(57)【要約】【課題】粉体や固体材料の化学反応を起こさせるために、マイクロリアクターの機能をエクストルーダーに付与する。【解決手段】  バレルと、このバレルに内設される複数のスクリューと、これら複数のスクリューにより搬送される原料を化学反応させるマイクロリアクター部とを上記バレル内に備え、上記マイクロリアクター部が上記スクリュー下流側に設けられたストップリング外周面と上記バレル内周面とで形成される空隙部であり、マイクロリアクター部を構成するストップリングが触媒機能を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バレルと、このバレルに内設される複数のスクリューと、これら複数のスクリューにより搬送される原料を化学反応させるマイクロリアクター部とを前記バレル内に備えたエクストルーダー型連続反応装置であって、
前記マイクロリアクター部は、前記スクリュー下流側に設けられたストップリング外周面と前記バレル内周面とで形成される空隙部であることを特徴とするエクストルーダー型連続反応装置。
【請求項２】
前記ストップリングが触媒機能を有することを特徴とする請求項１記載のエクストルーダー型連続反応装置。
【請求項３】
前記ストップリング外周面と前記バレル内周面とのクリアランスが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のエクストルーダー型連続反応装置。
【請求項４】
前記マイクロリアクター部の上流側にニーディングディスクが配置されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載のエクストルーダー型連続反応装置。
【請求項５】
前記マイクロリアクター部の下流側にニーディンクディスクが配置され、該ニーディンクディスクは、ニーディンクディスク頂面に対する中心からの頂角が０°以上５°以内であり、その頂面とバレルのクリアランスが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載のエクストルーダー型連続反応装置。
【請求項６】
前記エクストルーダーが２軸エクストルーダーであり、前記スクリューが下流側先端部分で該スクリュー軸の回転軸を軸支する両持ち構造からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のエクストルーダー型連続反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエクストルーダー型連続反応装置に関し、特にマイクロリアクターの機能を付与したエクストルーダー型連続反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業用途に現在多用されている反応装置はバッチ式反応釜である。これは、２重ジャケット構造をもち、内部に仕込んだ原料を撹拌羽根等で撹拌しながら、蒸気等で反応対象物を加熱しながら反応させる装置である。
しかし、この反応釜は原料や反応生成物等の反応対象物の粘度が高い場合、反応時に均一な温度コントロールができない、均一な撹拌ができない、生成物の払出しに時間がかかるなどの問題がある。また、反応の実験装置では反応容器がガラス製であり、圧力変化や反応前後で物質量が変化する反応には適用できないとの問題がある。
このため、このような高粘度の原料や生成物を、連続的に処理する装置として２軸エクストルーダーやニーダーの利用が考えられる。
【０００３】
しかし、従来の２軸エクストルーダーやニーダーは、化学反応装置として使用する場合、特に粉体や高粘度の原料をスクリューによる搬送、均一混合等を行ないつつ、原料を連続的に化学反応させることは困難であり、考慮されていなかった。
一方、自動化学分析装置に用いられる混合反応装置として、送液手段を具備した第１の試料液を流すための第１の流路と、送液手段を具備した第２の試料液を流すための第２の流路と、前記第１の試料を複数の微小なノズルから前記第２の試料中に噴出させて混合する混合室と、該混合室で混合された試料を排出させるための第３の流路を備えた混合反応装置が知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、この混合反応装置は、第１の試料を複数の微小なノズルから第２の試料中に噴出させて混合するための装置であり、第１および第２の試料を同時に混合するものではない。反応原料の粘度が高いと定量的な供給難しく、拡散係数も低下し、短時間での均一反応もできない。また、粉体や固体材料の化学反応には適用できない。
【特許文献１】特開平６−２２６０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、マイクロリアクターでは、原料として利用できない粉体原料や高粘度原料を連続的に反応させる方法がないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のエクストルーダー型連続反応装置は、バレルと、このバレルに内設される複数のスクリューと、これら複数のスクリューにより搬送される原料を化学反応させるマイクロリアクター部とを上記バレル内に備え、上記マイクロリアクター部が上記スクリュー下流側に設けられたストップリング外周面と上記バレル内周面とで形成される空隙部であることを特徴とする。
また、マイクロリアクター部を構成するストップリングが触媒機能を有することを特徴とする。
また、エクストルーダー型連続反応装置を構成するストップリング外周面とバレル内周面とのクリアランスが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、上記マイクロリアクター部の上流側にニーディングディスクが配置されてなることを特徴とする。
また、上記マイクロリアクター部の下流側にニーディンクディスクが配置され、該ニーディンクディスクは、ニーディンクディスク頂面に対する中心からの頂角が０°以上５°以内であり、すなわち、ニーディンクディスクが一定の厚さを有する平板状であるか、あるいは頂面の幅がニーディンクディスク中心の幅より僅かに薄くなっており、その頂面とバレルのクリアランスが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、連続反応装置を構成するエクストルーダーが２軸エクストルーダーであり、上記スクリューが下流側先端部分で該スクリュー軸の回転軸を軸支する両持ち構造からなることを特徴とする。
本発明において、マイクロリアクター部の上流側とはエクストルーダーへの原料供給側をいい、下流側とは原料が反応して得られる製品の払出し側をいう。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のエクストルーダー型連続反応装置は、マイクロリアクター部がストップリング外周面と上記バレル内周面とで形成される空隙部であるので、エクストルーダーの精度を維持してマイクロリアクター部を形成することができる。粉体や固形物の原料であっても上流側のニーディングディスクの組み合わせとバレル温度、フィード量、スクリュー回転数などの運転条件で反応可能なように粉砕・分散・溶融させ、該マイクロリアクター部で化学反応させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の連続反応装置の一実施例を図１により説明する。図１は２軸エクストルーダー型連続反応装置の断面図を示す。
連続反応装置１は、バレル２と、このバレル２内に平行に配置されている２本のスクリュー３、３と、原料を化学反応させるマイクロリアクター部４とを有する２軸エクストルーダー型連続反応装置である。
バレル２は、スクリュー軸に直角となる断面図的にみてまゆ型形状をしており、このまゆ型形状内に２本のスクリュー３、３が内設されている。２本のスクリュー３、３は、それぞれ同方向回転あるいは異方向回転いずれであってもよい。
【０００８】
スクリュー３、３の構成の一例を図２に示す。図２はスクリューの斜視図であり、図２（ａ）はスクリュー軸芯および軸芯に連結体を嵌合する状態を示す図であり、図２（ｂ）は嵌合後のスクリューを示す。スクリュー３は、スクリュー軸芯３ａに嵌合するスクリュー５、ニーディングディスクブロック６およびストップリング７との連結体より構成される。
スクリュー５にはバレル内の原料を供給部２ａより前進させるフォワードスクリューあるいは後退させるリバーススクリューがある。また、ニーディングディスクブロック６には、同一または異なった厚さのニーディングディスクを複数個位相を変えて組み合わせることにより反応対象物をバレル内で混練・剪断する程度を制御することができる。
ストップリング７はスクリューの下流側に設けられる。図３に示すように、ストップリング７の外周面７ａとバレル内周面２ｃとで空隙部４ａを形成する。この空隙部４ａおよびストップリング同士の空隙部がスクリューにより搬送される原料を化学反応させるマイクロリアクター部４となる。
【０００９】
マイクロリアクター部４のスクリュー軸直径方向断面（Ａ−Ａ断面）を図３に、またＢ−Ｂ断面を図４に示す。空隙部４ａを形成するクリアランスは好ましくは１００μｍ〜１０００μｍ、より好ましくは２００μｍ〜５００μｍである。また、ストップリング７の幅Ｌは、バレル内径が８０ｍｍ〜１６０ｍｍの場合、６ｍｍ〜２０ｍｍであり、１組以上のストップリングを組込む。
ストップリングの機械加工精度は、表面の処理加工ひずみを加えても数１０μｍであるので、クリアランスを１００μｍ〜１０００μｍに維持することができる。また、化学反応中の原料が潤滑剤の働きをし、液体摩擦状態となっていることと、ストップリングの高速回転で軸芯を中心に浮いた状態となることにより、空隙部４ａを形成するクリアランスは円周上ほぼ同じクリアランス状態になる。
また、スクリュー軸の回転軸を軸支する両持ち構造とすることにより、重力による軸の重み変形が少なくなる。
【００１０】
マイクロリアクター部４を通過するとき原料は、混練と同時に溶融状態になり、分子接触による化学反応が進行する。
従来のマイクロリアクターでは層流状態で反応が進行する。本願発明のストップリングを用いるマイクロリアクターでは、ストップリングでは軸が回転していることと、ストップリングの段差により、乱流的要素が加わり、有効に反応が進行する。
【００１１】
化学反応の活性化エネルギーが低く、発熱型である場合、例えば中和反応などでは、分子同士間の接触さえ十分ならば、瞬時に効率よく反応は進行する。このような原料では、ストップリングの外周とバレルのクリアランスが５００μｍから１０００μｍで、かつ触媒がなくても、反応は進行する。
一方、多くの有機合成反応では、多段階型であり、初期反応の活性化エネルギーが比較的高いことが多い。これらを，有効に反応させるためには、熱分解されない程度に反応温度を高く設定するとともに、反応の場にストップリング回転によるせん断力を与え，反応分子間の接触頻度を高くすることが有効である。そのため、ストップリングの外周とバレルとのクリアランスを定めることが必要となる。
【００１２】
ストップリング７は２重同心円状に形成し（図４（ａ））、一つのストップリング７の大径側を他のストップリング７の小径側に噛み合わせ、この２個のストップリング７は２本のスクリュー３、３にそれぞれ嵌合して、スクリューの回転とともに回転する。
無触媒反応の場合、ストップリング７のみでも反応が進行する。
触媒反応の場合、ストップリング７の小径側にリング状の触媒作用を有する物質７ａを差し込んでマイクロリアクター部４とすることができる（図４（ｂ））。
また、最外層の一部に触媒作用を持つ物質７ａを溶着等により形成することができる（図４（ｃ））。この場合、触媒作用による化学反応はマイクロリアクター部４内のみでなく、マイクロリアクター部４の前後でも生じさせることができる。
【００１３】
マイクロリアクター部４の温度制御機構は、バレル外側に設けられた電熱ヒータ、高温水蒸気、熱媒、通電加熱等による加熱装置および水冷、空冷、チラー冷却あるいは液体窒素等による冷却装置により構成される。例えば、通電加熱による加熱装置は、反応対象物自体に通電することにより、そのジュール熱を利用して加熱する方式であり、品温の制御をより容易なことから食品化学等において採用されている加熱方法である。
【００１４】
マイクロリアクター部４内での化学反応を十分に進行させるために、反応前に２軸エクストルーダー内部で均一な混練が行なわれ、安定した搬送力が必要となる。そのために、本発明は混練度が高く、安定した搬送力が得られる構造とする。
例えば、混練度の高いスクリュー構造としては、リバース機能を有する組み込みで厚みのあるニーディングディスクを使用することが好ましい。
ニーディングディスク６は、同一または異なった厚さのディスク片を複数個組み合わせることにより原料をバレル２内で混練・剪断するニーディングディスク、前進させるフォワードディスク、あるいは後退させるリバースディスクとすることができる。すなわち、円周面に対して凸状部６ａおよび凹状部６ｂを有するディスク片を複数枚準備しスクリュー軸芯３ａ上にて嵌合連結する場合において、スクリューを平面図的にみて連結される１つおきの凸状部６ａまたは凹状部６ｂの軌跡が軸芯に平行となるように順にディスク片を配置することにより、混練・剪断機能を有するニーディングディスクとすることができる（図２）。また、連結される凸状部６ａまたは凹状部６ｂの軌跡が軸芯３ａに対して所定の角度を有するように順にディスク片を配置することにより、フォワードディスク、あるいはリバースディスクとすることができる（図２）。なお、ニーディングディスクであってもディスク片の円周面にテーパーを設けることによりフォワードディスク、あるいはリバースディスクとすることができる。
本発明において、混練を効果的に行なうためにはリバース型にニーディングディスクを組み合わせることが好ましい。
【００１５】
また、安定した搬送力を得るために、反応領域直前の完全噛合い型スクリューチップとバレル間のクリアランスを好ましくは５００μｍ以下、より好ましくは３００μｍ以下にする。
反応させる原料が粉体原料であれば、クリアランスが５００μｍ以上でも十分搬送できる。また、粘度によって異なるが、液系原料では、バレルとスクリュー間のクリアランスが、１００μｍ以下、スクリュー・スクリュー間のクリアランスが、２００μｍ以下であることが好ましい。
バレルとスクリュー間のクリアランスは、バレルの内径によっても異なり、内径が小さくなるほどクリアランスも小さくしなければならない。例えば、バレルの内径が６０ｍｍ以下の場合は、該クリアランスは１００μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
反応原料がマイクロリアクター部４で化学反応を起こして得られた製品は、反応後、せん断による発熱を防止し、バレル表面に付着することにより発生する不均一反応を防止する必要がある。このため、マイクロリアクター部４の下流側にニーディングディスクを使用することが好ましい。ニーディングディスク部に充填した原料は、バレルおよびシャフト（軸芯）からの冷却により有効に熱交換をすることができる。ニーディングディスクは、頂面が小さく、頂面とバレルクリアランスが３００μｍ以下のものを使用することができる。また、２条のニーディングディスク体でよいが、この場合一方の頂面は他方の頂面よりクリアランスが大きい方が好ましい。具体的には、ニーディンクディスクは、ニーディンクディスク頂面に対する中心からの頂角が０°以上５°以内であり、その頂面とバレルのクリアランスが０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
本発明のエクストルーダー型連続反応装置は、スクリューを複数本有する多軸エクストルーダーであることが好ましく、特にスクリューを２本有する２軸エクストルーダーがより好ましい。また、２軸エクストルーダーの場合、スクリューが出口先端部分で該スクリュー軸の回転軸を軸支する両持ち構造からなることが好ましい。このような両持ち構造とすることにより、マイクロリアクター部４にて化学反応を十分に進行させることができる。なお、スクリューのＬ／Ｄは２４以上が好ましい。
【００１８】
本発明のエクストルーダー型連続反応装置を用いた化学反応の例について説明する。
反応させる原料の形態としては、スクリューに食い込み、混合および搬送できる原料であり、溶融温度が約４００℃以下の原料であれば使用できる。例えば原料形態として粉体、液体、またはこれらの混合体等を使用できる。また、化学反応の対象としては、素反応や有機反応に限定することなく、種々の化学反応に適用できる。
原料の供給方法は、反応装置内に定量的に供給できる方法であればよく、例えば定重量粉体フィーダーや液体を圧入する方法等が挙げられる。
供給される原料は、反応理論モル比で供給し、エクストルーダー型連続反応装置に供給する前は、事前混合等を行なわない。化学反応は、エクストルーダー型連続反応装置のマイクロリアクター部内にて−挙に進行させた方が有効なためである。
【００１９】
供給された原料は、ニーディングディスク体で混合され、スクリューにより搬送され、マイクロリアクター部で反応して目的となる製品が得られる。この製品は反応後直ちにマイクロリアクター部下流側に配置されたニーディングディスクにより冷却され、製品が払出しされる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明のエクストルーダー型連続反応装置は、固体−固体、固体−液体等種々の原料の化学反応に利用できるので、無機合成の他、有機合成など各種の化学合成反応に応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】２軸エクストルーダー型連続反応装置の断面図である。
【図２】スクリューの斜視図である。
【図３】スクリュー軸直径方向断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  連続反応装置
２  バレル
３  スクリュー
４  マイクロリアクター部
５  スクリュー体
６  ディスク体
７  ストップリング
【図１】
2005152727.tif 000003
【図２】
2005152727.tif 000004
【図３】
2005152727.tif 000005
【図４】
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