流路Ｐ１内にあった空気が反応対象液１１の液面の上昇に伴い抜けやすく、また、扁平流路Ｐ１内の反応対象液１１に気泡があっても気泡がぬけやすい。そのため、気泡の混在によって反応対象液の流れが乱れることも抑制される。

第３板状部材４３と第１板状部材４１とは光を透過するから、第１板状部材４１の第２板状部材４２側とは反対側に配された光源ユニット１３からの光は、開口２７ａにおいて露呈した第３板状部材４３と、さらには第１板状部材４１とを介して、扁平流路Ｐ１を通過中の反応対象液１１に照射される。互いに対向する射出面１３ａと反応対象液１１の流れとはともに面状に形成されているから、反応対象液１１の全体にわたり光が効果的に照射され、これにより光反応が確実に進む。

第２板状部材４２は光を反射するから、扁平流路Ｐ１内の反応対象液１１を透過した光が第２板状部材４２の対向面４２ａで反射し、再び反応対象液１１に照射される。その結果、光反応がより進みやすい。

冷却器２４で温度調節された水２８は供給口Ｓ２，Ｓ３から水流路Ｐ２，Ｐ３に案内され、平面状（平膜状）に流れた後に、排出口Ｄ２，Ｄ３から排出される。排出された水２８は、再び冷却器２４により温度を調節される。水流路Ｐ２は、扁平流路Ｐ１と同様に扁平な流路として形成されているから、水２８の流量がより大きく確保されるから、反応部４７がより効果的に冷却される。

第３板状部材４３と第４板状部材４４とが第１板状部材４１と第２板状部材４２と同様に垂直姿勢であるから、水流路Ｐ２、Ｐ３の空気が排出口Ｄ２，Ｄ３から排除されやすい。そのため、冷却効果がより確実に維持される。

比ＷＰ／ＴＰで求める比が３以上であるから、光反応がより効果的に進み、高い収率で目的とする生成物が得られる。なお、図５に示すように、比ＷＰ／ＴＰと収率との間には相関性がある。比ＷＰ／ＴＰが０に近い場合には、収率が極めて低く、比ＷＰ／ＴＰが大きくなるに従い収率は漸増し、やがて微増または一定になる。漸増する収率が一定になる比ＷＰ／ＴＰが３である。したがって、比ＷＰ／ＴＰは３以上であることが好ましいと言える。

扁平流路Ｐ１の流路厚みＴＰが１ｍｍ以上であるから、１ｍｍ未満である場合に比べて、流量が大きくても低い圧力損失で処理することができる。また、扁平流路Ｐ１の流路厚みＴＰが２０ｍｍ以下であることにより、２０ｍｍを超える場合に比べて、扁平流路Ｐ１の最深部（射出面１３ａからの距離が最も大きい箇所）まで十分な照度で光が照射される。また、扁平流路Ｐ１はＬＰ／ＷＰが３００以下であるから、３００を超える場合に比べて、流量が大きくても低い圧力損失で処理することができる。

上記の例は、第１板状部材４１及び第２板状部材４２を垂直姿勢で配した場合であるが、垂直姿勢に限られず、水平姿勢でもよい。ただし、前述の空気の排除効果を得る観点では、起立した状態である方が水平姿勢であるよりも好ましい。具体的には、図６に示すように、第１板状部材４１と水平ラインＨＬとのなす角θ（ただし、０°≦θ≦１８０°，単位は°である）は０°＜θ＜１８０°であることが好ましく、０°＜θ≦９０°であることがより好ましい。第２板状部材４２は第１板状部材４１と平行に配するから、第２板状部材４２の水平ラインＨＬとのなす角も上記なす角θと同じである。また、第３板状部材４３，第４板状部材４４，光源１７の射出面１３ａのそれぞれと水平ラインＨＬとのなす角も上記なす角θと同じである。なお、上記なす角θは、図６に示すように、第１板状部材４１の背面側表面と水平ラインＨＬとのなす角である。

上記の例では、光源ユニット１３からの光すなわち照射光を反射する第２板状部材４２を用いているが、光を透過する第２板状部材を用いてもよい。図７のユニット本体６１は、第２板状部材４２の代わりに、照射光を透過する第２板状部材６２を備える。なお、図７においては、前述の例と同じ部材等については同じ符号を付し、説明を略す。

本例の第２板状部材６２は、第１板状部材４１及び第３板状部材４３と同様にガラス製である。さらにユニット本体６１は、照射光を反射する反射板を第２板状部材６２の背面側に設けており、これにより扁平流路Ｐ１を流れる反応対象液１１に対する照射量を向上させている。なお、反射板の代わりに、例えば前述のアルミ箔などを用いてもよい。この場合には、第４板状部材４４は、反射板６３の背面側表面と隙間をもって設けるから、第２板状部材６２との間にも反射板６３を介して隙間を設けてあることになる。このようにして、第４板状部材４４は反射板６３を介して第２板状部材６２との間に水流路Ｐ３を形成する。

上記の各例は、扁平流路Ｐ１に対して一方向から光を照射する例であるが、光は複数の方向から照射してもよい。例えば、背面側からも光を照射する態様もある。図８に示す光反応装置７０は、ユニット本体２１の代わりにユニット本体７１を備え、かつ、２つの光源ユニット１３Ａ，１３Ｂを備える。光源ユニット１３Ａ，１３Ｂのそれぞれは、光源ユニット１３と同じであるので、説明は略す。以下の説明において、これら２つの光源ユニットを区別しない場合には光源ユニット１３と記載する。また、図８においては、前述の例と同じ部材等については同じ符号を付し、説明を略す。

ユニット本体７１は、ユニット本体２１における第２板状部材４２の代わりに前述の第２板状部材６２を備え、第４板状部材４４の代わりに第４板状部材７４を備える。この例では、ハウジング２７の開口２７ａに加えて開口２７ｂも光を扁平流路Ｐ１に案内するための開口として利用する。光源ユニット１３Ａと開口２７ａとが対向する状態に、かつ、光源ユニット１３Ｂと開口２７ｂとが対向する状態に、ユニット本体７１と光源ユニット１３Ａと光源ユニット１３Ｂとが配される。

本例の第４板状部材７４は、第１板状部材４１及び第３板状部材４３と同様にガラス製である。第４板状部材７４のこれ以外の構成は、第４板状部材４４と同様である。第４板状部材７４は、第２板状部材４２に隙間をもって対面する第４板状部材４４と同様に、第２板状部材６２に隙間をもって対面している。これにより、水流路Ｐ３が第２板状部材６２と第４板状部材７４とにより扁平に形成される。

光の照射量が上記の各例の２倍になるから、光反応の進み具合の観点では、この例の扁平流路Ｐ１の流路厚みＴＰは上記の各例の２倍である０．２ｍｍ以上４０ｍｍ以下の範囲内であってもよい。

上記の光反応装置は、各種の光反応に用いることができる。光反応の例としては、ハロゲン化、還元、環化、クロスカップリング、トリフルオロメチル化などがある。

ハロゲン化としては、例えば図９に示す光反応が一例として挙げられる。この反応では、まず、光反応化合物としてのｏ−トルニトリルを試薬としてのＮ−ブロモスクシンイミド（ＮＢＳ）と共に、溶媒としてのアセトニトリルに溶解することにより反応対象液１１とする。この反応対象液１１を、２０℃に温度を調節しながら波長が３６５ｎｍの光をＬＥＤにより照射する。光反応装置１０を用いることにより反応生成物としてのα−ブロモ−ｏ−トルニトリルが８１％の収率で得られる。

１０光反応装置
１１反応対象液
１３光源ユニット
１３ａ射出面
１４反応ユニット
１７光源
１８支持板
２１，６１，７１ユニット本体
２２送液部
２３回収部
２４冷却器
２７ハウジング
２７ａ開口
２８水
４１第１板状部材
４２，６２第２板状部材
４３第３板状部材
４４，７４第４板状部材
４７反応部
４８温調機構
６３反射板
ＡＬ低照射領域
Ｄ１〜Ｄ３排出口
ＬＰ流路長
Ｐ１扁平流路
Ｐ２，Ｐ３水流路
Ｓ１〜Ｓ３供給口
ＴＰ流路厚み
Ｗ２７ａ開口幅
ＷＥ射出幅
ＷＰ流路幅
Ｘ流れ方向
Ｙ幅方向
Ｚ厚み方向

Claims

光反応性化合物を含有する反応対象液を流しながら、前記反応対象液に光を照射することにより、光反応させる光反応装置において、
前記光を透過する第１板状部材と、前記第１板状部材と隙間をもって対面した第２板状部材とを有し、前記第１板状部材と前記第２板状部材とにより１組の対向した面が画定された扁平流路が内部に形成されている反応部と、
前記第１板状部材の前記第２板状部材側とは反対側に配され、前記光を射出する複数の光源が面状に配された光源ユニットと、
前記反応部の温度を光源ユニット側から調節する光源側温調機構と
を備える光反応装置。
前記光源側温調機構は、
前記第１板状部材の前記光源ユニット側に、前記第１板状部材と隙間をもって対面した状態で配され、かつ、前記光を透過する第３板状部材と、
前記第３板状部材と前記第１板状部材との間に伝熱媒体を供給する光源側供給部と、
を有する請求項１に記載の光反応装置。
前記第２板状部材は、前記光を反射する請求項１または２に記載の光反応装置。
前記第１板状部材と前記第２板状部材とは、起立した姿勢で配される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光反応装置。
前記扁平流路は、前記反応部の下部に前記反応対象液の供給口として開口し、かつ、前記反応部の上部に排出口として開口している請求項４に記載の光反応装置。
前記扁平流路の前記反応対象液の流れ方向に直交する断面において、長手方向の長さをＷＰとし、短手方向の長さをＴＰとするときに、ＷＰ／ＴＰで求める比が少なくとも３である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光反応装置。
前記反応部の温度を前記光源ユニット側とは反対側から調節する背面側温調機構を備える請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光反応装置。
前記背面側温調機構は、
前記第２板状部材の前記第１板状部材とは反対側に、前記第２板状部材と隙間をもって対面した状態で配される第４板状部材と、
前記第２板状部材と前記第４板状部材との間に伝熱媒体を供給する背面側供給部と、
を有する請求項７に記載の光反応装置。
光反応性化合物を含有する反応対象液を流しながら、前記反応対象液に光を照射することにより、光反応させる光反応方法において、
前記光を透過する第１板状部材と、前記第１板状部材と隙間をもって対面した第２板状部材とにより１組の対向した面が画定された扁平流路を内部に備える反応部の前記扁平流路に、前記反応対象液を供給し、
前記扁平流路内を流れている前記反応対象液に対し、前記第１板状部材の前記第２板状部材側とは反対側に配され、前記光を射出する複数の光源が面状に配された光源ユニットにより前記光を照射し、
前記光源ユニット側から前記反応部の温度を調節する光反応方法。