(57)【要約】【課題】粒径が均一な粒子を安定に製造することが可能な粒子製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】複数の流体を混合して粒子を製造する粒子製造装置において、前記複数の流体を混合する混合流路部と、前記混合流路部に直列に接続され、前記混合流路部で製造された粒子が滞留する滞留流路部と、少なくとも前記滞留流路部の状態を検知する検知機構と、前記検知機構で検出された状態に基づいて、前記滞留流路部に振動を付与する振動付与機構とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流体を混合して粒子を製造する粒子製造装置において、
前記複数の流体を混合する混合流路部と、
前記混合流路部に直列に接続され、前記混合流路部で製造された粒子が滞留する滞留流路部と、
少なくとも前記滞留流路部の状態を検知する検知機構と、
前記検知機構で検出された状態に基づいて、前記滞留流路部に振動を付与する振動付与機構とを備えたことを特徴とする粒子製造装置。
【請求項２】
複数の流体を混合流路部で混合し、粒子を製造する粒子製造装置において、
前記混合流路部で製造された粒子が滞留する滞留流路部と、
前記滞留流路部の圧力の値を検知する検知機構と、
前記検知機構で検出された値に基づいて、前記滞留流路部に振動を付与する振動付与機構とを備えたことを特徴とする粒子製造装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の粒子製造装置において、
前記混合流路部での流体の温度を制御する温度制御機構を備えたことを特徴とする粒子製造装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の粒子製造装置において、
前記検知機構で検知された値に基づいて、前記振動付与機構の電源の切り替えを行う電源制御機構を備えたことを特徴とする粒子製造装置。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の粒子製造装置において、
前記振動付与機構は、前記滞留流路部の壁面に振動を付与することを特徴とする粒子製造装置。
【請求項６】
請求項５に記載の粒子製造装置において、
前記混合流路部の壁面は、前記振動付与機構からの振動を遮蔽する部材で製造されたことを特徴とする粒子製造装置。
【請求項７】
複数の流体を混合して粒子を製造する粒子製造装置において、
前記複数の流体を混合する混合流路部と、
前記混合流路部に直列に接続され、前記混合流路部で製造された粒子が滞留する滞留流路部と、
前記混合流路部での流体の温度を制御する温度制御機構と、
少なくとも前記滞留流路部の圧力の値を測定する圧力センサと、
前記圧力センサで測定された値に基づいて、前記滞留流路部に振動を付与する振動付与機構と、
前記圧力センサで測定された値に基づいて、前記振動付与機構の電源の切り替えを行う電源制御機構とを備えたことを特徴とする粒子製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路内で複数の流体を化学反応させ、粒子を生成する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロ加工技術などにより製造された流路内で流体を混合させる装置、いわゆるマイクロリアクタを、バイオ・医療分野などに応用しようとする取り組みが盛んに行われている。マイクロリアクタの特徴としては、（１）温度制御を精密に効率よく行うことができる、（２）層流下で均一な混合ができる、（３）物質の拡散長が短いので混合が迅速に進行する、などが挙げられる。これらの特徴を利用して、近年、液相合成法によるナノメートルオーダーの粒子合成プロセスに、マイクロリアクタを適用する動きが活発化してきている。均一な粒子を合成する場合、核生成のタイミングや粒子成長時間にばらつきが生じれば粒子径にばらつきが生じるため、核生成、粒子成長、凝集のプロセスを制御する必要がある。従来の機械的な攪拌で流体の混合を行うバッチ法では、濃度むらや温度むらなど合成条件のばらつきが原因で、粒径の均一な粒子をある程度の量で安定して製造することが困難であった。そこで、マイクロリアクタを適用することで、精密な温度制御の条件下、核生成の段階に迅速で均一に混合し、粒子成長の段階では時間を一定にするため、粒径の揃った単分散な粒子の連続合成が可能となる。しかしながら、微小流路内で粒子が生成すると、これら粒子の析出や凝集が原因で流路内に付着堆積し、やがて閉塞する。そのため、連続的に長時間使用することが困難となる。
【０００３】
そこで、これら課題を解決するために、特開２００５−４６６５１号公報には、一つの流路に連通する複数の流体供給流路を同心軸の多重筒構造にし、反応に直接関与しない流体を使用することにより、凝集物や析出物が混合流路部の壁面に付着堆積しにくくなる構造が開示されている。また、特開２００５−１２５２８０号公報には、マイクロ流路の内壁を官能基などにより疎水性または親水性に表面修飾し、流路壁面への付着堆積を効果的に抑止する方法が開示されている。更に、特開２００４−３３７６４９号公報には、圧力計で閉塞または閉塞の兆候を検知し、超音波を照射することにより流路壁面に付着した反応生成物を微粒化し、流路壁面に付着した反応生成物を剥離し、流路閉塞を抑制する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−４６６５１号公報
【特許文献２】特開２００５−１２５２８０号公報
【特許文献３】特開２００４−３３７６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２００５−４６６５１号公報には、複数の流体を混合させる混合流路部において、反応に直接関与しない流体を流路壁面近傍に流すことで、粒子が流路壁面に付着することによって起こる閉塞を回避する構造が開示されている。しかし、この場合、別途反応に直接関与しない流体を用意する必要がある。
【０００６】
一方、特開２００５−１２５２８０号公報には、滞留流路部における流路壁面の表面修飾により粒子の流路壁面への付着を抑止する方法が開示されている。しかし、表面修飾の付着抑止効果は生成物の種類によって異なるため、反応系に合わせて変更する必要がある。
【０００７】
特開２００４−３３７６４９号公報では、滞留流路部のみならず、層流で均一に混合する必要のある混合流路部にも同様に超音波を照射するため、混合液の流れが乱れ、均一混合の効果が低減する。また、複数の部材から成る混合流路部の場合、反応速度の速い反応系であるために、混合流路部内で粒子が成長し閉塞が発生すると、その都度混合流路部を解体洗浄する必要がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、粒径が均一な粒子を安定に製造することが可能な粒子製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、複数の流体を混合して粒子を製造する粒子製造装置において、前記複数の流体を混合する混合流路部と、前記混合流路部に直列に接続され、前記混合流路部で製造された粒子が滞留する滞留流路部と、少なくとも前記滞留流路部の状態を検知する検知機構と、前記検知機構で検出された状態に基づいて、前記滞留流路部に振動を付与する振動付与機構とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、複数の流体を混合流路部で混合し、粒子を製造する粒子製造装置において、前記混合流路部で製造された粒子が滞留する滞留流路部と、前記滞留流路部の圧力の値を検知する検知機構と、前記検知機構で検出された値に基づいて、前記滞留流路部に振動を付与する振動付与機構とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
更に、前記混合流路部での流体の温度を制御する温度制御機構を備えたことを特徴とする。
【００１２】
更に、前記検知機構で検知された値に基づいて、前記振動付与機構の電源の切り替えを行う電源制御機構を備えたことを特徴とする。
【００１３】
更に、前記振動付与機構は、前記滞留流路部の壁面に振動を付与することを特徴とする。
【００１４】
更に、前記混合流路部の壁面は、前記振動付与機構からの振動を遮蔽する部材で製造されたことを特徴とする。
【００１５】
また、複数の流体を混合して粒子を製造する粒子製造装置において、前記複数の流体を混合する混合流路部と、前記混合流路部に直列に接続され、前記混合流路部で製造された粒子が滞留する滞留流路部と、前記混合流路部での流体の温度を制御する温度制御機構と、少なくとも前記滞留流路部の圧力の値を測定する圧力センサと、前記圧力センサで測定された値に基づいて、前記滞留流路部に振動を付与する振動付与機構と、前記圧力センサで測定された値に基づいて、前記振動付与機構の電源の切り替えを行う電源制御機構とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、粒径が均一な粒子を安定に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の粒子製造装置を示す図である。
【図２】混合流路部の概念図である。
【図３】混合流路部の温度条件探索アルゴリズムである。
【図４】実施例１の振動付与機構の制御アルゴリズムである。
【図５】実施例２の振動付与機構を示す図である。
【図６】超音波を照射した場合と照射しない場合の実験結果の比較を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
最初に、実施例１について説明する。図１を用いて、実施例１の粒子製造装置について説明する。原料タンク１０１ａと原料タンク１０１ｂには、それぞれ原料が貯留されている。原料タンク１０１に貯留された原料は、ポンプ１０２ａ、１０２ｂにより、導入チューブ１０３ａ、１０３ｂを通じて混合流路部１０６に送液される。ここで、ポンプ１０２ａ、１０２ｂは、目的に応じてシリンジポンプあるいはギアポンプ、プランジャーポンプなど使い分けることが好ましい。混合流路部１０６で混合された流体は、導入チューブ１０７を経て滞留流路部１０８に送液され、粒子が成長する。製造された粒子を含む流体は、導入チューブ１１０を経て流体タンク１１１に貯留される。導入チューブ１０３、１０７、１１０、混合流路部１０６及び、滞留流路部１０８に用いる材質は、反応に悪い影響を与えないものであれば、反応の種類に応じて適宜変更してもよい。例えば、ステンレス、シリコン、ガラス、ハステロイ、およびシリコン樹脂などを用いてもよいし、それら材料の表面にコーティング剤でコーティングしても良い。ここで、混合流路部１０６は恒温槽１０５内に設置して、恒温槽１０５内部を熱媒で満たし、温度調整を行うことができる。あるいは混合流路部１０６の外側にペルチェ素子を設けてもよい。
【００１９】
反応速度の速い反応系では、反応流路部１０６内で粒子が成長し流路の壁面に付着して、堆積することを防ぐため、恒温槽１０５の温度を下げて、反応速度を遅くする必要がある。一方、反応速度の遅い反応系では、滞留流路部１０８にて粒子が安定して成長するように、恒温槽１０５の温度を上げて、反応速度を速くする必要がある。温度のみならず、送液速度との兼ね合いで、滞留流路部１０８は反応が十分に進行するようにチューブ長さを決定する。
【００２０】
圧力センサ１０４は検知機構として用いられ、導入チューブ１０３、１０７、１１０や混合流路部１０６、滞留流路部１０８内の流路内の状態を検知する。ここで、閉塞を検知するための検知機構は圧力センサ１０４に限らず、光センサなどを用いてもよい。また、検知機構は導入チューブ１０３に限らず、導入チューブ１０７、１１０や滞留流路部１０８に設置してもよい。ここで、一定の送液速度で原料を送液しているため、流路内において異常が起こっていない場合、圧力センサ１０４で測定した圧力は、ほぼ一定の値を示す。もし、閉塞または閉塞の兆候がある場合、粒子の付着堆積により流路断面積が減少するため、圧力センサ１０４の示す圧力が上昇する。したがって、圧力センサ１０４の示す値が設定した定常値と比較し、ある許容範囲を超えた場合、閉塞もしくは閉塞の兆候を検知したことになる。閉塞もしくは閉塞の兆候を検知した場合、超音波電源制御装置１１３にその信号を伝え、超音波装置電源１１４に接続された超音波電源スイッチ１１５を介して、超音波装置１０９を運転する。この場合、超音波照射により混合流路部１０６の温度が上昇するため、クーラ１１６やヒータ１１７、ポンプ１１８などで超音波装置１０９内を満たしている流体の温度制御を行う必要がある。更に、長時間連続的に超音波を照射すると、滞留流路部１０８内の流れが乱れ、生成した粒子間の衝突回数が増大し、凝集が促進される。そのため、超音波装置１０９は数秒毎にオンとオフを繰り返すことが望ましい。それらの動作は、タイマ１１２の出力値を元に超音波電源制御装置１１３で制御を行う。
【００２１】
図２は、混合流路部１０６の概念図を示したものである。原料タンク１０１から導入チューブ１０３を経由して送液された原料は、流体導入部２０１ａ、２０１ｂを経由して混合流路２０２にて合流し、導入チューブ１０７に接続された流体導出部２０３から導出する。混合流路部１０６内の混合流路２０２内は、主流方向の流れが支配的であるため振動の影響は受けず、安定した層流状態を形成している。ここで、混合流路部１０６では、必ずしも２種類の溶液が混合する流路に限定されるものではなく、３種類以上の溶液が混合する流路や、これらの流路が多層状となっている流路を保持していてもよい。
【００２２】
次に、図３を用いて、混合流路部１０６が設置してある恒温槽１０５の設定温度条件探索アルゴリズムを説明する。ここで、温度条件探索アルゴリズムは、粒子の反応速度を制御し、滞留流路部１０８にて粒子が成長するよう設定温度を探索するものである。ここでは、温度が下がると反応が遅くなり、温度を上げると反応が速くなるという化学反応の特性を利用する。まず、混合温度条件の探索を開始する（Ｓ３０１）。次に、混合温度を設定する（Ｓ３０２）。ここで、粒子が流路壁面に付着堆積する位置が混合流路部１０６内であるか否かを観察する（Ｓ３０３）。粒子が流路の壁面に付着し堆積する位置が混合流路部１０６内である（Ｓ３０３）場合には、反応速度が速すぎるため、混合温度を下降させる（Ｓ３０４）。また、粒子が流路の壁面に付着し堆積する位置が混合流路部１０６内ではない（Ｓ３０３）場合には、滞留流路部１０８内でも粒子が成長していないか否かを観察する（Ｓ３０５）。滞留流路部１０８内で粒子が成長していない場合には、反応速度が遅すぎるため、反応速度を速くするために混合温度を上昇させる（Ｓ３０６）。また、滞留流路部１０８内で粒子の成長が観察された場合には、Ｓ３０２で設定された混合温度は適していると考えられ、混合温度条件が決定する（Ｓ３０７）。
【００２３】
次に、図４を用いて、実施例１の振動付与機構の制御アルゴリズムを説明する。図４の振動付与機構の制御アルゴリズムの実施にあたり、まず送液を開始する（Ｓ４０１）。次に、図３で決定した混合温度条件３０７に温度調整装置を設定する（Ｓ４０２）。圧力測定装置により圧力を測定する（Ｓ４０３）。ある一定の幅を持たせた定常運転時の圧力条件を満たしている（Ｓ４０４）場合、流路内にて閉塞および閉塞の兆候はないと考えられ、振動付与機構は停止するまたは停止状態を維持する（Ｓ４０５）。定常運転時の圧力条件を満たしていない（Ｓ４０４）場合、装置の許容圧力条件を満たしているかを判定する（Ｓ４０６）。この装置の許容圧力条件は、ポンプ１０２の耐圧や、混合流路部１０６の耐圧などを考慮に入れて設定されたものである。装置の許容圧力条件を満たしていない（Ｓ４０６）場合、送液を終了する（Ｓ４０８）。この時、混合流路部１０６内で閉塞した場合は、混合流路部１０６を解体・洗浄する必要がある。装置の許容圧力条件を満たしている（Ｓ４０６）場合は、振動付与機構を運転する、または運転状態３０７を維持する（Ｓ４０７）。
【００２４】
実施例２について、図５を用いて説明する。図５は、滞留流路部１０８の振動付与機構を示している。粒子５０１が、混合流路部１０６の温度制御により、滞留流路部１０８内で成長しているため、滞留流路部１０８の流路壁面に付着堆積しやすい状態である。そこで、超音波装置１０９の他に、振動付与機構として振動付与装置５０２を設置する方法が考えられる。この振動付与装置５０２は、例えば、流路に直に接触する部材で機械的に振動させる装置が考えられる。他の例として、例えば、人為的に流路壁面を揺動してもよい。
【００２５】
図６を用いて実験した結果を具体的に説明する。原料タンク１０１ａには、０.０５mol／ｌの硝酸銀水溶液が貯留されている。原料タンク１０１ｂには、０.０５mol／ｌの塩化ナトリウム水溶液が貯留されている。混合流路部１０６は、４８並列の多層状の流路が形成されており、２０℃の恒温槽１０５の中に設置されている。また、滞留流路部１０８は、同じく２０℃に設定した流体で満たされた超音波装置１０９内に設置されている。原料タンク１０１から２液をそれぞれ１ｍｌ／minで送液した場合、定常運転時の圧力は、１０６ｋＰａであるため、定常運転時の圧力条件４０４の許容範囲を１００〜１２０ｋＰａに設定した。また、装置の許容圧力条件を５００ｋＰａに設定した。超音波装置１０９を作動させずに送液実験を行ったところ、４.５分後に装置の許容圧力条件４０６を超え、運転を停止した。その際、滞留流路部１０８内で生成された粒子５０１が、混合流路部１０６の出口より後方３cmの位置で付着堆積し、閉塞している様子を観察した。一方、超音波装置１０９を用いると、１５分間稼動している間に、閉塞または閉塞の兆候を３度検知した。しかし、いずれも超音波照射による滞留流路部１０８の流路壁面に振動を付与したため、流路壁面に付着堆積した粒子５０１を剥離し、閉塞を回避した。そして、１５分間稼動後も、装置の許容圧力条件４０６を超えることはなかった。また、超音波を照射しない場合と同様に、混合流路部１０６の出口から３cm以内の流路壁面に粒子５０１の付着堆積は見られなかった。
【００２６】
以上説明したように、実施例２によれば、恒温槽１０５により混合流路部１０６内部の流体の温度は制御され、粒子５０１の成長速度を制御できていると考えられる。更に、超音波照射による振動付与の効果で、流路の壁面に付着堆積した粒子５０１を剥離することができ、長時間の使用に耐えられることが明らかとなった。更に、生成した粒子５０１をレーザー粒度分布計で評価したところ、粒子径，粒度分布ともに超音波を照射しない場合と照射した場合では、結果が一致していることを確認した（図示せず）。
【００２７】
実施例１〜２の構造によれば、流路内で複数の流体を混合して、粒子を連続的に生成するための装置において、（１）流路壁面に付着堆積した粒子を剥離して閉塞を回避すること、（２）様々な反応系において生成した粒子が付着堆積する位置を解体洗浄が不要な滞留流路部となるよう反応速度を制御すること、（３）混合流路部において複数の流体を均一に混合することを同時に実現して、粒径が均一な粒子を安定に製造することが可能となる。
【００２８】
さらに、流路に連続的に複数の流体を混合し粒子を合成する装置において、混合流路部内における流体の温度を反応系に応じた特定の値に制御することにより、反応速度が制御可能となる。そのため、滞留流路部において粒子が成長するよう温度を設定することで、流路の壁面に粒子が付着して、堆積する位置をある程度推定できる。また、滞留流路部の流路の壁面に振動を与えることで、流路の壁面に付着堆積した粒子を剥離することが可能となり、閉塞を抑制できる。この際、混合流路部の壁面は、振動付与機構で生じた振動を遮蔽する部材で製造されているため、安定した層流下で均一な混合が可能となり、均一な粒子を製造できる。
【符号の説明】
【００２９】
１０１  原料タンク
１０２，１１８  ポンプ
１０３，１０７，１１０  導入チューブ
１０４  圧力センサ
１０５  恒温槽
１０６  混合流路部
１０８  滞留流路部
１０９  超音波装置
１１１  流体タンク
１１２  タイマ
１１３  超音波電源制御装置
１１４  超音波装置電源
１１５  超音波電源スイッチ
１１６  クーラ
１１７  ヒータ
２０１  流体導入部
２０２  混合流路
２０３  流体導出部
５０１  粒子
５０２  振動付与装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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