JP2004024992A

JP2004024992A - Microreacter and chemical reaction method using the same

Info

Publication number: JP2004024992A
Application number: JP2002183380A
Authority: JP
Inventors: ▲高▼殿　純雄; Sumio Takadono
Original assignee: ATEC JAPAN KK
Current assignee: ATEC JAPAN KK
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microreactor capable of effectively dispersing and mixing fluids, and hence, capable of excellently reacting fluids with each other, and to provide a chemical reaction method. <P>SOLUTION: Different kinds of fluids supplied from each of fluid supply ports P1 and P2 are supplied to a reaction passage 5 through a fluid introduction port 21 of a first reaction element 2. In the reaction passage 5, the fluid is alternately inducted inside each compartment 22a of a first mixing compartment group 22 and inside each compartment 32a of a second mixing compartment group 32, and radially flows while meandering. In the cross section, the fluid flows while being divided and joined. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、複数種の微量の流体を混合して反応させるマイクロリアクター及びそれを用いた化学反応方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、微量の試料で化学反応を行うための微小反応容器であるマイクロリアクターが提供されている。このマイクロリアクターは、反応容量が通常μＬオーダであるため、微量の原料で高速に反応させ得る、小型にて軽量な実験システムが実現できる、集積化及び並列化が容易である、不純物の混入が抑えられる、温度制御など反応条件を一定に保つことが容易である、安全性に優れている等の種々の利点がある。このため、化学合成反応、生化学反応等の化学反応や生体試料検出等に用いられている。
【０００３】
前記マイクロリアクターは、例えば図１０に示すように、第１のチップ１０１に第２のチップ１０２を積層して基板１００を形成するとともに、前記チップ１０１，１０２の何れか一方又は双方に予め形成しておいた細長い凹溝によって、両者間に反応流路１０３を構成し、前記第１のチップ１０２に、前記反応流路１０３に連通する二つの流体供給ポート１０４及び一つの流体排出ポート１０５を形成している（例えば特開平１０−３３７１７３号公報参照）。
このマイクロリアクターにおいては、前記二つの流体供給ポート１０４からそれぞれ注入された２種類の流体が、前記反応流路１０３で混合されて流体排出ポート１０５から排出される。ところが、前記反応流路１０３における流体の混合は、２種類の流体の衝突や流動時の相互拡散によって行われるために、両者が十分に混合されない。このため、２種類の流体の混合が速やかに行われず、反応収率に劣る、副反応が発生する等の問題があった。
【０００４】
そこで、図１１に示すように、前記反応流路１０３を蛇行させて流体の滞留時間を長くしたものが提案されている（特開平２００２−２７９８４号公報参照）。しかし、このマイクロリアクターについても、反応流路１０３の全長を単に長くしたに過ぎず、２種類の流体の混合が衝突や流動時の相互拡散によって行われるために、両者の混合効率がなお不十分である。
また、何れのマイクロリアクターについても、反応流路１０３が微小であり、この微小流路内では流体の流れが通常層流となるので、レイノルズ数が非常に小さく、乱流の発生が抑えられる。このため、反応流路１０３の幅方向や深さ方向での流体どうしの混合はほとんど行われず、拡散による混合しか期待できない。しかし、流体どうしを拡散のみによって効果的に混合するにはきわめて長時間が必要である。したがって、前記従来のマイクロリアクターにおいては、化学反応の基本である流体どうしの分散混合がきわめて困難である。
この発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、流体どうしの分散混合を効果的に行うことができるマイクロリアクターを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するためのこの発明のマイクロリアクターは、複数の流体供給ポートを有する流体供給エレメントと、この流体供給エレメントに隣設され、中心部に各流体供給ポートから供給された複数種の流体を一側面から他側面に導く流体導入口を有し、前記他側面の流体導入口の周囲に微細な凹凸面を有する第１の反応エレメントと、この第１の反応エレメントに隣設され、一側面の中心部に前記流体導入口を通過した複数種の流体を受け止める流体受け部を有し、他側面の前記流体受け部の周囲に微細な凹凸面を有する第２の反応エレメントと、前記第１及び第２の反応エレメントの相互間に設けられ、前記流体受け部によって受け止めた複数種の流体を、前記第１及び第２の反応エレメントの微細な凹凸面に沿って蛇行させながら放射状に流動させて分散混合させる反応流路と、この反応流路を通過した流体を集める集合路と、この集合路に連通する流体排出ポートを有する流体排出エレメントとを備えている（請求項１）。
【０００６】
このような構成のマイクロリアクターによれば、流体供給エレメントの各流体供給ポートから供給された複数種の流体を、流体導入口を通して第２の反応エレメントの流体受け部に導いて反応流路に供給し、この反応流路内に形成した微細な凹凸面によって蛇行させながら放射状に流動させながら分散混合させることができる。このため、流体どうしの混合を短時間で効果的に行うことができる。
【０００７】
前記マイクロリアクターは、前記第１の反応エレメントの凹凸面が、第２の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第１の混合小室群からなり、第２の反応エレメントの凹凸面が、第１の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第２の混合小室群とからなり、互いに対向する各混合小室群の小室どうしが、位置をずらして配置されているのが好ましい（請求項２）。この場合には、複数種の流体を第１の混合小室群の各小室と第２の混合小室群の各小室とに交互に導入してより効率よく分散混合させることができる。
【０００８】
前記マイクロリアクターにおいて、前記集合路は反応流路を通過した流体を第２の反応エレメントの他側面側に導く第１の流路と、この第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって流動させる第２の流路とを備え、この第２の流路に、第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって直線的に流動させる整流部を放射状に設けているとともに、前記流体排出ポートを第２の反応エレメントの中心部に対応させて設けているのが好ましい（請求項３）。
この場合には、反応流路を通過した流体を第１の流路を通して第２の反応エレメントの他側面側に導き、この他側面側に導いた流体を第２の流路において整流部により第２の反応エレメントの中心部に向かって直線的に流動させることができる。これにより、流体を第２の反応エレメントの中心部にスムースに集めて流体排出ポートから効率よく排出することができる。このため、背圧によって反応流路で流体の流れが阻害されるのを防止することができる。また、この場合において、前記整流部の中心側の端部を結ぶ仮想円の直径は、前記流体排出ポートの内径よりも小さいのが好ましい（請求項４）これにより、第２の流路において中心部に向かって流動する流体どうしを、当該中心部で効果的に合流させて、その分散混合をさらに促進させることができる。
【０００９】
またこの発明の化学反応方法は、請求項１〜４の何れかに記載のマイクロリアクターの流体供給ポートから複数種の流体を注入し、その反応流路内において当該複数種の流体を混合させて分散反応させることを特徴としている（請求項６）。
この化学反応方法によれば、前記マイクロリアクターの反応流路内に形成した微細な凹凸面によって、複数種の流体を蛇行させながら流動させて効果的に分散混合させることができるので、流体どうしの反応を短時間で効果的に行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明のマイクロリアクターの実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明のマイクロリアクターＭの一実施形態を示す断面図であり、図２はその一部欠截平面図である。このマイクロリアクターＭは、複数の流体供給ポートＰ１を有する流体供給エレメント１と、この流体供給エレメント１に隣設された第１の反応エレメント２と、この第１の反応エレメント２に隣設された第２の反応エレメント３と、中心部に流体排出ポートＰ２を有する流体排出エレメント４とによって構成されている。
【００１１】
前記マイクロリアクターＭは、各エレメント１〜４を積層して円板状にしたものであり、その直径は例えば１０〜５０ｍｍ、厚みは例えば５〜１５ｍｍ程度に設定されている。また、各エレメントの素材としては、金属、ガラス、セラミックス、プラスチック等が用いられ、適用される流体の性質、光反応や光遮断下での反応等の反応条件に応じて前記素材の中から適宜選択される。
【００１２】
前記流体供給エレメント１に形成された各流体供給ポートＰ１は、一側面（上面）に開口しており、当該流体供給エレメント１の他側面（下面）側に形成された円形断面の凹部１１によって相互に連通されている。各流体供給ポートＰ１には、ディフューザ式やダイヤフラム式等のマイクロポンプ、マイクロバルブ、マイクロシリンジ等によって、種類の異なる流体が個別に供給される。この流体としては、液体、気体、粉体等が挙げられる。
【００１３】
第１の反応エレメント２は、その一側面が流体供給エレメント１に接合されており、その中心部に各流体供給ポートＰ１から供給された複数種の流体を当該一側面から他側面に導く流体導入口２１が貫通形成されている。
前記他側面の外周側には、環状にて平坦な座部２３が形成されており、この座部２３と前記流体導入口２１との間には、複数の小室２２ａからなるハニカム状の第１の混合小室群２２が形成されている（図３参照）。前記小室２２ａは第２の反応エレメント３側が開口しており、その断面形状は図の場合六角形を呈している。また、隣設する小室２２ａどうしは、その周壁の一部を共有している。
【００１４】
第２の反応エレメント３は、その一側面の外周側が第１の反応エレメント２の座部２３に接合されており、その他側面の外周側には、環状にて平坦な座部３３が形成されているとともに、この座部３３の内側に凹部３０が形成されている。この第２の反応エレメント３の前記一側面の中心部には、第１の反応エレメント２の流体導入口２１を通過した複数種の流体を受け止める流体受け部３１が形成されている。この流体受け部３１は前記流体導入口２１の軸線に対して直交する平坦面からなり、当該流体導入口２１から導入された流体を偏りなく放射状に拡散させる。なお、この流体受け部３１は、前記平坦面の他、第１の反応エレメント２方向に突出する円錐面や球面であってもよい。
【００１５】
前記流体受け部３１の周囲には、複数の小室３２ａからなる第２の混合小室群３２が形成されている（図５参照）。この第２の混合小室群３２は、前記第１の混合小室群２２と同様なハニカム状のものであり、その小室３２ａは第１の反応エレメント２側が開口している。
また、前記第２の反応エレメント３には、後述する反応流路５を通過した流体を、第２の反応エレメント３の他側面側に導く第１の流路６１が、前記凹部３０の外周縁に沿って所定ピッチ毎に複数個貫通形成されている（図５及び図６参照）。
【００１６】
前記第１の混合小室群２２の小室２２ａと、第２の混合小室群３２の小室３２ａとは、互いに対向する一方の小室が他方の小室と正対しないように、図３及び図５において上下方向及び左右方向に所定ピッチずつ互いに位置をずらした状態で配置されている。また、前記第１の混合小室群２２の下面と第２の混合小室群３２の上面とは、ほぼ同一平面に配置されている。これにより、各混合小室群２２，３２の相互間には、前記流体受け部３１によって受け止めた複数種の流体を放射状に流動させつつ蛇行させる反応流路５（図１参照）が構成されている。
【００１７】
各小室２２ａ，３２ａの周壁の外接円の直径は例えば０．１〜１ｍｍの範囲に設定され、深さは例えば０．０１〜０．５ｍｍの範囲に設定される。したがって、前記反応流路５には、各混合小室群２２，３２によって微細な凹凸面が構成されている。なお、前記各小室２２ａ，３２ａは、例えばリソグラフィ法や光造形法等によって形成される。
【００１８】
第１の反応エレメント２の凹部３０によって流体排出エレメント４との間に構成される隙間は、前記第１の流路６１を通過した流体を中心部に導く第２の流路６２として構成されており、これら各流路６１，６２によって、反応流路５を通過した流体を中心部に集合させる集合路６が構成されている。
前記第２の流路６２には、複数枚の整流部７が放射状に配置されている（図１及び図６参照）。各整流部７は第２の反応エレメント３の他側面から突出したリブ状のものであり、第２の流路６２を周方向において等間隔に区画している。この整流部７により、第２の流路６２に導いた流体を、第２の反応エレメント３の中心部に向かって直線的に流動させることができる。
【００１９】
前記整流部７の中心側の端部７１は、当該端部７１に臨ませた前記流体排出ポートＰ２の内周よりも中心側に位置している。つまり、各整流部７の中心側の端部７１どうしを結ぶ仮想内接円の直径Ｄは、前記流体排出ポートＰ２内径ｄよりも小さくなっている（図１参照）。これにより、第２の流路６２において中心部に向かって流動する流体どうしを、当該中心部で効果的に合流させて、強い乱流を生じさせることができる。
前記流体排出ポートＰ２を形成した流体排出エレメント４は、その一側面の外周側が第２の反応エレメント３の前記座部３３に接合されている。
【００２０】
以上の構成であれば、各流体供給ポートＰ１から供給された種類の異なる流体は、第１の反応エレメント２の流体導入口２１を通過した後、第２の反応エレメント３の流体受け部３１で受け止められて反応流路５に供給され、この反応流路５において放射状に流動しながら、縦断面内では図１の矢印で示すように、第１の混合小室群２２の各小室２２ａ内と、第２の混合小室群３２の各小室３２ａ内とに交互に導入されて蛇行しながら流動し、横断面内では図７の矢印で示すように、分割及び合流しながら流動することができる。このため、種類の異なる流体どうしを拡散混合だけでなく分散混合させることができ、当該流体どうしをきわめて短時間で効率よく混合させて反応させることができる。しかも、各小室２２ａ，３２ａがハニカム状にて高密度に配置されているので、流体どうしをより一層効率的に分散混合させることができる。
【００２１】
そして、反応流路５を通過した流体は、第１の流路６１を通して第２の流路６２に導かれ、中心部に集められて流体排出ポートＰ２を通して排出される。この際、第２の流路６２に導いた流体を、前記整流部７によって中心部に向かって直線的に流動させることができるので、当該流体を第２の反応エレメント３の中心部にスムースに集合させて流体排出ポートＰ２から効率よく排出することができる。このため、背圧によって反応流路５の流体の流れが阻害されるのを防止することができる。また、各整流部７の中心側の端部７１どうしを結ぶ仮想内接円の直径Ｄが、前記流体排出ポートＰ２の内径ｄよりも小さくなっており、第２の流路６２において中心部に向かって流動する流体どうしを、当該中心部で効果的に合流させて、強い乱流を生じさせることができるので、当該流体どうしをより一層効果的に混合させることができる。
【００２２】
前記小室２２ａ，３２ａの断面形状としては、前記六角形の他、三角形、五角形、八角形等の種々の多角形や円形等であってもよく、これら何れについても外接円の直径は０．１〜１ｍｍの範囲に、深さは０．０１〜０．５ｍｍの範囲にそれぞれ設定するのが好ましい。前記外接円の直径が前記範囲を超えると、反応に必要な流体の容量が増大するとともに、流体の混合効果が低下する。また、外接円の直径が小さすぎると小室２２ａ，３２ａの製造が困難となる。
なお、前記各小室２２ａ，３２ａの底面に、微細な凹凸を設けて実施してもよい。また、前記各小室２２ａ，３２ａの開口縁に曲面からなる面取りを形成してもよく、この場合には、第１の混合小室群２２の小室２２ａと第２の混合小室群３２の小室３２ａとが交差する部分において流体が滞留するのを、前記面取りによって抑制することができる。
【００２３】
前記小室２２ａ，３２ａの個数については、流体の種類の応じて適宜選択される。また、流体供給ポートＰ１の個数については、反応させる流体の種類に応じて選択される。さらに、互いに対をなす第１の反応エレメント２及び第２の反応エレメント３については、反応時間を長く要する場合等には複数対設けてもよい（図８参照）。また、前記整流部７は流体排出エレメント４に突設してもよい。前記マイクロリアクターＭは、基台８上に複数個形成してもよく（図９参照）、この場合には、多数の化学反応を同時に実施することができるので、効率よく化学反応を行うことができる。
【００２４】
この発明のマイクロリアクターＭは原料流体どうしの分散混合を高度に達成することができるので、従来、フラスコスケールでは実施が困難であった各種の化学反応も実施できる。この発明の化学反応は液体−液体、液体−気体、液体−固体、液体−固体−気体など様々な系で実施することができる。
また、この発明のマイクロリアクターＭは、生化学反応その他の化学反応に用いられ、コンビナトリアル・ケミストリー、創薬分野等にも応用できる。この他、ハイブリダイゼーションの原理を利用したＤＮＡの検出、抗体―抗原反応、各種酵素反応当にも用いられる。
【００２５】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、原料流体どうしの分散混合を効果的に行うことができ、ひいては流体どうしの反応を良好に行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のマイクロリアクターの一実施の形態を示す断面図である。
【図２】同じく一部欠截平面図である。
【図３】第１の反応エレメントを示す底面図である。
【図４】第１の反応エレメントを示す平面図である。
【図５】第２の反応エレメントを示す平面図である。
【図６】第２の反応エレメントを示す底面図である。
【図７】反応流路での流体の流れを示す概略図である。
【図８】他の実施の形態を示す断面図である。
【図９】さらに他の実施の形態を示す平面図である。
【図１０】従来例を示す一部欠截平面図である。
【図１１】他の従来例を示す一部欠截平面図である。
【符号の説明】
１　　　流体供給エレメント
２　　　第１の反応エレメント
２１　　流体導入口
２２　　第１の混合小室群
２２ａ　小室
３　　　第２の反応エレメント
３１　　流体受け部
３２　　第２の混合小室群
３２ａ　小室
５　　　反応流路
６　　　集合路
６１　　第１の流路
６２　　第２の流路
７　　　整流部
Ｐ１　　流体供給ポート
Ｐ２　　流体排出ポート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microreactor for mixing and reacting a plurality of kinds of trace fluids and a chemical reaction method using the same.
[0002]
Problems to be solved by the prior art and the invention
BACKGROUND ART Conventionally, a microreactor, which is a microreaction vessel for performing a chemical reaction with a small amount of sample, has been provided. Since the reaction volume of this microreactor is usually on the order of μL, a small and lightweight experimental system that can react at high speed with a small amount of raw materials can be realized, integration and parallelization are easy, and impurities are not mixed. There are various advantages such as being suppressed, easy to keep the reaction conditions such as temperature control constant, and excellent in safety. For this reason, it is used for chemical reactions such as chemical synthesis reactions and biochemical reactions, detection of biological samples, and the like.
[0003]
For example, as shown in FIG. 10, the microreactor is formed by laminating a second chip 102 on a first chip 101 to form a substrate 100 and forming a microchip on one or both of the chips 101 and 102 in advance. The reaction channel 103 is formed between the two by the elongated concave groove, and two fluid supply ports 104 and one fluid discharge port 105 communicating with the reaction channel 103 are formed in the first chip 102. (For example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-337173).
In this microreactor, two kinds of fluids respectively injected from the two fluid supply ports 104 are mixed in the reaction channel 103 and discharged from the fluid discharge port 105. However, the mixing of the fluids in the reaction channel 103 is performed by collision of two types of fluids or mutual diffusion at the time of flow, so that the two are not sufficiently mixed. For this reason, there is a problem that the two kinds of fluids are not mixed promptly, and the reaction yield is inferior and a side reaction occurs.
[0004]
Therefore, as shown in FIG. 11, there has been proposed an apparatus in which the reaction channel 103 is meandering to extend the residence time of the fluid (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-27984). However, also in this microreactor, the total length of the reaction channel 103 is simply increased, and the mixing efficiency of the two types of fluids is still insufficient because the two types of fluids are mixed by collision or mutual diffusion during flow. It is.
Further, in any of the microreactors, the reaction channel 103 is minute, and the flow of the fluid is usually a laminar flow in the minute channel. Therefore, the Reynolds number is very small, and the generation of turbulent flow is suppressed. Therefore, fluids are hardly mixed in the width direction and the depth direction of the reaction channel 103, and only mixing by diffusion can be expected. However, it takes a very long time to effectively mix fluids only by diffusion. Therefore, in the conventional microreactor, it is extremely difficult to disperse and mix fluids, which are the basis of a chemical reaction.
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide a microreactor capable of effectively performing dispersion and mixing of fluids.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a microreactor according to the present invention includes a fluid supply element having a plurality of fluid supply ports, and a plurality of types of fluids provided adjacent to the fluid supply element and supplied from the respective fluid supply ports at a central portion. A first reaction element having a fluid introduction port for guiding the fluid from one side to the other side, and having a fine uneven surface around the fluid introduction port on the other side, and a first reaction element provided adjacent to the first reaction element. A second reaction element having a fluid receiving portion that receives a plurality of types of fluids that have passed through the fluid introduction port at a central portion of the side surface, and a second reaction element having a fine uneven surface around the fluid receiving portion on the other side surface; A plurality of fluids provided between the first and second reaction elements and received by the fluid receiving portion meandering along the fine uneven surface of the first and second reaction elements. A reaction channel for causing the fluid to flow in a dispersive manner to be dispersed and mixed; a collecting path for collecting fluid passing through the reaction channel; and a fluid discharge element having a fluid discharge port communicating with the collecting path. 1).
[0006]
According to the microreactor having such a configuration, a plurality of types of fluids supplied from the respective fluid supply ports of the fluid supply element are guided to the fluid receiving portion of the second reaction element through the fluid introduction port and supplied to the reaction channel. However, it is possible to disperse and mix while radially flowing while meandering by the fine uneven surface formed in the reaction channel. For this reason, mixing of fluids can be performed effectively in a short time.
[0007]
In the microreactor, the uneven surface of the first reaction element includes a honeycomb-shaped first mixed chamber group having a number of small chambers opened on the second reaction element side, and the uneven surface of the second reaction element. Consists of a honeycomb-shaped second mixing chamber group having a number of small chambers with the first reaction element side opened, and the small chambers of each of the mixing chamber groups opposing each other are arranged at different positions. Is preferable (claim 2). In this case, a plurality of types of fluids can be alternately introduced into each of the small chambers of the first mixed small chamber group and each of the small chambers of the second mixed small chamber group, and can be more efficiently dispersed and mixed.
[0008]
In the microreactor, the collecting path includes a first flow path that guides the fluid that has passed through the reaction flow path to the other side surface of the second reaction element, and a fluid that has passed through the first flow path in the second reaction element. A second flow path for flowing toward the center of the element, wherein the fluid passing through the first flow path is linearly moved toward the center of the second reaction element. It is preferable that the flow straightening portion is radially provided and the fluid discharge port is provided so as to correspond to the center of the second reaction element.
In this case, the fluid that has passed through the reaction channel is guided to the other side of the second reaction element through the first channel, and the fluid that has been guided to the other side is subjected to rectification in the second channel by the rectification unit. It can flow linearly towards the center of the two reaction elements. Thus, the fluid can be smoothly collected at the center of the second reaction element and efficiently discharged from the fluid discharge port. For this reason, it is possible to prevent the back flow from obstructing the flow of the fluid in the reaction channel. In this case, it is preferable that the diameter of the virtual circle connecting the ends on the center side of the rectifying portion is smaller than the inner diameter of the fluid discharge port (claim 4). Fluids flowing toward the parts can be effectively merged at the central portion to further promote the dispersive mixing.
[0009]
Further, the chemical reaction method of the present invention is characterized in that a plurality of types of fluids are injected from the fluid supply port of the microreactor according to any one of claims 1 to 4, and the plurality of types of fluids are mixed in the reaction channel. It is characterized by performing a dispersion reaction (claim 6).
According to this chemical reaction method, a plurality of types of fluids can be caused to flow while meandering, and can be effectively dispersed and mixed by the fine uneven surface formed in the reaction channel of the microreactor. The reaction can be performed effectively in a short time.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the microreactor of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of the microreactor M of the present invention, and FIG. 2 is a partially cutaway plan view thereof. The microreactor M is provided with a fluid supply element 1 having a plurality of fluid supply ports P1, a first reaction element 2 provided adjacent to the fluid supply element 1, and provided adjacent to the first reaction element 2. It comprises a second reaction element 3 and a fluid discharge element 4 having a fluid discharge port P2 in the center.
[0011]
The microreactor M is formed by laminating the respective elements 1 to 4 into a disk shape, and has a diameter of, for example, 10 to 50 mm and a thickness of, for example, about 5 to 15 mm. In addition, as a material of each element, metal, glass, ceramics, plastic, or the like is used, and the material is appropriately selected from the above materials according to the properties of the applied fluid, reaction conditions such as photoreaction and reaction under light blocking. Selected.
[0012]
Each fluid supply port P1 formed in the fluid supply element 1 is open on one side (upper surface), and is mutually connected by a concave portion 11 having a circular cross section formed on the other side (lower surface) of the fluid supply element 1. Is communicated to. Different types of fluids are individually supplied to each fluid supply port P1 by a micropump such as a diffuser type or a diaphragm type, a microvalve, a microsyringe, or the like. Examples of the fluid include a liquid, a gas, and a powder.
[0013]
The first reaction element 2 has one side surface joined to the fluid supply element 1, and introduces a plurality of types of fluids supplied from the respective fluid supply ports P <b> 1 to a central portion of the first reaction element 2 to the other side surface. The opening 21 is formed through.
An annular flat seat portion 23 is formed on the outer peripheral side of the other side surface, and a first honeycomb-shaped honeycomb formed of a plurality of small chambers 22 a is provided between the seat portion 23 and the fluid introduction port 21. (See FIG. 3). The small chamber 22a is open on the side of the second reaction element 3, and has a hexagonal cross section in the figure. The adjacent small chambers 22a share a part of the peripheral wall.
[0014]
The second reaction element 3 has an outer peripheral surface on one side joined to the seat 23 of the first reaction element 2, and an annular flat seat 33 formed on the outer peripheral side on the other side. At the same time, a recess 30 is formed inside the seat 33. At the center of the one side surface of the second reaction element 3, a fluid receiving portion 31 for receiving a plurality of kinds of fluids passing through the fluid inlet 21 of the first reaction element 2 is formed. The fluid receiving portion 31 has a flat surface perpendicular to the axis of the fluid inlet 21 and radially diffuses the fluid introduced from the fluid inlet 21 without bias. The fluid receiving portion 31 may be a flat surface, a conical surface projecting in the direction of the first reaction element 2 or a spherical surface.
[0015]
A second mixed small chamber group 32 including a plurality of small chambers 32a is formed around the fluid receiving portion 31 (see FIG. 5). The second mixing chamber group 32 has a honeycomb shape similar to that of the first mixing chamber group 22, and the small chamber 32a is open on the first reaction element 2 side.
The second reaction element 3 has a first flow path 61 for guiding a fluid that has passed through a reaction flow path 5, which will be described later, to the other side of the second reaction element 3. Are formed at predetermined pitches along the line (see FIGS. 5 and 6).
[0016]
The small chamber 22a of the first mixed small chamber group 22 and the small chamber 32a of the second mixed small chamber group 32 are vertically moved in FIGS. 3 and 5 so that one of the small chambers facing each other does not face the other small chamber. The positions are shifted from each other by a predetermined pitch in the direction and in the left-right direction. In addition, the lower surface of the first mixing chamber group 22 and the upper surface of the second mixing chamber group 32 are arranged on substantially the same plane. Thereby, a reaction channel 5 (see FIG. 1) is formed between the mixing small chamber groups 22 and 32, in which a plurality of types of fluids received by the fluid receiving portion 31 meander while flowing radially. .
[0017]
The diameter of the circumscribed circle of the peripheral wall of each of the small chambers 22a and 32a is set, for example, in the range of 0.1 to 1 mm, and the depth is set, for example, in the range of 0.01 to 0.5 mm. Therefore, the reaction channel 5 is formed with a fine uneven surface by the mixing small chamber groups 22 and 32. The small chambers 22a and 32a are formed by, for example, a lithography method or a stereolithography method.
[0018]
The gap formed between the first reaction element 2 and the fluid discharge element 4 by the concave portion 30 is configured as a second flow path 62 for guiding the fluid that has passed through the first flow path 61 to the center. The flow paths 61 and 62 form a collecting path 6 for collecting the fluid that has passed through the reaction flow path 5 at the center.
A plurality of rectifying units 7 are radially arranged in the second flow path 62 (see FIGS. 1 and 6). Each rectifying portion 7 is a rib-like member projecting from the other side surface of the second reaction element 3 and divides the second flow path 62 at equal intervals in the circumferential direction. The rectifying section 7 allows the fluid guided to the second flow path 62 to linearly flow toward the center of the second reaction element 3.
[0019]
The end 71 on the center side of the rectifying unit 7 is located closer to the center than the inner periphery of the fluid discharge port P2 facing the end 71. That is, the diameter D of the imaginary inscribed circle connecting the center-side ends 71 of the respective flow regulating portions 7 is smaller than the inner diameter d of the fluid discharge port P2 (see FIG. 1). Thereby, the fluids flowing toward the central portion in the second flow path 62 can be effectively combined at the central portion to generate a strong turbulent flow.
The fluid discharge element 4 in which the fluid discharge port P2 is formed has one outer peripheral surface joined to the seat 33 of the second reaction element 3.
[0020]
With the above configuration, different types of fluids supplied from the respective fluid supply ports P1 pass through the fluid inlet 21 of the first reaction element 2 and then pass through the fluid receiving portion 31 of the second reaction element 3. It is received and supplied to the reaction channel 5, and while flowing radially in the reaction channel 5, as shown by the arrow in FIG. 1 in the longitudinal section, the inside of each small chamber 22a of the first mixing small chamber group 22 and It is alternately introduced into each of the small chambers 32a of the second mixing small chamber group 32 and flows while meandering, and can flow while dividing and merging as shown by arrows in FIG. For this reason, different types of fluids can be dispersed and mixed as well as diffusion mixed, and the fluids can be efficiently mixed and reacted in a very short time. In addition, since the small chambers 22a and 32a are arranged at high density in a honeycomb shape, the fluids can be more efficiently dispersed and mixed.
[0021]
Then, the fluid that has passed through the reaction flow path 5 is guided to the second flow path 62 through the first flow path 61, collected at the center, and discharged through the fluid discharge port P2. At this time, the fluid guided to the second flow path 62 can be caused to flow linearly toward the center by the rectifying unit 7, so that the fluid smoothly flows to the center of the second reaction element 3. They can be collected and discharged efficiently from the fluid discharge port P2. Therefore, it is possible to prevent the flow of the fluid in the reaction channel 5 from being hindered by the back pressure. Further, the diameter D of the virtual inscribed circle connecting the ends 71 on the center side of the respective rectifying portions 7 is smaller than the inner diameter d of the fluid discharge port P2, and is located at the center in the second flow path 62. Fluids flowing toward each other can be effectively merged at the central portion to generate strong turbulence, so that the fluids can be more effectively mixed.
[0022]
The sectional shape of the small chambers 22a and 32a may be various polygons such as a triangle, a pentagon, and an octagon, a circle, and the like, in addition to the hexagon, and in any case, the diameter of the circumscribed circle is 0.1. Preferably, the depth is set in a range of 1 to 1 mm, and the depth is set in a range of 0.01 to 0.5 mm. When the diameter of the circumscribed circle exceeds the above range, the volume of the fluid required for the reaction increases, and the mixing effect of the fluid decreases. If the diameter of the circumscribed circle is too small, it is difficult to manufacture the small chambers 22a and 32a.
In addition, you may implement by providing fine unevenness | corrugation in the bottom face of each said small chamber 22a, 32a. Further, a chamfer having a curved surface may be formed at the opening edge of each of the small chambers 22a and 32a. In this case, the small chamber 22a of the first mixed small chamber group 22 and the small chamber 32a of the second mixed small chamber group 32 are formed. Can be suppressed by the chamfering at the portion where the fluid crosses.
[0023]
The number of the small chambers 22a and 32a is appropriately selected according to the type of the fluid. The number of the fluid supply ports P1 is selected according to the type of the fluid to be reacted. Further, a plurality of pairs of the first reaction element 2 and the second reaction element 3 forming a pair may be provided when a long reaction time is required (see FIG. 8). Further, the rectifying section 7 may be provided to protrude from the fluid discharge element 4. A plurality of the microreactors M may be formed on the base 8 (see FIG. 9). In this case, since a large number of chemical reactions can be performed simultaneously, the chemical reactions can be performed efficiently. it can.
[0024]
Since the microreactor M of the present invention can achieve a high degree of dispersion and mixing of the raw material fluids, it can also carry out various chemical reactions which were conventionally difficult to carry out on a flask scale. The chemical reaction of the present invention can be carried out in various systems such as liquid-liquid, liquid-gas, liquid-solid, and liquid-solid-gas.
Further, the microreactor M of the present invention is used for biochemical reactions and other chemical reactions, and can be applied to combinatorial chemistry, drug discovery and the like. In addition, it is used for detection of DNA using the principle of hybridization, antibody-antigen reaction, and various enzyme reactions.
[0025]
As described above, according to the present invention, the dispersion and mixing of the raw material fluids can be performed effectively, and the reaction between the fluids can be favorably performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of a microreactor of the present invention.
FIG. 2 is a plan view partially cut away.
FIG. 3 is a bottom view showing a first reaction element.
FIG. 4 is a plan view showing a first reaction element.
FIG. 5 is a plan view showing a second reaction element.
FIG. 6 is a bottom view showing a second reaction element.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a flow of a fluid in a reaction channel.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another embodiment.
FIG. 9 is a plan view showing still another embodiment.
FIG. 10 is a partially cutaway plan view showing a conventional example.
FIG. 11 is a partially cutaway plan view showing another conventional example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fluid supply element 2 1st reaction element 21 Fluid inlet 22 1st mixing small chamber group 22a Small chamber 3 2nd reaction element 31 Fluid receiving part 32 2nd mixing small chamber group 32a Small chamber 5 Reaction channel 6 Collecting path 61 First flow path 62 Second flow path 7 Rectifier P1 Fluid supply port P2 Fluid discharge port

Claims

複数の流体供給ポートを有する流体供給エレメントと、
この流体供給エレメントに隣設され、中心部に各流体供給ポートから供給された複数種の流体を一側面から他側面に導く流体導入口を有し、前記他側面の流体導入口の周囲に微細な凹凸面を有する第１の反応エレメントと、
この第１の反応エレメントに隣設され、一側面の中心部に前記流体導入口を通過した複数種の流体を受け止める流体受け部を有し、他側面の前記流体受け部の周囲に微細な凹凸面を有する第２の反応エレメントと、
前記第１及び第２の反応エレメントの相互間に設けられ、前記流体受け部によって受け止めた複数種の流体を、前記第１及び第２の反応エレメントの微細な凹凸面に沿って蛇行させながら放射状に流動させて分散混合させる反応流路と、
この反応流路を通過した流体を集める集合路と、
この集合路に連通する流体排出ポートを有する流体排出エレメントと
を備えることを特徴とするマイクロリアクター。A fluid supply element having a plurality of fluid supply ports;
A fluid introduction port is provided adjacent to the fluid supply element and guides a plurality of types of fluids supplied from the respective fluid supply ports from one side to the other side at a central portion, and a fine portion is provided around the fluid introduction port on the other side. A first reaction element having a rough surface,
A fluid receiving portion that is provided adjacent to the first reaction element and that receives a plurality of types of fluids that have passed through the fluid introduction port at a central portion on one side surface; and fine irregularities around the fluid receiving portion on the other side surface. A second reaction element having a surface;
A plurality of types of fluids provided between the first and second reaction elements and received by the fluid receiving portion are radially formed while meandering along fine uneven surfaces of the first and second reaction elements. A reaction channel for flowing and dispersing and mixing
A collecting path for collecting the fluid that has passed through the reaction channel,
A fluid discharge element having a fluid discharge port communicating with the collecting passage.

前記第１の反応エレメントの凹凸面が、第２の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第１の混合小室群からなり、第２の反応エレメントの凹凸面が、第１の反応エレメント側が開口された多数の小室を有するハニカム状の第２の混合小室群とからなり、互いに対向する各混合小室群の小室どうしが、位置をずらして配置されている請求項１記載のマイクロリアクター。The uneven surface of the first reaction element is composed of a honeycomb-shaped first mixing chamber group having a large number of small chambers opened on the second reaction element side, and the uneven surface of the second reaction element is formed of the first mixed chamber. 2. The micro-micrometer according to claim 1, comprising a honeycomb-shaped second mixing chamber group having a number of chambers each having an opening on the reaction element side, wherein the chambers of each of the mixing chamber groups opposing each other are arranged at different positions. reactor.

前記集合路が、反応流路を通過した流体を第２の反応エレメントの他側面側に導く第１の流路と、この第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって流動させる第２の流路とを備え、この第２の流路に、第１の流路を通過した流体を第２の反応エレメントの中心部に向かって直線的に流動させる整流部を放射状に設けているとともに、前記流体排出ポートを第２の反応エレメントの中心部に対応させて設けている請求項１記載のマイクロリアクター。A first flow path that guides the fluid that has passed through the reaction flow path to the other side surface of the second reaction element, and a fluid that has passed through the first flow path is disposed at the center of the second reaction element. And a rectifying unit that causes the fluid that has passed through the first flow path to flow linearly toward the center of the second reaction element in the second flow path. The microreactor according to claim 1, wherein the fluid discharge ports are provided radially, and the fluid discharge ports are provided corresponding to the center of the second reaction element.

　前記整流部の中心側の端部を結ぶ仮想円の直径が、前記流体排出ポートの内径よりも小さい請求項３記載のマイクロリアクター。　 The microreactor according to claim 3, wherein a diameter of an imaginary circle connecting end portions on the center side of the rectifying portion is smaller than an inner diameter of the fluid discharge port.

請求項１〜４の何れかに記載のマイクロリアクターの流体供給ポートから複数種の流体を注入し、その反応流路内において当該複数種の流体を分散混合させて反応させることを特徴とする化学反応方法。A chemical reaction, comprising injecting a plurality of types of fluids from a fluid supply port of the microreactor according to any one of claims 1 to 4, and dispersing and mixing the plurality of types of fluids in a reaction channel thereof. Reaction method.