(57)【要約】【課題】処理対象液の流れ方向に直交する方向の流れ成分を誘発して、電極間電圧を従来よりも低下させる。【解決手段】処理対象液Ｍａが流通する流路Ｌ2と、該流路Ｌ2内に露出し処理対象液Ｍａに対して電界を作用させる陰極Ｋ及び陽極Ｐとからなるマイクロ処理装置において、作用部は、複数の溝７ａあるいは／及び複数の突起からなる攪拌部７を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象液が流通する流路と、該流路内に露出し処理対象液に対して所定の作用を施す作用部とからなるマイクロ処理装置において、
作用部は、複数の溝あるいは／及び複数の突起からなる攪拌部を備えていることを特徴とするマイクロ処理装置。
【請求項２】
所定の加工が施された複数の機能層を積層して流路が形成されており、何れかの機能層に作用部が設けられることを特徴とする請求項１記載のマイクロ処理装置。
【請求項３】
攪拌部は、延在方向が流路の延在方向に対して所定の角度で傾いた複数の溝からなることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロ処理装置。
【請求項４】
作用部は、流路内で対抗配置される陽極及び陰極であり、当該陽極及び陰極のいずれか一方あるいは両方に攪拌部が供えられることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のマイクロ処理装置。
【請求項５】
陽極及び陰極を隔離する隔膜が設けられることを特徴とする請求項４記載のマイクロ処理装置。
【請求項６】
作用部は、触媒担持部であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のマイクロ処理装置。
【請求項７】
作用部は、発光部であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のマイクロ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ化学プロセスは、ミクロンオーダーのプロセス器機（マイクロ処理装置）を同じくミクロンオーダーの流路（マイクロ流路）を介して接続することにより、小スペース内で化学プロセスを実現するものである。上記マイクロ処理装置の１つとして、化合物に電圧を印加することにより化合物を電気化学的に分解する電気分解と、同じく電圧を印加することにより物質を合成する電解合成とがある。
本明細書では、上記電気分解を行う装置及び上記電解合成を行う装置を総称してマイクロ処理装置という。
【０００３】
例えば下記非特許文献１には、対向配置された陽極（電極）と陰極（電極）との間にメタノールとエタノールを溶媒とするトルエン溶液を流通させることによりベンゾイルアルデヒド（benzaldehyde）を合成するマイクロ処理装置が開示されている。このマイクロ処理装置は、バッチ式のマイクロ処理装置とは異なり、トルエン溶液を電極間に連続的に流通させることによりベンゾイルアルデヒドを連続的に合成する連続式のマイクロ処理装置である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】H. Wendt et al., “Anodic Synthesis of Benzaldehydes - II. Optimization of the Direct Anodic Oxidation of Toluenes in Methanol and Ethanol”, Electrochimica Acta, Vol. 37, No. 11, pp1959-1969, 1992.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、マイクロ処理装置は、上述したようにシステムの小型化が主な特徴点であり、よって上記連続式処理装置においても必然的に小型化が要求される。しかしながら、連続式のマイクロ処理装置において、装置の小型化に伴って陽極と陰極との距離（電極間距離）を小さくしていくと、処理対象液の流れが層流化されて、流れ場が処理対象液の流れ方向の速度成分によって占められる状態となる。このような流れ場では、処理対象液における溶質と溶媒との混合が起こり難くなり、結果として電極間電圧が上昇するという問題がある。マイクロ処理装置は、一般に装置の小型化だけではなく消費動力の省力化も追求するものなので、電極間電圧の上昇による消費電力の増加は解決しなければならない重要な技術課題である。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）処理対象液の流れ方向に直交する方向の流れ成分を誘発する。
（２）従来よりも電極間電圧を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、処理対象液が流通する流路と、該流路内に露出し処理対象液に対して所定の作用を施す作用部とからなるマイクロ処理装置において、作用部は、複数の溝あるいは／及び複数の突起からなる攪拌部を備えている、という手段を採用する。
【０００８】
第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、所定の加工が施された複数の機能層を積層して流路が形成されており、何れかの機能層に作用部が設けられる、という手段を採用する。
【０００９】
第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、攪拌部は、延在方向が流路の延在方向に対して所定の角度で傾いた複数の溝からなる、という手段を採用する。
【００１０】
第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、作用部は、流路内で対抗配置される陽極及び陰極であり、当該陽極及び陰極のいずれか一方あるいは両方に攪拌部が供えられる、という手段を採用する。
【００１１】
第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、陽極及び陰極を隔離する隔膜が設けられる、という手段を採用する。
【００１２】
第６の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、作用部は、触媒担持部である、という手段を採用する。
【００１３】
第７の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの解決手段において、作用部は、発光部である、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、攪拌部を備えるので、処理対象液の流れ方向に直交する方向の流れ成分を誘発することが可能であり、この結果として電極間電圧を従来よりも低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ処理装置Ａの全体構成を示す分解斜視図である。
【図２】上記図１における第１〜第５の機能層Ｓ1〜Ｓ5の積層状態におけるＸ−Ｘ線矢視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るマイクロ処理装置Ａにおいて、攪拌部７の詳細構成及び変形例を示す拡大図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るマイクロ処理装置Ａの性能を示す図であり、（ａ）は収率特性（実験結果）、（ｂ）は電極間の電圧特性（実験結果）を示している。
【図５】本発明の変形例に係るマイクロ処理装置Ｂの構成例を示す正面図及びＹ−Ｙ線矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るマイクロ処理装置Ａは、第1〜第５の機能層Ｓ1〜Ｓ5を積層することによって構成されている。なお、図1では、第1〜第５の機能層Ｓ1〜Ｓ5に施された機械的加工の状態が分かりやすいように、積層前の展開した状態を示しているが、本マイクロ処理装置Ａは、第1〜第５の機能層Ｓ1〜Ｓ5が図示する順序で互いに機密に接着されて一体化することによって、図２に示すような２つの流路Ｌ1，Ｌ2を内部に形成する。
【００１７】
すなわち、第１の機能層Ｓ1は、一対の貫通穴１，２が形成された薄板である。貫通穴１，２は、所定の間隔で設けられた丸穴であり、一方の貫通穴１は第１流路Ｌ1における処理対象液の入口ＩＮ1（第１入口）に相当し、他方の貫通穴２は第１流路Ｌ1における処理対象液の出口ＯＵＴ1（第１出口）に相当する。また、第１の機能層Ｓ1は、陰極Ｋ（電極）として機能するように導電性材料（例えば金属）から形成されている。上記貫通穴１，２の間隔は、例えば３０ｍｍである。
【００１８】
第２の機能層Ｓ2は、上記貫通穴１，２の間隔に符合する長さ（例えば３０ｍｍ）の長尺状貫通穴３が形成された薄板である。この第２の機能層Ｓ2は非導電性材料から形成されており、その厚さは例えば１００μｍである。また、上記長尺状貫通穴３の幅は例えば１ｍｍである。第３の機能層Ｓ3は、上述した陰極Ｋを後述する陽極Ｐ（電極）とを電気化学的に隔離するための隔膜であり、より具体的には陽イオンのみを透過させる陽イオン透過膜である。
【００１９】
ここで、図２から明らかなように、第１流路Ｌ1は、第１〜第３の機能層Ｓ1〜Ｓ3によって形成されている。すなわち、第１流路Ｌ1は、第２の機能層Ｓ2に形成された長尺状貫通穴３の周面と、当該長尺状貫通穴３の上側に位置する第１の機能層Ｓ1の下面と、長尺状貫通穴３の下側に位置する第３の機能層Ｓ3の上面とからなる３つの面によって囲まれ、かつ陰極Ｋが露出する領域として構成される。
【００２０】
第１の機能層Ｓ1の一端に形成された貫通穴１は、このような第１流路Ｌ1に第１の処理対象液Ｈａを流入させるためのものである。また、第１の機能層Ｓ1の他端に形成された貫通穴２は、第１流路Ｌ1を通過することにより第１の処理対象液Ｈａに所定の処理が施された結果得られる第１の処理済液Ｈｂを外部に排出するためのものである。
【００２１】
第４の機能層Ｓ4は、上述した第２の機能層Ｓ2と形状的には全く同一の薄板であり、第２の機能層Ｓ2と同様に非導電性材料から形成されている。すなわち、第４の機能層Ｓ4は、厚さが例えば１００μｍであり、当該第４の機能層Ｓ4に形成された長尺状貫通穴４は、長さが例えば３０ｍｍ、幅が例えば１ｍｍである。
【００２２】
第５の機能層Ｓ5は、所定間隔で離間する一対の貫通穴５，６（丸穴）が、また当該貫通穴５，６の間に攪拌部７が形成された薄板である。一方の貫通穴５は第２流路Ｌ2における処理対象液の入口ＩＮ2（第２入口）に相当し、他方の貫通穴６は第２流路Ｌ2における処理対象液の出口ＯＵＴ2（第２出口）に相当する。貫通穴５，６の間隔は、上述した第１の機能層Ｓ1の貫通穴１，２と同様に例えば３０ｍｍである。このような第５の機能層Ｓ5は、陽極Ｐ（電極）として機能するように導電性材料（例えば金属）から形成されている。
【００２３】
図２から明らかなように、第２流路Ｌ2は、第３〜第５の機能層Ｓ3〜Ｓ5によって形成されている。すなわち、第２流路Ｌ2は、第４の機能層Ｓ4に形成された長尺状貫通穴４の周面と、当該長尺状貫通穴４の上側に位置する第３の機能層Ｓ3の下面と、長尺状貫通穴４の下側に位置する第５の機能層Ｓ5の上面とからなる３つの面によって囲まれ、かつ陽極Ｐが露出する領域として構成される。このような第２流路Ｌ2は、第１流路Ｌ1と全く同一形状を有し、かつ、第３の機能層Ｓ3（陽イオン透過膜）を挟んで第１流路Ｌ1と正対する位置関係にある。
【００２４】
第５の機能層Ｓ5の一端に形成された貫通穴５は、このような第２流路Ｌ2に第２の処理対象液Ｍａを流入させるためのものである。また、第５の機能層Ｓ5の他端に形成された貫通穴６は、第２流路Ｌ2を通過することにより上記第２の処理対象液Ｍａに所定の処理が施された結果得られる第２の処理済液Ｍｂを外部に排出するためのものである。
【００２５】
攪拌部７は、本マイクロ処理装置Ａにおける最も特徴的な構成要素であり、第２流路Ｌ2内を貫通穴５（入口ＩＮ2）から貫通穴６（出口ＯＵＴ2）の方向（図２における左から右方向）に流れる処理対象液に対して陽極Ｐと陰極Ｋとの対向方向（図２における上下方向）の流れを誘発するためのものである。
【００２６】
この攪拌部７は、図３（ａ）の拡大図に示すように、所定間隔で形成された複数の長尺溝７ａからなる。各長尺溝７ａは、所定長さ及び所定深さを有する長尺状の窪みであり、貫通穴５，６の中心同士を結ぶ軸線（一点鎖線で示す。）に対して所定角度θだけ傾斜した方向を延在方向とする。なお、貫通穴５，６の中心同士を結ぶ軸線は、第２流路Ｌ2の延在方向と同一なので、各長尺溝７ａの延在方向は、第２流路Ｌ2の延在方向に対して角度θだけ傾斜している。本実施形態では、角度θ＝４５°である。
【００２７】
図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、このような攪拌部７の変形例を示している。第１の変形例に係る攪拌部７Ａは、上記各長尺溝７ａとは異なる角度θの複数の長尺溝７ｂからなるものである。各長尺溝７ｂの角度θは、例えば−４５°である。第２の変形例に係る攪拌部７Ｂは、上記各長尺溝７ａに代えて、複数の長尺突起７ｃからなるものである。各長尺突起７ｃは、上述した各長尺溝７ａと形状は同一であるが、窪みではなく突出部として設けられたものである。第３の変形例に係る攪拌部７Ｃは、上記長尺溝７ａと長尺突起７ｃとを複合したものである。すなわち、この攪拌部７Ｃは、長尺溝７ａと長尺突起７ｃとを交互に配列させて形成されている。
【００２８】
ここで、陰極Ｋ（電極）として機能する第１の機能層Ｓ1及び陽極Ｐ（電極）として機能する第５の機能層Ｓ5は、対として処理対象液に電界を作用させる作用部である。すなわち、本マイクロ処理装置Ａは、陰極Ｋと陽極Ｐとからなる作用部によって第１、第２の処理対象液Ｈａ，Ｍａに電界を作用させることにより電解合成を行うものである。
【００２９】
次に、このように構成された本マイクロ処理装置Ａの作用効果について、図４及び表１をも参照して詳しく説明する。
【００３０】
本実施形態における第１の処理対象液Ｈａは、溶媒としてのメタノール（ＭｅＯＨ）に電解液としてのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（Ｅｔ４ＮＢＦ４）を溶解させたものである。また、第２の処理対象液Ｍａは、溶媒としてのメタノール（ＭｅＯＨ）に電解液としてのテトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート（Ｅｔ４ＮＢＦ４）、また媒質としての４-メトキシトルエン（ＭｅＯＣ７Ｈ８）を溶解させたものである。なお、第１の処理対象液Ｈａは、専ら電解液として機能するものであり、本マイクロ処理装置Ａが目的とする生産物の生成には直接関与しない。
【００３１】
このような第１の処理対象液Ｈａ及び第２の処理対象液Ｍａのうち、第１の処理対象液Ｈａは、第３の機能層Ｓ3（陽イオン透過膜）を介して隣り合うと共に陰極Ｋ及び陽極Ｐによって所定の直流電界が作用している第１流路Ｌ1及び第２流路Ｌ2のうち、第１流路Ｌ1に第１入口ＩＮ1を介して流入する。一方、第２の処理対象液Ｍａは、同じく第３の機能層Ｓ3（陽イオン透過膜）を介して隣り合うと共に陰極Ｋ及び陽極Ｐによって所定の直流電界が作用している第１流路Ｌ1及び第２流路Ｌ2のうち、第２流路Ｌ2に第２入口ＩＮ2を介して流入する。
【００３２】
そして、上記第１流路Ｌ1及び第２流路Ｌ2のうち、４-メトキシトルエン（ＭｅＯＣ７Ｈ８）を含む第２の処理対象液Ｍａが流通する第２流路Ｌ2では、化学式（１）に示す反応が発生する。
【００３３】
【数１】
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【００３４】
すなわち、直流電界の作用によって４-メトキシトルエン（ＭｅＯＣ７Ｈ８）がメタノール（ＭｅＯＨ）と反応してｐ-アニスアルデヒドジメチルアセタール（Ｍｅ３Ｏ３Ｃ７Ｈ５）と水素イオン（Ｈ＋）とが生成される。そして、一方の生成物であるｐ-アニスアルデヒドジメチルアセタール（Ｍｅ３Ｏ３Ｃ７Ｈ５）は、本マイクロ処理装置Ａの生産物であり、第２出口ＯＵＴ2を介して第２の処理済液Ｍｂの成分として外部に排出される。また、他方の生成物である水素イオン（Ｈ＋）は、陽イオンであり、第３の機能層Ｓ3（陽イオン透過膜）を透過して第１流路Ｌ1に移動し、さらに陰極Ｋから電子を受け取って水素ガス（Ｈ２）となり、第１出口ＯＵＴ1を介して第１の処理済液Ｈｂの成分として外部に排出される。
【００３５】
上記第２流路Ｌ2における反応では、ｐ-アニスアルデヒドジメチルアセタール（Ｍｅ３Ｏ３Ｃ７Ｈ５）の収率を向上させる上で、溶質の溶媒に対する良好な分散状態、つまり４-メトキシトルエン（ＭｅＯＣ７Ｈ８）のメタノール（ＭｅＯＨ）に対する攪拌状態が重要である。また、本マイクロ処理装置Ａの省電力化を図る上で、陰極Ｋと陽極Ｐとの間の電圧差、つまり電極間電圧Ｅを低下させることが必要である。そして、電極間電圧Ｅを低下させるためには、第２流路Ｌ2において、陰極Ｋと陽極Ｐとの対向方向（図２における上下方向）におけるイオンの移動性を向上させて陰極Ｋと陽極Ｐとの間の電気抵抗を低減する必要がある。
【００３６】
本マイクロ処理装置Ａにおける攪拌部７は、以下の実験結果が示すように反応電圧Ｅを低下させることに優位な効果を奏するものである。すなわち、陰極Ｋと陽極Ｐとの間に流れる電流と第２の処理済液Ｍｂの流速とを表１に示すように複数設定した場合に、ｐ-アニスアルデヒドジメチルアセタール（Ｍｅ３Ｏ３Ｃ７Ｈ５）の収率は図４（ａ）のグラフに示すように、また電極間電圧Ｅ（電圧）は図４（ｂ）のグラフに示す値になった。この表１における電流と流速との関係は、通電量（電気量）が上記化学式（１）の反応において化学的に当量となるような関係として設定したものである。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
なお、この図４では、本マイクロ処理装置Ａ（つまり第２流路Ｌ2に攪拌部７を設けた場合）を「ミキサパターン」として示している。また、図４では、「ミキサパターン」に対する比較例として、攪拌部７を設けない場合（パターンなし）及び流路方向に平行な複数の溝を設けた場合（直線溝パターン）を示している。
【００３９】
図４（ａ）から分かるように、「ミキサパターン」と「直線溝パターン」は、電流（流速）が大きくなると「パターンなし」に比較して収率が向上する。これに対して、図４（ｂ）から分かるように、「ミキサパターン」は、電圧が「直線溝パターン」及び「パターンなし」よりも低下している。このような図４に示す実験結果から、本マイクロ処理装置Ａにおける攪拌部７が「直線溝パターン」及び「パターンなし」との比較において電圧低下に優位な効果を奏するものであることが確認された。
【００４０】
すなわち、本マイクロ処理装置Ａによれば、第２の処理対象液Ｍａの流れ方向に直交する方向、つまり陰極Ｋと陽極Ｐとの対向方向の流れ成分を誘発することが可能であり、この結果として電極間電圧Ｅを従来よりも低下させることができる。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、陰極Ｋと陽極Ｐとからなる一対の電極を作用部をするマイクロ処理装置Ａについて説明したが、作用部は一対の電極に限定されない。一対の電極以外の作用部として、例えば処理対象液に対して触媒作用を施すような触媒担持部や各種波長の光を照射する発光部等が考えられる。
【００４２】
図５は、上記触媒作用や光照射を処理対象液に施す作用部を備えるマイクロ処理装置Ｂの構成例を示している。この図に示すように、マイクロ処理装置Ｂは、３枚の機能層Ｓａ〜Ｓｃを積層して構成されており、入口ＩＮ、流路Ｌ、出口ＯＵＴ、３枚の機能層Ｓａ〜Ｓｃによって内部に形成された空間が流路Ｌ、攪拌部７及び作用部Ｒ（触媒担持部あるいは発光部）を備えている。流路Ｌは、３枚の機能層Ｓａ〜Ｓｃによって形成される内部空間である。３枚の機能層Ｓａ〜Ｓｃのうち、表層である機能層Ｓａ，Ｓｃは、流路Ｌを通過する処理対象液に対して作用部Ｒ（触媒担持部あるいは発光部）である。入口ＩＮから流路Ｌ内に流入した処理対象液は、流路Ｌを通過する際に作用部Ｒによって触媒処理あるいは光照射され、出口ＯＵＴから処理済液として外部に排出される。
【００４３】
上記機能層Ｓａ，Ｓｃにおいて流路Ｌの一面を形成する部位には、マイクロ処理装置Ａと同様な攪拌部７がそれぞれ設けられている。すなわち、このマイクロ処理装置Ｂでは、図５（ｂ）に示すように、流路Ｌの２面（上面と下面）とに、互いに対向するように攪拌部７がそれぞれ設けられている。このような対向状態の攪拌部７によって流路Ｌを通過する処理対象液は、上下方向の攪拌が促進されて効果的に触媒処理することが可能であり、あるいはより広い範囲に亘って効果的に光を照射することができる。
【００４４】
（２）上記実施形態及び変形例では図３に示した長尺溝７ａ，７ｂあるいは長尺突起７ｃからなる攪拌部７，７Ａ〜７Ｃを採用したが、本発明はこれに限定されない。処理対象液に対して作用部の対向方向の流れ成分を誘発できる形状であれば、如何なる形状でも良い。
【符号の説明】
【００４５】
Ａ…マイクロ処理装置、Ｓ1…第1の機能層（作用部）、Ｓ2…第２の機能層、Ｓ3…第３の機能層、Ｓ4…第４の機能層、Ｓ5…第５の機能層（作用部）、Ｌ1…第１流路、Ｌ2…第２流路、ＩＮ1…第１入口、ＯＵＴ1…第１出口、ＩＮ2…第２入口、ＯＵＴ2…第２出口、１…貫通穴、２…貫通穴、３…長尺状貫通穴、４…長尺状貫通穴、５…貫通穴、６…貫通穴、７，７Ａ〜７Ｃ…攪拌部、７ａ，７ｂ…長尺溝、７ｃ…長尺突起
【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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