(57)【要約】【課題】マイクロ流路の断面積が大きく、処理量が大きく、分解が容易で安価な化学装置を提供する。【解決手段】環形の薄片状の隙間２に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の親水性液体９、疎水性液体１０を流通させる化学装置であって、該環形の薄片状の隙間２の対向する面の一方の面が親水面６を有し、もう一方の面が疎水面７を有する化学装置。環形の薄片状の隙間の対向する面の一部が接しているか、または環形の薄片状の隙間の対向する面の一部における隙間が狭くなつていることが好ましい。薄片状の隙間の幅が１μｍ以上３０００μｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環形の薄片状の隙間に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を流通させる化学装置であって、該環形の薄片状の隙間の対向する面の一方の面が親水面を有し、もう一方の面が疎水面を有することを特徴とする化学装置。
【請求項２】
前記環形の薄片状の隙間の対向する面の一部が接していることを特徴とする請求項１に記載の化学装置。
【請求項３】
前記環形の薄片状の隙間の対向する面の一部における隙間が狭くなつていることを特徴とする請求項１に記載の化学装置。
【請求項４】
前記薄片状の隙間の幅が１μｍ以上３０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの項に記載の化学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小な流路幅の流路に相互に混和しない流体を層流で流通させ、流体間で物質移動や化学反応を行なう化学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロスケールの流路幅の流路に流体を層流で流通させ接触界面の方向へ拡散し混合するマイクロケミカルデバイスの開発がなされている。これらのマイクロケミカルデバイスはマイクロミキサー又はマイクロリアクターと称され化学反応、微量分析等の分野で開発されている。マイクロケミカルデバイスの流路はマイクロスケールであり、寸法が小さく流路内を流れる流体の流速も小さいためレイノルズ数は小さい。よってマイクロスケールの流路内を流れる流体は一般的なバッチ式の反応装置のような乱流支配でなく層流支配となる。層流支配下では２つの液体の流れを接触させても界面を通じた拡散が支配的となる。またＦｉｃｋの法則により拡散に要する時間は拡散距離の２乗に比例する。すなわち分子拡散は流路幅を小さくすればするほど拡散時間は速くなる。よって流路幅が１／１０になれば拡散時間は１／１００になる。
【０００３】
マイクロスケールの空間では機械的攪拌などを用いなくても分子輸送、反応、分離が分子の自発的挙動だけで速やかに行われる。また、反応によって生じた化合物をマイクロスケールの流路内で反応液相から抽出液相へ抽出したり、目的化合物以外の物質を抽出液相に抽出することも可能である。また、マイクロスケール空間では単位体積あたりの表面積が大きいため２液の層流が接触する界面での拡散に非常に有利といわれている。また有機相／水相間での２相化学反応系においては２相の接触する界面の面積が大きいため反応効率が高くなることも示唆する。
【０００４】
しかし、相互に混和しない２液をマイクロスケールの流路に流通しても、安定した層流を得ることは必ずしも容易ではなく、それぞれが集結し塊となってしまうことがある。それにより混和しない流体間での物質交換効率や有機相／水相間での２相化学反応系においても２相の接触する界面を通じた反応効率の低下を招いてしまう。
【０００５】
マイクロケミカルデバイスが種々開発されている中、特許文献１では流路の内面の水との接触角が低接触角部分と高接触角部分が流路の上流から下流にかけて連続的形成されているマイクロケミカルデバイスが開示されている。また特許文献２では流路内壁の片側内壁の親媒性ともう一方の片側内壁の親媒性を異ならせたマイクロケミカルデバイスが開示されている。これらのマイクロケミカルデバイスでは親媒性の異なる流体のうち疎水性の流体は疎水性の内壁側で安定した層流を、親水性の流体は親水性の内壁側で層流を形成しやすくなり抽出効率の低下を抑制することができるとされている。
【特許文献１】特開２００１−３４０７５３号公報
【特許文献２】特開２００４−３０５９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２に開示しているマイクロケミカルデバイスはチップにエッチング等で掘り込んだ溝を流路として利用していることよりマイクロオーダーの流路の断面積は小さいため処理量は必ずしも十分であるとはいえない。また、貼り合わせ等によって作製したチップは高価である上、分解が容易でなく長期間使用した際に流路が汚染された場合に破棄しなければならない可能性がある。また汚染の際、流路に洗浄液を流し、洗浄してもよいが洗浄後に流路の内壁が所望の親水性と疎水性が必ずしも保持されているとは限らない。
【０００７】
本発明は、この様な背景技術を鑑みてなされたものであり、マイクロ流路の断面積が大きく、処理量が大きく、分解が容易で安価な化学装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の化学装置は、環形の薄片状の隙間に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を流通させる化学装置であって、該環形の薄片状の隙間の対向する面の一方の面が親水面を有し、もう一方の面が疎水面を有することを特徴とする。
【０００９】
前記環形の薄片状の隙間の対向する面の一部が接していることが好ましい。
前記環形の薄片状の隙間の対向する面の一部における隙間が狭くなつていることが好ましい。
【００１０】
前記薄片状の隙間の幅が１μｍ以上３０００μｍ以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の化学装置は相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体間の接触界面の面積が大きくなるため、効率の良い抽出や接触界面を通じた化学反応が行える。環状の薄片状の隙間の幅を維持したまま断面積を大きくすることができるため処理流体量を大きくすることができる。円管と円柱を結合部材にはめ込むことによって結合されているため、容易に円管と円柱を独立に取り外すことが可能であるので、汚染時等の場合には洗浄や交換が可能である。本発明の化学装置は半導体プロセスを用いず、融着等の特別な加工装置が必要なく機械加工で作製可能であるため安価で作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の基本的な構成要素及びより具体的な態様の詳細及び作用について典型的な例によって以下に説明する。
本発明の化学装置１について図１を用いて説明する。図１は、本発明の化学装置の一実施態様の流体の流れ方向を示す断面図である。図１（ａ）は化学装置の流体の流れ方向を示す断面図、図１（ｂ）は化学装置の流体の流れ方向に対し法線方向のＡＡ線断面図、図１（ｃ）は化学装置の流出口の流体の流れ方向に対し法線方向のＢＢ線断面図である。
【００１３】
本発明の化学装置１は環形の薄片状の隙間２に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を流通させる。本発明において親媒性の異なる流体とは親水性の流体と疎水性の流体を表す。親水性の流体としての一例としてはエタノールや水等であり、疎水性の流体の一例としてはｎ−へキサンや酢酸エチルやトルエンやキシレン等が挙げられる。
【００１４】
化学装置１の環形の薄片状の隙間２は円管３の軸中心に円柱４を配置することによって形成される。円柱を用いず円管を用いてもよい。円管を用いれば円柱に対し軸中心に空隙があるので部材の費用を低くすることができる。また、化学装置１自体の軽量化という効果も奏する。環形の薄片状の隙間２には導入口５から相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を導入する。図１では円管３の内径表面は親水性表面６を有し、円柱４の表面は疎水性表面７を有する。円管と円柱の親媒性はこれの反対、即ち円管の内径表面が疎水性表面で、円柱の表面が親水性表面であっても良い。
【００１５】
本発明の化学装置１は環形の薄片状の隙間の対向する面の一部が接することが好ましい。これにより、流出口８から流出した流体が小さな複数の塊となりにくく２液の界面が安定した形で流出する。図１に示すように円柱４の一端の一部を太くすることによって、環形の薄片状の隙間の対向する面の一部を接触させることができる。図１に示すように流出口８側の薄片状の隙間の対向する面の一部を接触させれば同心円状に形成されていた親水性液体９と疎水性液体１０との２相の断面形状を変えて流出口８から流出させることができる。これにより流出した２液は重力方向に対し上下の位置関係の２相に分離された形態を形成することができる。
【００１６】
また、本発明の化学装置１は環形の薄片状の隙間の対向する面の一部における隙間が狭くなつていることが好ましい。図３は、本発明の化学装置の他の実施態様の流体の流れ方向を示す断面図である。図３（ａ）は化学装置の流体の流れ方向を示す断面図、図３（ｂ）は化学装置の流体の流れ方向に対し法線方向のＣＣ線断面図、図３（ｃ）は化学装置の流出口の流体の流れ方向に対し法線方向のＤＤ線断面図である。図３に示す様に、化学装置の流出口において、環形の薄片状の隙間の対向する面の隙間を狭くすることにより、薄片状の隙間に流体が留まることなく、かつ流出口から流出した流体が小さな複数の塊となりにくく２液の界面が安定した形で流出する。なお、狭くする隙間は、薄片状の隙間に流体が留まることがない程度が好ましい。
【００１７】
相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体は環形の薄片状の隙間では隙間の対向する面の一方の面が親水性表面６を有し、もう一方の面が疎水性表面７を有するため、親水性液体９は親水性表面６側で安定した層流をなし、一方疎水性液体１０は疎水性表面７側で安定した層流を形成する。これにより相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体間に安定した界面が形成され、界面を通じた物質移動や化学反応が行われる。
【００１８】
導入口５から導入する相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体はそれぞれ異なる導入口５から別々に導入してもよいが、同じ導入口５から導入してもよい。導入口５から導入する相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体がエマルジョンの状態や懸濁した状態であっても、環形の薄片状の隙間では隙間を流れていく間に親水性表面６は親水性表面６側で安定した層流をなし、一方疎水性液体１０は疎水性表面７側で安定した層流を形成していき、２相を分離することができ安定した界面を形成することができる。
【００１９】
これにより相互に混和しない親媒性の異なる反応液相から抽出液相へ目的化合物を抽出したり、反応液相から目的化合物以外のものを抽出層に物質移動させることが可能になる。
【００２０】
本発明に用いられる化学装置１として使用される材料は使用する流体に対して耐熱、耐圧および耐溶剤性の点で好適なものから選択する。例えば金属、ガラス、シリコン、テフロン（登録商標）、セラミックスであるが、好ましくは金属である。金属の例としてステンレス、ハステロイ（Ｎｉ−Ｆｅ系合金）ニッケル、金、白金、タンタル等が挙げられるが本発明に用いる化学装置１の流路の金属材料はこれらに限定するものでない。また、流路の耐食性や所望の表面エネルギーを得るために表面にライニング加工を施したものを用いてもよい。
【００２１】
円管３及び円柱４の表面の親媒性において親水化の方法としてはプラズマ処理や表面の化学修飾や親水性樹脂のコーティング等によって可能ではあるがこれらに限定するものではなく流通する流体に対して耐性のある方法で行なうことが好ましい。一方疎水化の方法としては、プラズマ処理や表面の化学修飾や疎水性樹脂のコーティング等によって可能ではあるがこれらに限定するものではなく流通する流体に対して耐性のある方法で行なうことが好ましい。使用する円管３及び円柱４の材質自体があらかじめ所望の親媒性を有しているのであればこれらの処理は行なわなくて済む。
【００２２】
本発明の化学装置１は結合部材１１に円管３及び円柱４をはめ込むことによって円管３の軸中心に円柱４を配置することができる。結合部材６の加工は特に半導体プロセスを使用しなくても機械加工で加工でき安価で作製することが可能である。結合部材１１に導入口５を設けることによって環形の薄片状の隙間に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を流通することができる。円管３及び円柱４は容易に結合部材１１から取り外すことができるので円管３と円柱４を個別に洗浄や交換をすることが可能になる。
【００２３】
環形の薄片状の隙間２の幅は１μｍ以上で３０００μｍ以下でありマイクロスケールである。マイクロスケールにおける分子拡散は流路幅を小さくすればするほど拡散時間は速くなる。したがって流路幅として３０００μｍ以下であり、好ましくは１０００μｍ以下であり、好ましくは５００μｍ以下である。環形の薄片状の隙間２は円管３の内径と円柱４の外形の差から形成される。したがって所望の環形の薄片状の隙間２の幅を形成していれば円管３と円柱４の径をそれぞれ大きくすることができる。これによって環形の薄片状の隙間２の断面積が大きくなり処理量を大きくすることができ、さらに２種類の流体の接触界面も大きくなるため物質の界面を通じての移動が効率的になり抽出効率が向上する。
【００２４】
また、有機相／水相間での２相化学反応系においても２相の接触する界面の面積が大きいため反応効率が高くなることも示唆する。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
実施例１
本実施例の化学装置について図１を参照して説明する。図１は本発明の実施例１の化学装置の一例を示す。
【００２６】
化学装置１は導入口５から環形の薄片状の隙間２に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を導入する。本実施例の環形の薄片状の隙間は円管３の軸中心に円柱４を配置することによって形成される。円管３と円柱４は結合部材１１によって結合され円管３の軸中心に円柱４が配置される。円管３と円柱４は結合部材１１から独立に取り外すことが可能である。したがって、使用後に円管３と円柱４を独立に取り外し洗浄や交換をすることが可能になる。結合部材１１には導入口５が形成されている。導入口５から導入する相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体はそれぞれ異なる導入口５から別々に導入してもよいし、同じ導入口５から導入してもよい。
【００２７】
円柱４の径は２６ｍｍφで円管３の内径は２６．６ｍｍφであり、これによって形成される環状の薄片状の隙間２として３００μｍの隙間が形成される。円柱４の一端は図１に示すように円管３の内壁に接するように一部の径が大きくなっている。円柱４の材質はテフロン（登録商標）からなり、高い疎水性表面７を有する。それに対し円管３はプラズマオゾン洗浄されたガラスからなり、高い親水性表面６を有する。これにより環形の薄片状の隙間の対向する面の一方の面が親水面を有し、もう一方の面が疎水面を有するようになる。
【００２８】
導入口５から相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体は環形の薄片状の隙間では隙間を流れていく間に親水性の方の流体は親水性表面側で安定した層流をなし、一方疎水性の流体は疎水性表面側で安定した層流を形成していき、薄片状の隙間では２相に分離される。ここで分離された２液の界面から物質移動がなされるが、本実施例の化学装置１では接触する２相の接触界面の面積が大きいため効率の良い抽出が行われる。また、有機相／水相間での２相化学反応系においても２相の接触する界面の面積が大きいため反応効率が高くなる。
混和しない親媒性の異なる２種類の流体には、水と酢酸エチルを用いる。
【００２９】
実施例２
本実施例の化学装置について図２を参照して説明する。図２は本発明の実施例２の化学装置の一例を示す。
【００３０】
化学装置１は導入口５から環形の薄片状の隙間２に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を導入する。本実施例の環形の薄片状の隙間は円管３の軸中心に円管３とは径の異なる円管１２を配置することによって形成される。円管３と円管１２は結合部材１１によって結合され円管３の軸中心に円管１２が配置される。円管３と円管１２とは結合部材１１から独立に取り外すことが可能である。したがって、使用後に円管３と円管１２を独立に取り外し洗浄や交換をすることが可能になる。結合部材１１には導入口５が形成されている。導入口５から導入する相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体はそれぞれ異なる導入口５から別々に導入してもよいし、同じ導入口５から導入してもよい。
【００３１】
円管１２の外径は２６ｍｍφで円管３の内径は２７ｍｍφであり、これによって形成される環状の薄片状の隙間２として５００μｍの隙間が形成される。円管１２の一端は図２に示すように円管３の内壁に接するように一部の径が大きくなっている。円管１２の材質はプラズマオゾン洗浄されたガラスからなり、高い親水性表面を有する。それに対し円管３はプラズマオゾン洗浄されたガラスをフッ素系官能基を有するシランカップリング剤にて表面修飾しており、高い疎水性表面を有する。これにより環形の薄片状の隙間の対向する面の一方の面が親水面を有し、もう一方の面が疎水面を有するようになる。
【００３２】
導入口５から相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体は環形の薄片状の隙間では隙間を流れていく間に親水性の方の流体は親水性表面側で安定した層流をなし、一方疎水性の流体は疎水性表面側で安定した層流を形成していき、薄片状の隙間では２相に分離される。ここで分離された２液の界面から物質移動がなされるが、本実施例の化学装置１では接触する２相の接触界面の面積が大きいため効率の良い抽出が行われる。また、有機相／水相間での２相化学反応系においても２相の接触する界面の面積が大きいため反応効率が高くなる。
混和しない親媒性の異なる２種類の流体には、弱酸性の水溶液とトルエンを用いる。
【００３３】
実施例３
図２に示す円管１２外径を５０ｍｍφにし円管３の内径を５１ｍｍφにした以外は実施例２と同様な化学装置１である。環状の薄片状の隙間２は実施例２と同様に５００μｍであっても、環状の薄片状の隙間２の断面積が大きくなり、第１の供給口２ならびに第２の供給口３から単位時間あたりに供給できる流体量を大きくすることができるため処理量を大きくできる。
【００３４】
実施例４
本実施例の化学装置１は導入口５から環形の薄片状の隙間２に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を導入する。本実施例の環形の薄片状の隙間は円管３の軸中心に円管１２を配置することによって形成される。円管３と円管１２とは結合部材１１によって結合され円管３の軸中心に円管１２が配置される。円管３と円管１２とは結合部材１１から独立に取り外すことが可能である。したがって、使用後に円管３と円管１２を独立に取り外し洗浄や交換をすることが可能になる。結合部材１１には導入口５が形成されている。導入口５から導入する相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体はそれぞれ異なる導入口５から別々に導入してもよいし、同じ導入口５から導入してもよい。
【００３５】
円管１２の径は５０ｍｍφで円管３の内径は５０．６ｍｍφであり、これによって形成される環状の薄片状の隙間２として３００μｍの隙間が形成される。円管１２の一端は円管３の内壁に接するように一部の径が大きくなっている。円管１２の材質はテフロン（登録商標）からなり、高い疎水性表面を有する。それに対し円管３はプラズマオゾン洗浄されたガラスからなり、高い親水性表面を有する。環形の薄片状の隙間の対向する面の一方の面が親水面を有し、もう一方の面が疎水面を有するようになる。環状の薄片状の隙間２は実施例１と同様に３００μｍであっても、環状の薄片状の隙間２の断面積が大きくなり、第１の供給口２ならびに第２の供給口３から単位時間あたりに供給できる流体量を大きくすることができるため処理量を大きくできる。さらに円柱４を用いず円管１２を用いることによって高価なテフロン（登録商標）の部材費を低く抑えることができる。
【００３６】
実施例５
本実施例の化学装置について図３を参照して説明する。図３は本発明の実施例５の化学装置の一例を示す。
【００３７】
化学装置１は導入口５から環形の薄片状の隙間２に相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体を導入する。本実施例の環形の薄片状の隙間は円管３の軸中心に円管３とは径の異なる円管１２を配置することによって形成される。円管３と円管１２は結合部材１１によって結合され円管３の軸中心に円管１２が配置される。円管３と円管１２とは結合部材１１から独立に取り外すことが可能である。したがって、使用後に円管３と円管１２を独立に取り外し洗浄や交換をすることが可能になる。結合部材１１には導入口５が形成されている。導入口５から導入する相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体はそれぞれ異なる導入口５から別々に導入してもよいし、同じ導入口５から導入してもよい。
【００３８】
円管１２の外径は２６ｍｍφで円管３の内径は２７ｍｍφであり、これによって形成される環状の薄片状の隙間２として５００μｍの隙間が形成される。円管１２の一端は図２に示すように円管３の内壁との隙間の一部が５μｍになるように一部の径が大きくなっている。円管１２の材質はプラズマオゾン洗浄されたガラスからなり、高い親水性表面を有する。それに対し円管３はプラズマオゾン洗浄されたガラスをフッ素系官能基を有するシランカップリング剤にて表面修飾しており、高い疎水性表面を有する。これにより環形の薄片状の隙間の対向する面の一方の面が親水面を有し、もう一方の面が疎水面を有するようになる。
【００３９】
導入口５から相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体は環形の薄片状の隙間では隙間を流れていく間に親水性の方の流体は親水性表面側で安定した層流をなし、一方疎水性の流体は疎水性表面側で安定した層流を形成していき、薄片状の隙間では２相に分離される。ここで分離された２液の界面から物質移動がなされるが、本実施例の化学装置１では接触する２相の接触界面の面積が大きいため効率の良い抽出が行われる。また、有機相／水相間での２相化学反応系においても２相の接触する界面の面積が大きいため反応効率が高くなる。
【００４０】
混和しない親媒性の異なる２種類の流体には、弱アルカリ性の水溶液とジエチルエーテルを用いる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の化学装置は相互に混和しない親媒性の異なる２種類の流体間の接触界面の面積が大きくなるため、効率の良い抽出や接触界面を通じた化学反応が行え、処理流体量を大きくすることができるので量産用の化学反応装置や液−液抽出装置等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の化学装置の一実施態様の流体の流れ方向を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例２の化学装置の流体の流れ方向の断面図である。
【図３】本発明の化学装置の他の実施態様の流体の流れ方向を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  化学装置
２  薄片状の隙間
３  円管
４  円柱
５  導入口
６  親水性表面
７  疎水性表面
８  流出口
９  親水性液体
１０  疎水性液体
１１  結合部材
１２  円管
【図１】
2007144288.tif 000003
【図２】
2007144288.tif 000004
【図３】
2007144288.tif 000005