不混和液の液体反応のためのマイクロ流体装置および方法

专利摘要:
２種類以上の不混和液を接触させる方法であって、０．２から１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径［１１］を有する反応体通路［２６］であって、その長手方向に沿って、順番に、反応体の進入のための２つ以上の入口［Ａ，ＢまたはＡ，Ｂ１］、その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分［３８］、少なくとも０．１ミリリットルの容積および略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分［４０］および各々の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分［４６］が続いている１つ以上の追加のミキサ通路部分［４４］を有する反応体通路［２６］を備えた一体型熱加減微細構造流体装置［１０］を提供し、２種類以上の不混和液を反応体通路に流動させる各工程を有してなり、２種類以上の不混和液が、これらの２種類以上の不混和液の全ての流れが最初のミキサ通路部分［３８］を流動するように２つ以上の入口［Ａ，ＢまたはＡ，Ｂ１］に流される方法が開示されている。この方法を行える一体型装置［１０］も開示されている。
公开号:JP2011509814A
申请号:JP2010516066
申请日:2008-07-11
公开日:2011-03-31
发明作者:ウォエール，ピエール；シェヴァリエ，ベレンジェル；エル ホルン，クレメンス；モレナ，マクシム
申请人:コーニング インコーポレイテッド；
IPC主号:B01F3-08

专利说明:

[0001] 本発明は、「不混和液の液体反応のためのマイクロ流体装置および方法」と題する、２００７年７月１１日に出願された欧州特許出願第０７３０１２２４．７号の優先権を主張するものである。]
技術分野

[0002] 反応体が、２種類以上の不混和液からなる、またはそれらの中に溶解されている反応の主要な課題は、相間において所望の量または速度の物質移動を達成することである。本発明は、そのような不混和液−液反応を促進させるための微細構造の流体またはマイクロ流体装置および方法に関する。]
背景技術

[0003] 化学製造環境において、特に、多量の反応体を加工処理すべき場合、不混和液／液反応は、拡大の課題に直面する。バッチタンクの容積は一般に大きいので、所要のプロセス期間中にエマルションを形成し維持するために必要なエネルギー量または密度が重大な制限となってきた。達成可能な最高バッフル速度により、送達可能なエネルギー量または密度が制限される。この問題を克服するための一般手法が２つある。]
[0004] １つの一般手法は、１種類以上の相間移動触媒として追加の化学物質を使用することである。相間移動触媒（ここでは、テトラアミン塩またはスルホン酸塩などの極性末端、および一般に長いアルキル鎖を有する疎水性部分を有する大きな分子を含むものと定義される）を使用することの欠点は、典型的にその触媒化合物を一方の反応性液相に加える必要性があることであり、このため、反応が完了した後に、一般に相分離である一連の分離精製工程が複雑になってしまう。]
[0005] 別の一般手法は、反応に使用される反応装置内の液体の表面積対容積比を高くすることである。]
[0006] 高い表面積対容積比を達成する手法の１つは、安定なエマルションを形成することである。しかし、安定なエマルションによっても、それに続く分離精製工程において難点が生じてしまう。]
[0007] 一時的に高い表面積対容積比（すなわち不安定なエマルション）は、液滴の注入により得られるであろう。この方法には、注入される液体と母液の容積間の比を大きくすることが一般に必要であり、これにより典型的に過剰な液体を使用する必要があるという欠点がある。]
[0008] 不安定なエマルションを製造するための他の可能性は、ロータ・ステータおよび超音波処理であり、その両方に、バッチサイズに特別に適合させる必要が一般にあり、このためバッチサイズの増加と共により難しくなるという欠点がある。]
[0009] 不安定なエマルションを形成する他の選択肢の中でも、スタティックミキサが、文献にしばしば引用され、実際に使用されている。１つののスタティックミキサ装置だけにより提供される乳化処理よりも勝って乳化処理を向上させるために、多数のスタティックミキサ装置を直列に配置することによって、スタティックミキサの長さを長くする。この構成は、液体が流れる配管内のスタティック混合ゾーンに長さを加えることによって、乳化処理を向上させることを意味する。混合容量は、多管式反応装置内におけるように多数のスタティックミキサの並列配置を用いた１つのスタティックミキサ装置よりも、増加するであろう。]
[0010] 本発明の発明者等および／またはその同僚は、図１に示された一般形状の様々なマイクロ流体装置を既に開発している。図１は、縮尺率が一定ではなく、あるタイプのマイクロ流体装置の一般層状構造を示す斜視図である。図示されたタイプのマイクロ流体装置１０は、一般に、この図に詳細には示されていない１つ以上の熱制御通路がその内部に配置されたかまたは構築された少なくとも２つの容積１２および１４を含む。熱制御のための通路が存在することにより、その装置が、ここに用いられ理解されるように、「熱加減(thermally tempered)」装置になる。容積１２が水平壁１６と１８により鉛直方向に限られるのに対し、容積１４は、水平壁２０と２２により鉛直方向に限られる。追加の壁３６などの追加の壁に接した追加の層３４などの追加の層を必要に応じて提供してもよい。] 図１
[0011] この文書に用いられる「水平」および「鉛直」という用語は、相対的な用語であり、一般的な相対的向きを示すだけであり、必ずしも垂直を示すものではなく、その向きは、慣例として使用しただけであり、図示された装置の特徴を意図するものではないことに留意されたい。ここに記載される本発明およびその実施の形態は、どのような所望の向きで使用してもよく、水平壁および鉛直壁は、一般に、交差壁である必要しかなく、垂直である必要はない。]
[0012] 従来技術の図２に部分的な詳細が示されている反応体通路２６は、２つの中央水平壁１８と２０の間の容積２４内に配置されている。図２は、容積２４内に所定の断面レベルで、その内のいくつかが反応体通路２６を画成している、垂直壁構造２８の断面平面図を示している。図２における反応体通路２６は、見易いように陰影が付けられており、より狭く蛇行したミキサ通路部分３０と、それに続くより広くそれほど蛇行していない滞留時間通路部分３２を含んでいる。図２の狭く蛇行したミキサ通路部分３０を精査すると、ミキサ通路部分３０がこの図面の平面で不連続であるのが分かる。図１の断面に示されたミキサ通路部分の不連続部分間の流体接続は、図２に示された断面の面から垂直にずれた、容積２４内の異なる面に提供され、曲がりくねって、三次元的に蛇行したミキサ通路部分３０が形成される。図１と２に示された装置および関連する他の実施の形態が、例えば、特許文献１、C.Guermeur等(2005)に、より詳しく開示されている。図１と２の装置および類似の装置において、狭くより蛇行したミキサ通路部分３０は反応体を混合するように働くのに対し、直後に続くより広くそれほど蛇行していない滞留時間通路部分３２は、ミキサ通路部分３０に続き、比較的制御された熱環境内にある間に反応が完了できる容積を提供するように働く。] 図１ 図２
[0013] 増進した熱制御が望ましい反応について、本発明の発明者等および／またはその同僚は、図３と４の従来技術に示されたタイプのマイクロ流体装置も開発した。図３は、図１の容積２４内の所定の断面レベルで、そのうちのいくつかが反応体通路２６を画成している、鉛直壁構造２８の断面平面図を示している。図４は、その内のいくつかが図３の反応体通路２６の追加部分を画成している、鉛直壁構造２８の断面平面図を示している。図３の反応体通路２６は、容積２４内のみに収容されておらず、図１において随意的として示されている、追加の容積３４も利用している。図３のマイクロ流体装置の反応体通路２６は、多数のミキサ通路部分３０を含み、その各々の後に滞留時間通路部分３２が続いている。滞留時間通路部分３２には、位置３３で容積２４の層を出て、図１の水平壁１８と１６を下方に通過し、図４に示された位置３５で追加の容積３４に入ることによって、増加した総容積が設けられている。] 図１ 図３ 図４
[0014] 図３と４に示された装置および関連する他の実施の形態が、例えば、特許文献２、P.Barthe等(2006)に、より詳しく開示されている。ここに開示されたように、図３と４の装置において、設計されたすなわち好ましい動作モードは、図３に示された入口Ａに１つの反応体流の全容積を流しながら、他の反応体流を分割し、それを第１の入口Ｂ１と多数の追加の入口Ｂ２に流し込むことによって、２つの反応体流を反応させることである。これにより、各ミキサ通路部分３０内で生じた熱量を、図２の装置と比較して減少させることができ、反応の化学量論的バランスに一方の側から徐々に近づくことが可能になる。] 図２ 図３
先行技術

[0015] 欧州特許出願第０１６７９１１５号明細書
欧州特許出願第０６３００４５５号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0016] 図１〜４に示したタイプの装置により良好な性能が得られるが、それにもかかわらず、伝熱率および物質移動速度の高い必要のある、テストした反応について最新技術を上回る多くの場合において、そのような装置の不混和液に関する性能を改善することが望まれるようになってきた。] 図１ 図２ 図３ 図４
[0017] 不混和液の高い表面積対容積比は、反応体が層流で動く、例えば、０．２５ｍｍ×０．１ｍｍのサイズ範囲のマイクロ通路を使用することにより、得られることがある。その欠点は、そのような小さな反応通路は、図１〜４の装置に対してさえ、小さい容積を有することである。その結果、所定の反応速度に対して十分な反応時間を提供するため、および／または圧力制限のために、流量は一般に少なく、したがって、生産速度は低い。] 図１ 図２ 図３ 図４
[0018] 図１〜４の装置のような装置の全体のサイズと容積、その結果として、生産速度を減少させずに、そのような装置における不混和液に関する性能を改善することが望ましいであろう。] 図１ 図２ 図３ 図４
課題を解決するための手段

[0019] 本発明の１つの態様の１つの実施の形態によれば、２種類以上の不混和液を接触させる方法は、（１）０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径を有する反応体通路であって、その長手方向に沿って、順番に、反応体の進入のための２つ以上の入口、その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分、少なくとも０．１ミリリットルの容積および略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分および各々の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分が続いている１つ以上の追加のミキサ通路部分を有する反応体通路をその中に備えた一体型熱加減微細構造流体装置を提供し、（２）２種類以上の不混和液を反応体通路に流動させる各工程を有してなり、２種類以上の不混和液が、これらの２種類以上の不混和液の全ての流れが最初のミキサ通路部分を流動するように２つ以上の入口に流される。]
[0020] 本発明の別の態様の実施の形態によれば、その方法を実施する一体型装置も開示される。]
[0021] そのような実施の形態の１つは、０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径を有する反応体通路であって、この反応体通路の長手方向に沿って、順番に、（１）反応体の進入のための２つ以上の入口、（２）その中を通る流体においてある程度の混合および第１の程度の圧力降下を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分、（３）少なくとも０．１ミリリットルの容積および装置内の利用可能な容積に対して通路内の利用可能な容積を一般に最大にする、略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分および（４）その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられた１つ以上のそれぞれの安定化通路部分であって、各々の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分が続いている安定化通路部分を有する反応体通路をその中に備えた一体型熱加減微細構造流体装置を含む。]
[0022] そのような別の実施の形態は、０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径を有する反応体通路であって、この反応体通路の長手方向に沿って、順番に、（１）反応体の進入のための２つ以上の入口、（２）その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分、（３）少なくとも０．１ミリリットルの容積および装置内の利用可能な容積に対して通路内の利用可能な容積を一般に最大にする、略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分および（４）その中を通る流体においてある程度の混合および第１の程度より少ない第２の程度の圧力降下を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられた１つ以上のそれぞれの安定化通路部分であって、各々の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分が続いている安定化通路部分を有する反応体通路をその中に備えた一体型熱加減微細構造流体装置を含む。]
[0023] 本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、その一部は、その説明から当業者に容易に明らかであるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、ここに記載された本発明を実施することによって認識されるであろう。]
[0024] 上述した一般的な説明および以下の詳細な説明は、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されている。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれたものであり、この明細書に包含され、その一部を構成する。図面は、本発明の様々な実施の形態を示しており、説明と共に、本発明の原理および動作を説明するように働く。]
図面の簡単な説明

[0025] ある従来技術のマイクロ流体装置の一般的な層構造を示す斜視図
図１の容積２４内の鉛直壁構造の断面平面図
図１の容積２４内の別の鉛直壁構造の断面平面図
図１の随意的な容積３４内の鉛直壁構造の断面平面図
本発明の方法による反応体の流れ並びに本発明の装置の一般的流路を示す概略図
本発明の装置のある実施の形態による図１の容積２４内の鉛直壁構造の断面平面図
本発明の装置の別の実施の形態による図１の容積２４内の鉛直壁構造の断面平面図
本発明の方法のテストに用いた装置の図１の容積２４内の鉛直壁構造の断面平面図
乳化区域の数（ｘ軸）の関数としての収率パーセント（ｙ軸）を示すグラフ
ある比較の装置、本発明の方法により用いられる２つの装置、および本発明の方法により用いられる２つの本発明の装置における、バールで表された圧力降下の関数としてのテスト反応の収率パーセントを示すグラフ
不混和液の対に関する、マイクロメートルで表された液滴の半径（菱形、左側の軸）およびバールで表された圧力降下（正方形、右側の軸）への混合区域および／または混合および安定化区域の数の影響の理論数値計算を示すグラフ
図１１と異なる不混和液の対に関する、マイクロメートルで表された液滴の半径（菱形、左側の軸）およびバールで表された圧力降下（正方形、右側の軸）への混合区域および／または混合および安定化区域の数の影響の理論数値計算を示すグラフ] 図１ 図１１
[0026] ここで、その実施例が添付の図面に示されている、本発明の現在好ましい実施の形態を詳細に参照する。できる限り、同じまたは同様に部分を称するために、図面に亘り同じ参照番号を使用する。]
[0027] 図５は、本発明の方法による反応体の流れ並びに本発明による一体型微細構造流体装置１０内の一般的流路を示す概略図である。２種類以上の反応体を含む２種類以上の不混和液が、２つ以上の入口ＡおよびＢから、一体型微細構造流体装置１０内の反応体通路２６に供給される。この反応体通路は、０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径を有し、その長手方向に沿って、順番に、反応体の進入のための２つ以上の入口ＡおよびＢ、その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分３８、少なくとも０．１ミリリットルの容積および装置内の利用可能な容積に対して通路内の利用可能な容積を一般に最大にする、略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分４０および各々の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分４６が続いている１つ以上の安定化通路部分４４を有することが望ましい。言い換えれば、図５に示されるように、追加のミキサ通路部分は、関連する対応する追加の滞留時間通路部分４６と共に、ｎ回繰り返されるユニット４２を表し、ここで、ｎは正の整数である。流体は、出口Ｃから装置１０を出る。] 図５
[0028] 「一体型」とは、ここでは、その装置が一般に、非破壊的に分解できないと理解されるものではないように構成された配置された装置であると理解される。ある実施例は、本発明の発明者および／または同僚により開発され、例えば、米国特許第７００７７０９号（G.Guzman等、2006）明細書に開示された方法により調製されたガラス、ガラスセラミック、およびセラミックの微細構造装置を含む。そのような材料および方法は、本発明の脈絡において有用である。]
[0029] 図５により示された方法および微細構造流体装置は、不混和流体媒質中の反応、乳化および反応時間の２つの重要な態様を含む。このレイアウトにより、最初のミキサ通路部分３８と１つ以上の追加のミキサ通路部分４４により提供される、高い表面積／容積比、および間隔があけられたミキサゾーンの間の滞留時間通路部分４０および４６の略真っ直ぐな通路により提供される、著しく大きい内部容積の両方が保証される。大きい内部容積を提供する目的のために、最初の滞留時間通路部分は、望ましくは少なくとも０．１ミリリットル、より望ましくは少なくとも０．３ミリリットルの容積を有する。１つ以上の追加の滞留時間通路部分は、最初のものとほぼ同じ容積を有することが望ましいかもしれないが、全てが同じ容積を有する必要はない。] 図５
[0030] ミキサすなわち乳化ゾーンおよび滞留時間すなわち反応ゾーンを交互に配置することにより、反応時間に必要な容積が提供されるが、長く狭く蛇行した乳化ゾーンだけを含む微小構造においては、一般にそうならない。そのような長い乳化ゾーンには、短い反応時間を意味する小さい容積という欠点がある。]
[0031] 図５の概略図に示された方法は、２種類以上の不混和液が最初のミキサ通路部分３０を流通するように、２種類以上の不混和液を、任意の補助的な追加の入口Ｂ２ではなく、２つ以上の入口ＡおよびＢ１の全てに流すことによって、図３および４の従来技術の装置において必要に応じて実施してもよいことが理解されよう。追加の入口Ｂ２を施栓するまたは蓋する必要をなくすために、最初の滞留時間通路部分の後に、追加の入口のない反応体通路を有する装置を使用することが望ましいであろう。] 図３ 図５
[0032] ほとんど全てのマイクロミキサ設計について、流量が大きくなるほど、より良い品質のエマルションが得られる。本発明の装置には、反応速度論により要求される反応時間に匹敵する滞留時間を維持しながら、大きい流量を使用できる利点がある。]
[0033] 本発明による装置の現在好ましい実施の形態の１つが図６に示されており、この図は、図１の容積２４において有用な壁構造の断面である。図６の構造は、図４に示された構造に使用することが意図されており、図３および４について先に論じたのと同じ様式で増加した滞留時間通路容積が得られる。] 図１ 図３ 図４ 図６
[0034] 図５の概略図におけるように、図６の装置で、２種類以上の反応体を含む２種類以上不混和液が、２つ以上の入口ＡおよびＢ１から一体型微細構造流体装置（図１に一般的に示されているタイプの装置１０）内の反応体通路２６に供給される。反応体通路２６は、０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径１１を有し、その長手方向に沿って、順番に、反応体の進入のための２つ以上の入口ＡおよびＢ１、その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分３８、少なくとも０．１ミリリットルの容積および装置内の利用可能な容積に対して通路内の利用可能な容積を一般に最大にする、略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分４０、および各々の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分４６が続いている１つ以上の安定化通路部分４４を有することが望ましい。] 図１ 図５ 図６
[0035] 同様に、図６に示される方法および微細構造流体装置は、不混和液媒質中の反応、乳化および反応時間の２つの重大な態様を含む。このレイアウトにより、最初のミキサ通路部分３８および１つ以上の追加の滞留時間通路部分４６により提供される、高い表面積／容積比、および間隔のあけられた混合ゾーンの間の滞留時間通路部分４０および４６の略真っ直ぐな通路と、図４の構造内に設けられた追加の滞留時間通路容積とにより提供される、著しく大きい内部容積が保証される。大きい内部容積を提供する端部に向かって、最初の滞留時間通路部分４０は、望ましくは少なくとも０．１ミリリットル、より望ましくは少なくとも０．３ミリリットルの容積を有する。追加の滞留時間通路部分４６は容積が同様であることが望ましいが、最初のもの４０とすなわち互いに同一である必要はない。] 図４ 図６
[0036] 図６の装置において、追加のミキサ通路部分４４は、最初のミキサ通路部分３８よりも少ない程度の圧力降下を誘発するように構成されている。すなわち、追加のミキサ通路部分４４は、最初のミキサ通路部分３８と同じ圧力と流量で同じ流体が供給されていると仮定すれば、最初のミキサ通路部分３８により生じるよりも少ない圧力降下を生成するように構成され、配置される。図６の実施の形態において、追加のミキサ通路部分４４は、最初のミキサ通路部分３８よりも短く、その長手方向に沿って数の少ない混合要素６０を有する。それゆえ、追加のミキサ通路部分は、ある意味では、ミキサよりも安定器として働き、短縮されていないミキサの変わりに、これらの安定器の使用により、全体として反応体通路の圧力降下が著しく減少する。本発明の方法における図３の装置の使用に関して先に論じたように、追加の入口Ｂ２は使用されないが、本発明の範囲から外れた方法に利用可能である。] 図３ 図６
[0037] 図７は、本発明の装置の別の実施の形態による図１の容積２４内の鉛直壁構造の断面平面図である。図６の構造と同じ様式で、図６の構造は、図４に示された構造に使用することが意図されており、図３および４について先に論じたのと同じ様式で増加した滞留時間通路容積が得られることに留意されたい。] 図１ 図３ 図４ 図６ 図７
[0038] 図６の構造とは対照的に、図７に示された実施の形態においては、追加の入口が設けられていない。この実施の形態の最初のミキサ３８は狭い蛇行した通路部分の形態にあるのに対し、この実施の形態の追加のミキサまたは安定器４４は、この構造において有用な流量で、自続式(self-sustaining)振動ジェットを生成するように構成され構築されたチャンバの形態にある。図７の自続性振動ジェット安定器４４は、図６の安定器４４よりもさらに小さい圧力降下を生じ、エマルションをほとんど同様に維持する。] 図６ 図７
[0039] 図７の自続性振動ジェット安定器４４は各々、１つの（または必要に応じてそれより多くの別個の）供給物通路６２を有するチャンバ６０の形態に構成され、１つ以上の供給物通路の各々は、チャンバの共通 壁６４でチャンバに入り、１つ以上の別個の供給物通路６２は、１つ以上の別個の通路６２の幅およびもしあれば、全ての通路間壁の幅を一緒に含む総通路幅６６を有し、チャンバ６０は、総通路幅６６の少なくとも２倍の、１つ以上の通路６２に対して垂直な方向の幅６８を有する。チャンバ６０は、そうしなければ比較的大きい開放チャンバの圧力抵抗を増加させるように働くであろう１つ以上の支柱７０を含んでもよい。] 図７
[0040] 実験
テスト反応としてアミド化反応を用いた。このテスト手法は以下のとおりであった：１．６８２ｇ（０．０１モル）の２−フェニル酢酸塩化物（Ｉ）を１Ｌの乾燥酢酸エチルまたはトルエンに溶解させた。１−フェニルエチルアミン（１．１２１２ｇ、０．０１モル）を１Ｌの０．１Ｎの水酸化ナトリウム溶液に溶解させた。これら２種類の不混和溶液を、室温において様々な流量で１：１の一定の比率で反応装置にポンプで通した。１Ｎの酸塩化物溶液を含むビーカー内に溶液を収集することによって、反応を反応装置の出口で停止させた。有機相を分離し、乾燥させ、分析のためにガスクロマトグラフに注入した。]
[0041] 注入の順番は重要ではなかった。有機相と水相に用いた入口を切り替えても、収率に影響はなかった。一方の反応体を、図８に示したような構造のテストの入口Ａに注入し、所定のテストについてミキサに滞留時間または反応ゾーンの所望の合計数に応じて、他方の反応体を、入口Ｂの選択したものに注入した。流量は、滞留時間の１．１から１．５秒に変動範囲を制限するために調節した。その結果が、乳化ゾーン（最初ミキサゾーンの後のミキサゾーン）の関数としての収率パーセントで、図９のグラフに示されている。図から分かるように、乳化ゾーンが多いほど、収率が高かった。この特定の反応の場合において、最初のゾーンの後の最もうまく実施できる乳化またはミキサゾーンの数は４つであり、そのテスト装置から得られた最大値であった。丸底フラスコ内で行った同じ反応では（１００ｍｌ、室温、３分、６００ｒｐｍのマグネティックスターラ）、基準値として５５．６％の収率が得られた。] 図８ 図９
[0042] 図１０は、１つの比較の方法／装置（トレース４８）および本発明の方法の４つの適用（トレース５０〜５６）に関する様々な流量（図示せず）で生成された、バールで表された圧力降下の関数としての収率パーセントを示す。比較装置のトレース４８は、１つのミキサ通路部分とそれに続く１つの滞留時間通路部分を有する図２の装置である。残りのトレース５０〜５６は全て、各々の直後に滞留時間通路部分がある多数のミキサ通路部分に通して全ての反応体を供給する工程を含む方法により生成された。] 図１０ 図２
[0043] トレース５０は、本発明の方法に記載されたように用いた、図３の装置のような装置からの収率結果を示しているのに対し、トレース５２は、装置の出口に追加の滞留時間構造が加えられた、図８の装置からの結果を示している。トレース５０および５２の両方において、後に続くミキサは、最初のミキサと同じ長さと数の混合要素を有する。トレース５４および５６は、これとは対照的である。トレース５４は図７の装置からの結果であるのに対し、トレース５６は図６の装置からの結果である。トレース５４および５６の両方とも、最初のミキサの下流にあるミキサまたは乳化器または安定器が、最初のミキサよりも短いか他の様式で強度が弱い（より低い圧力降下）、本発明の好ましい構造の優位性を示している。トレース５４および５６に示したように、比較的低い圧力（圧力降下）での高い収率が結果であった。] 図３ 図６ 図７ 図８
[0044] 設計理論および分析
ここに記載された設計原理および方法を、どのように使用して、特定の化学反応の事例に適合できるかを説明するために、拘束を意図するものではなく、ある反応系の以下の単純な分析を提案する。混合および／または乳化要素の合計の最適数Ｎが、分析のための変数として考えられ、（ｉ）圧力降下、（ｉｉ）十分な反応時間を与えるための反応装置の総容積、および（ｉｉｉ）エマルションの分散相中の液滴の最大直径の間の釣り合いを見つけるために計算される。]
[0045] 使用した表記法は以下のとおりである：γ界面張力、ρ混合物の密度、Ｓ連続媒質中の分散相の溶解度、Ｄ分散係数、Ｒ気体のモル定数、Ｔ温度、Ｖ反応装置の総容積、Ｖm１つの乳化要素の容積、ＶDT１つの真っ直ぐなセグメントの容積、ΔＰm１つの乳化要素における圧力降下、およびＱ総体積流量。]
[0046] エマルションは、各乳化要素における剪断応力により形成され、全反応装置に関するこのプロセスにおけるエネルギー散逸Ｅmを算定するために以下の式を採用できる。これは、乳化要素の数には関係なく、１つの単独ユニットの設計のみに依存する：]
[0047] 次に、分散相中の液滴の最大直径ｄmaxは、]
[0048] により評価できる。]
[0049] この直径を一旦算定したら、エマルションの安定性の時間を評価して、真っ直ぐな通路の望ましい容積の桁を与えることができる。実証を簡単にするために、エマルションの不安定化が熟成プロセスにしたがうと仮定する（凝集などの他の機構が考えられるが）。そのようなプロセスに関して、液滴の半径は：]
[0050] と計算され、ここで、ｋは混合物の性質により定義された定数である：]
[0051] １つの乳化要素の出口での液滴の半径は、反応装置中の液滴のサイズを最小にしたい場合には、ｄmax／２とみなすことができる。反応装置において生じた圧力降下は]
[0052] と記載してよく、総容積はＶ＝Ｎ（Ｖm＋ＶDT）と記載してよく、これは、乳化要素の容積を無視すれば、Ｖ＝Ｎ・ＶDTとほぼ等しい。これにより、総滞留時間τ＝Ｖ／Ｑを計算することができる。]
[0053] 所定の反応およびプロセス条件について、流量Ｑおよび必要な滞留時間τが設定される。乳化要素の設計が確定したと仮定すると、次に、これらの要素の数Ｎを除いて、全てのパラメータが設定される。この数は、以下の２つの基準に対処することによって定義される：（ｉ）任意の乳化要素の入口での半径は最小にすべきである（すなわち、前の真っ直ぐな通路の出口での）、（ｉｉ）圧力降下は最小にすべきである。そのような条件により、先の式にしたがって（所定の最適化状況に関して、τ0、ｋ、τ、ΔＰmおよびΔＰDTは一定とする）：]
[0054] と記載することができ、ここで、ｒおよびΔＰの両方は、Ｎに対して最小化すべきである。]
[0055] 数の実例
数の実例についての報告されたデータにおいて採用された２つの系、すなわち、酢酸エチル（Ｃ4Ｈ8Ｏ2）−水系およびトルエン（Ｃ7Ｈ8）−水系を選択した：]
[0056] 反応装置および反応／プロセス条件について、以下を前提とする：
Ｑ＝１５０ｍｌ／分
ΔＰm＝０．３バール（溶媒の粘度に依存するが、簡単にするために一定に維持した）
ΔＰDT＝０．１５バール（溶媒の粘度に依存するが、簡単にするために一定に維持した）
Ｖm＝０．１ｍｌ
τ＝２０秒
これにより、以下の結果がもたらされる：]
[0057] 先に報告した値は、大きく、エマルションの不十分な安定性に相当し、これは、この場合に本発明を実施する必要がある理由である。図１１および１２は、ここに報告したデータを生成するために用いた単純モデルについてのこの分析の最終結果を示している。図１１は、酢酸エチルと水に関する結果を示している。ミキサ／安定器の数が横軸にあり、マイクロメートルで表され、菱形により示された液滴サイズが左側の縦軸にあり、バールで表され、正方形で示された圧力降下が、右側の縦軸にある。図１１から分かるように、液滴の半径の減少のほとんどは、４つ目または５つ目のミキサ／安定器により生じた。図１２は、トルエンと水に関する計算結果を示しており、ミキサ／安定器の数が横軸にあり、マイクロメートルで表され、菱形により示された液滴サイズが左側の縦軸にあり、バールで表され、正方形で示された圧力降下が、右側の縦軸にある。図１１とは対照的に、図１２は、液滴の半径の減少のほとんどはは、たった１つか２つのミキサ／安定器のすぐ後に生じることを示している。このことは、本発明に記載した設計の原理を適用することによって、最適が見つけられ、この最適値は反応によることを示している。] 図１１ 図１２
[0058] 桁の別の単純な試算により、本発明の開示に記載された本発明の統合手法により、凝集が効率的に防がれることが示されるであろう。粘性の連続相における液滴の剪断促進凝集において、凝集した液滴の最大半径Ｒの値は、いくつかのモデルにより算定できる：これらのモデルのうちの１つ（不動界面手法）により：]
[0059] が得られ、ここで、ｈcは２つの液滴間の排水の臨界膜厚であり、τは剪断速度であり、ηは連続液相の動的粘度である。]
[0060] 直径Ｄの円筒管について、半径ｒでの剪断応力τは：]
[0061] により得られる。]
[0062] それゆえ、最大凝集半径Ｒcがもたらされる剪断速度下での液体の容積分率は：]
[0063] により得られる。]
[0064] この数は、管の内径に非常に依存しているのが明らかであり、したがって、２つの安定器の間で小さい寸法を達成することが根本的に重要であることを説明している。]
実施例

[0065] 矩形断面を有する通路について、同じ分析を行うことができる。アスペクト比が、微小通路の所定の容積について十分な剪断を提供するための重要な要因であることが示される。剪断速度の計算についての詳細が、P.-S.Lee & S.V.Garimella, Thermally developingflow and heat transfer in rectangular microchannels of different aspect ratios, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.49, pp.3060-3067, 2006に見られる。]
[0066] １０マイクロ流体装置
２６反応体通路
３０ミキサ通路部分
３２滞留時間通路部分
３８ 最初のミキサ通路部分
４０ 最初の滞留時間通路部分
４４ 追加のミキサ通路部分
４６ 追加の滞留時間通路部分]

权利要求:

請求項1
２種類以上の不混和液を互いに接触させる方法であって、０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径を有する反応体通路をその中に備えた一体型熱加減微細構造流体装置であって、前記反応体通路が、その長手方向に沿って、順番に、反応体の進入のための２つ以上の入口、その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分、少なくとも０．１ミリリットルの容積および前記装置内の利用できる容積に対する前記通路内の利用できる容積を略最大にする略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分、および各々の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分が続いている１つ以上の追加のミキサ通路部分を有するものである一体型熱加減微細構造流体装置を提供し、前記２種類以上の不混和液を前記反応体通路に流動させる、各工程を有してなり、前記２種類以上の不混和液が、該２種類以上の不混和液の全ての流れが前記最初のミキサ通路部分を流動するように前記２つ以上の入口に流されることを特徴とする方法。
請求項2
前記一体型熱加減微細構造流体装置を提供する工程が、少なくとも０．３ミリリットルの容積を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分を有する一体型熱加減微細構造流体装置を提供する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
請求項3
０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径を有する反応体通路をその中に備えた一体型熱加減微細構造流体装置であって、前記反応体通路が、その長手方向に沿って、順番に、反応体の進入のための２つ以上の入口；その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分；少なくとも０．１ミリリットルの容積および前記装置内の利用できる容積に対する前記通路内の利用できる容積を略最大にする略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分を有し、前記装置がさらに、前記反応体通路に沿って、前記最初の滞留時間通路部分後に、追加の入口なくして、１つ以上のそれぞれの安定化通路部分を備え、各安定化通路部分が、その中を通る流体においてある程度の混合を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられ、各安定化通路部分の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分が続いていることを特徴とする微小構造流体装置。
請求項4
前記最初の滞留時間通路部分が、少なくとも０．３ミリリットルの容積を有することを特徴とする請求項３記載の微小構造流体装置。
請求項5
前記１つ以上の安定化通路部分が、前記ミキサ通路部分よりも少ない程度の圧力降下を誘発するように構成され配置されていることを特徴とする請求項３または４記載の微小構造流体装置。
請求項6
前記ミキサ通路部分が、第１の長さを有する狭く蛇行した通路部分を含み、前記１つ以上の安定化通路部分の各々が、前記第１の長さより短い長さを有する狭く蛇行した通路部分を含むことを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載の微小構造流体装置。
請求項7
前記ミキサ通路部分が第１の数のミキサ要素を備え、前記１つ以上の安定化通路部分の各々が、前記第１の数より少ない数のミキサ要素を備えていることを特徴とする請求項３から６いずれか１項記載の微小構造流体装置。
請求項8
前記ミキサ通路部分が狭く蛇行した通路部分を含み、前記１つ以上の安定化通路部分の内の少なくとも１つが、１つ以上の別個の供給物通路を有する自続性振動ジェットチャンバを備え、前記１つ以上の通路の各々が前記チャンバの共通壁で該チャンバに入り、前記１つ以上の別個のチャンバが、該１つ以上の別個の通路の幅ともしあれば全ての通路内壁の幅を一緒に含む総通路幅を有し、前記チャンバが、前記１つ以上の通路に対して垂直な方向に、前記通路幅の少なくとも２倍の幅を有することを特徴とする請求項３から５いずれか１項記載の微小構造流体装置。
請求項9
前記装置が、ガラス、セラミックまたはガラスセラミックからなる一体型物品を含むことを特徴とする請求項３から８いずれか１項記載の微小構造流体装置。
請求項10
０．２ミリメートルから１５ミリメートルの範囲の特徴的な断面直径を有する反応体通路を中に備えた一体型熱加減微細構造流体装置であって、前記反応体通路が、その長手方向に沿って、順番に、反応体の進入のための２つ以上の入口；その中を通る流体においてある程度の混合および第１の程度の圧力降下を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられる最初のミキサ通路部分；少なくとも０．１ミリリットルの容積および前記装置内の利用可能な容積に対して前記通路内の利用可能な容積を略最大にする、略滑らかで連続した形状または構造を有することにより特徴付けられる最初の滞留時間通路部分を有し；前記装置が、前記反応体通路に沿って、前記最初の滞留時間通路部分の後に、１つ以上の安定化通路部分を備え、各安定化通路部分が、その中を通る流体においてある程度の混合および第２の程度の圧力降下を誘発する形状または構造を有することにより特徴付けられ、前記第２の程度の圧力降下が、前記第１の程度の圧力降下よりも小さく、各安定化通路部分の直後に対応するそれぞれの追加の滞留時間通路部分が続いていることを特徴とする微細構造流体装置。