3−報文−

分級不要ゲル製造用マイクロリアクターの開発
川松
桐及原大二片西井本谷川川見山澤明
進一英昭智之克幸朋裕達晃治
恵 一 郎

Development of a Microreactor for Manufacturing Gel Particleswithout Class Selection of Diameter
Akira KAWAI
Shin-ichi MATSUMOTO
Hideaki KIRIYA
Tomoyuki OIKAWA
Katsuyuki HARA
Tomohiro OHKAWA
Tohru FUTAMI
Kouji KATAYAMA
Keiichiro NISHIZAWA

It has been confirmed that the diameter of droplets generated at the Y-junction microchannel is nearlymonodisperse. This phenomenon is useful for producing gel particles without class selection of diameter.
We have examined the potential of this technology for practical application to the production of gel
particles, by optimizing the Y-junction microchannel design to increase the stability of droplets formed
and further improving the piling-up technology of microchips.

1．緒a-chip Chemistryなどと様々な形で呼ばれているが、言基板上に微細加工技術を用いて作製した微細な流路化学プロセスの要素技術である反応、分離、精製、（マイクロ流路、マイクロチャネル）、具体的には幅及抽出などの様々なプロセスを半導体チップのようにSiび深さが数十〜数百μmの微細な流路を反応場、分析基板やガラス基板、さらには樹脂基板上に集積化・チ場とするものである。反応場、分析場をマイクロ化すップ化する研究が、近年、急速に注目されている。いることで微小空間に特有の効果が現れる事が知られてわゆるμTAS（Micro Total Analysis System）、Lab-on-いるため1)〜5)、このマイクロ流路の特長を期待した多（ 3 ）4TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.47（2003）

法を用いてマイクロ流路を形成する。以下にウェットくの研究例が報告されている6)。
また、マイクロ流路を適用した液滴形成に関する研エッチング法によるマイクロ流路の作製工程を示す。

。この技術

ガラス基板上にAu／Crの薄膜をスパッタリング法には、イオン交換樹脂、LCDスペーサ、液体クロマトより形成し、さらにポジ型のフォトレジストをスピングラフィー等の多くのゲルパーティクル製品に適用でコート法により塗布する。次にマイクロ流路に対応すきる可能性があり、今後の応用展開には大いに期待でるパターンを形成したガラスマスクを介して、露光・きる技術である。

現像を行い、Au／Cr及びガラス基板のエッチィング

究例も、近年、盛んに進められている

7)〜10)

我々は、光磁気ディスクの開発で構築した微細加工を行う。最後に不要となったレジスト、Au／Crを除技術と化学の融合領域である『マイクロ化学プロセス』去することで所定のマイクロ流路に相当する凹部を有に着目し、マイクロ流路の特長で差別化できる工業生するガラス基板を得る。この凹部を有するガラス基板産用マイクロリアクターの開発への取り組みを開始しに、蓋となるガラス基板を熱融着法により接合するこた。とで、マイクロ流路が完成する。

マイクロリアクターの要素技術の実証及び化学反応

また、マイクロ流路に相当する凹部を有するガラスへの適用研究を進める中で、Y字型マイクロ流路合流基板を用いてマイクロ流路に対応する凸部を備えたス部において、均一な液滴が形成できることを見出し、タンパを形成することができ、このスタンパにより樹本液滴形成現象を活用した分級不要ゲル製造プロセス

脂製のマイクロ流路形成も可能となる。ガラス基板での実用化に向けて開発を進めている11)。の検討に加え、並行してマイクロ流路の樹脂化の検討

本報告では、Y字型マイクロ流路における液滴形成も実施している。最終的には、安価に、大量なマイク現象、及び安定化を目的とした最適化、量産化に対応ロ流路が形成可能である樹脂製マイクロ流路の実現をするためのY字型マイクロ流路の平面集積度向上、及目指している。

び積層化による立体集積度向上、さらには300本のY字型マイクロ流路への均一送液手法の開発と、本マイクロリアクターを用いた均一液滴生成結果について以

4．Y字型マイクロ流路の液滴形成［1］Y字型マイクロ流路の液滴化現象

下に報告する。併せて、複数のマイクロリアクターへ

Fig.１にY字型マイクロ流路の基本流路を示す。Y字の均一送液システムによる分級不要ゲル製造試作装置

型マイクロ流路の一方に連続相としての水相であるポを開発し、具体的適用製品を設定し、量産化検討を行リビニルアルコール水溶液を、他方に分散相としてのったので以下に報告する。

有機相であるジビニルベンゼン系の混合液を送液し、2．マイクロ流路の特長
Y−junction

化学プロセスの反応場・分析場となる反応容器をマイクロ化することで、微小空間特有の効果が現れる。

Inlet 1（Water phase）

具体的には、①空間が狭いことで分子の拡散距離が短くなり、拡散律速反応の短縮が可能となる。②マイク
ロ流路を流れる流体のレイノズル数が極端に小さくな

Outlet（Oil−in−Water droplets）

Inlet 2（Organic phase）

り、Y字型マイクロ流路に2液を送液すると液体自体

θ：Y−junction angle
Fig.１

Y−junction microchannel.の混合は起こらずに層流となり、併せてマイクロ流路の比界面積が大きいので、機械的な混合がなくても分子拡散のみで、多相層流の合成・分離・抽出が可能となる。③マイクロ流路内の液相自身の熱容量が小さいことから、容易に精密な温度制御が可能となる。④使用する試薬量が極めて少ないことから、危険物質／危100μm

険性のある反応への適用も可能となる。
（a）3．マイクロ流路の作製法
マイクロ流路の基材は、Si基板あるいはガラス基板が一般的であり、ウェットあるいはドライエッチング
（ 4 ）

（b）

Fig.２ The droplets formation in the Y−junction
microchannel.
（a）The droplets formation at the Y−junction.
（b）The droplets manufactured with theY−junction microchannel.

東ソー研究・技術報告 第47巻（2003）

5

Fig.２
（a）に示す通り、Y字型マイクロ流路の合流部あることを実証した。

において、連続相である水相の剪断力により、連続的［2］Y字型マイクロ流路の最適化に分散相である有機相の液滴を形成する。形成されたY字型マイクロ流路に送液する水相及び有機相を等液滴はFig.2（b）のように粒径の揃った均一分散粒子流量で送液した結果を先に示したが、ある流量以上でである。

は、液滴化現象は起こらずに、水相及び有機相の層流Fig.3にY字型マイクロ流路で形成される液滴径を示を形成してしまう。液滴が形成できる送液流量を増すす。形成される液滴径は、送液流量により可変し、あことは、直接的に生産能力の向上に繋がることから、る一定以上の流量で収束する傾向を示す。この領域は、Fig.6に示す通り、Y字型マイクロ流路合流部の最適化形成される液滴径が送液流量の変動に対して、鈍感なを行い、これをY字ダム型マイクロ流路と称しており、領域であることから、マスプロダクションの観点から水相及び有機相を等流速で送液した場合、従来のY字好ましい領域（条件）であると言える。この値はマイ型マイクロ流路に対し5倍の流量まで合流部におけるクロ流路の設計（幅及び深さ）によって任意に設定で液滴形成が可能となった。

きる。
さらに、Fig.4に示す通り、Y字型マイクロ流路の角度設定により、送液流量を変えることなく形成される5．量産化に向けた対応［1］Y字型マイクロ流路の集積化液滴径を制御することも可能である。

単一のマイクロ流路は送液流量が微量なため、生産Fig.5にY字型マイクロ流路で形成した液滴粒径分布量も微量となることから、Y字型マイクロ流路の集積と従来の懸濁重合法による重合ゲルの粒径分布を示化を行った。集積化したマイクロ流路への安定送液をす。懸濁重合法では、一般的に分散値（CV値＝標準考慮した場合、各流路の圧力損失を極力一定に保つこ偏差／平均粒径）が20％を越えるため分級工程を必要と、すなわち流路長を均一にする必要があることから、とする。対して、Y字型マイクロ流路で形成した液滴

Fig.7に示す通り、φ125mmの円盤状のガラス基板上の分散値は20％を大きく下回っており、分級が不要でに、100本のY字型マイクロ流路を放射状にレイアウトし、マイクロ流路の集積化を実現した。
Y字型マイクロ流路100本を集積化したマイクロリ

300250

アクターチップはFig.7に示した通りである。このマ

200

イクロリアクターチップへ、いかに均一に液体を送液

1501003550
Frequency［％］

Droplets Diameter［μm］［2］マイクロリアクターチップへの均一送液法

0020406080100120

Water Phase Flow Rate［μL/min］
Organic Phase Flow Rate：2μL/min
Organic Phase Flow Rate：10μL/min

Fig.３

30 The diameter dispersion degree
25・Suspension method：36.1％
・Y−junction：9.7％
20151050

The droplets depending on water phase flow rate.

1101001000

Droplets Diameter［μm］

Droplets diameter［μm］
The suspension method

160Fig.５

140
120

The Y−junction microchannel

Distribution of the droplets diameter by thesuspension method and the Y−junction microchannel.

1008060

Dam structure

400510152025Water Phase Flow Rate［μL/min］
θ：22°Fig.４

θ：44°

The droplets depending on water phase flow rate
and Y−junction angle.

（ 5 ）

Fig.６

The Y−junction with dam structure microchannel.

6TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.47（2003）

示すように300本のY字型マイクロ流路を備えた構成

Enlarged view
Inlet 1（Organic phase）とし、これをブロックと称している。この300本のY
Y−junction

字型マイクロ流路（1ブロック）で形成した液滴粒径分布をFig.10に示す。液滴分散値は＜20％であり、この積層化手法の有効性を実証すると共に、積層化手法

Inlet 2Outlet（Water phase）（Oil−in−Water droplets）を確立した。

6．試作システムの開発
Fig.７

The circular microchip having
100 Y−junction microchannel.

［1］試作システムの構成
Fig.11に開発中の分級不要ゲル製造用試作システム

することができるかが問題となる。100本のY字型マ外観を、Fig.12にシステムのロック図を示す。試作シイクロ流路へ送液するために、Fig.8に示す通り、一ステムは、マイクロリアクター部、溶液切替等の制御時的な貯蔵空間を設け、さらに貯蔵空間から放射状に部、ポンプ及びタンクユニット部で構成しており、シ導入するための流路を設け、マイクロリアクターチッンプルなコンセプトとなっている。また、原料及び洗プを連通するための貫通孔を介して送液する方法を採浄液の供給にN 2 による加圧送液システムを採用し、用した。これをリザーバ基板と称している。さらに水さらにデガッサー、製品及び洗浄廃液タンクで構成し相及び有機相の2液を送液するために、マイクロリアている。

クターチップの上下方向に水相及び有機相リザーバを

マイクロリアクター部は、300本のY字型マイクロ配置する構成とした。マイクロリアクターチップ、水流路を集積・積層化したブロックを複数配置して量産相及び有機相リザーバの3枚の基板は熱融着法により化に対応している。ブロック数は最大10ブロックまで一体化させ、マイクロリアクターチップに集積化され搭載可能となっており、マイクロ流路の総数は3000本たY字型マイクロ流路への均一送液法を実現した。となる。複数のブロックへ均一に送液するための分配［3］マイクロリアクターチップの積層化器及び流量制御部を備えている。

Y字型マイクロ流路の集積度をさらに向上させるた［2］試作システムによる液滴生成めに、マイクロリアクターチップの積層化を行った。

Table１に試作システム（5ブロック）の個別ブロ

マイクロリアクターチップ、水相及び有機相リザーバックでの平均粒径及び分散値、Fig.13に全ブロックでの各々の基板は、蓋となるガラス基板を熱融着法により接合している。これにより、積層枚数の自由度が増すと共に、仮にマイクロリアクターチップに不具合が生じても、容易に交換することが可能となっている。
マイクロリアクターチップ、水相及び有機相リザーバ間にはシール材を配置している。これによりFig.9にThe water
phase reservoir

Fig.９

Frequency［％］

Supply ofwater phase

The microchip
Supply oforganic phase454035302520151050

The diameter dispersion degree
・Y−junction：9.7％（97.6μm）

1The organicphase reservoir

Fig.10
Fig.８

The uniform liquid flow method to the microchip.

（ 6 ）The microchips block with piled up
three circular microchips

10100
Droplets diameter［μm］

1000

Distribution of the droplets diameter by
the microchips block（300 microchannels）.

東ソー研究・技術報告 第47巻（2003）

7The microreactor part

1,500（W）×800（D）
×1,400（H）
mm
Fig.11

Constitution of the prototype sysem.

35Frequency［％］

The materials
pressurization supply system
Materials tank A
P

Exhaust
0.3MP
10L

The microreactor part
ReactorDistribu

1/8 PFA TubeDegasser

Leak
SensorMaterials tank B
N2 ServiceP

The diameter dispersion degree・Prototype system：9.7％（85.5μm）

30
25
20
15
105Needl
e00.3MP
10L

1

Leak
SensorLeak
Sensor

10100
Droplets diameter［μm］

Collector

Washing liquidtankP

Fig.13T
Level
SwitchLevel
Switch

Waste
Tank
Leak
SensorLeak
SensorProducttank
Leak
Sensor

1000

Distribution of the droplets diameter bythe prototype system（1,500 microchannels）.

MThe washing liquidpressurization supply system析した結果、分散値には経時変動は認められなかったが、平均粒径が徐々に低下する傾向が見られ、運転条

Fig.12 The block diagram of the prototype system.

件へのフィードバックが必要であることがわかった。

7．ま と めTable.１ Dispersion of 5 blocks

以上のように、Y字型マイクロ流路合流部において、Block No.

＃1

＃2

＃3

＃4

＃5

The diameter average（μm）

82.3

86.5

83.9

84.6

89.1

The diameter
dispersion degree（％）

7.2

均一な液滴生成ができることを見出し、Y字型マイク
ロ流路の集積・積層化及び多数のマイクロ流路への均一送液法の確立、さらに試作システムによる複数のブ

10.99.79.3

ロックによる均一な液滴生成が可能であることを実証

8.4

し、分級不要ゲル製造への適用の可能性が得られた。
また、具体的な適用製品（粒径200μm）を設定し、の粒径分散を示す。全てのブロックにおいて10％程度量産化の検討を進めている。Y字型マイクロ流路3000の分散値、全体で分散値10％以下の狭粒径分散が得ら本（10ブロック）で、粒径200μm適用時の生産能力れ、本試作システムの分級不要ゲル製造への適用の可は、1.8L/hr（有機相換算）を想定している。また、能性を実証した。また、連続運転による経時変動を解試作システムで生成した液滴を重合して得られるゲル（ 7 ）8TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.47（2003）の細孔特性は、従来法である懸濁重合法による重合ゲルと同等の特性を示している。
現在、マイクロリアクターチップ及びブロックの改良、さらには試作システムの課題抽出及び、量産設備としての長期連続運転への対応を進めている。

参考文献
１）岡本秀穂、RETROTEC、23、918（2000）
２）岡本秀穂、有機合成化学協会誌、57、805（1991）３）岡本秀穂、化学工学、63、17（1999）４）草壁克己、諸岡成治、RETROTEC、23、928、（2000）
５）藤井輝夫、ながれ、20、99（2001）
６）岡本秀穂、橋爪新太、住友化学、32（2001-Ⅱ）
７）西迫貴志、福留健太、鳥居徹、樋口俊郎、第4回
化学とマイクロシステム研究会講演予稿集、59（2001）
８）T.Nishisako, T.Torii, T.Higuti, Proc. Micro Total

Analysis System 2001, 137（2001）
９）鳥居徹、谷口友宏、樋口俊郎、化学工学会第67年
会講演予稿集、C215（2002）
10）小林功、菊池佑二、中嶋光敏、化学工学会第67年
会講演予稿集、C216（2002）11）A.Kawai, T.Futami, H.Kiriya, K.Katayama,
K.Nishizawa, Proc. Micro Total Analysis Systems

2002, 1368（2002）（ 8 ）東ソー研究・技術報告 第47巻（2003）

著者

氏名 川 井著
明

Akira KAWAI

者

著

氏名 松 本 進 一

9者著

氏名 桐 谷 英 昭

Shin-ichi MATSUMOTO

Hideaki KIRIYA

者

氏名 及 川 智 之
Tomoyuki OIKAWA

入社 昭和62年４月１日

入社 昭和43年３月21日

入社 昭和63年４月１日

入社 昭和60年３月16日

所属 東京研究センター

所属 東京研究センター

所属 東京研究センター

所属 東京研究センター

東京研究所

東京研究所

東京研究所

東京研究所

新材料無機分野

新材料無機分野

新材料無機分野

新材料無機分野

主任研究員

主任研究員

主任研究員

副主任研究員

著

著

著

著

氏名 原者
克 幸

Katsuyuki HARA

者

氏名 大 川 朋 裕者

氏名 二 見Tomohiro OHKAWA

達Tohru FUTAMI

者

氏名 片 山 晃 治
Kouji KATAYAMA入社 昭和62年３月16日

入社 平成８年４月１日

入社 平成１年４月１日

入社 昭和63年４月１日

所属 東京研究センター

所属 東京研究センター

所属 東京研究センター

所属 東京研究センター

東京研究所

東京研究所

東京研究所

東京研究所

新材料無機分野

新材料無機分野

新材料無機分野

新材料無機分野

副主任研究員

副主任研究員

主任研究員

主任研究員

著者

氏名 西 澤 恵一郎
Keiichiro NISHIZAWA
入社 昭和56年４月１日
所属 東京研究センター
東京研究所
企画管理グループ
主席研究員（ 9 ）