(57)【要約】【課題】  装置を小さくでき、液体中の微粒子群を一定の周回軌道に集め、流れ場モードを自由に設定できる回転反応装置および回転反応方法を提供すること。【解決手段】  直径の異なる二つの円筒を同心になるように配置したときにおいて両円筒隙間の数倍の高さを有する同軸二重円筒容器３の隙間に反応流体４と磁性微粒子５を注入し、二重円筒容器３において双方あるいはいずれか一方の円筒の側面を磁性微粒子５あるいは反応物質が透過できる多孔質膜を有する透過膜壁６にして、恒温装置７に温度管理を行うとともに、同軸二重円筒容器３において双方あるいはいずれか一方の円筒を回転させる回転機構８と回転機構８の回転数を制御する回転制御装置９にて円筒を回転させる。同軸二重円筒容器３の外側に円筒隙間内に磁場を形成する電磁石１０を配置し、磁場制御装置１１にて磁場分布および磁場強度を制御する。一方の透過膜壁６を透過した反応流体４を他方の円筒壁から流入する循環装置１２を備え、磁場制御装置と回転制御装置および恒温装置の指示値を表示装置１３にて表示する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径の異なる二つの円筒を同心になるように配置したときにおいて両円筒隙間の数倍の高さを有する同軸二重円筒容器と、
上記同軸二重円筒容器の隙間を満たす反応流体と、
上記反応流体中に混入する磁性微粒子と、
上記反応流体の温度管理を行う恒温装置と、
上記同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれか一方の円筒を回転させる回転機構と、
上記回転機構の回転を制御する回転制御装置と、
上記同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれか一方の円筒の側面を上記磁性微粒子あるいは反応物質が透過できる多孔質膜を有する透過膜壁と、
上記透過膜壁を透過した反応液を他方の円筒壁から流入する循環装置と、
上記同軸二重円筒容器の外側に配置し、円筒隙間内に磁場を形成する電磁石と、
上記電磁石の磁場分布および磁場強度を制御する磁場制御装置と、
上記磁場制御装置と回転制御装置の指示値を示す表示装置を有する回転反応装置。
【請求項２】
直径の異なる二つの円筒を同心になるように配置したときにおいて両円筒隙間の数倍の高さを有する同軸二重円筒容器を設置する工程と、
同軸二重円筒容器の隙間に反応流体を満たす工程と、
反応流体中に磁性微粒子を混入する工程と、
反応流体の温度を管理する工程と、
同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれか一方の円筒を回転させる工程と、
円筒の回転角速度や回転数を制御する工程と、
同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれか一方の円筒の側面を磁性微粒子あるいは反応物質が透過できる工程と、
透過した溶液および物質を他方の円筒壁から流入し循環する工程と、
同軸二重円筒容器の外側に配置し、円筒隙間内に磁場を形成する工程と、
磁場分布および磁場強度を制御する工程と、
磁場分布、磁場強度、回転角速度、回転数、温度等のパラメータの値を示す工程を有する回転反応方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、アスペクト比の小さい同軸二重円筒のテイラー渦流れを用いた回転反応装置および回転反応方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、テイラー渦流れを利用した反応装置には、微生物培養、バイオリアクター、攪拌・混合、微粒子製造、懸濁重合などの装置がある。【０００３】  ここにテイラー渦流れとは、同軸に配置した二重円筒の隙間に流体を満たし、外円筒を固定し内円筒をある臨界値以上の回転数で回転させたときにその流体に現れるドーナツ状の渦流である。そして、二重円筒隙間に対して容器長さが長い、すなわちアスペクト比の大きい同軸二重円筒を用いた緩やかな渦流れを利用して、均一な液滴を得る方法が報告されている。（例えば、特許文献１参照。）。【０００４】  また、このようなアスペクト比の大きいテイラー渦流れを利用し、生体触媒を蛋白分解溶液に混合して分解作用を効率化したバイオリアクターなどがある。（例えば、特許文献２、特許文献３参照。）。【０００５】  また、動物細胞を付着させたマイクロキャリアを用いてテイラー渦流れの中で細胞培養を行う方法が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。【０００６】  上述のアスペクト比の大きいテイラー渦流れに対して、二重円筒隙間に対して容器長さが短い、すなわちアスペクト比の小さい同軸二重円筒の渦流れでは、流れを安定させながら回転数をゆっくり増加させたときに得られる主モードと呼ばれる流動状態と、回転数を急激に加速して得られる二次モードと呼ばれる流動状態があり、さらにこの二次モードには発生する渦数が偶数で両端の渦の流れが主モードと同じ正規モードと、一方もしくは両端において内円筒から外円筒へ向かう流れになる変異モードがある。【０００７】  このようなアスペクト比の小さいテイラー渦流れでは、上述の様に円筒の回転条件によっていくつもの流れ場モードが存在する。たとえば、アスペクト比が３の場合、すなわち同軸二重円筒隙間の３倍の高さをもつ容器を用いた場合は、渦が二つ現れる上述の主モードとしての正規２セルモードと、二次モードとしての渦が４つの正規４セルモード、渦が３つの変異３セルモード、渦が４つで正規４セルモードの渦の流れ方向とは反対の流れである変異４セルモードの合計４種類の流れ場モードが存在する。【０００８】  また、上述の様なアスペクトの小さいテイラー渦流れの流れ場モードは、内円筒の初期回転角速度や回転数の変化に伴って流れ場モードの出現率が異なる場合があり、また、モード変化が起きる場合がある。低アスペクト比のテイラー渦流れにおける流れ場モードの変化については、たとえば非特許文献１や非特許文献２に開示されている。【０００９】  また、磁性粒子を利用したカオス的混合法が、マイクロ流の混合方法として開示されている。（例えば、非特許文献３参照。）。【００１０】
【特許文献１】特開昭５６−１３９１２２号公報  （第１−２頁、第１図）
【特許文献２】特開平７−１２３９７２号公報  （第２−６頁、第３図）
【特許文献３】特開平７−２９８８７１号公報  （第２−７頁、第５図）
【特許文献４】特開平８−３０８５６０号公報  （第２−５頁、第１図）
【非特許文献１】大村直人、他３名、”アスペクト比の小さいテイラー・クエット流の渦発生機構と乱流遷移特性”、１９９７年、化学工学論文集第２３巻第６号、ｐ７４１−７４８
【非特許文献２】古川裕之、他２名、”アスペクト比が小さい場合のテイラー渦流れ（変異・正規モード間の流動形態変化と非定常モードの遷移過程）”、２００２年、日本機械学会論文集（Ｂ偏）６９巻６７４号、ｐ２６７１−２６７８
【非特許文献３】鈴木宏明、他２名、”磁性粒子を利用したカオス的マイクロ混合器”、２００３年、日本機械学会論文集（Ｂ偏）６９巻６８８号、ｐ２６２６−２６３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】  しかしながら、従来のテイラー渦を利用したアスペクト比の大きい同軸二重円筒容器を利用した反応方法では、渦流れのモードが大きく変化しないため、流れ場モードによる効率的な反応を選択できないという問題がある。【００１１】  また、アスペクト比の大きい同軸二重円筒容器では、反応層が助長になり、設置場所やコンパクト化への障害がある。【００１２】  また、コンパクト化のためにアスペクト比の小さい同軸二重円筒容器に上述した微生物の培養方法を適用すると、培養進行過程において微生物濃度の変化から流れ場モードが変化し、培養効率の良い流れ場モードへの変更が困難になるという問題がある。【００１３】  本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、
装置を小さくでき、液体中の微粒子群を一定の周回軌道に集め、流れ場モードを自由に設定できる回転反応装置および回転反応方法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】
【００１４】  本発明の回転反応装置は、直径の異なる二つの円筒を同心になるように配置したときにおいて両円筒隙間の数倍の高さを有する同軸二重円筒容器と、同軸二重円筒容器の隙間を満たす反応流体と、反応流体中に混入する磁性微粒子と、反応流体の温度管理を行う恒温装置と、同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれか一方の円筒を回転させる回転機構と、回転機構の回転を制御する回転制御装置と、同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれか一方の円筒の側面を磁性微粒子あるいは反応物質が透過できる多孔質膜を有する透過膜壁と、透過膜壁を透過した反応液を他方の円筒壁から流入する循環装置と、同軸二重円筒容器の外側に配置した円筒隙間内に磁場を形成する電磁石と、電磁石の磁場分布および磁場強度を制御する磁場制御装置と、磁場制御装置と回転制御装置の指示値を示す表示装置を有するものである。【００１５】  また、本発明の回転反応装置および回転反応方法は、直径の異なる二つの円筒を同心になるように配置したときにおいて両円筒隙間の数倍の高さを有する同軸二重円筒容器を設置する工程と、同軸二重円筒容器の隙間に反応流体を満たす工程と、反応流体中に磁性微粒子を混入する工程と、反応流体の温度を管理する工程と、同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれか一方の円筒を回転させる工程と、円筒の回転角速度や回転数を制御する工程と、同軸二重円筒容器において双方あるいはいずれが一方の円筒の側面を磁性微粒子あるいは反応物質が透過できる工程と、透過した溶液および物質を他方の円筒壁から流入し循環する工程と、同軸二重円筒容器の外側に配置した円筒隙間内に磁場を形成する工程と、磁場分布および磁場強度を制御する工程と、磁場分布、磁場強度、回転角速度、回転数、温度等のパラメータの値を示す工程を有するものである。
【発明の効果】
【００１６】  本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
請求項１記載の発明の回転反応装置および回転反応方法によれば、アスペクト比の小さい同軸二重円筒容器の流れ場を有するので、装置を小さくでき、液体中の微粒子群を一定の周回軌道に集めて、反応に最適な流れ場モードを容易に形成することができる。【００１７】  また、請求項２記載の発明の回転反応装置および回転反応方法によれば、アスペクト比の小さい同軸二重円筒流れと流れ場の磁場制御の工程を有するので、磁場の印加と解除を制御することにより、必要な流れ場モードを選択することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  以下、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づいて説明する。
まず、回転反応装置および回転反応方法にかかる第１の発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明の装置を説明するものである。【００１９】  本発明は、アスペクト比の小さい同軸二重円筒のテイラー渦流れを用いることにより、液体中の微粒子群を一定の周回軌道に集め、複雑で緩やかな流れ場を形成することにより反応効率を高くし、反応液体中に磁性微粒子を混入して外部磁場を作用することにより必要な流れ場モードを形成することのできる回転反応装置および回転反応方法を提供するものであるが、この回転反応装置は図１に示すように、測定部１と制御部２から成り立っている。【００２０】  同軸二重円筒容器３の隙間には反応流体４に磁性微粒子５が混入して注入されている。【００２１】  反応流体４は恒温装置７にて所定温度に保たれる。【００２２】  同軸二重円筒容器３の内円筒は中空円管であり、その壁は透過膜壁６でできている。【００２３】  回転機構８は同軸二重円筒容器３の双方あるいはいずれか一方の円筒に接続され、円筒を回転させることができる。回転機構８の回転角速度および回転数は回転制御装置９にて制御され、ある臨界値の回転数以上のところでテイラー渦流れが形成される様に設定できる。【００２４】  同軸二重円筒容器３の外側には電磁石１０を設置し、磁場制御装置１１を用いて磁場分布および磁場強度を制御する。【００２５】  循環装置１２は、同軸二重円筒隙間の反応液濃度や反応速度を制御するために、反応液の流量を調整するとともに、必要に応じて磁性微粒子の混入・除出を行う。【００２６】  回転制御装置９と磁場制御装置１１および恒温装置７の指示値および測定値は表示装置１３に表示される。【００２７】  以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、
アスペクト比の小さい同軸二重円筒容器の流れ場を有するので、装置を小さくでき、液体中の微粒子群を一定の周回軌道に集めて、反応に最適な流れ場モードを容易に形成することができる。【００２８】  なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。【００２９】  つぎに、回転反応装置および回転反応方法にかかる第２の発明を実施するための最良の形態について説明する。図２は、本発明の方法を説明するものである。【００３０】  １に示すように同軸二重円筒の間隔に磁性微粒子と反応液を注入する。
２に示すように同軸二重円筒は温度管理のもと静止状態にして液体を安定させる。
３に示すように磁場制御装置にて所定の磁場分布と磁場強度を設定して電磁石にて磁場を印加する。
４に示すように回転制御装置を用いて回転機構の回転角速度および回転数を設定し、回転機構で同軸二重円筒の双方あるいはどちらか一方の円筒を回転させる。
５に示すように円筒が所定の回転数になり次第、磁場制御装置にて電磁石の磁場を解除する。
６に示すように流れ場が所定の流れ場モードに変位したかを判断する。所定の流れ場モードに変位しない場合は、２にもどる。
７に示すように回転制御装置にて一定回転運転を行い、反応を開始する。
８に示すように反応に磁性微粒子が必要かどうか判断する。
９に示すように反応に磁性微粒子が必要で無い場合は循環装置を用いて磁性粒子を回収する。
１０に示すように反応が臨界値に達したかを判断する。臨界値に達していない場合は、続けて一定回転で反応を続ける。
１１に示すように循環装置を用いて反応液を回収する。
１２で終了する。【００３１】  以上のことから、発明を実施するための最良の形態によれば、
アスペクト比の小さい同軸二重円筒流れと流れ場の磁場制御の工程を有するので、磁場の印加と解除を制御することにより、必要な流れ場モードを選択することができる。【００３２】  なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【実施例１】
【００３３】  つぎに、本発明にかかる第１の実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。【００３４】  ここでは、外円筒を固定して内円筒を回転させたときのテイラー渦流れにおいて、流れ場中の微粒子を一定の周回軌道に集める方法についての例を示す。【００３５】  図３の測定部および図４の装置を用いた。同軸二重円筒容器は、外円筒半径４０ｍｍ、内円筒半径１５ｍｍ、高さ７５ｍｍのアクリル樹脂製ので、グリセリン水溶液中に可視化のため市販のアルミナ粒子を用いて粒子軌跡を撮影した。外円筒と内円筒の隙間は２５ｍｍで、隙間と高さの比、すなわちアスペクト比は３である。静止状態から内円筒を１００ｒｐｍまで急加速したとき、３つの渦が発生する変異３セルモードが発生し、３０分間以上一定回転を続けた。図５において右側が内円筒（回転部）であり、左側が外円筒である。混入した微粒子は、テイラー渦に追従して均一な渦状の分布を示すが、時間が経過すると図５の様に粒子群がある一定の周回軌道に集まる。すなわち、粒子の集積軌道は内円筒に接することなく、ある一定の距離を保ちながら周回している。【００３６】  以上のことから、本実施の形態によれば、アスペクト比の小さい同軸二重円筒容器の流れ場を有するので、液体中の微粒子群を一定の周回軌道に集めて反応に最適な流れ場モードを容易に形成することができる。
また、液体中の微粒子群を一定の周回軌道に集める事ができるので、効率的な反応を行わせることができる。
また、容器を小さくできるので、装置の簡素化ができ、経済的である。
【実施例２】
【００３７】  つぎに、本発明にかかる第２の実施例について具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではないことはもちろんである。【００３８】  ここでは、アスペクト比が３のテイラー渦流れにおいて、磁性微粒子として磁性流体の強磁性微粒子を用いて、流れ場モードの磁場制御についての例を示す。【００３９】  図３の測定部および図４の装置を用いた。磁性微粒子には、市販の水ベース磁性流体（フェリコロイドＷ−４０）を用いた。同軸二重円筒容器は、外円筒半径４０ｍｍ、内円筒半径２０ｍｍ、高さ６０ｍｍのアクリル樹脂製のもので、印加磁場には、高さ×幅×厚みが６０ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍの永久磁石を用いて同軸二重円筒容器の外部より水平に設置した。内部流動状態を確認するために、市販の超音波流速分布計（ＵＶＰ  Ｘ３  ＰＳｉ）を用いて速度分布を測定した。得られた速度分布の時間的変化を図５に示した。図５は横軸に時間を縦軸に軸方向位置を示し、プロットは速度値を示している。アスペクト比が３のテイラー渦流れでは、いくつかのセルモードが発生するが、図５では、４つのセルが出現する流れ場モード、すなわち正規４セルモードに磁場を印加して解除することにより、３つのセルが回転する流れ場モード、すなわち変異３セルモードに変化する様子がうかがえる。また、図６は静止状態から磁場を印加し、一定回転になったところで磁場を解除したときの速度分布の時間的変化である。磁場を印加しない場合は、正規２セルモード、正規４セルモード、変異３セルモード、変異４セルモードの四つの流れ場モードが確率的に発生するのに対し、磁場を印加することにより、変異３セルモードのみを発生させることができる。【００４０】  以上のことから、本実施の形態によれば、アスペクト比の小さい同軸二重円筒流れと流れ場の磁場制御の工程を有するので、磁場の印加と解除を制御することにより、必要な流れ場モードを選択することができる。【００４１】  また、同軸二重円筒において双方あるいはいずれか一方の円筒の側面に磁性微粒子あるいは反応物質が透過できる多孔質膜を有するので、反応層に磁性微粒子を残したまま、反応溶液を循環させることができ、広範囲な用途に好ましく使用することができる。
また、測定部と制御部が分かれているので、測定部の遠隔操作が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４２】  測定する対象は、磁性微粒子として磁性流体の強磁性微粒子を用いた流れ場制御と攪拌効果について述べてきたが、これらの攪拌作用に限定されず、攪拌・混合層、超微細微粒子製造、懸濁重合などにも適用できる。【００４３】  また、対象とする標本体は微粒子ばかりでなく、生きているバクテリヤや藻類などの微生物の挙動解析や微生物培養の効率化、バイオリアクターにも応用できる。
また、非常に小さな装置にも適用できるので、マイクロ流動やナノ流動および微生物の流動解析や微小反応解析を取り扱う次世代の研究に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】  本発明の回転反応装置の一実施例を示す概略構成の説明図である。
【図２】  本発明の回転反応方法の一実施例を示す説明図である。
【図３】  本発明の回転反応装置および回転反応方法の一実施例の説明図である。
【図４】  本発明の回転反応装置および回転反応方法の一実施例の説明図である。
【図５】  本発明の回転反応装置および回転反応方法の一実施例の結果図である。
【図６】  本発明の回転反応装置および回転反応方法の一実施例の結果図である。
【図７】  本発明の回転反応装置および回転反応方法の一実施例の結果図である。
【符号の説明】
【００４５】  １  測定部
２  制御部
３  同軸二重円筒容器
４  反応流体
５  磁性微粒子
６  透過膜壁
７  恒温装置
８  回転装置
９  回転制御装置
１０  電磁石
１１  磁場制御装置
１２  循環装置
１３  表示装置
【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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【図７】
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