採用微型反應器的反應方法
2023-04-28 18:14:46
專利名稱：採用微型反應器的反應方法
技術領域：
本發明涉及利用微型反應器的反應方法，特別是，涉及在化學工業和醫藥工業領域內，採用利用液體反應製造材料或製品的裝置的反應方法，更詳細地說，涉及採用令多種流體通過各個流體供應通路，並匯流到一個反應流路內，一面使這些流體作為薄片狀的層流流動，一面通過流體彼此向其接觸界面的法線方向擴散進行反應的微型反應器的反應方法。
背景技術：
近年來，在化學工業或者有關醫藥、試劑等的製造的醫藥工業中，正在進行利用稱之為微型混合器或者微型反應器的微小容器的新製造工藝的開發。在微型混合器或微型反應器上，設置與多個微細的流體供應通路連接的、在將其截面換算成圓形時的等價直徑(相當於圓的直徑)為幾個μm～幾百μm左右的微小空間(反應流路)，通過令流過多個流體供應通路的多種流體在微小空間內匯流，將多種流體混合，或者在混合的同時使之發生化學反應。微型混合器和微型反應器，其基本結構是相同的，但是，特別是，將混合多種流體的裝置稱之為微型混合器，而在將多種流體混合時伴隨著化學反應的裝置稱之為微型反應器。從而，本發明的微型反應器，也包括微型混合器。
作為這種微型反應器，例如，在PCT國際公開公報WO00/62913號，特表2003-502144號公報，特開2002-282682號公報中進行過描述。這些微型器件都是令兩種流體分別通過微細的流體供應通路，作為極薄的片狀層流導入到微小空間內，在該微小空間內使兩種流體彼此混合併使之發生反應。
下面，說明利用上述這種微型反應器進行的反應與利用攪拌槽等的間歇式的混合或反應的不同之處。即，由於化學反應，一般地是通過在反應流體的界面上分子彼此相遇引起的，所以，當在微小的空間內進行反應時，相對地界面的面積增大，反應效率顯著增加。此外，分子擴散本身，其擴散時間與距離的平方成正比。這意味著，隨著微小空間的尺寸的縮小，即使反應流體不主動地混合，也會由於分子的擴散進行混合，容易引起反應。此外，在微小空間內，由於尺寸小，所以變成以層流為主的流動，流體彼此之間變成層流狀態，一面流動一面向流體流垂直的方向擴散，進行反應。
如果採用這種微型器件，例如，與作為反應的場所利用大容積的槽等的現有技術的間歇式方式相比，能夠高精度地控制流體彼此之間的及反應時間及反應溫度。此外，在間歇式的情況下，特別是，在反應時間快的流體彼此之間，在混合初期的反應接觸面上進行反應，進而，由於通過流體間的反應生成的初級生成物會在槽內進行繼續反應，所以，有生成不均勻的反應生成物的危險。與此相對，在微型反應器的情況下，由於流體幾乎不滯留在微小空間內，連續地流動，所以，由流體間的反應生成的初級生成物不會在微小空間內繼續進行反應。從而，可以提取出在現有技術中很難提取的純的初級生成物。
此外，在將利用實驗製造設備製造的少量的化學物質利用大規模的製造設備按比例放大，進行大量地製造時，在現有技術中，為了相對於實驗設備而言、獲得利用間歇式的大規模製造設備的再現性，需要花費大量的人力和時間。但是，通過採用根據製造量並列地增加採用微型反應器的製造生產線的數目，有可能大幅度地減少為了獲得這種再現性所花費的人力和時間。
其中，由於微型反應器以使流體彼此向其接觸界面的法線方向擴散的物質擴散作為反應的基礎，所以由作為微小空間的反應流路的開口寬度，即，與流體的流動垂直的距離，決定反應的特性。同時，按照其反應的特性，使流體在反應流路內流動(滯留)，以便在微型反應器的排出口處，流體彼此間的擴散及反應結束。在將根據這種基本原理設計的微型反應器應用到製造過程中時，由於根據流體的反應特性(擴散速度及反應速度)最合適地設定反應流路的開口寬度，所以，在用同一個微型反應器使反應特性不同的流體反應時，不能進行最合適的反應。即使可以進行稍微的調整，能夠調整的反應的變更及條件的變更，或者生成物的特性的變更的範圍，也是非常有限的。從而，或者將製造生產線作為專用生產線，或者需要按照反應特性及反應條件，或者生成物的特性，進行將微型反應器更換成合適的裝置的等作業，存在著設備成本高以及為了進行更換造成時間損失等缺點。
此外，在反應流路中進行伴隨著凝聚和析出的反應時，會出現由這種反應生成的凝聚物或析出物附著堆積在反應流路的壁面上，堵塞反應流路的問題。為了防止這種問題，有時採用進行表面處理、使得凝聚物及析出物難以附著在反應流路的壁面上的方法，例如，採用塗布塗敷劑的方法，但是，由於塗敷劑的防止附著的效果因凝聚物及析出物的種類而異，所以，必須根據所處理的流體改變塗敷劑，不能從根本上解決問題。從而，在利用現有技術的微型反應器的反應中，存在著頻繁地發生堵塞的故障的同時，為了消除堵塞故障，必須頻繁地進行拆洗的缺點。
發明內容
本發明鑑於上述情況，其目的是提供一種反應方法，所述方法採用能夠由相同的微型反應器適應多種反應或條件的變更，並且不存在由反應生成的凝聚物和析出物堵塞反應流路造成閉塞，能夠極大的減少故障及拆洗的微型反應器。
為了達到上述目的，本發明的第一個方面，在採用將與一個反應流路連通的多個流體供應通路製成同心軸的多重筒結構、通過令多個流體流過各個流體供應通路並匯流在前述反應流路內，一面使這些流體疊層成同心軸狀，作為與該同心軸垂直的截面為環狀的層流流動，流體彼此間一面向其接觸界面的法線方向擴散進行反應的微型反應器的反應方法中，其特徵在於，前述疊層的多個流體中，至少一個流體是與其它流體的反應無關的流體。
這裡，在本發明中，在提到「反應」時，也包括伴隨著混合的反應。作為反應的種類，包括以無機物質或有機物質為對象的離子反應，氧化還原反應，熱反應，催化反應，自由基的反應，聚合反應等各種各樣的反應形式。此外，所謂流體，包括液體，氣體，在液體中分散金屬微粒子等的固體液體混合物，在氣體中分散金屬微粒子等的固體氣體混合物，在液體中不溶解氣體而是分散氣體的氣體液體混合物等。所謂多個流體，不僅包括流體的種類不同或者化學組成不同時情況，也包括例如溫度，固體液體的比例等的狀態不同的情況。此外，所謂多重筒結構，並不局限於多重圓筒結構，也包括多重多角形筒結構。
根據本發明的第一個方面，由於使用在疊層的多個流體中，至少一個流體與氣體的流體的反應無關的流體，所以，通過對流體彼此間的疊層方式進行各種各樣的重新組合，或者增減與反應無關的流體的量，改變與反應有關的流體的厚度，可以用相同的微型反應器適應於多種反應或條件的變更。此外，由於將多個流體供應通路製成同心軸的多重筒結構，使多個流體在反應流路中作為環狀的層流流動，所以，由反應生成的凝聚物或析出物難以附著堆積在反應流路的壁面上，可以使反應流路部發生堵塞。此外，通過將各個流體供應通路形成多重筒結構，如果不改變各個流體的開口寬度而加大多重筒結構的直徑的話，可以相應地增大作為流體供應通路的截面形狀的圓形。從而，由於流體供應通路的容積增大，所以，在保持適合於所處理的流體反應特性的各個流體供應通路的開口寬度的同時，可以簡單地增加處理量。
本發明的第二個方面，在第一個方面中，其特徵在於，前述反應流路的開口寬度在1μm以上，1000μm以下。這具體地表示作為微型空間的反應流路的開口寬度尺寸的優選範圍。
本發明的第三個方面，在第一或第二個方面中，其特徵在於，用三種以上的流體構成前述疊層的層流，同時，在這些流體中，用與反應有關的流體彼此形成的層流之間，夾持有與前述反應無關的流體層流。
根據第三個方面，由於在將相對於和反應無關的流體的層，從與反應有關的兩側的流體層擴散的各個溶質用與反應無關的流體的層適度稀釋的狀態下進行反應，所以，可以防止在高濃度條件下溶質彼此之間發生反應時產生的凝聚，並且可以提高由反應生成的反應生成物的均勻性。
本發明的第四個方面，在第一～第三個方面的任何一個中，其特徵在於，在用三種以上的流體構成前述疊層的層流的同時，在這些流體中，作為與前述反應流路的壁面接觸的層流的流體，使用與前述反應無關的流體。
根據第四個方面，為了使與反應有關的流體或由反應生成的反應生成物不與反應流路的壁面接觸，作為與反應流路的壁面接觸的層流的流體，使用與反應無關的流體。藉此，由於在流體的流速慢的反應流路的壁面附近，不容易引起反應，由反應生成的凝聚物或析出物難以附著堆積，所以，可以抑制反應流路的堵塞。
本發明的第五個方面，在第一～第四個方面的任何一個中，其特徵在於，通過增減前述與反應無關的流體的流量，可以改變前述與反應有關的流體的厚度。
本發明的第五個方面，在第一～第四個方面的任何一個中，其特徵在於，在用三種以上流體構成前述疊層的層流的同時，這些流體中與反應有關的流體形成規則的環狀的層流。例如，如果將與反應有關的流體A和流體B作為具有規則性的年輪狀的層交替地排列的話，由於藉助從外側和內側兩側的擴散進行反應，所以，可以促進反應。此外，如果將與反應有關的流體A和流體B作為具有規則性的年輪狀的層交替地排列的話，由於可以將每一層的流體的厚度減薄，從而可以促進反應。
本發明的第六個方面，在第一～第五個方面的任何一個中，其特徵在於，通過增減前述與反應無關的流體的流量，可以改變前述與反應有關的流體的厚度。
根據第六個方面，由於通過增減前述與反應無關的流體的流量，可以改變前述與反應有關的流體的厚度，所以，可以根據所處理的流體的反應特性改變與反應有關的流體的厚度。從而，可以使相同的微型反應器適用於多種反應或條件的變更。
本發明的第七個方面，在第一～第六個方面的任何一個中，其特徵在於，與前述反應無關的流體是前述與反應有關的流體的溶媒成分。
作為與反應無關的流體，優選地是與反應有關的流體的溶媒，在作為流體使用氣體的情況下，優選地是溶媒氣體。
本發明的第八個方面，在第一～第七個方面的任何一個中，其特徵在於，在用三種以上的流體構成前述疊層的層流的同時，除利用這些流體中與反應有關的流體彼此形成的層之外，另外形成萃取分離其反應生成物用的萃取用流體的層，利用前述萃取用流體萃取分離由反應生成的所需的生成反應物。
根據第八個方面，由於形成萃取分離反應生成物用的萃取用流體層，所以，在與反應有關的流體彼此間進行反應，當產生某種程度的反應生成物時，與萃取用流體相遇，將反應生成物萃取分離出來。在這種情況下，由於各流體的層流沒有破壞，所以，如果在將反應生成物萃取分離後，只將萃取用流體的層分離取出的話，可以高效率地分離反應生成物。
本發明的第九個方面，在第一～第八個方面的任何一個中，其特徵在於，在形成為前述同心軸的多重筒結構的各個流體供應通路的每一個上，沿著前述多重筒結構的周向方向等間隔地配置多個流體供應口。藉此，由於能夠向流體供應通路上均勻地供應流體，所以，能夠可靠地形成在反應流路中匯流形成的疊層成同軸狀的截面為環狀的層流。
本發明的第十個方面，在第一～第九個方面的任何一個中，其特徵在於，控制在前述反應流路中流動的流體的反應溫度。藉此，可以調整反應速度。
如上面說明的，根據本發明的微型反應器，利用相同的微型反應器，可以適應於多種反應或條件的變更，並且不會由反應所生成的凝聚物或析出物堵塞反應流路，所以，可以極大地減少故障及拆洗。
圖1、是說明應用利用本發明的微型反應器的反應方法的微型反應器的總體結構的剖面圖；圖2、是說明微型反應器的變形例的局部放大圖；圖3、是說明利用本發明的微型反應器的反應方法的形式的反應流路的剖面圖；圖4、是說明利用本發明的微型反應器的反應方法的另外一種形式的圖示，是四個流體供應通路四種流體的反應流路的剖面圖；
圖5、是說明利用本發明的微型反應器的反應方法的另外一種形式的圖示，是在與反應有關的流體之間夾持與反應無關的流體的三個流體供應通路的三種流體的反應流路的剖面圖；圖6、是說明利用本發明的微型反應器的反應方法的另外一種形式的圖示，是作為與反應流路的內周壁面和外周壁面接觸的流體，配置與反應無關的流體的四個流體供應通路三種流體的反應流路的剖面圖；圖7、是說明利用本發明的微型反應器的反應方法的另外一種形式的圖示，是通過增加與反應無關的流體的流量減薄與反應有關的流體的厚度的三個流體供應通路三種流體的反應流路的剖面圖；圖8、是說明利用本發明的微型反應器的反應方法的另外一種形式的圖示，是將與反應有關的流體形成有規則的環狀的層流的六個流體供應通路三種流體的反應流路的剖面圖；圖9、是說明利用本發明的微型反應器的反應方法的另外一種形式的圖示，是除與反應有關的流體彼此間形成的層之外，還形成萃取分離其反應生成物用的萃取用流體的層的五個流體供應通路四種流體的反應流路的剖面圖；圖10、是採用本發明的微型反應器的反應方法的實施例的說明圖。
具體實施例方式
下面，根據附圖詳細說明採用根據本發明的微型反應器的反應方法的優選實施形式。
圖1是表示能夠應用本發明的微型反應器的反應方法的微型反應器的結構的一個例子的剖面圖，是作為流體使用三種流體L1、L2、L3時的情況。
如圖1所示，微型器件10，作為一個整體，形成大致的圓柱狀，包括構成裝置的外殼部的圓筒狀的圓管部22。這裡，圖中的直線S，表示裝置的軸心，將沿著該軸心方向作為裝置的軸向方向，進行下面的說明。在該圓管部22的前端面上開口流體L1、L2、L3混合或反應後的流體LM的排出口26，此外，在圓管部22的前端部上，以向排出口26的外周側伸出的方式，設置環狀的凸緣部28。該凸緣部28連接到向對混合反應流體LM進行後面的處理的另外的微型器件送液的配管等上。
圓管部22的基端面用圓盤狀的蓋板30閉塞，在該蓋板30的中心部穿透設置圓形的插入孔32。在圓管部22內，以從其基端部側向圓管部22內插入的方式，同軸地設置圓柱狀整流構件34，整流構件34的基端部嵌插支承在蓋板30的插入孔32內。
在圓管部22內，將沿軸向方向劃分圓管部22內的空間的圓筒狀的第一間隔壁構件43及第二間隔壁構件44設置成多重筒狀，各個間隔構件43、44的基端面固定在蓋板30上。這些間隔壁構件43、44，分別與圓管部22及整流構件34同軸地配置，將圓管部22與整流構件34之間的截面為圓環狀的空間以同軸地分割成三部分的方式進行劃分。這種分割的比例，根據流體L1、L2、L3的供應量之比決定。同時，在圓管部22的內周面與第一間隔壁構件43的外周面之間加裝多個(在本實施形式中為4個)間隔件58，同時，在第一間隔件43與第二間隔件44之間，加裝多個(在本實施形式中為4個)間隔件60。進而，在第二間隔件44的內周面與整流構件34的外周面之間，加裝多個(在本實施形式中為4個)間隔件62。這些多個間隔件58、60、62，分別形成矩形形狀，以其表面背面部平行於圓管部22內的流體L1、L2、L3的流動方向(箭頭F方向)的方式被支承。這些間隔件58、60、62，將兩個間隔壁構件43、44及整流構件34相對於圓管部22連接固定，設定流體供應通路50、52、54的徑向方向(與流體的流動方向垂直的方向)的開口寬度W1、W2、W3(參照圖2(A))。藉此，2個間隔壁構件43、44及整流構件34分別以足夠強度被連接到圓管部22上，防止由於流體L1、L2、L3的液壓或重力的影響從規定的位置偏移，以及變形，同時，可靠地將開口寬度W1、W2、W3維持在預先設定的尺寸。
這裡，將利用第一及第二間隔壁構件43、44劃分的截面為圓環狀的空間，從外側起，依次作為第一流體供應通路50，第二流體供應通路52及第三流體供應通路54。此外，在設於圓管部22的基端面上的蓋板30上，穿透設置與各個流體供應通路50、52、54連通的插入孔，在該插入孔內連接向所述第一～第三流體供應通路50、52、54供應流體L1、L2、L3的流體供應配管38、40、42。藉此，通過這些流體供應配管38、40、42，向第一～第三流體供應通路50、52、54上，從設置在微型器件10的上遊側的三個流體供應源(圖中未示出)供應處於被加壓狀態的流體L1、L2及L3。
此外，在圓管部22內，形成比間隔壁構件43、44更靠近前端側，比整流構件34的圓錐部37更靠近基端部側的與流體供應通路50、52、54連通的截面為圓環狀的空間，將該截面為圓環狀的空間作為從流體供應通路50、52、54分別供應的流體L1、L2及L3匯流進行反應的反應流路56。
如圖1(B)所示，在第一流體供應通路50及第二流體供應通路52及第三流體供應通路54的前端部上，分別形成向反應流路56內開口的第一流體供應口64及第二流體供應口66和第三流體供應口68。這些流體供應口64、66、68，以分別以軸心S為中心沿圓軌跡開口成截面圓環狀、相互成同心圓狀的方式配置。這裡，開口寬度W1、W2、W3，分別限定流體供應口64、66、68的開口面積，根據該流體供應口64、66、68的開口面積和流體L1、L2、L3的供應量，決定通過流體供應口64、66、68被導入到反應流路56內的流體L1、L2、L3的初始速度。這些開口寬度W1、W2、W3，例如，以使通過流體供應口64、66、68向反應流路56內供應的流體L1、L2、L3的流速相互相等的方式設定。
在圓管部22內比反應流路56更靠近前端側的空間，構成在反應流路56內、進行流體L1、L2、L3的反應的流體LM向排出口26流動的出液通路70。這裡，在反應流體LM通過流體L1、L2、L3的反應生成的情況下，有必要在反應流路56內的出口部完成流體L1、L2、L3的反應。從而，有必要將沿著反應流路56的流體L1、L2、L3的流動方向的路徑的長度PL(參照圖1(A))，設定成完成流體L1、L2、L3的反應的長度。此外，在微型器件10內，通常沒有間隙地填充流體L1、L2、L3及它們的反應流體LM，向排出口側26流動。
此外，如圖1(A)所示，在圓管部22的外周上，卷繞水或油等熱容量比較大的載熱體C2、C3流過的兩個套管72、74，套管72、74連接到圖中未示出的載熱體供應裝置上。從載熱體供應裝置，向套管72、74供應控制圓管部22內的流體L1、L2、L3的反應溫度的載熱體C2、C3，並使之在載熱體供應裝置內再次循環。供應給套管72、74的載熱體C2、C3的溫度T2、T3，優選地，根據反應溫度或流體L1、L2、L3的種類等適當設定，也可以改變溫度T2、T3。此外，整流構件34，其外輪廓部為薄壁狀，內部呈中空狀，從其基端側將直徑比整流構件34的內徑小的載熱體供應管76，插入到整流構件34內，載熱體供應管76由閉塞整流構件34的基端側的開口的閉塞板(圖中未示出)及多個間隔件78與整流構件34同軸地支承。載熱體供應管76的前端開口77，達到圓錐部37的根部附近，在其前端面上開設將載熱體C1供應到整流構件34內的供應口80。同時，還從該供應口80向載熱體供應管76，由載熱體供應裝置供應溫度為T1的載熱體C1，控制反應溫度。
作為用於微型器件10的接夜部的材料，可以使用鐵，鋁，不鏽鋼，鈦，各種合金等金屬材料，氟系樹脂及丙烯酸樹脂等樹脂材料，矽及玻璃等的玻璃材料。
在如上面所述構成的微型器件10中，在恰當的反應溫度的條件下，流過流體供應通路50、52、54的流體L1、L2、L3，在反應流路56中匯流，成為疊層成同心圓狀的截面為圓環狀的層流流動。同時，在反應流路56內流動的三個流體L1、L2、L3，在相互鄰接的層流間的接觸截面上，各個流體L1、L2、L3的分子相互擴散進行反應。藉此，流體L1、L2、L3可以在短時間內完成均勻的反應。在這種情況下，使混合反應流路56中的流體的厚度很薄、縮短擴散距離是很重要的，反應流路56的開口寬度Wa(參照圖1、圖2)有必要在1μm以上、1000μm以下。
圖2是微型反應器10的變形例，在圓管部22上形成錐形部22A，是將多個流體的匯流點附近24處的反應流路56的開口寬度縮徑將流體流縮流時的情況。在這種情況下，優選地，如圖2(A)所示，在第一及第二間隔壁構件43、44的前端部上，形成與圓管部22的錐形部22A的傾斜大致平行的傾斜的錐形部43A、44A。藉此，可以順滑地進行縮流。此外，當令縮流前的各流體供應通路50、52、54的開口寬度W1、W2、W3作為總和Wb(等於縮流前的流體L1、L2、L3的厚度的總和)，縮流後的反應流路56的開口寬度Wa(等於縮流後的流體L1、L2、L3的厚度的總和)時，令Wb/Wa＜1。在這種情況下，當像現有技術中那樣製作不縮流的微型器件時，由於流體供應通路50、52、54必須有多個(至少兩個)，所以，一個流體供應通路的開口寬度必須小於混合反應流路56的開口寬度Wa。但是，如本發明的變形例所示，通過縮流，可以加大一個流體供應通路的開口寬度，例如，可以大於混合反應流路56的開口寬度Wa。此外，如圖2(B)所示，由於流體供應通路50、52、54是多重圓筒結構，為了向流體供應通路50、52、54均勻地供應流體，優選地沿多重圓筒結構的周向方向等間隔地配置多個流體供應配管38、40、42的流體供應口。圖2(B)表示流體供應配管38、40、42的每一個分別以90°的間隔設置四個流體供應口。這樣配置多個流體供應口，對於不進行縮流的圖1所示的微型反應器10也是一樣的。
如圖2(A)所示，縮流時的錐形部22A的傾斜角度θ相對於軸心S在1°以上，不足90°，優選地，在1°以上，60°以下，特別優選地，在1°以上，30°以下。藉此，由於不將流體流急劇縮徑而是緩慢地縮流，所以，不會發生流體流從壁面上的剝離，渦流，滯流等。在這種情況下，更優選地，將錐形部22A的開始位置(縮流開始位置)和(縮流結束位置)結束位置製成弧形，將錐形部22A製成流線型。這樣，由於通過將錐形部22A製成流線型，可以順滑地將流體縮流，所以，可以進一步防止流體流從壁面上的剝離，渦流及滯流的發生。
其次，說明利用如上面所述構成的微型反應器10的本發明的反應方法。
用於本發明的反應方法的微型反應器10的結構，採用將與一個反應流路56連通的多個流體供應通路50、52、54製成同心軸的多重圓筒結構，通過令多個流體L1、L2、L3分別流過各個流體供應通路50、52、54在反應流路56中匯流，使這些流體疊層成同心軸狀，一面作為與該同心軸垂直的截面為圓環狀的層流流動，一面使流體彼此之間向其接觸界面的法線方向擴散進行反應的結構。同時，在本發明的反應方法中，在疊層的多個流體L1、L2、L3中，至少一個流體由與其它流體的反應無關的流體構成。
這樣，在流過疊層的反應流路56的多個流體L1、L2、L3中，通過對與反應有關的流體和與反應無關的流體的疊層方式進行各種各樣的重新組合，或者增減與反應無關的流體的流量，可以用相同的微型反應器10適應於各種反應或條件的變更。
圖3～圖9表示本發明的反應方法的各種形式，是反應流路56的徑向方向(與流體的流動垂直的方向)的剖面圖。
圖3是將與反應有關的流體及與反應無關的流體兩種流體L1、L2供應給兩個流體供應通路，使之疊層成兩層圓環狀在反應流路56內流動時的情況。
在兩種流體L1、L2中的一個流體作為與反應無關的流體時，是一種與反應有關的流體變成一個、但從外部向預先包含有催化劑等的促進反應的物質的一個流體上施加能量(光和熱等)使之進行反應時的反應方法。此外，由於在反應過程中會引起發熱或吸熱，為了對其進行控制或將其緩和，作為載熱體，可以和與反應無關的流體進行熱交換，此外，可以使用與反應無關的流體進行反應溫度的控制。在這種情況下，通過將與反應有關的流體和與反應無關的流體的疊層方式將各種重新組合，或者通過增減與反應無關的流體的流量，可以用相同的微型反應器適應於多種反應或條件的變更。例如，由於如果增減反應流路56的內周壁面側的流體L2的流量的話，可以改變外周壁面側的與反應有關的流體L1的層的厚度，所以，可以適應於多種反應和條件的變更。
圖4是將與反應有關的流體和與反應無關的流體共四種流L1、L2、L3、L4供應給四個流體供應通路，使之疊層成四層的環狀，流過反應流路56時的情況。在這種情況下，通過對與反應有關的流體和與反應無關的流體的疊層方式進行各種各樣的重新組合，或者增減與反應無關的流體的流量，用相同的微型反應器可以適應於多種反應或條件的變更，並且不會由反應生成的凝聚物和析出物造成反應流路56的堵塞。
圖5是將與反應有關的流體和與反應無關的流體共三種流L1、L2、L3供應給三個流體供應通路，使之疊層成三層的環狀，流過反應流路56時的情況，在與反應有關的流體L1、L3彼此形成的層流之間夾持著與反應無關的流體L2的層流。
如果這樣構成與反應有關的流體L1、L3和與反應無關的流體L2的疊層的方式的話，將與反應無關的流體L2作為實質上的反應實行層，可以將從兩側夾持該反應實行層的與反應有關的流體L1、L3，作為供應進行反應的溶質用的一對溶質供應層使用。即，可以在利用反應實行層將相對於反應實行層從兩側的一對溶質供應層擴散的各個溶質適度稀釋的狀態下，使之發生反應。藉此，可以防止在高濃度條件下使溶質彼此發生反應的情況下引起的凝聚，或可以提高由反應生成的反應生成物的均勻性。
圖6是將與反應有關的流體和與反應無關的流體三種流體L1、L2、L3供應給四個流體供應通路，疊層成四層環狀，使之流過反應流路56時的情況，令與反應無關的流體L1流過反應流路56的外周壁面側，另一個與反應無關的流體L1流過反應流路56的內周壁面側。
藉此，由於即使反應生成物是凝聚物或析出物，也可以極力防止其附著堆積在反應流路56上，所以，可以抑制反應流路56的堵塞。在這種情況下，本發明的微型反應器10，由於將多個流體供應通路50、52、54製成同心軸的多重圓筒結構，在反應流路56內形成圓環狀的層流，反應流路56的壁面只有內周壁面和外周壁面的2個面，所以，可以只考慮與反應流路56的內周壁面和外周壁面接觸的流體。此外，由於通過製成本發明的多重圓筒結構，沒有流體滯留或者容易發生渦流的拐角部(角狀部分)，所以，反應生成物的凝聚物難以附著堆積在反應流路56的壁面上。在這種情況下，即使不是多重圓筒結構，如果是多重多角形筒狀結構的話，也是有效的。與此相對，在具有截面為矩形的反應流路的現有技術的微型反應器的情況下，在必須考慮與上下左右的壁面接觸的同時，有四個拐角部，在該處容易附著堆積凝聚物和析出物。
圖7是將與反應有關的流體和與反應無關的流體三種流體L1、L2、L3供應給三個流體供應通路，使之疊層成三層圓環狀流過反應流路56時的情況，增減與反應無關的流體L1的流量。
微型反應器10，如前述，由於令流體彼此向其接觸界面的法線方向擴散的物質擴散成為反應的基礎，所以，作為微小空間的反應流路56的開口寬度，即，與流體的流動垂直的距離，決定反應的特性。從而，在現有技術中，利用同一個微型反應器，使反應特性不同的流體進行反應時，不能進行最恰當的反應，有生成不均勻的反應生成物的危險。但是，根據本發明的反應方法，通過增減與反應無關的流體L1的流量，不必改變與反應有關的流體L1、L3的流量，就可以改變與反應有關的流體L2、L3的厚度，所以，利用同一個微型反應器10，就可以處理反應特性不同的流體。
例如，如圖7所示，通過增加與反應無關的流體L1的流量，如圖7(A)至圖7(B)所示可以減薄與反應有關的流體L2、L3的厚度。藉此，可以利用與反應無關的流體L1將與反應有關的流體L2、L3縮流，減薄其厚度。從而，根據本發明的反應方法，即使不改變流體供應通路的開口寬度W1、W2、W3，也可以獲得和改變開口寬度W1、W2、W3相同的效果。此外，如圖2的變形例所示，通過將從多個流體匯流的匯流點24附近縮徑縮流的結構面起的縮流，和由上述與反應無關的流體的縮流相互組合，可以進一步適應於多種多樣的反應或反應條件的變更。
圖8是在六個流體供應通路中，將與反應無關的流體L1供應給最內側和最外側的流體供應通路，與反應有關的流體L2、L3交替地排列在最內側和最外側的流體供應通路之間的四個流體供應流路上，形成規則的環狀層流時的情況。
這樣，如果將與反應有關的流體L2和L3作為具有規則性的年輪狀的層進行排列的話，由於通過從外側和內側兩側起進行擴散進行反應，所以，不僅可以促進反應，而且即使與反應有關的流體的供應量相同，也可以將每一層的流體的厚度減薄，從而，所以，藉此可以促進反應。此外，如果將與反應無關的流體L1配置在最內側和最外側的流體供應通路內的話，在反應流路56中，由反應產生的凝聚物和析出物也不會附著堆積到壁面上。
圖9是在五個流體供應通路中，從最內側的流體供應通路起，依次供應與供應無關的流體L1，萃取用流體L2，與反應有關的流體L3，與反應有關的流體L4，與反應無關的流體L1時的情況。這樣，由於除與反應有關的流體L3、L4的層之外，形成萃取分離反應生成物用的萃取用流體L2的層，所以，可以高效率地將反應生成物萃取分離到萃取用流體L2的層中。在這種情況下，優選地，將多級反應和多級縮流組合起來。即，如圖9(B)所示，首先，使與反應有關的流體L3、L4匯流，進行反應，在產生某種程度的反應生成物時，使萃取用流體L2與流體L3、L4匯流，萃取分離反應生成物。在這種情況下，由於各個流體L1、L2、L3、L4的層流不會破壞，所以，如果在萃取分離出反應生成物之後，只將萃取用流體L2的層分離取出的話，可以高效率地分離出反應生成物。此外，通過將流體L3、L4匯流的匯流點附近，以及萃取用流體L2匯流到流體L3、L4上的匯流點附近的流體流的縮流，可以將匯流後的流體的厚度保持得很薄，可以促進反應。
此外，在本發明的實施形式中，用兩個流體供應通路兩種流體，三個流體供應通路三種流體，四個流體通路四種流體，四個流體供應通路三種流體，六個流體供應通路三種流體，五個流體供應通路四種流體的例子，說明了本發明的反應方法的形式例，但流體供應通路的數目及相對於流體供應通路的數目的流體的數目和種類，可以自由設定。
(實施例1)在本實施例中，使用形成同心軸的多重圓筒結構的4個流體供應通路的微型反應器，進行氯化銀(AgCl)的微粒子的生成反應。在四個流體供應通路中，將作為與反應無關的流體的蒸餾水供應給與反應流路56的內周壁面和外周面接觸的最內部的流體供應通路和最外面的流體供應通路，從內側向第二個流體供應通路供應硝酸銀流體(AgNO3)，從內側向第三個流體供應通路供應氯化鈉流體(NaCl)。反應流路56的開口寬度，為225μm。
實驗利用0.05mol/L的硝酸銀流體和0.005mol/L的氯化鈉流體，在各個流體中，作為微粒子形成時的保護膠體，包含有0.06wt％的分子量約為2萬的低分子明膠。流體溫度為絕對溫度296±1K(攝氏溫度23±1℃)。同時，硝酸銀流體的流量Q(ml/分鐘)及氯化鈉流體的流量Q(ml/分鐘)相同，對於流量Q為1.0(ml/分鐘)、2.0(ml/分鐘)、3.0(ml/分鐘)三種水平，研究從運轉開始隨著所經過的時間，微型反應器的壓力的上升。
另一方面，作為比較例，利用德國IMM公司的單段混合器(有機矽制，インタ一デヅアル槽寬度50μm)，除不使用蒸餾水之外，在和實施例相同的條件下進行。
實施例和比較例一起，在微型反應器的流體供應通路與向流體供應通路輸送流體的泵之間的配管上，安裝壓力計，研究壓力的變化。其結果示於圖10。
如從圖10可以看出的，在比較例的情況下，當流量Q為3.0(ml/分鐘)時，在運轉開始1分30秒時，壓力急劇上升到約為200(kPa)，在流量Q為2.0(ml/分鐘)時，在運轉開始2分鐘時，壓力上升到約100(kPa)。在流量Q為1.0(ml/分鐘)時，壓力上升變得稍稍平緩，但儘管如此，在運轉開始4分鐘之後，壓力開始急劇上升，在運轉開始10分鐘時，壓力超過150(kPa)。這樣，在生成氯化銀(AgCl)的微粒子的反應的情況下，微粒子容易附著堆積在反應流路的壁面上，在短時間內堵塞反應流路。
與此相對，在本發明的實施例中，在流量Q為3.0(ml/分鐘)時，直到從運轉開始起15分鐘時進行測定，壓力為10(kPa)，是恆定的，在流量Q為2.0(ml/分鐘)時，直到從運轉開始起22分鐘時進行測定，壓力為7(kPa)，是恆定的，在流量Q為1.0(ml/分鐘)時，到30分鐘時測定，壓力幾乎不上升。這樣，通過進行利用本發明的微型反應器的反應方法，由於反應生成的微粒子不會附著在反應流路56的壁面上，所以，反應流路不會因堵塞而閉塞。從而，可以極大地減少由堵塞引起的故障以及所需的拆洗。
此外，圖中沒有示出，使用形成同心軸的多重圓筒結構的兩個流體供應通路的微型反應器，進行了氯化銀(AgCl)的微粒子生成反應。在這種情況下，由於是兩個流體供應通路，所以，不使用與反應無關的蒸餾水。其結果是，在反應流路56的下遊，微粒子向反應流路壁面上的附著變得明顯，壓力相對於處理時間的上升，大致介於實施例和比較例之間。從而，可以認為，將流體供應通路製成同心軸的多重圓筒結構具有防止堵塞的效果。可以認為，這是由於將流體供應通路製成圓筒狀，沒有像現有技術中的微型反應器那樣將流體供應通路製成四角狀造成的拐角部，所以不存在拐角的微粒子的附著等。從而，在流體供應通路的多重筒結構中，多重圓筒結構最好，在多角筒狀結構的情況下，越接近圓形越好。
(實施例2)利用氟氣的反應實施例在本實施例中，利用具有形成同心軸多重圓筒結構的四個流體供應通路的圖6所示的不鏽鋼製的微型反應器(反應流路56的開口寬度225μm)進行氟化反應。
作為圖2所示的載熱體C1，循環控制反應溫度用的-20℃的製冷劑，作為圖6的流體L1，流過與反應無關的溶媒的全氟己烷。其次，作為流體L2，流過氮氣中10體積％的氟氣(10ml/min)，作為流體L3以5ml/h的流速流過用F-113(1，1，2-三氯三氟乙烷)稀釋的乙醯醋酸乙酯(濃度10重量％)。
當用高效液相色譜法分析獲得的反應液時，可以看出，以85％的變換收穫率，97％的選擇率，獲得2-氟代乙醯醋酸乙酯。此外，在現有技術的燒瓶反應中以不能忽略的量生成的2，2-二氟代乙醯醋酸乙酯的生成，在本實施例中減少到3％以下。
此外，由於氟氣不會接觸裝置，所以，幾乎沒有觀察到裝置的腐蝕。
(實施例3)有機顏料合成的實施例在本實施例中，利用具有形成同心軸多重圓筒結構的六個流體供應通路的圖8所示的不鏽鋼製的微型反應器(反應流路56的開口寬度300μm)進行下面所示的反應式的有機顏料的合成反應[化學式1] 作為圖1所示的載熱體C1，為了控制反應溫度，循環加熱到180℃的矽油，作為圖8所示的流體L1，流過作為80℃的溶媒的1，2-二氯苯。其次，作為L2，利用活塞泵，分別以6ml/min的流速，作為L2，流過將上述化合物(A)37.9g(0.1mol)在1，2-二氯苯300ml於80℃時的懸浮液，作為流體L3，流過將上述化合物(B)8.9g(0.05mol)溶解在1，2-二氯苯300ml中加熱到80℃的溶液。
分析所獲得的上述化合物的顏料(C)的懸浮液，純度在95％以上。此外，未觀察到流路閉塞的現象。
(實施例4)有機銀鹽合成的實施例本實施例採用具有形成同心軸的多重圓筒結構的四個流體供應通路的圖6所示的不鏽鋼製的微型反應器(反應流路56的開口寬度300μm)進行有機銀鹽合成反應。
作為圖1所示的載熱體C1，為了控制反應溫度，循環35℃的水，作為圖6的流體L1，流過35℃的蒸餾水。其次，用活塞泵，分別以10ml/min的流速，作為流體L2，流過以保溫在75℃的山萮酸為主成分的脂肪酸鈉水溶液(將2.6摩爾的脂肪酸與蒸餾水4.2L，5mol/L濃度的NaOH水溶液500ml，t-丁醇1.2L混合，在75℃攪拌調製1小時)，作為流體L3流過在10℃保溫的硝酸銀水溶液(將硝酸銀400g溶解在蒸餾水中，製成2.1L的水溶液，pH4.0)。
所獲得的有機銀分散液LM相當穩定。此外，在反應中未觀察到流路閉塞形象。
權利要求
1.一種利用微型反應器的反應方法，採用將與一個反應流路連通的多個流體供應通路製成同心軸的多重筒結構、通過令多個流體流過各個流體供應通路並匯流在前述反應流路內，一面使這些流體疊層成同心軸狀，作為與該同心軸垂直的截面為環狀的層流流動，一面使流體彼此間向其接觸界面的法線方向擴散並進行反應，其特徵在於，前述疊層的多個流體中，至少一個流體是與其它流體的反應無關的流體。
2.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，前述反應流路的開口寬度在1μm以上，1000μm以下。
3.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，用三種以上的流體構成前述疊層的層流的同時，在這些流體中，在由與所述反應有關的流體彼此形成的層流之間，夾持有與前述反應無關的流體的層流。
4.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，在用三種以上的流體構成前述疊層的層流的同時，在這些流體中，作為與前述反應流路的壁面接觸的層流的流體，使用與前述反應無關的流體。
5.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，在用三種以上流體構成前述疊層的層流的同時，在這些流體中，與反應有關的流體形成規則的環狀的層流。
6.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，通過增減與前述反應無關的流體的流量，可以改變與前述反應有關的流體的厚度。
7.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，與前述反應無關的流體是與前述反應有關的流體的溶媒成分。
8.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，在用三種以上的流體構成前述疊層的層流的同時，除利用這些流體中與反應有關的流體彼此形成的層之外，另外形成萃取分離其反應生成物用的萃取用流體的層，利用前述萃取用流體萃取分離由反應生成的所需的生成反應物。
9.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，在形成為前述同心軸的多重筒結構的各個流體供應通路的每一個上，沿著前述多重筒結構的周向方向等間隔地配置多個流體供應口。
10.如權利要求1所述的利用微型反應器的反應方法，其特徵在於，控制在前述反應流路中流動的流體的反應溫度。
全文摘要
本發明提供一種利用微型反應器的反應方法，通過將與一個反應流路連通的多個供應通路製成同心軸的多重筒結構，令多個流體(L1、L2、L3)分別流過各個供應通路在反應流路內匯流，將這些流體(L1、L2、L3)以同心軸疊層，一面使之作為與該同心軸垂直的截面為環狀的層流流動，一面將流體彼此向其接觸界面的法線方向擴散進行反應的微型反應器的反應時，被疊層的多個流體(L1、L2、L3)中，至少一個流體由與其它流體的反應無關的流體構成。
文檔編號B01F5/04GK1572363SQ20041004641
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月28日 優先權日2003年5月30日
發明者長澤英治, 前一廣 申請人:富士膠片株式會社