(57)【要約】２以上の反応物を反応させて生成物を生産するマイクロリアクタをもつモジュラ式化学生産システムである。モジュール化により、コントローラ、ポンプ、弁、リアクタ及び処理モジュール等の部品を、所望化学生成物の生産のために必要に応じてシステムに付加及び取り外し可能になる。このシステムは、制御モジュールと混合容積及び反応容積をもつ反応モジュールとを含む。各種ポンプモジュールと滞留時間モジュールとをシステムに含めてもよい。高速接続／分離可能な取付具により、動作不良時あるいは異なる生成物又は異なる量の生産のためにモジュールを容易に交換可能となる。データベースは、異なる化学生成物を生じる複数の異なる反応に関する最適パラメータを含む。ユーザは、所望の生成物とその量を選択し、反応物質、溶媒及び伝熱媒体供給源を与え、制御モジュールは所望量を得るまで生成物を自動生産するようシステムを作動させる。
2004508919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反応物から所望の化学生成物を生産するためのモジュラシステムであって、
（ａ）モジュラシステムによる所望の化学生成物の生産を監視すると共に制御するようになされた制御モジュールと、
（ｂ）前記複数の反応物の各々について設けられ、そこからの各反応物の流れが制御モジュールによって制御される反応物供給源と、
（ｃ）複数の反応物の各々を受け取るために反応物供給源の各々と流体連通し、前記制御モジュールに制御可能に接続されると共に、制御モジュールの制御のもとで前記複数の反応物から所望の化学生成物を自動的に生産する交換可能なリアクタを含んでいる第１反応モジュールと、
を備えることを特徴とするモジュラシステム。
【請求項２】
前記交換可能なリアクタは、混合容積と反応容積とを備えることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項３】
前記複数の反応物の少なくとも１つが気体状態にあることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項４】
制御モジュールに制御可能に接続され、各反応物供給源および前記第１反応モジュールと流体連通すると共に、モジュラシステムを通して少なくとも１つの流体をポンピングするポンプモジュールを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項５】
前記第１反応モジュールと流体連通する付加的処理モジュールを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項６】
前記付加的処理モジュールは、所望の化学生成物の反応を完了まで所定の時間だけ継続させる滞留時間モジュールを備えることを特徴とする請求項５に記載のモジュラシステム。
【請求項７】
前記滞留時間モジュールは、該滞留時間モジュール内で前記所望の化学生成物のための所定時間量を得るように選択された長さの毛管流路を備えることを特徴とする請求項６に記載のモジュラシステム。
【請求項８】
前記滞留時間モジュールは、前記モジュラシステム内の圧力を選択的に変化させるように前記制御モジュールに制御可能に接続された比例弁を備えることを特徴とする請求項６に記載のモジュラシステム。
【請求項９】
前記付加的処理モジュールは、前記第１反応モジュールに対して直列の流路がつくり出されるように該第１反応モジュールと流体連通した第２反応モジュールを備え、前記付加的反応モジュールは、前記制御モジュールに制御可能に接続され、前記複数の反応物の反応から所望の化学生成物を生産する交換可能なリアクタを含み、それにより、前記モジュラシステムは、複数の合成ステップを用いて前記所望の化学生成物を生産し、第１合成ステップは前記第１反応モジュールにおいて完了し、第２合成ステップは前記付加的反応モジュールにおいて完了することを特徴とする請求項５に記載のモジュラシステム。
【請求項１０】
付加的な合成ステップを用いて所望の化学生成物の生産が達成されるのに充分な付加的反応モジュールを更に備え、付加的な合成ステップの各々が付加的反応モジュールにおいて完了することを特徴とする請求項９に記載のモジュラシステム。
【請求項１１】
前記交換可能なリアクタは、特にあるクラスの化学生成物を生産することができるように構成され、前記第１反応モジュールから選択的に容易に取り外すことができると共に、異なるクラスの化学生成物の生産を促進させるように構成された別の交換可能なリアクタと交換することが可能であり、それにより、前記モジュラシステムが、異なるクラスの化学生成物を選択的に生産できるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項１２】
前記第１反応モジュールは、ハウジングを更に含み、前記ハウジングは、
（ａ）前記第１反応モジュールが前記制御モジュールに取り外し可能に接続され、かつ、前記反応物の供給源の各々と流体連通することを可能にする複数のポートを含む第１側面と、
（ｂ）前記第１反応モジュールが少なくとも１つの付加的処理モジュールおよび生成物リザーバと流体連通することを可能にする複数のポートを含む第２側面と、
（ｃ）前記交換可能なリアクタ用の取付フレームと、
を備えることを特徴とする請求項５に記載のモジュラシステム。
【請求項１３】
前記第１反応モジュールは、前記所望の化学生成物の生産を促進させる手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項１４】
前記手段は、熱交換器、温度センサおよび反応物層流混合流路のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３に記載のモジュラシステム。
【請求項１５】
前記制御モジュールは、メモリ、プロセッサおよびユーザインターフェースを備え、前記メモリは、モジュラシステムの自動制御を行うために、プロセッサによって実行される装置命令を格納することを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項１６】
前記モジュラシステムは、前記複数の反応物の各々のための流路と、前記所望の生成物用の流路と、伝熱媒体用の少なくとも１つの流路と、使用済みの伝熱媒体用の少なくとも１つの流路とを含む複数の経路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項１７】
前記伝熱媒体用の前記少なくとも１つの経路と、前記使用済みの伝熱媒体用の前記少なくとも１つの経路とは、並列流体系および直列流体系のうちの何れか一方に構成されることを特徴とする請求項１に記載のモジュラシステム。
【請求項１８】
前記ポンプモジュールは、少なくとも１つのポンプを備え、前記少なくとも１つのポンプは、その動作を制御する前記制御モジュールに制御可能に接続されることを特徴とする請求項４に記載のモジュラシステム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのポンプは、伝熱媒体の流体供給源と、前記第１反応モジュールとの双方と流体連通することを特徴とする請求項１８に記載のモジュラシステム。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのポンプは、少なくとも１つの前記複数の反応物用の反応物供給源と、前記第１反応モジュールとの双方と流体連通することを特徴とする請求項１８に記載のモジュラシステム。
【請求項２１】
前記ポンプモジュールは、前記複数の反応物の各々のための別個のポンプを備え、この別個のポンプの各々は、前記複数の反応物の異なる１つのための反応物供給源および前記第１反応モジュールと流体連通することを特徴とする請求項４に記載のモジュラシステム。
【請求項２２】
前記ポンプモジュールは、少なくとも１つの弁を備え、該少なくとも１つの弁は、前記複数の反応物の何れか１つが前記第１反応モジュールに流れるのを制御するために、前記制御モジュールに制御可能に接続されることを特徴とする請求項４に記載のモジュラシステム。
【請求項２３】
前記ポンプモジュールは、反応物が前記第１反応モジュールに流れ込む前に前記複数の反応物の何れか１つから不要物質を取り除く少なくとも１つのフィルタを備えることを特徴とする請求項４に記載のモジュラシステム。
【請求項２４】
前記ポンプモジュールは、ハウジングを備え、前記ハウジングは、
（ａ）前記ポンプモジュールが前記制御モジュールに制御可能に接続され、かつ、反応物供給源の各々と流体連通することを可能にする複数のポートを含む第１側面と、
（ｂ）前記ポンプモジュールが前記第１反応モジュールと流体連通することを可能にする複数のポートを含む第２側面と、
を備えることを特徴とする請求項４に記載のモジュラシステム。
【請求項２５】
モジュラシステムにより生産される前記所望の化学生成物の量を、
（ａ）前記ポンプモジュールを、流量が増加された異なるポンプモジュールと交換すること、
（ｂ）前記第１反応モジュールの前記交換可能なリアクタを、所望の化学生成物の生成速度を増加させるように構成にされた異なる交換可能なリアクタと交換すること、および、
（ｃ）前記第１反応モジュールを、生成速度を増加させるように構成された異なる反応モジュールと交換すること、のうちの少なくとも１つによって増加させることができることを特徴とする請求項４に記載のモジュラシステム。
【請求項２６】
モジュール間のすべての接続が、モジュールの迅速な接続と取り外しとを可能にする高速接続コネクタを用いて達成されることを特徴とする請求項４に記載のモジュラシステム。
【請求項２７】
複数の反応物から所望の化学生成物を生産するために容易に再構成することができるモジュラシステムであって、
（ａ）メモリ、プロセッサおよびユーザインターフェースを備え、該メモリがプロセッサによって実行され得る装置命令を格納している制御モジュールと
（ｂ）前記制御モジュールに制御可能に接続され、少なくとも１つのポンプを備えると共に、伝熱媒体用および反応物用の複数の経路を定めるポンプモジュールと、
（ｃ）ポンプモジュールと流体連通し、伝熱媒体、反応物および生成物の流路用の複数の経路を定めると共に、取り外し可能なリアクタを含んでいる反応モジュールと、
を備え、前記リアクタは、
（ｉ）複数の反応物入口と、
（ｉｉ）複数の反応物が最初に混合される混合容積と、
（ｉｉｉ）複数の反応物が化合して所望の化学生成物を生成する反応容積と、
（ｉｖ）マイクロリアクタから所望の生成物を取り出すための生成物出口と、
を含んでいることを特徴とするモジュラシステム。
【請求項２８】
リアクタは、マイクロリアクタからなることを特徴とする請求項２７に記載のモジュラシステム。
【請求項２９】
前記反応モジュールの生成物出口と流体連通し、反応物の反応を完了させるための延長時間を提供する滞留時間モジュールを更に含むことを特徴とする請求項２７に記載のモジュラシステム。
【請求項３０】
複数の反応物から所望の化学生成物を生産するために容易に再構成可能なモジュラシステムであって、
（ａ）モジュラシステムを通る複数の流体の流れを制御するポンプモジュールと、
（ｂ）ポンプモジュールと流体連通する反応モジュールであって、該反応モジュールに配置された交換可能なリアクタ内に、複数の反応物から所望の化学生成物を生産するのを促進させる環境を含む反応モジュールと、
を備え、前記交換可能なリアクタが、所望の化学生成物を生産することが可能な構成を有していることに基づいて、複数の異なる交換可能なリアクタの中から選択されることを特徴とするモジュラシステム。
【請求項３１】
リアクタは、マイクロリアクタからなることを特徴とする請求項３０に記載のモジュラシステム。
【請求項３２】
マイクロリアクタは、
（ａ）熱交換器と、
（ｂ）複数の反応物入口と、
（ｃ）複数の反応物が混合される混合容積と、
（ｄ）複数の反応物が化合して所望の化学生成物を生成する反応容積と、
（ｅ）マイクロリアクタから所望の生成物を取り除くための生成物出口と、
を備えることを特徴とする請求項３１に記載のモジュラシステム。
【請求項３３】
ポンプモジュールおよび反応モジュールに制御可能に接続される制御モジュールを更に備え、前記制御モジュールは、モジュラシステムによる所望の化学生成物の生産を監視すると共に自動制御することを特徴とする請求項３０に記載のモジュラシステム。
【請求項３４】
前記制御モジュールは、メモリ、プロセッサおよびユーザインターフェースを備え、前記メモリは、制御モジュールが所望の化学生成物の生産を監視すると共に自動制御することを可能にするために、プロセッサにおいて実行される装置命令を格納していることを特徴とする請求項３３に記載のモジュラシステム。
【請求項３５】
装置命令は、複数の異なる命令の組を含み、異なる命令の組の各々は、制御モジュールが異なる所望の化学生成物の生産を監視すると共に自動制御することを可能にし、ユーザがユーザインターフェースにより１つの命令の組を選択して特定の所望の化学生成物を生産することができるように、前記装置命令がプロセッサにより実行されることを特徴とする請求項３４に記載のモジュラシステム。
【請求項３６】
制御モジュールは、パーソナルコンピュータシステムからなることを特徴とする請求項３３に記載のモジュラシステム。
【請求項３７】
前記ポンプモジュールは、
（ａ）制御モジュールに制御可能に接続された少なくとも１つのポンプと、
（ｂ）制御モジュールに電気的に接続されたデータバスおよび電源バスと、
（ｃ）複数の伝熱媒体の流路と、
（ｄ）複数の反応物の流路と、
を備えることを特徴とする請求項３３に記載のモジュラシステム。
【請求項３８】
複数の伝熱媒体の経路は、
（ａ）少なくとも１つの伝熱媒体入口、少なくとも１つの伝熱媒体入口の各々と流体連通する少なくとも１つの伝熱媒体流路、および、伝熱媒体流路の各々と流体連通する少なくとも１つの伝熱媒体出口と、
（ｂ）少なくとも１つの使用済み伝熱媒体入口、少なくとも１つの使用済み伝熱媒体入口の各々と流体連通する少なくとも１つの使用済み伝熱媒体流路、および、使用済み伝熱媒体流路の各々と流体連通する少なくとも１つの使用済み伝熱媒体出口と、
を備えることを特徴とする請求項３７に記載のモジュラシステム。
【請求項３９】
複数の反応物経路は、
（ａ）複数の個別の反応物入口と、
（ｂ）個別の反応物入口の各々および前記少なくとも１つのポンプと流体連通している個別の反応物流路と、
（ｃ）個別の反応物流路の各々と流体連通している個別の反応物出口と、
を備えることを特徴とする請求項３８に記載のモジュラシステム。
【請求項４０】
ポンプモジュールは、個別の反応物流路と選択的に流体連通する溶媒入口を更に備えることを特徴とする請求項３９に記載のモジュラシステム。
【請求項４１】
ポンプモジュールは、前記制御モジュールに制御可能に接続された複数の弁を更に備え、前記複数の弁のうち少なくとも１つの弁は、溶媒入口が個別の反応物流路と流体連通することを可能にする第１弁位置と、前記溶媒入口と前記個別の反応物流路との間の流体連通を不能にする第２弁位置とにおいて作動可能であり、前記第２弁位置は、個別の反応物入口が前記個別の反応物流路と流体連通することを更に可能にすることを特徴とする請求項４０に記載のモジュラシステム。
【請求項４２】
選択された個別の反応物出口から粒子が流れるのを防止するために、交換可能なフィルタ要素を更に備えることを特徴とする請求項３９に記載のモジュラシステム。
【請求項４３】
前記交換可能なフィルタ要素の作動状態を監視するために、圧力センサを更に備えることを特徴とする請求項４２に記載のモジュラシステム。
【請求項４４】
ポンプモジュールは、モジュラシステムを通る伝熱媒体の流れを制御するためのポンプを含むことを特徴とする請求項３８に記載のモジュラシステム。
【請求項４５】
前記ポンプモジュールは、モジュラシステムを通る反応物流体の流れを制御するためのポンプを含むことを特徴とする請求項３９に記載のモジュラシステム。
【請求項４６】
ポンプモジュールは、ハウジングを更に備え、該ハウジングは、第１側面と第２側面を有し、前記少なくとも１つのポンプ、前記データバス、前記電源バス、前記複数の伝熱媒体流路、および、前記複数の反応物流路を取り囲むことを特徴とする請求項４０に記載のモジュラシステム。
【請求項４７】
前記ハウジングの第１側面は、
（ａ）前記データバスに電気的に接続され、前記制御モジュールに電気的に接続するようになされた第１データインターフェースポートと、
（ｂ）前記電源バスに電気的に接続され、前記制御モジュールに電気的に接続するようになされた第１電源インターフェースポートと、
（ｃ）前記少なくとも１つの伝熱媒体流路と流体連通し、伝熱媒体の流体供給源と流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの伝熱媒体入口ポートと、
（ｄ）前記少なくとも１つの使用済み伝熱媒体の流路と流体連通し、使用済み伝熱媒体の流体収集リザーバと流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの使用済み伝熱媒体出口ポートと、
（ｅ）各々が異なる個別の反応物流路と流体連通し、別個の反応物流体供給源と流体連通して接続するようになされた複数の個別の反応物入口ポートと、
（ｆ）前記個別の反応物流路と流体連通し、溶媒流体供給源と流体連通して接続するようになされた溶媒入口ポートと、
を備えることを特徴とする請求項４６に記載のモジュラシステム。
【請求項４８】
前記ハウジングの第２側面は、
（ａ）前記データバスに電気的に接続され、前記反応モジュールに電気的に接続するようになされた第２データインターフェースポートと
（ｂ）前記電源バスに電気的に接続され、前記反応モジュールに電気的に接続するようになされた第２電源インターフェースポートと、
（ｃ）前記少なくとも１つの伝熱媒体流路と流体連通し、前記反応モジュールと流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの伝熱媒体出口ポートと、
（ｄ）前記少なくとも１つの使用済み伝熱媒体流路と流体連通し、前記反応モジュールと流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの使用済み伝熱媒体入口ポートと、
（ｅ）各々が異なる個別の反応物流路と流体連通し、前記反応モジュールと流体連通して接続するようになされた複数の個別の反応物出口ポートと、
を備えることを特徴とする請求項４６に記載のモジュラシステム。
【請求項４９】
第１データインターフェースのポートおよび前記第１電源インターフェースのポートは、前記制御モジュールに迅速に接続および取り外しされるようになっており、伝熱媒体入口、使用済み伝熱媒体出口および複数の反応物入口ポートは、それぞれ、前記伝熱媒体の流体供給源、前記使用済み伝熱媒体の流体収集リザーバ、および、別個の反応物流体供給源の各々に、迅速に接続および取り外しされるようになされていることを特徴とする請求項４７に記載のモジュラシステム。
【請求項５０】
第２データインターフェースポートおよび第２電源インターフェースポートは、前記反応モジュールに迅速に接続および取り外しされるようになされており、伝熱媒体出口、使用済み伝熱媒体入口および複数の反応物出口ポートは、前記反応モジュールに迅速に接続および取り外しされるようになされていることを特徴とする請求項４８に記載のモジュラシステム。
【請求項５１】
反応モジュールは、
（ａ）ポンプモジュールに電気的に接続されたデータバスおよび電源バスと、
（ｂ）複数の伝熱媒体流体経路と、
（ｃ）複数の反応物流体経路と、
（ｄ）生成物流体経路と、
を備えることを特徴とする請求項３３に記載のモジュラシステム。
【請求項５２】
複数の伝熱媒体流体経路は、少なくとも１つの伝熱媒体入口と、伝熱媒体入口の各々と流体連通した少なくとも１つの伝熱媒体流路と、伝熱媒体流体ラインの各々と流体連通した少なくとも１つの伝熱媒体出口と、少なくとも１つの使用済み伝熱媒体入口と、使用済み伝熱媒体入口の各々と流体連通した少なくとも１つの使用済み伝熱媒体流路と、使用済み伝熱媒体流路の各々と流体連通した少なくとも１つの使用済み伝熱媒体出口とを備えることを特徴とする請求項５１に記載のモジュラシステム。
【請求項５３】
複数の反応物流体経路は、複数の個別の反応物入口と、個別の反応物入口の各々および前記リアクタと流体連通する個別の反応物流路とを備えること特徴とする請求項５１に記載のモジュラシステム。
【請求項５４】
生成物流体経路は、前記リアクタと流体連通した生成物出口を備えることを特徴とする請求項５１に記載のモジュラシステム。
【請求項５５】
反応モジュールは、ハウジングを更に備え、該ハウジングは、前記ポンプモジュールに接続されるようになされた第１側面と、前記第１側面と対向する第２側面とを有し、前記リアクタ、前記データバス、前記電源バス、前記複数の伝熱媒体流路、前記複数の反応物流路、および、前記生成物流路を取り囲むことを特徴とする請求項５１に記載のモジュラシステム。
【請求項５６】
前記ハウジングの第１側面は、
（ａ）前記データバスに電気的に接続され、前記ポンプモジュールに電気的に接続するようになされた第１データインターフェースポートと、
（ｂ）前記電源バスに電気的に接続され、前記ポンプモジュールに電気的に接続するようになされた第１電源インターフェースポートと、
（ｃ）前記少なくとも１つの伝熱媒体流路と流体連通し、前記ポンプモジュールと流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの伝熱媒体入口ポートと、
（ｄ）前記少なくとも１つの使用済み伝熱媒体流路と流体連通し、前記ポンプモジュールと流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの使用済み伝熱媒体出口ポートと、
（ｅ）個別の各々が前記個別の反応物流路と流体連通し、前記ポンプモジュールと流体連通して接続するようになされた複数の反応物入口ポートと、
を備えることを特徴とする請求項５５に記載のモジュラシステム。
【請求項５７】
前記ハウジングの第２側面は、
（ａ）前記データバスに電気的に接続され、任意の付加的処理モジュールに電気的に接続するようになされた第２データインターフェースポートと
（ｂ）前記電源バスに電気的に接続され、前記任意の付加的処理モジュールに電気的に接続するようになされた第２電源インターフェースポートと、
（ｃ）前記少なくとも１つの伝熱媒体流路と流体連通し、前記任意の付加的処理モジュールと流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの伝熱媒体出口ポートと、
（ｄ）前記少なくとも１つの使用済み伝熱媒体流路と流体連通し、前記任意の付加的処理モジュールと流体連通して接続するようになされた少なくとも１つの使用済み伝熱媒体入口ポートと、
（ｅ）前記リアクタと流体連通し、前記任意の付加的処理モジュールおよび生成物収集リザーバのうちの何れか一方と流体連通して接続するようになされた生成物出口ポートと、
を備えることを特徴とする請求項５５に記載のモジュラシステム。
【請求項５８】
前記反応モジュールと流体連通し、かつ、該反応モジュールに電気的に接続される少なくとも１つの付加的処理モジュールを更に備えることを特徴とする請求項３３に記載のモジュラシステム。
【請求項５９】
前記少なくとも１つの付加的処理モジュールは、滞留時間モジュールからなることを特徴とする請求項５８に記載のモジュラシステム。
【請求項６０】
前記滞留時間モジュールは、前記反応モジュールの生成物出口ポートと流体連通する毛管流路と、前記反応モジュールと流体連通する熱交換器とを備えることを特徴とする請求項５９に記載のモジュラシステム。
【請求項６１】
前記滞留時間モジュールは、前記毛管流路と流体連通し、前記制御モジュールに制御可能に接続された比例弁を更に備えることを特徴とする請求項６０に記載のモジュラシステム。
【請求項６２】
前記モジュラシステムは、複数の伝熱媒体流体経路を備え、該複数の伝熱媒体流体経路は、並列流体系および直列流体系のうちの何れか一方に構成されることを特徴とする請求項３３に記載のモジュラシステム。
【請求項６３】
所望の化学生成物を生産するために複数の反応物を処理する方法であって、
（ａ）モジュラシステムを容易に再構成できるようになされた複数のモジュールを用意するステップであって、前記複数のモジュールが、
（ｉ）制御モジュールと、
（ｉｉ）前記制御モジュールに制御可能に接続され、前記モジュラシステムを通して流体をポンピングするための少なくとも１つのポンプを備えるポンプモジュールと、
（ｉｉｉ）ポンプモジュールと流体連通し、リアクタを含んでいる反応モジュールと、
（ｉｖ）前記複数の反応物各々の供給源と、
（ｖ）伝熱媒体の供給源と、を含んでいるステップと、
（ｂ）所望の化学生成物を生産するのに適したモジュールを用いて、前記複数のモジュールからモジュラシステムを組み立てるステップと、
（ｃ）前記モジュラシステムへの前記複数の反応物の所望の流量を確立するために、前記制御モジュールに前記複数のモジュールを自動制御させ、前記複数の反応物を前記リアクタ内で化合させて、前記所望の化学生成物を生産するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６４】
ポンプモジュールを、より高い流量をもたらすことが可能な異なるポンプモジュールと交換することによって、前記モジュラシステムの生成能力を増加させるステップを更に含むことを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
リアクタは、マイクロリアクタからなることを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記モジュラシステムが異なる所望の化学生成物を生産することができるように、前記リアクタを異なるリアクタと交換するステップを更に含むことを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記複数の反応物の間で所望の反応が起こるのに充分な時間を提供するために、前記モジュラシステム内の所望の化学生成物の滞留時間を増加させるステップを更に含むことを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６８】
反応モジュールを、より高い流速に適応可能な異なる反応モジュールと交換することによって、前記モジュラシステムの生成能力を増加させるために、モジュラシステムを再構成するステップを更に含むことを特徴とする請求項６３に記載の方法。
【請求項６９】
所望の化学生成物を生産するために少なくとも１つの反応物を処理する方法であって、
（ａ）モジュラシステムを容易に再構成できるようになされた複数のモジュールを用意するステップであって、複数のモジュールが、
（ｉ）制御モジュールと、
（ｉｉ）前記制御モジュールに制御可能に接続され、モジュラシステムを通して流体をポンピングするようになされた少なくとも１つのポンプを備えるポンプモジュールと、
（ｉｉｉ）ポンプモジュールと流体連通し、リアクタを含んでいる反応モジュールと、
（ｉｖ）使用される各反応物の供給源と、
（ｖ）伝熱媒体の供給源と、を含んでいるステップと、
（ｂ）所望の化学生成物を生産するのに適したモジュールを用いて、前記複数のモジュールからモジュラシステムを組み立てるステップと、
（ｃ）前記モジュラシステムへの前記少なくとも１つの反応物の所望の流量を確立するために、制御モジュールに複数のモジュールを自動制御させ、前記少なくとも１つの反応物を前記リアクタ内で反応させて、前記所望の化学生成物を生産するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７０】
少なくとも１つの反応物から所望の化学生成物を生産するために容易に再構成可能なモジュラシステムであって、
（ａ）モジュラシステムを通る複数の流体の流れを制御するポンプモジュールと、
（ｂ）ポンプモジュールと流体連通する反応モジュールであって、該反応モジュール内に配置された交換可能なリアクタ内に、前記少なくとも１つの反応物から所望の化学生成物を生産するのを促進させる環境を含む反応モジュールと、
を備え、前記交換可能なリアクタは、所望の化学生成物を生産することが可能な構成を有していることに基づいて、複数の異なる交換可能なリアクタの中から選択されることを特徴とするモジュラシステム。
【請求項７１】
少なくとも１つの反応物から所望の化学生成物を生産するためのモジュラシステムであって、
（ａ）モジュラシステムによって所望の化学生成物の生成を監視すると共に制御するようになされた制御モジュールと、
（ｂ）使用される各反応物のための反応物供給源であって、そこからの使用される各反応物の流れが制御モジュールによって制御される反応物供給源と、
（ｃ）前記少なくとも１つの反応物を受け取るために、少なくとも１つの反応物供給源と流体連通し、前記制御モジュールに制御可能に接続されると共に、制御モジュールの制御のもとで前記少なくとも１つの反応物から前記所望の化学生成物を自動的に生産するための交換可能なリアクタを含んでいる第１反応モジュールと、
を備えることを特徴とするモジュラシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、概ねモジュラ式化学生産システムに関し、より詳細には、当該システムにより生産される化学生成物の種類および量に適応させるために、このシステムにモジュールを付け加えたり、取り外したりすることができるようにする、マイクロリアクタを組み入れた小型化されたモジュラ式化学生産システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
化学物質の生産を制御すると共に最適化する方法は公知である。温度、圧力、混合条件、反応物の相対量および触媒の使用などのパラメータの制御は、一般によく理解されている。近年、化学生成物の開発および生産の双方のために、微小規模のリアクタに多くの関心が向けられている。これらの形式のマイクロリアクタは、従来の大規模な化学生産システムより優れた幾つかの明確な利点を提供する。
【０００３】
第一に、非常に小さなリアクタにおける化学工程の制御は、大規模な生産タンク内における同様の工程の制御よりもずっと容易である。単一のリアクタ内で比較的少量の化学物質が処理されるので、安全性が向上する。従って、単一のマイクロリアクタに関して起こり得るあらゆる事故の重大さが最小限に抑えられる。マイクロリアクタ内の反応プロセスが発達し、最適化されると、要求される生産レベルを達成するために充分な数量のマイクロリアクタを複製することにより大量生産することができるようになる。このような多数のリアクタを少額のコストで製造できれば、従来の化学生産設備と同等かまたはそれより少ない設備投資で所望の生成物を工業的な量だけ生産することができる。
【０００４】
また、この手法は、小規模生産から大規模生産に移行させるための従来の方法に優る本質的な改善を提供する。過去においては、少量の化学物質を用いる実験室内で完成された化学生産工程は、該工程を大規模生産に転用する際に、工程条件の変化のために、その工程に相当な変更を加えることを要求することが多かった。このようなスケールアップの問題は、研究から生産に移行する際に、なかなか思うようにならず、費用のかかる遅れを引き起こすことが多い。
【０００５】
特に、製薬産業は、望ましく商業的に価値ある性質をもつ薬すなわち化合物を見つけることを願って、毎年多数の新規化合物に関する化学研究に携わっている。その研究過程は、煩雑で時間と費用とを要するものである。新薬を発見することは、諺にいうところの、干草の山の中から針を探す、に例えられてきた。危険な副作用なしに薬効を達成することができる化合物を見つけるには、文字通り、何万、時には数十万もの化合物を作り、試験しなければならない。
【０００６】
このような煩雑な過程は、莫大な時間と費用とを費やすものである。行政機関が一般大衆のために承認する前に新薬の研究および試験には平均８年半を要している、と米国食品医薬品局（ＦＤＡ）は推定している。米議会技術評価局による１９９３年報告書によると、製薬会社は新薬を開発するために平均３万５千９百万ドルを費やしている。米国内だけで年間売上高が約３０億円のＨｏｆｆｍａｎｎ−Ｌａ　Ｒｏｃｈｅ社のような会社は、年間約１０億円を世界規模の調査研究に費やしている。
【０００７】
製薬産業にとってマイクロリアクタには使用上の大きな可能性があると認識されてきた。安全性の利点を与え、研究から本格的な規模の商業生産への移行を容易にすることができるだけではなく、マイクロリアクタは、少量の化学物質を効率よく利用するものである。薬の研究に用いられる化学物質は、高価であり、大量には入手できないことが多い。従って、少量の化学物質を効率よく用いて研究を遂行できることは重要である。
【０００８】
更に、研究環境または生産環境のいずれにおいても、マイクロリアクタのエンドユーザは、単にマイクロリアクタだけではなく、該エンドユーザがマイクロリアクタの全潜在能力を容易かつ効果的に引き出すことができるようにする統合されたシステムを要望していると認識されている。多くのコンピュータユーザがコンピュータシステムの心臓部であるマイクロプロセッサだけではなく完全なコンピュータシステムを購入するように、多くの研究施設および生産設備は、必要に応じて生産規模を変更するためにシステムに変更を加えることにより、エンドユーザがほぼあらゆる所望量の様々な所望の化学物質を効果的に生産することを可能にするマイクロリアクタシステムの購入を望むであろう。
【０００９】
このような統合的なマイクロリアクタに基づくシステムに関する少なくとも一つの設計が検討されている。Ｂａｒｄに付与された特許（米国特許第５，５８０，５２３号）には、流体連通するように接続され、その各々が特定の機能をもつ一連のリアクタモジュールを含むモジュラ式マイクロリアクタが記載されている。Ｂａｒｄは、複数のマイクロリアクタモジュールを支持構造体上に横方向に取り付けて、個々のマイクロリアクタを必要に応じて交換可能にすることを具体的に教示している。Ｂａｒｄの特許に開示されたこれらのリアクタモジュールは、リアクタモジュール、分離器モジュールおよび分析器モジュールを最低限含み、更に、付加的なマイクロリアクタモジュールを直列または並列に付加することができる。Ｂａｒｄは、別個の混合モジュールおよび反応容積モジュールを用いることを具体的に教示している。また、この特許は、このような装置内に、コンピュータ化された制御装置、ポンプ、弁、流路およびマニホールド等のような種々の一般的部品を含めることができるということも教示している。
【００１０】
マイクロリアクタを利用しつつ、Ｂａｒｄのシステムを上回る付加的な汎用性をユーザに与えるモジュラ式化学生産システムを提供することが望まれるであろう。例えば、異なる種類の化学生成物または異なる量の所望の化学生成物の何れかを生産するためにポンプ装置のようなあらゆる部品を必要に応じて交換したり、欠陥部品を容易に交換したりすることができるように、マイクロリアクタ装置だけでなく、システムのすべての部品をモジュラ式の設計にすることが望まれるであろう。
【００１１】
更に、必要とされるモジュールの数を減らすためには、反応して所望の化学生成物を生成する化学物質の混合が、これらの化学物質間の化学反応が起こるのと同一の反応モジュール内で行われ、別個の混合モジュールを必要としないような反応モジュールを提供することが望まれるであろう。このような単一の反応モジュールに、迅速に拡散混合できるようにするマイクロリアクタを組み入れることも望まれるであろう。流体を小流路内に層流パターンで強制的に流すことにより、拡散混合を達成することができ、この拡散混合は、乱流を生じさせること、すなわち、撹拌により達成される混合よりもはるかに迅速かつ効果的であることで特徴付けられる。更に、反応モジュール全体の交換を必要とすることなく異なる種類の化学生成物を生産することができるように、マイクロリアクタを交換することができる反応モジュールを提供することが望まれるであろう。
【００１２】
マイクロリアクタモジュラシステムの他の望ましい機能は、ユーザが記憶された所望の化学生成物のメニューから選択できるようにする感覚的なユーザインターフェースを含む制御モジュールであり、所望量の特定の生成物を選択した後にユーザに要求されるのは、必要とされる化学物質の供給源にシステムを接続することだけになり、制御装置が流量、温度および圧力のような格納された処理パラメータに従ってシステムを制御し、選択された生成物が生産されることになる。
【００１３】
このようなシステムにおけるポンプモジュールには、該ポンプモジュールを高速出力のポンプモジュールに交換することを必要とせずに、反応モジュールに入る反応物の流量を該反応モジュールの最大能力まで増加させることができるような充分なポンピング能力が与えられていなければならない。しかしながら、生産された生成物の量を更に増加させるのにシステム内に付加的反応モジュールが必要とされるのであれば、ポンプモジュールは、所望の流量を提供することができるポンプモジュールに容易に交換される構成にされるべきである。
【００１４】
更に、すべての処理モジュールが、整合した寸法および形状のハウジングを有することが望まれるであろう。処理モジュールのハウジングに組み込まれた何れの入口ポートおよび出口ポートも、すべての処理モジュールについて同じ箇所に配置すべきであり、システムの構成を変える際に処理モジュールを迅速に交換または追加することができるように、処理モジュール間のすべての接続部を高速接続型にすべきであろう。このような接続部は、処理モジュールの交換時における漏洩を防止するために、自動閉鎖式とすることが好ましい。化学工程の温度制御が必要とされる際には、ユーザが、並列の流体熱伝達または直列の流体熱伝達の何れかに適応された処理モジュールを選択する選択権を有しているべきである。
【００１５】
このようなモジュラ式の化学生産システムを用いて有益に達成することが可能な多くの起こりうる反応は、圧力に依存する反応を含むので、このようなシステムは反応経路の端部に比例弁のようなスロットルを含んでいることが望まれるであろう。スロットルを閉じることにより、ポンプモジュールのポンプが液体に高い圧力を加えて一定の流量を維持することになる。
【００１６】
（発明の開示）
本発明によれば、複数の反応物から所望の化学生成物を生産するためのモジュラシステムが定められる。リアクタシステムは、制御モジュールと反応モジュールとを含む。必要に応じて、反応モジュールを交換したり、モジュラシステムを再構成することによって、異なる化学生成物を生産することが可能となる。
【００１７】
制御モジュールは、反応物の供給源からの各反応物の流れを制御することによって、所望の化学生成物の生産を監視すると共に制御するようになされる。制御モジュールは、メモリ、プロセッサおよびユーザインターフェースを含む。メモリに格納されているのは、プロセッサが実行する装置命令であり、該装置命令は、制御モジュールが制御機能を実行できるようにする。また、制御モジュールは、各反応物の供給源と流体連通している反応モジュールをも制御し、該反応モジュールは、反応物間の反応により所望の化学生成物を生産するマイクロリアクタを含む。マイクロリアクタは、混合容積と反応容積とを含む。複数の反応物は流体であると好ましく、気体状態にあってもよい。
【００１８】
一実施形態において、モジュラシステムは、同様に制御モジュールによって制御されるポンプモジュールを含む。ポンプモジュールは、各反応物の供給源および反応モジュールと流体連通し、制御モジュールの指令のもとでモジュラシステム内を流体が流れることを可能にし、該流体の流れを制御する。
【００１９】
反応モジュールと流体連通する付加的処理モジュールを任意に含めてもよい。一実施形態において、付加的処理モジュールは、選択された長さの毛管流路を含む滞留時間モジュールからなり、毛管流路の長さにより、滞留時間モジュール内での所望の化学生成物の滞留時間が制御される。また、滞留時間モジュールは、制御モジュールがモジュラシステム内の圧力を選択的に変化させることができるように、制御モジュールに制御可能に接続された比例弁を含むと好ましい。
【００２０】
また、モジュラシステムは、各々がマイクロリアクタを有する付加的反応モジュールを含んでいてもよく、各マイクロリアクタは、多段階反応の単一ステップを達成するように設計される。２段階処理の単一ステップを促進させるようになされたマイクロリアクタを各々が含んでいる２つの反応モジュールを組み入れた本発明によるモジュラシステムを用いれば、２つの異なる処理ステップを実行することで生成される化学生成物を生産することができる。各反応モジュールは、制御モジュールに制御可能に接続される。各反応物供給源からの流体は、（反応物が気体である場合と同様にポンプモジュールが使用される限り）ポンプモジュールを通して第１反応モジュール内に導かれ、そこで反応の第１ステップが実行される。第２反応モジュールは、第１反応モジュールの出口と流体連通しており、一部反応した流体が第１反応モジュールから第２反応モジュールに流れ、そこで反応の第２ステップが実行されることになる。必要に応じて、第１反応モジュールと第２反応モジュールとの間に残留時間モジュールを配置することができる。同様の手法により、２段階以上を要する反応を、対応する数の反応モジュールを用いて達成することができる。マイクロリアクタは、特定のクラスの化学反応の完了を促進させるように構成され、該マイクロリアクタの各々は、その反応モジュールから取り外されて、異なる化学反応の完了を促進させるように構成された異なるマイクロリアクタに交換され得て、これにより、システムが種々の異なる化学反応を選択的に完了させることができるようになり、それゆえに、様々な異なる化学生成物が生産されることになる。
【００２１】
更に、マイクロリアクタの各々は、所望の化学生成物の生産に関する少なくとも１つの工程を可能にするように構成される。マイクロリアクタによって、複数の試薬が互いに混合されて所望の生成物を生成できるようになることが多い。マイクロリアクタの各々は、該マイクロリアクタ内の複数の試薬および生成物の正確な温度制御を達成できるものであると好ましい。各々のマイクロリアクタは、液／液反応、気／液反応または気／気反応のような特定の形式の化学反応を促進させるように設計される。化学反応に関する付加的なプロセスを可能にするマイクロリアクタは有用であると考えられる。このようなマイクロリアクタは、反応プロセスに関する各種の機能を組み入れることによって達成され得る。マイクロリアクタ内の温度の制御を可能にすることに加えて、このような機能は、拡散に基づく混合、触媒に基づく処理のようなプロセスを可能にすること、および／または、１つまたはそれ以上の次のもの、すなわち、電磁放射源、超音波放射源、アルファ線源、ベータ線源、ガンマ線源、Ｘ線源、放射性粒子源、荷電粒子源、光源、電界および磁界を提供すると共に操作することを含むであろう。このように、交換可能なマイクロリアクタを含むシステムは、様々な異なる化学生成物の生産を促進させるのに適している。各々が（液／液反応のような）異なるクラスの反応を処理するようになされた複数の異なるマイクロリアクタを設けた結果として提供されるシステムにより、少なくとも１つの工程が可能になり、任意で温度制御のような付加的な工程が可能になる。このようなシステムの融通性により、その作用に適した機能を組み入れたマイクロリアクタを選択することにより、ユーザは、所望の生成物を選択的に生産できるようになる。各々が特化された機能を組み入れた様々なマイクロリアクタを製造することも可能であるが、温度制御機能および混合機能のみを組み入れた液／液型のマイクロリアクタを有効に用いて、多種多様な所望の化学生成物を生産することができるであろう。
【００２２】
反応モジュールは、複数のポートをもった第１側面を有するハウジングを含むと好ましい。１つのポートは、反応モジュールを制御モジュールに制御可能に接続できるようにし、他のポートは、反応モジュールが各反応物の供給源と流体連通するようにする。ハウジングの第２側面は、反応モジュールを付加的処理モジュールまたは生成物のリザーバと流体連通する状態で接続可能にする複数のポートを含む。同様にハウジング内に含まれるものは、マイクロリアクタ用の取付フレームである。反応モジュールは、温度センサ、複数の反応物の層流の積層を可能にする混合容積および反応容積といった所望の化学生成物の生産を促進させる手段を含む。
【００２３】
モジュラシステムは、複数の反応物の各々のための流路と、所望の生成物のための流路と、伝熱媒体のための少なくとも１つの流路と、使用済み伝熱媒体のための少なくとも１つの流路とを含んでいる複数の流体経路を含む。伝熱媒体の流体経路は、並列流体系と直列流体系のうちの何れか一方に構成され得る。
【００２４】
ポンプモジュールは、制御モジュールに制御可能に接続された少なくとも１つのポンプを含む。このポンプは、伝熱媒体の流体供給源および反応モジュールの双方と流体連通する。あるいは、このポンプは、複数の反応物の少なくとも１つおよび反応モジュールと流体連通する。一実施形態において、ポンプモジュールは、複数の反応物の各々のための個別のポンプを含み、個別のポンプの各々は、複数の反応物の異なる１つの供給源および反応モジュールと流体連通する。更に、ポンプモジュールは、複数の反応物の反応モジュールへの流れを制御するために、制御モジュールに制御可能に接続された弁を含む。一実施形態において、ポンプモジュールは、各反応物のためのフィルタを更に含み、該フィルタは、反応物が反応モジュールに流れる前に複数の反応物から不要物質を取り除く。
【００２５】
ポンプモジュールは、該ポンプモジュールが制御モジュールに制御可能に接続され、各反応物の供給源と流体連通することを可能にするようになされた複数のポートを含む第１側面と、該ポンプモジュールが反応モジュールと流体連通することを可能にするようになされた複数のポートを含む第２側面とを有するハウジングを含むと好ましい。更に、モジュール間のすべての接続は、モジュールの迅速な接続と分離とを可能にする高速型コネクタを用いて達成されると好ましい。
【００２６】
本発明の他の形態は、複数の反応物ではなく、単一の反応物を用いて所望の化学生成物を生産するようになされたモジュラシステムに向けられる。このようなモジュラシステムにおいて、リアクタモジュールは、例えば、光化学または熱分解により単一成分の反応を促進させる。このモジュラシステムは、上述のモジュラシステムの要素と概ね一致する要素を含むものである。本発明の更に他の形態は、モジュラシステムを用いて所望の化学生成物を生産する方法に向けられる。この方法は、上述のモジュラシステムの機能と概ね一致したステップを含むものである。
【００２７】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明によれば、複数の反応物から化学生成物を生産するためのモジュラシステムが定められ、このモジュラシステムは、複数の交換可能なモジュール装置を含む。制御モジュールは、濃度、流量、温度、圧力、ｐＨ値および滞留時間のようなパラメータの自動制御を可能にする。このシステムは、連続作動用に構成されており、最も簡単な形態において、化学研究施設で研究用途のために必要とされる少量の特殊化学製品の連続製造用に使用することができる。個々のモジュールを交換してシステム性能を変更することができ、また、異なるクラスまたは種類の反応を完了させることができるような異なる構成をもつ反応モジュールと交換することができる。更に、単一の反応モジュールは、複数の試薬から所望の生成物を生産することに関連した複数のプロセスを促進させ得るものであると好ましく、そのシステムにより、ユーザは、与えられた試薬の組から所望の生成物を生産するのにどのプロセスが適切であるかを、複数のプロセスから選択することができる。また、反応モジュールのリアクタ部分を取り外し、（液／液反応のような）特定のクラスの反応用に最適化された反応モジュールと交換してもよい。特定のクラスの反応用に最適化された反応モジュールを、拡散に基づく混合および温度制御のような、反応を完了させることに関連した異なるプロセスを促進させ得るように更に最適化してもよい。
【００２８】
このようなシステムは、複数の反応物ではなく、単一の反応物だけを必要とする反応を促進させ得るようにできることにも留意されたい。このような反応の多くは実行可能なものであり、単一の成分を光化学または熱分解により反応させることを含むことが多い。例えば、光化学型の単一成分反応を促進させるために、反応モジュールのリアクタ部分が光化学反応用に最適化され得る。従って、以下に述べる好ましい実施形態は、複数の反応物から所望の生成物を生産するために最適化されたモジュラシステムに関して言及されるが、本発明の範囲は、単一の反応物だけを反応させることにより、所望の生成物の生産を促進させるように最適化されたモジュラシステムを含むように意図されることは理解されよう。
【００２９】
図１に、モジュラ式化学処理システム１０の概略工程系統図を示す。システム１０は、制御モジュール１２、ポンプモジュール１４および反応モジュール１８を含み、任意に、１つまたはそれ以上の付加的処理モジュール２０を含み得る。システム１０は、必要とされるすべての反応物ならびに該システムに使用されるあらゆる伝熱媒体を該システムに供給する流体供給源１６を含む。必要とされる反応物流体の数は、実行される反応の形式によって変化することは理解されよう。多くの化学反応は、２つの反応物を用いて達成することができるが、幾つかの反応は付加的な反応物をも必要とする。通常、反応物は液体であるが、気体を用いてもよい。固体の反応物は、システムにおける処理を容易にするために、通常、流体に溶解されるか、あるいは、懸濁される。いずれの伝熱媒体も、実際には液状であると好ましい。当該技術分野では（シリカのような）固相の伝熱媒体が公知であるが、このような固体の伝熱媒体が熱交換器内の小流路を通って連続的に流れることを確保することは困難であり、通常、本発明においては、液状の伝熱媒体が好ましい。流体供給源１６は、反応物がシステム内に導入される前に、存在し得る何れの汚染物質をも除去するために、システム１０の流路を洗浄するために用いられる溶媒液を含んでいてもよい。流体供給源１６の特定の設計は重要ではない。標準的な化学製品容器および／または実験室のガラス器具を流体供給源１６として機能するように有効に用いることも想定され得る。流体供給源１６が、使用済みの異なる反応物の各々のための別個の容器、溶媒用の容器、および、伝熱媒体用の容器を含んでいる複数の異なる流体容器を含むことも更に想定される。
【００３０】
制御モジュール１２は、ポンプモジュール１４、反応モジュール１８、何らかの付加的処理モジュール２０、および、流体供給源１６を制御するように接続される。反応物および伝熱媒体は、流体供給源１６からポンプモジュールに流れ込む。制御モジュール１２は、流体供給源１６からの流体の流れを制御し、更に、ポンプモジュール１４のポンピング速度を制御する。伝熱媒体および反応物は、ポンプモジュール１４から反応モジュール１８に流れ込み、そこで所望の化学反応が起こって所望の生成物が生産される。この生成物は、反応モジュール１８を出て、１つまたはそれ以上の付加的処理モジュール２０、あるいは、生成物収集容器２２の何れかに流れ込む。
【００３１】
付加的処理モジュール２０は、種々の機能を実行することができるものである。一実施形態において、付加的処理モジュールは、試薬の反応により生産された生成物が生成物回収容器２２に収集される前に試薬の反応が完了するように、付加的な時間を与えるための滞留時間室を備える。所望の生成物と、該生成物を生産するのに用いられる化学プロセスとに応じて、付加的処理モジュール２０は、例えば、第１反応モジュールの生成物が試薬と化合して所望の最終生成物を生産する２段階反応プロセスに必要とされるような付加的反応モジュール１８を含んでいてもよい。
【００３２】
図２は、別個のポンプモジュールを含んでいないモジュラ式化学生産システム２４を示す。反応物がガスであり、弁を用いて反応物の流量を制御可能である場合、このようなシステムが可能となる。システム２４は、反応ガスの供給源１６ａと伝熱媒体の供給源１６ｂとを含む。また、２つの異なる反応物が用いられることが最も多いが、幾つかの反応は２つ以上の反応物を必要とする。所望の生成物と該生成物とを得るのに用いられる反応の選択がシステムに使用される２つまたはそれ以上の反応物の特定の組をどのように必要とするかということは、当業者であれば容易に理解されよう。
【００３３】
反応ガスの供給源１６ａと伝熱媒体の供給源１６ｂとは、反応モジュール１８と流体連通する状態で接続される。反応ガスの供給源１６ａと伝熱媒体の供給源１６ｂとの双方は、これらが接続される制御モジュール１２によって制御され、該制御モジュールは、反応ガスの供給源と関連した制御弁（別個には図示せず）によって反応ガスの流量を調整する。上述のように、少ない流量に関しては、反応ガス供給源１６ａのための加圧源を使用することにより、別個のポンプモジュールの必要がなくなる。標準ガス容器または商業用グレードガスボンベは、反応ガス供給源１６ａとして機能させる上で有用であろう。
【００３４】
伝熱媒体の流量が制御されるように、制御モジュール１２により制御される独自のポンプを伝熱媒体供給源１６ｂに組み込むことも想定される。この場合、伝熱媒体の流れを制御するのに必要とされるポンプは、ポンプモジュール１４に使用されるポンプよりもシンプルなものである。図１において、ポンプモジュール１４は、伝熱媒体だけでなく複数の反応物をもポンピングするのに用いられ、それゆえに、図１のシステム１０のためのポンプモジュールにおいて、より複雑なポンプシステムが必要とされる。
【００３５】
図３に示すように、制御モジュール１２は、プロセッサ２５、任意の反応データベース２６およびユーザインターフェース２８を含む。反応データベース２６は、本発明のモジュラ式化学反応システムによって生産することができる複数の異なる化学生成物に関する詳細な情報を含むと好ましい。この詳細な情報には、生産可能な種々の生成物、必要とされる出発物質、各生成物の所望量を生産するのに必要とされる出発物質の相対量、反応物および使用される何らかの伝熱媒体の温度および流量といった特定の工程条件のパラメータ、および、各生成物を生産するのに必要とされるポンプモジュールと反応モジュールと何らかの付加的処理モジュールとの種類の特定が含まれると好ましい。また、詳細な情報は、プロセッサ２５による実行のための装置言語命令をも含み、該装置言語命令により、含まれる反応の各々に特有な記憶されたパラメータに従ってシステムを自動制御することができるようになる。ユーザインターフェース２８は、ユーザが複数の選択肢を含むメニューからナビゲートできるように設計されたグラフィック表示を備えると好ましい。この表示から、ユーザは所望の化学生成物を選択することができ、ユーザには、特定形式のポンプモジュール、反応モジュール（またはその中で使用されるマイクロリアクタ）、および、必要とされる何らかの付加的処理モジュールに関する詳細が提供される。この情報が提供されると、ユーザは、モジュラ式化学生産システムが所望の生成物を生産するように適正に構成されていることを確認することができる。ユーザは、システム内にすべての流体供給源と流体接続とが与えられることを確認すると、次に、ユーザインターフェース２８を用いて開始コマンドを作動させ、ユーザが選択した反応に関する反応データベース２６内に格納された工程制御パラメータに基づいて、プロセッサ２５に反応を制御させる。任意の反応データベース２６が用いられない場合、ユーザは、ユーザインターフェース２８を用いて反応パラメータを手動入力する。
【００３６】
図４は、制御モジュール１２ａの他の好ましい実施形態を示し、ここでは、制御モジュール１２ａが、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３０を備える。ＰＣ３０は、プロセッサ２５、（望まれる場合）任意の反応データベース２６、および、ユーザインターフェース（コンピュータ３０のディスプレイ２８）を含み、反応データベースを含む場合、ハードディスクドライブ３１に格納されていると好ましい。ＰＣ３０が制御モジュールとして用いられる場合、ＰＣは、シリアルポート、パラレルポート、または、ユニバーサルシリアルバスポート（いずれも図示されず）といったＰＣのデータポートに接続されるケーブルを介して、システムの少なくとも１つのモジュールの適切なコネクタに接続される。
【００３７】
図５は、ポンプモジュール１４に関連した部品を示す工程系統図である。ポンプモジュール１４の例示的実施形態に関するこの図面は、２成分反応の処理をサポートするように構成されている。上述のように、２つ以上の反応物、あるいは、より多い伝熱流体を必要とする特定の化学プロセスに対応するために、ポンプモジュール１４に簡単な変更を加えることができることは、当業者であれば容易に理解されよう。制御モジュール１２には、一般的な従来の電源３２が電力を供給する。電力およびデータの双方は、制御モジュール１２をポンプモジュール１４に電気的かつ作動的に接続する導体４９を介して伝えられる。代わりに、ポンプモジュール１４は、必要な電力を供給する別個の電源３２’に接続されてもよい。ポンプモジュール１４の電力需要が比較的少ないシステムに関しては、ポンプモジュール１４は、電源３２から制御モジュールおよび導体４９を介して供給される電流を用いて作動されると有利である。ポンプモジュール１４の電力需要が比較的高い場合には、ポンプモジュール１４を別個の電源３２’に接続すると有利である。
【００３８】
制御モジュール１２は、反応物１の供給源１６ｃ、溶媒供給源１６ｄ、反応物２の供給源１６ｅ、および、伝熱媒体供給源１６ｂに機能的に接続される。反応物１と反応物２とは、反応モジュール１８内で混合されて所望の化学生成物になる。溶媒供給源１６ｄは、ポンプモジュール１４とそれに続くモジュールのすべての流体ラインおよび流路を洗浄するのに用いられ、前の反応から残ったいかなる試薬残留物をもシステムから洗い流し、試薬残留物が現在の反応におけるシステムの現在の動作に干渉しないことを確保する。更に、モジュラ式化学反応システム内の流路を予熱または予冷するために、溶媒供給源１６ｄを所望の温度に供することができる。
【００３９】
システムが初期化され、制御モジュール１２内の任意の反応データベースから特定の化学生成物が選択され（または、ユーザがユーザインターフェース２８を用いて制御パラメータを入力し）、ユーザが反応物１の供給源１６ｃおよび反応物２の供給源１６ｅをポンプモジュール１４と流体連通するように適切に位置決めした後に、ユーザは、制御モジュール１２のユーザインターフェースを用いてシステムを作動させる。制御モジュール１２は、データ／電源バス４８を介してポンプモジュール１４内のすべての制御可能な要素に機能的に接続される。例えば、制御モジュール１２は、反応物１の供給源１６ｃおよび溶媒供給源１６ｄと流体連通している弁３４ａに制御信号を送る。最初に、制御モジュール１２から送られた信号により、弁３４ａが溶媒を溶媒供給源１６ｄからシステムを通して流通させ、前述のように流体ラインを洗浄させる。同様に、制御モジュール１２は、電源／データバス４８を介して溶媒供給源１６ｄおよび反応物２の供給源１６ｅと流体連通している弁３４ｂに機能的に接続される。また、制御モジュール１２は、電源／データバス４８を介して弁３４ｂに制御信号を送り、溶媒を流通させて溶媒供給源１６ｄからの溶媒によってシステム内の流路およびラインを洗い流し得るようにする。所望時間が経過した後、制御モジュール１２は、弁３４ａおよび弁３４ｂの双方に信号を送って溶媒の流れを遮断し、反応物１および反応物２の双方が所望量でシステムを流れるように状態を変化させる。弁３４ａを通過すると、反応物１は、流体ライン３６ａを通り、同様に電源／データバス４８を介して制御モジュール１２に機能的に接続されたポンプ３８に流れ込む。同時に、所望量の反応物２が流体ライン３６ｂを通ってポンプ４０に流れ込む。
【００４０】
制御モジュール１２は、反応物１および２の双方の所望流量を達成するために、ポンプ３８および４０のポンピング速度を制御する。反応物が流れていることの確認を制御モジュール１２に与えるために、ポンプ３８および４０の下流には、圧力センサ４４が含まれる。フィルタ４６は、流体ライン３６ａおよび３６ｂと流体連通しており、反応物１の供給源１６ｃおよび反応物２の供給源１６ｅを汚染する可能性がある何れの粒子状物質をも濾過するのに用いられる。反応モジュールにマイクロリアクタが組み込まれた好ましい実施形態において、これらのフィルタは特に重要である。マイクロリアクタ内の流路の寸法は、特質上非常に小さい。従って、比較的小さい微粒子でさえも、これらの流路に詰まり、マイクロリアクタの効率を著しく損なうことがある。圧力変化はフィルタの目詰まりを示すことから、圧力センサ４４がシステム内の圧力の変化を示した際に、ユーザにフィルタを調べるよう警告するように制御モジュール１２をプログラミングしておくとよい。好ましい実施形態においては、図示されるように、圧力センサ４４がポンプの後に配置され、フィルタ４６が圧力センサ４４の後に配置されるが、圧力センサ４４およびフィルタ４６は、ポンプ３８および４０の前に配置され得ることにも留意されたい。
【００４１】
制御モジュール１２は、更に、伝熱媒体の供給源１６ｂに制御可能に接続される。反応データベース２６内に格納された制御パラメータに基づいて、制御モジュール１２は、伝熱媒体の供給源１６ｂに所望の量を放出させるか、あるいは、流体ライン３６ｃを通る伝熱媒体流体の流量を制御する。流体ライン３６ｃは、伝熱媒体ポンプ４２と流体連通するように接続される。ポンプ４２は、システムを通る伝熱媒体流体の流量を制御することができるように制御モジュール１２に制御可能に接続される。
【００４２】
反応物１、反応物２および伝熱媒体は、すべてポンプモジュール１４を出て、それぞれ流体ライン３６ａ、３６ｂ、３６ｃを通って反応モジュール１８に流れ込む。反応モジュール１８から流れ出る使用済み伝熱媒体は、流体ライン３６ｄを介してポンプモジュール１４に戻る。流体ライン３６ｄは、伝熱媒体戻し容器１６ｆと流体連通しており、ポンプモジュール１４は流体ライン３６ｄに対しては何の機能も果たさないことに留意されたい。流体ライン３６ｄは、伝熱媒体を戻し容器に送達させるために、単にポンプモジュールを通っているだけである。従って、流体ライン３６ｄは、ポンプモジュール１４を通して伝熱媒体を流す代わりに、反応モジュール１８から伝熱媒体戻し容器１６ｆに伝熱媒体を直接流すように配置されてもよい。ただし、モジュラ式反応システムは、モジュールの外にある流体ラインおよび制御ラインの数を最小にするために、プロセスに使用されるすべての流体が１つのモジュールから次のモジュールに流れるように設計される。
【００４３】
図６は、反応モジュール１８の好ましい実施形態に含まれる機能要素の詳細を提示するものである。反応モジュール１８は、ポンプモジュール１４に電気的に接続され、かつ、該ポンプモジュールと流体連通しており、更に電源／データバス４８を含んでいる。導体４９は、ポンプモジュール１４の電源／データバスを反応モジュール１８の電源／データバス４８に接続させて、データがポンプモジュールと制御モジュール１２との間で双方向に流れることができるようにする。導体４９は、更に、反応モジュール１８の電源／データバス４８をシステム内で使用される何らかの任意の付加的処理モジュールに接続する。ポンプモジュール１４と反応モジュール１８との流体接続には、反応物１の流体ライン３６ａ、反応物２の流体ライン３６ｂ、伝熱媒体の流体ライン３６ｃ、および、使用済み伝熱媒体の流体ライン３６ｄが含まれる。反応物１は、流体ライン３６ａを通って反応モジュール１８に流入し、次いでマイクロリアクタ５２に流入する。反応物２は、流体ライン３６ｂを通って反応モジュール１８に流入し、次いで同様にマイクロリアクタ５２に流入する。図６は、マイクロリアクタ５２内の反応物１および２の経路を示すようになされていないことに留意されたい。２つの反応物は、マイクロリアクタに流入し、単一の生成物が生成物流体ライン３６ｅを通って該マイクロリアクタを出て行く。生成物ライン３６ｅは、何らかの任意の処理モジュールと流体連通するように破線で示される。システムによって実行されるプロセスに任意の処理モジュールが必要とされない場合、流体ライン３６ｅは、図において実線で示されるように、生成物回収容器２２に直接流れ込む。
【００４４】
伝熱媒体流体は、伝熱流体ライン３６ｃを通ってマイクロリアクタに入り、次に、何らかの任意の付加的処理モジュールと流体連通するように接続された流体ライン３６ｃを通ってマイクロリアクタおよび反応モジュールを出る。付加的処理モジュールが含まれない場合、流体ライン３６ｃは、使用済み伝熱流体を使用済み伝熱流体容器１６ｆに戻すための使用済み伝熱流体ライン３６ｄに直接に接続される。
【００４５】
本発明では、マイクロリアクタの種々の異なる構成が有利に使用され得る。マイクロリアクタの各々は、単に特定の化学反応用に設計され得るが、反応プロセスが本質的に類似している種々の化学生成物を生産するには、通常、１つの設計構成であるのが有効であることから、特定のクラスまたは種類の化学生成物の生成に対応するように設計される可能性が高いであろう。
【００４６】
特に有用なマイクロリアクタは、２０００年２月３日に出願された「小型化された反応装置」という名称の本出願人による係属中の米国特許出願第０９／４９６，９９９号に記載されており、その明細書および図面は、ここに参照として組み入れられる。好ましい一実施形態において、反応モジュール１８内のリアクタはマイクロリアクタであるが、微小規模でないリアクタを本発明と併せて代替的に使用することができることにも留意されたい。一般に、マイクロリアクタは、特に反応物の流路に関して、寸法が１ｍｍより小さい流体構造を組み入れるものとして特徴付けられる。従って、反応モジュールは、通常はマイクロリアクタに関連した微小規模の流体構造よりも寸法が大きい流体構造をもつリアクタを組み入れることができるので、本発明は、反応モジュールがマイクロリアクタを含んでいるモジュラシステムだけに限定されるものではないことは理解されよう。リアクタの全体的な寸法と形状が反応モジュール内に収めるのに適応可能であれば、大規模な流体構造をもつリアクタを使用することも可能である。
【００４７】
特定の化学反応、すなわち、特定のクラスまたは種類の化学反応のためにのみ設計されたマイクロリアクタに加えて、有利なマイクロリアクタは、複数の試薬から所望の生成物を生産することに関連した複数の異なるプロセスを促進させる能力を組み入れたものであることが考慮されよう。通常、マイクロリアクタは、複数の試薬の混合を促進させる。しかしながら、１つまたはそれ以上の試薬を触媒が含浸された表面上に通すことを含む反応や、適当な波長の光を当てることで開始される光化学反応のように、すべての反応が試薬の混合を必要とするわけではないことに留意されたい。好適なマイクロリアクタによって、試薬と生成物との正確な温度制御ができるようになり、これにより、収率と製品の品質とを向上させることができる。本発明に使用するためのマイクロリアクタに有利に組み入れることができる他のプロセス制御パラメータには、磁気、圧電抵抗、圧電、形状記憶、放射能、触媒、光学、電磁気、および、静電気の制御パラメータが含まれる。これらの制御パラメータの何れも、制御モジュール１２により制御可能であると好ましい。従って、反応モジュール１８内のマイクロリアクタが複数のプロセスを実行することができるシステムにおいて、任意の反応データベース２６によりナビゲートされたユーザが特定の所望の化学生成物を選択すると、マイクロリアクタによってサポートされた複数のプロセスの何れが所望の生成物を生産するために制御モジュール１２により利用されるのかが決定される。任意の反応データベース２６を含んでいないシステムにおいては、ユーザは、反応に関する既知の制御パラメータを（ユーザインターフェース２８を介して）手動入力し、制御モジュール１２が所望の生成物を与えるのに必要とされるプロセスを選択的に制御できるようにする。
【００４８】
反応モジュール１８は、複数の温度センサ５４を含むと好ましい。これらの温度センサは、反応モジュール１８およびポンプモジュール１４の双方の電源／データバス４８および導体４９を介して、制御モジュール１２に電気的に接続される。制御モジュール１２は、複数の温度センサによって生成された信号から取り出されるデータを使用して（ポンプモジュール１４のポンプ４２を用いて）伝熱流体の流量を調整し、マイクロリアクタ５２内の所望の温度パラメータを維持する。図６に示された３つの温度センサより多いかまたは少ない温度センサを、反応モジュール内で有利に使用することができることに留意されたい。
【００４９】
図７は、付加的処理モジュールの好ましい実施形態を示す。この実施形態において、付加的処理モジュールは、滞留時間モジュール２０ａであり、生成物が生成物回収容器２２に送られる前に完全に反応することを保証するために、システム内での生成物の滞留時間を増やすように設計されている。滞留時間モジュール２０ａは、反応モジュール１８と流体連通し、かつ、該滞留時間モジュール２０ａの下流に配置された何らかの付加的処理モジュール２０と流体連通している。滞留時間モジュール２０ａは、導体４９を介して、反応モジュール１８と、更には何らかの付加的処理モジュール２０とに電気的に接続される。上述したポンプモジュールおよび反応モジュールと同様に、滞留時間モジュール２０ａは、電源／データバス４８を含む。上述のように、各モジュールに含まれる電源／データバスは、すべて制御モジュール１２に電気的に接続され、これにより、制御モジュール１２があらゆるモジュール内の部品を制御できるようになる。
【００５０】
反応モジュール１８を出た生成物は、生成物の流体ライン３６ｅを通って滞留時間モジュール２０ａに入り、毛管流路５６に導かれる。毛管流路５６は、外部シェル５８で覆われた円筒形の内部コア６０の周りに巻回されており、これにより熱交換器が形成される。反応モジュール１８および流体ライン３６ｃからの伝熱媒体は、内部コアと外部シェルとによって定められる領域内を流れ、これにより、毛管流路５６が伝熱流体の流れの中に浸される。好ましい実施形態において、毛管流路５６は、毎分１ｍｌの流量で４５分間の滞留時間を達成するのに充分な長さをもつ。一般に、４５分間の滞留時間は、ほとんどの化学反応の大多数が完了に至るのに充分な時間である。特定の化学反応が滞留時間を増加させることにより恩恵を受けるということが分かっている場合には、滞留時間モジュール２０ａの下流に付加的な滞留時間モジュールを加えるか、あるいは、毛管流路５６の代わりにより長い毛管流路を使用してもよい。
【００５１】
生成物は、毛管流路５６を出て流体ライン３６ｅを通って比例弁６２に流れ込む。圧力に依存する幾つかの可能な反応をこのシステムで実行することができる。これらの反応には、例えば、体積の減少、沸点の上昇、および、液相における気体濃度の増加を伴う反応が含まれる。従って、所定の圧力で反応を起こすことによって、特定のプラス効果が得られる。反応経路の圧力を上昇させるには、反応経路の遠心端にスロットルが必要とされる。このスロットルを閉じると、一定の流量を維持するために、ポンプモジュールのポンプが反応モジュール内に高い圧力を生じさせる。この実施形態において、スロットルは比例弁６２からなる。比例弁６２は、制御モジュール１２に電気的に接続され、それにより、該制御モジュール１２により機能的に制御される。
【００５２】
図８は、ポンプモジュール１４、反応モジュール１８、および、何らかの付加的処理モジュール２０（または２０ａ）のハウジングについての好ましい実施形態を示す。図５、図６および図７に関連して既に説明したように、ポンプモジュール１４、反応モジュール１８、および、何らかの付加的処理モジュール２０の各々は、モジュールの一方の側部に流体入口を含み、該モジュールのそれと反対側の側部に流体出口を含む。これらの入口および出口は、モジュールの機能にかかわらず各モジュールの両側に沿った同じ位置に整合して配置されると好ましい。それゆえに、ユーザは、流体接続を必要とする場所を正確に理解し、その流体接続部が常に整合して同じ箇所に位置していることから、モジュールを他のモジュールに置き換えることができる。図８では、モジュールの片面だけが示されているが、このモジュールの反対側には図８に示されたものと同じ流体ポートが組み込まれ、モジュールの一方の側部に雄接続部が設けられると共に、他方の側部にそれに対応する雌接続部が設けられることは理解されよう。これらのポートは、複合データ／電源ポート６４、２つの伝熱媒体ポート６６、および、２つの反応物／生成物ポート６８を含む。電源／データポート６４は、導体４９を個々のモジュールの各々の内部電源／データバスに接続するのに用いられ、これにより、制御モジュール１２がすべてのモジュールに機能的に接続されることを可能にする。伝熱媒体ポート６６の１つは、伝熱媒体をモジュール内に運ぶために用いられる一方、もう１つの伝熱媒体ポート６６は、使用済みの伝熱媒体がモジュールから出て使用済み伝熱媒体容器１６ｆに集められるようにするのに用いられる。流体接続部は、自動封止する高速接続型のものであると好ましい。
【００５３】
反応モジュール１８の出口側、および、何らかの付加的処理モジュール２０（または２０ａ）の入口側および出口側の双方に関しては、生成物だけがモジュールのこれらの側部を通過するので、２つの反応物／生成物流体ポート６８が必要ないことに留意されたい。ただし、すべてのモジュールにあるこれらのポートの構成に関する整合性を維持するために、両方の反応物／生成物流体ポート６８が含まれる。ポンプモジュール１４については、反応物１と反応物２とをポンプモジュールから反応モジュールにポンピングすることができるように、両方の反応物流体ポートが必要とされる。反応モジュール１８の入口入力側には、反応物１と反応物２とをマイクロリアクタ５２に導くことができるように、２つの反応物／生成物流体ポート６８が必要とされる。反応物１と反応物２とは、マイクロリアクタ５２内で混合されるので、反応モジュール１８の出口側にある２つの反応物／生成物流体ポート６８のうち１つだけが使用される。何らかの付加的処理モジュール２０において、反応物１および２ではなく生成物だけがこれらのモジュールを通って流れるので、２つの反応物／生成物流体ポート６８のうち１つだけが使用される。隣接したモジュールの流体ポート間の流体接続をなすために、高速接続されるバイオネット型の雌／雄コネクタが用いられる。また、流体ポートと電源／データポートとを取り囲むバイオネット接続部７２は、個々の流体ポートおよび電源／データポートを接続された状態に維持し、より流体密封性の高い囲いを与えるように設けられる。バイオネット接続部７２は、バイオネット作動レバー７４を作動させることによって、隣接するモジュールの対応するバイオネット接続部にロックされる。バイオネット作動レバーは、ハウジングの各側に含まれており、モジュールの隣接する側のそれぞれのポートが互いに接続される際に、バイオネット接続部同志をロックする。
【００５４】
ある反応は、別の伝熱媒体流体ポート、または、別の反応物流体ポートがモジュールに設けられることを必要とすることに留意されたい。すべての流体接続部が１つの領域に集合され、整合して配置されると共に容易に識別されるように、必要とされる数のポートをモジュールのハウジングの同じ場所に設け得ることは、当業者であれば容易に理解されよう。
【００５５】
図９は、反応モジュール１８の好ましい実施形態の内部を詳細に示す側面図である。この図面から、ハウジング５０は、両側に２つのバイオネット接続部７２を含み、その各々が１つの電源／データポート６４、２つの伝熱媒体流体ポート６６、および、２つの反応物／生成物ポート６８を含むことがわかる。反応モジュール１８の内部において、取付ブラケット７６の中にマイクロリアクタ５２が配置される。取付ブラケット７６は、複数の取付ボルト８０によって固定される。複数の取付ボルトの周りには、対応する複数のばね８２が差し込まれ、これらのばね８２は、マイクロリアクタ５２と取付ブラケット７６を所望の位置に固定するのに用いられる付勢力を与える。このリアクタを反応モジュール１８内に適切に位置決めするのを支援するために、案内ピン７８が含まれると好ましい。反応モジュール１８は、マイクロリアクタ５２を反応モジュールから容易に取り外し、異なる化学反応を行うように設計された異なるマイクロリアクタと交換するか、あるいは、先のマイクロリアクタに不良があることがわかった場合に、同じ設計のマイクロリアクタと交換することができるように設計される。上述のように、微小規模の流路を含んでいない適正な寸法および形状のリアクタを有利に用いることもできる。
【００５６】
図９に示すように、電源／データバス４８は、マイクロリアクタ５２を通り抜ける代わりに、マイクロリアクタ５２の周りに引かれる。この図面には示されていないが、電源／データバス４８は、図６から明瞭にわかるように、温度センサ５４に電気的に接続される。温度センサ５４は、マイクロリアクタ５２内と反応モジュール１８の内部容積との双方の温度を記録する。温度センサ５４の目的は、マイクロリアクタおよび反応モジュール内の温度条件に関する現在の情報を制御モジュール１２に与えることである。反応モジュール内の温度条件に関する情報が制御モジュール１２に与えられ、制御モジュール１２が温度パラメータを所望のレベルに維持することができるのであれば、異なる位置の温度センサ５４を使用し得ることは当業者に容易に理解されよう。
【００５７】
図９は、マイクロリアクタ５２内を通る伝熱流体の経路３６ｃおよび３６ｄを示す。図１３および図１４に関して後述するように、熱伝達用の流体系を直列形式かまたは並列形式の何れか一方の構成にすることができる。伝熱媒体の流体ライン３６ｃは、リアクタ内での熱交換を提供するために、マイクロリアクタ５２を通り抜けなくてはならない。ただし、幾つかの実施形態においては、使用済み伝熱媒体の流体ライン３６ｄがマイクロリアクタ５２を通り抜けず、その代わりに、マイクロリアクタ５２とのあらゆる干渉を避けるために、ハウジング５０を通して引かれてもよい。
【００５８】
反応物１の流体ライン３６ａおよび反応物２の流体ライン３６ｂは、反応モジュールに入り、マイクロリアクタ５２へと導かれる。これらの２つの経路を通して流れる反応物流体は、マイクロリアクタ内で混合されて反応を起し、所望の化学生成物を生産する。この生成物は、生成物流体ライン３６ｅを通ってマイクロリアクタ５２を出る。マイクロリアクタ５２を通る伝熱媒体、反応物および生成物の流路が図９に示すように極めて簡略化されることは理解されよう。更に、マイクロリアクタ内の伝熱媒体の流路を、少なくとも１つの熱交換器、多くの場合は複数の熱交換器を形成してマイクロリアクタの異なる部分を温度に関して制御するように配置することができることも理解されよう。複数の異なる混合容積および反応容積は、マイクロリアクタ５２内に容易に設けられる。上述のように、好適なマイクロリアクタは、本出願人による係属中の米国特許出願の中に詳細に記載されている。更に、様々な異なるマイクロリアクタの設計も可能であり、リアクタは、マイクロリアクタ型のものであることが好ましいが、代わりに、微小規模の流路を組み入れていないリアクタを同様に使用することもできる。
【００５９】
図１０および図１１は、取付ブラケット７６の好ましい一実施形態の詳細を示すものである。これらの図面の取付ブラケットは、プレート８４、プレート８５およびプレート８６を含む。マイクロリアクタは、プレート８４および８５の間に挟み込まれている。プレート８４およびプレート８６の位置は固定されるが、プレート８５は、他の２つのプレートに対して移動可能とされる。閉鎖位置において、プレート８５は、マイクロリアクタ５２の出口側に隣接している。プレート８４は、温度センサ５４と、両方とも伝熱媒体流体のためのポート９６ｃおよびポート９６ｄと、マイクロリアクタから生成物を取り出すためのポート９６ｅとを含む。また、取付ブラケット７６は、マイクロリアクタをプレート８４と８５との間に固定するために、プレート８５をマイクロリアクタに向けて移動させると共に、固定するのに用いられる解放レバー８８を含む。図１０において、解放レバー８８は閉鎖およびロック位置にあり、プレート８５は、マイクロリアクタ５２に対してしっかりと当接している。
【００６０】
図１１において、解放レバー８８は、開放すなわちロックされていない位置にあり、プレート８５をマイクロリアクタから離れるように移動させ、リアクタフレーム９０がプレート８４および８５から９０°だけ外側に回転できるようになっている。そして、マイクロリアクタ５２をリアクタフレーム９０内に容易に挿入すると共に、そこから容易に取り外すことができる。この図面では、伝熱媒体用に設けられた流体ポート９６ｃおよび９６ｄ、反応物１の流体ポート９６ａ、および、反応物２の流体ポート９６ｂとを含む複数の流体ポートがプレート８５内に認められる。
【００６１】
図１２は、滞留時間モジュール２０ａの好ましい一実施形態の内部の詳細を示すものである。このモジュールも、両側にバイオネット接続部７２を含み、該バイオネット接続部の各々は、１つの電源／データポート６４、２つの伝熱媒体ポート６６、および、２つの反応物／生成物ポート６８を含む。滞留時間モジュール２０ａのハウジング５０内には、円筒形の内部コア６０と、（該円筒形の内部コア６０の周りに巻かれた）毛管流路５６と、外部シェル５８とがある。反応モジュール１８からの生成物は、２つの流体ポート６８ｂのうちの１つを通って滞留時間モジュール２０ａに入る。選択された流体ポート６８ｂが反応モジュール１８からの生成物を取り出すのに用いられる流体ポート６８ｂと適切に嵌合する限り、どの流体ポート６８ｂが選択されるかは重要ではない。
【００６２】
反応モジュール１８からの生成物は、毛管流路５６に導かれる。毛管流路５６の長さは、所望の滞留時間を与えるように選択されると好ましい。上述のように、例示の好ましい実施形態における毛管流路の長さは、約４５分間の滞留時間を可能にするものであり、これは一般に、収集容器２２に移送される前に生成物が完全に反応を終えるのに充分な時間である。伝熱媒体は、伝熱流体ポート６６の１つから滞留時間モジュール２０ａに入り、流体ライン３６ｃを通って、円筒形の内部コア６０と外部シェル５８との間の領域に流入する。円筒形の内部コア、外部シェルおよび毛管流路５６の物理的配置により、生成物を所望の温度に維持する熱交換器が提供される。伝熱媒体は、円筒形の内部コア６０と外部シェル５８との間の領域から流体ライン３６ｃを介して出て、モジュール２０ａの両端にある伝熱流体ポート６６の１つに至る。そこから伝熱流体は、付加的処理モジュールか、あるいは、伝熱流体が上流のモジュールに戻される場合には、流れ反転器（ほぼＵ字形状の管）の何れかに導かれる。（流れ反転器または付加的処理モジュールからの）使用済み伝熱媒体は、伝熱流体ポート６６（すなわち、モジュールを出る伝熱媒体によって使用されない方）を介して滞留時間モジュール２０ａに入り、流体ライン３６ｄを介して該モジュールを通して移動する。流体ライン３６ｄは、滞留時間モジュール内の温度調節に関係するものではなく、単に使用済み伝熱流体をシステムの上流の前のモジュールに移動させて、最終的に、伝熱流体の回収容器１６ｆに貯留するだけのものであることに留意されたい。図１２において、各流体の相対的な流れの方向を示すために矢印が用いられている。電源／データバス４８に関して図面において用いられる双方向矢印は、電気信号が制御モジュール１２と滞留時間モジュール２０ａとの間を移動可能であることを示す。
【００６３】
上述のように、伝熱媒体流体の流れを直列流体系または並列流体系の何れかに配置することができる。図１３は、直列流体系を示す。温度調整された伝熱流体（「△Ｔ流体」として示す」は、伝熱媒体供給源１６ｂから流体ライン３６ｃを通ってポンプモジュール１４、次いで反応モジュール１８、最後に何らかの付加的処理モジュール２０へと流れる。各々に続くモジュールを通り抜けた後に、流体がモジュールを通過する際のモジュールと流体との間の熱伝達の結果として、伝熱流体の温度は通常変化する。付加的処理モジュール２０を出た後、温度調整された流体は、Ｕ字形状の流れ反転器９２に入る。次いで、使用済みの伝熱媒体は、流体ライン３６ｄを通して処理モジュール２０、反応モジュール１８およびポンプモジュール１４へと戻され、最後に使用済み伝熱媒体の回収容器１６ｆに収集される。他の形状の流れ反転器を使用することもでき、また、使用済み伝熱媒体の回収容器１６ｆをシステムの初めではなくシステムの終わりに配置してもよく、これにより、処理モジュール２０、反応モジュール１８およびポンプモジュール１４における流れ反転器および流体ライン３６ｄの必要性がなくなる。使用済み伝熱媒体の回収容器１６ｆを伝熱媒体の供給源１６ｂに隣接して配置することの利点は、使用済み流体を熱的に再調整し、伝熱流体の供給源を補充するのに使用して閉ループシステムを提供し得ることにある。
【００６４】
図１４は、並列流体系を示す。この並列流体系において、温度調整された伝熱流体がモジュールの熱変換器に入ると、この熱交換器からの使用済み伝熱流体は、後続のモジュールの引き続く熱交換器に送られるのではなく、流れ反転器９２と使用済み伝熱媒体の流体ラインとを通して、使用済み伝熱流体の回収容器へと直ちに戻される。このシステムは、特に、温度調整された伝熱媒体の流体供給源から遠く離れたモジュールの熱交換器におけるより良好な温度制御を可能にする。システムの最後のモジュールに配置される流れ反転器９２は、任意のものであると考えられることに留意されたい。流れ反転器９２は、使用済み伝熱媒体の回収容器１６ｆか、あるいは、付加的処理モジュール２０に隣接して配置された付加的な使用済み伝熱媒体の回収容器（別個に図示せず）と流体連通している流体ライン（図示せず）に置き換えることができる。流れ反転器９２の使用は、よりよい流体の平衡状態をもたらすので好ましいものである。モジュール内に配置された流れ反転器９２に関しては、これらの流れ反転器をモジュール、すなわち（反応モジュールのマイクロリアクタ内や、円筒形の内部コア６０と外部シェル５８によって形成された滞留時間モジュールの熱交換器内等）モジュール内の部品に組み入れることができる。
【００６５】
図１５は、直列伝熱媒体の流体系と、更に制御モジュール１２、ポンプモジュール１４、反応モジュール１８および滞留時間モジュール２０ａを含む本発明の実施形態を示すものである。
【００６６】
（モジュラシステムにより実行される動作ステップの例）
【００６７】
ステップ１：予備作業
何らかの生成物を生産する前に、ユーザは、まず最初に、制御モジュールのユーザインターフェースを用いて、所望の生成物を選択する必要がある。更に、１つ以上の反応が同一の生成物を生産することもあり得るので、ユーザは、好ましい反応を選ぶ必要があるかもしれない。制御モジュール１２内の任意の反応データベース２６は、所望の生成物と方法とを選ぶ上で有用である。適正な反応条件が決定されると、必要とされる適切な反応物、溶媒、および伝熱媒体が与えられる。
【００６８】
もちろん、反応物の選択は、所望の特定の生成物に基づくものである。溶媒は、使用される試薬との適合性に基づいて選択される。溶媒は、システムを洗浄するのに用いられる。伝熱媒体の選択は、必要とされる反応温度に基づいて決定される。ある一つの反応温度で有用な伝熱媒体は、それと著しく異なる反応温度では有用でないこともある。
【００６９】
所望の生成物の関数として、特定のポンプモジュール、反応モジュール、および／または、付加的処理モジュールを必要とすることがある。本発明のシステムは、モジュールの互換性を支援するように設計されているので、ユーザは、所望の反応に適したモジュールが与えられていることを確認しなければならない。使用されるポンプモジュールは、反応物と伝熱流体との要求流量によって決まるが、使用される反応モジュールは、リアクタの処理量、および／または、特定の反応を行うのに必要とされるリアクタの特定の設計によって決まる。最終的には、多くの生成物が滞留時間室の使用を必要とするが、そうではないものもある。システム容量は、ポンプモジュールによって与えられる流量を増加させ、この流量に対応できるリアクタを用いることで変更することができるので、必要とされる生成物の所望量も、システムの構成に影響するパラメータとなる。上述のように、反応物が加圧気体である場合には、別個のポンプモジュールは必要とされない。
【００７０】
所望の反応を達成するためにモジュールが適正に選択されると、モジュール間に流体接続および電気的接続がなされる。反応物、溶媒、および伝熱媒体の供給源をポンプモジュールに接続する必要がある。生成物と使用済みの伝熱媒体とを受け取るために空の容器を供給し、これをシステムと流体連通するように配置しなければならない。
【００７１】
ステップ２：「開始」選択
システムが適正に組み立てられ、流体接続がなされると、ユーザは、制御モジュールのユーザインターフェースを用いて「スタート」コマンドを実行することにより生成工程を開始させる。また、制御モジュールのユーザインターフェースは、生成を停止するためにいつでも使用され得る「ストップ」コマンドをも含む。開始から停止まで、または、予めプログラムされた量の生成物が供給されるまで、制御モジュールはシステムを自動的に動作させる。
【００７２】
ステップ３：システムの熱調節
スタートコマンドを受け取ると、制御モジュールは、伝熱媒体をシステムの熱交換器にポンピングし始める。熱交換器は、通常、反応モジュール内に含まれるが、何らかの付加的処理モジュール内に含めることもできる。システムには、いつ所望の温度条件が達成されるかを制御モジュールが判断でき、かつ、達成時までシステムに反応物が投入されないようにするのに充分な温度センサを含めると好ましい。この実施形態において、温度センサのデータがシステムの温度と所望の温度との差が２ケルビンしか離れていないことを示す時、熱平衡が得られたと考えられる。あるいは、伝熱媒体がシステムに所望の温度をもたらすことを可能にするために、スタートコマンドが発せられてから反応物をシステム内に導入する前に所定の時間だけ待機するように制御モジュールをプログラミングしてもよい。
【００７３】
熱調整が行われるのと同時に、制御モジュールは、反応物の流路とシステムのラインとを洗浄するために溶媒を使用する。特に、滞留時間モジュールがシステム内に含まれる場合には、洗浄用溶媒の流量を、反応物に用いられる流量を大きく上回るように増加させることにより、洗浄ステップに要する時間を減少させることができる。
【００７４】
ステップ４：合成
システムが熱平衡に達すると、適切な弁を閉めることによって溶媒洗浄が終了し、反応物が適正な流量で反応モジュールに送られる。異なる動作を行うように設計されたリアクタを反応モジュールに設置することもできる。リアクタの動作には、一般的に、反応物を混合する前に該反応物を予め温度調整すること、および、混合区域と反応により生成された生成物とを正確に温度制御することが含まれる。更に、リアクタの動作には、上述のように触媒の使用や、種々の形式のエネルギーまたは放射線の適用が含まれる。そして、反応生成物はリアクタを出て、付加的処理モジュールかまたは収集容器の何れかに移動する。多くの反応において、使用される何らかの付加的処理モジュールは、滞留時間モジュールとされるが、反応に多数の反応ステップを要する場合には、付加的処理モジュールが別の反応モジュールを含む可能性もあろう。
【００７５】
滞留時間モジュールが含まれている場合には、生成物が滞留時間モジュールに入り、そこで該生成物は、反応物から生成物への転換が完了するのに充分であると判断される時間だけ滞留する。滞留時間モジュールでの生成物の熱平衡を維持するために、通常は１つまたはそれ以上の熱交換器が用いられる。
【００７６】
ステップ５：洗浄サイクル
所望量の生成物を生産すると（このシステムは、生成物の継続的な合成を可能にするように設計されているので、所望量の生成物を生産するのにかなりの時間を要するだろう）、システムは溶媒で再度洗浄される。この洗浄は、手動で実行され得るものであり、制御モジュールの指示のもとでも実行され得るものである。システムが、同一反応を長時間連続的に行っている場合には、生成物の生成を中断し、保守手順として定期的なスケジュール化された間隔でシステムの洗浄を行うのが有効であろう。
【００７７】
好ましい実施形態およびその様々な変更に関して本発明を説明してきたが、特許請求の範囲において本発明に他の多くの変更をなし得ることは、当業者であれば容易に理解されよう。従って、本発明の範囲は、上記説明によって多少なりとも制限されるものではなく、特許請求の範囲を参照することによって全体に決定されるように意図されるものである。
【図面の簡単な説明】
上述の本発明の形態と、それに付随する多くの利点は、添付図面に関連した詳細な説明を参照することによってよりよく理解され、同様に、容易に理解されよう。
【図１】
本発明による制御モジュール、ポンプモジュールおよび反応モジュールを含むモジュラ式マイクロリアクタシステム概略工程系統図である。
【図２】
制御モジュールと反応モジュールとを含むモジュラ式マイクロリアクタシステムの概略工程系統図である。
【図３】
制御モジュールの機能要素を示す概略ブロック図である。
【図４】
制御モジュールとして用いられるパーソナルコンピュータを示す概略構成図である。
【図５】
本発明の実施形態において用いられるポンプモジュールの機能要素を示す工程系統図である。
【図６】
本発明の実施形態に用いられる反応モジュールの機能要素を示す工程系統図である。
【図７】
本発明の好ましい実施形態において滞留時間を増加させるために用いられる付加的処理モジュールの機能要素を示す工程系統図である。
【図８】
本発明の実施形態においてポンプモジュール、反応モジュールおよびその他の付加的処理モジュールと共に使用されるハウジングの側面図である。
【図９】
図６の反応モジュールの内部の側面図である。
【図１０】
図９の反応モジュール内のリアクタブラケットの斜視図であり、ブラケット内に固定されたマイクロリアクタを示す斜視図である。
【図１１】
ブラケットから取り外されて配置されたマイクロリアクタを示す図１０のリアクタブラケットの斜視図である。
【図１２】
図７の滞留時間処理モジュールの内部の側面図である。
【図１３】
本発明の好ましい実施形態で使用される直列熱媒体流体系の概略工程系統図である。
【図１４】
本発明の好ましい実施形態で使用される並列熱媒体流体系の概略工程系統図である。
【図１５】
本発明による直列熱媒体流体系を用いたモジュラ式マイクロリアクタシステムの好ましい実施形態の概略工程系統図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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