JP3794687B2 - マイクロ乳化器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒径の揃った高品質なエマルジョンを量産性良く生成するに好適なマイクロ乳化器に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
水と油のような不混和流体を混合させたエマルジョンは、例えば化学工学会第６７年会の論文Ｃ２１６『長短辺比およびサイズの異なる長方形状貫通型マイクロチャネルを用いたエマルジョン作成』に紹介されるように、貫通型のマイクロチャネル（微小な流体通路）を介して連続相（水）中に分散相（油）を圧入することにより作成される。しかしこの手法においては界面活性剤を用いる必要がある。しかもマイクロチャネルの幅が１０μｍ程度と細いので分散相中のパーティクルによる目詰まりが生じ易く、更にはエマルジョンの量産性に乏しいと言う不具合がある。
【０００３】
一方、界面活性剤を用いることなくエマルジョンを作成し得るものとして、ＩＭＭ（Institut Fur Mikrotechnik Mainz）社のマイクロミキサがある。このマイクロミキサは、ＬＩＧＡ（Lithographic Galvanaformung Abformung's）プロセスと言う微細加工技術を利用して２５〜４０μｍ程度のマイクロチャネルを形成した構造のものからなる。しかしながらこのマイクロミキサにおいても、分散相中のパーティクル等によるマイクロチャネルの目詰まりが生じ易いと言う問題がある。しかも上記マイクロミキサにおいては水と油の等量混合によるエマルジョンを生成することが困難であり、エマルジョンを生成する上での混合比の範囲が狭いと言う大きな問題がある。更にはその圧損が比較的高いのでエマルジョンの量産能力がさほど高くなく、工業的に利用するには問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来のマイクロミキサ等においてはマイクロチャネルの目詰まりが生じ易く、エマルジョンを量産性良く生成する上で問題ある。しかも混合比の選択幅が比較的狭いので、所望とする混合比のエマルジョン、特に等量混合によるエマルジョンを生成することが困難であると言う大きな欠点がある。更にはマイクロミキサ自体、微細加工技術を用いてチャネル幅が２５〜４０μｍ程度のマイクロチャネルを形成する必要があるのでその製作コストが高く、工業的に利用するには問題がある。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、界面活性剤を用いることなく、またマイクロチャネルの目詰まりを招来することなしに所望とする混合比での高品質なエマルジョンを量産性良く生成するに好適なマイクロ乳化器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するべく本発明に係るマイクロ乳化器は、複数のインレットおよび１つのアウトレット、これらのインレットとアウトレットとの間に多段に設けられて前記各インレットからそれぞれ導入された流体の流れを分割・合流して順次次段に導きながら最後には前記アウトレットに導く複数のチャネルを具備し、前記複数のインレットからそれぞれ導入された異種の流体を前記各段のチャネルを介して順に混合して前記アウトレットから導出するマイクロ乳化器であって、
特に上記各チャネルがそれぞれ形成する各段の流路の実効流路断面積が前記インレット側からアウトレット側に向けて順次狭くなるようにしたことを特徴としている。
【０００７】
即ち、本発明に係るマイクロ乳化器は、インレット側からアウトレット側に向けて流体が流れていくに従って、マイクロチャネル（微小な流体流路）の壁面との接触に伴う流体の剪断速度が大きくなるように、多段に構成されたマイクロチャネルの各段における実効流路断面積が次第に狭くなるようなチャネル構造とし、これによって流体の分散効果がアウトレット側において次第に大きくなるようにしたことを特徴としている。つまりマイクロチャネルを通流して混合される流体の流速、ひいては流体の剪断速度をインレット側からアウトレット側に向けて次第に速くしたこと特徴としている。
【０００８】
尚、マイクロチャネルは、それ自体の流路断面積がインレット側からアウトレット側に向けて狭くなるものであっても良く、或いは略一定の流路断面積の流路を形成したものであって、各段毎に設けられるチャネルの数をインレット側からアウトレット側に向けて順に少なくし、これによって各段の実効流路断面積を順次狭くした流路を生成するものであっても良い。このように本発明においては流路の形態によらず、流路の断面積の実質的な有り様が要旨であるので、ここでは上述した流路の実質的な断面積を“実効断面積”と表現する。
【０００９】
ちなみに前記各チャネルは、流体の流れを分割する分割機構、流体の複数の流れを合流させる合流機構、および流体の並びの向きを転換する転換機構を所定の順序で形成したものからなる。また各チャネルは、その流路幅や流路深さ等を規定する代表長を１００〜５００μｍとする流体流路を形成したものとして実現することが好ましい。また実用的にはこれらの各チャネルを、積層されて一体化される複数の薄板にそれぞれ穿設された透孔および／または溝の連なりとして形成することが好ましい。
【００１０】
また前記各チャネルは、複数種の流体の流れを分断することにより上記流体を互いに分散させて各流体間の界面積を増大させると共に、各流体にその剪断応力に起因する電荷を発生させながら、分断された流体の合流によって上記流体を混合するように構成することが好ましい。
【００１１】
好ましくは多段に設けられたチャネルが形成する流路の前記各段における流体の混合は、前記流体間における界面積の増大の度合い、および前記剪断応力に起因する電荷発生の度合いを、前記各段毎に順次増大させて行われる。ちなみに前記流体の分散については、流体の分割、合流、流れの転換、および慣性力による混合により進めることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係るマイクロ乳化器について説明する。
この発明に係るマイクロ乳化器は、複数のインレット（流体導入口）と１つのアウトレット（流体排出口）とを備え、これらのインレットとアウトレットとの間を多段に形成した複数のチャネル、特に微小な流体流路をなすマイクロチャネルを介して連結した構造を有する。これらのマイクロチャネルは、流体の流れを分流・合流し、またその流れの層（領域）を転換する等して上記流体を混合する混合エレメントとしての機能を備えたものからなる。特に前記インレットとアウトレットとの間に複数のマイクロチャネルを多段に設けて構成される流路は、例えば図１および図２にそれぞれ示すように、各段における流路断面積がインレット側からアウトレット側に向けて順次狭くなるように設定されている。そしてインレットとアウトレットとを結ぶ流路を構成する各段のマイクロチャネルにおける流体の分散効果が、アウトレット側の段になるほど大きくなるように定められている。
【００１３】
具体的には複数のマイクロチャネルにより多段に形成される流路の各段における流路断面積は、後段（アウトレット側）になるほど狭く設定されており、これによって各マイクロチャネルを流れる流体の流速が後段（アウトレット側）になるほど速くなるように設定されている。そして流速の変化に伴い、前記各段のマイクロチャネルにおける流体の混合が、各流体間の界面積を増大させながら、更には各流体にその剪断応力に起因する電荷を発生させながら進むように設定されている。特に界面積の増大の度合い、および前記剪断応力に起因する電荷発生の度合いが各段のマイクロチャネル毎に順次増大するように設定されている。
【００１４】
尚、図１に示す流路は、概略的に同一形状で同一流路断面積を有する複数のマイクロチャネルの数を各段毎に順に１個ずつ減らし、隣接するマイクロチャネルの出口（アウトレット）を相互に結合して次段のマイクロチャネルの入口（インレット）に連結しながら順次多段に連結することで、各段においてそれぞれ隣接するマイクロチャネルに流れる流体を順次合流（混合）していくようにしたものである。
【００１５】
また図２に示す流路は、その流路径（流路断面積）自体をテーパ状に絞り込んだマイクロチャネル内に、左向きまたは右向きに１８０度ねじった形の隔壁を、その向きを９０度ずつずらしながら交互に配置した、いわゆるスタティックミキサを設けたものである。そして隔壁の両面を流れる流体の層を１８０度ねじることでその内側の流体の流れと外側の流体の流れとを転換させ、転換した流れを次段のスタティックミキサで分流し、今度は逆向きに１８０度ねじると言う処理を交互に繰り返すことで、上記流体の混合を進めるものである。特に上記スタティックミキサによる流体の混合を、その流速（流体剪断速度）を高めながら進めるようにしたものである。尚、図２に示すような混合エレメント（スタティックミキサ）を基本構造とし、複数個の混合エレメントをアレイ化してマイクロ乳化器を実現しても良いことは言うまでもない。
【００１６】
ところで各段における複数のマイクロチャネルが平面的（２次元的）に配置されるような場合にも、同様にマイクロチャネルが形成する各段の流路断面積が各段毎に順に少なくなるようにその流路を形成すれば良い。例えば断面円形の複数のマイクロチャネルをそれぞれマトリックス配列して各段の流路を形成するような場合には、図３に示すようにその行列数をそれぞれ１個ずつ減らしながら、下層（上流）側のマイクロチャネルと、上層（下流）側のマイクロチャネルとを２次元的に連結して行くようにすれば良い。この場合には各マイクロチャネルを流れる流体は、基本的には４方向から合流すると共に、４方向に分流しながら次段のマイクロチャネルに導かれて混合されることになる。
【００１７】
また各段における流路が、複数のスリット状のマイクロチャネルを並行に設けて形成されるような場合には、図４に例示するように上層（下流）側のスリット（マイクロチャネル）の本数を１本ずつ減らし、且つスリットの向きを９０度ずつ異ならせながら、下層（上流）側のマイクロチャネルと、上層（下流）側のマイクロチャネルとを２次元的に連結して行くようにすれば良い。
【００１８】
かくしてこのように多段に設けられたマイクロチャネルにより形成される流路の、各段の流路断面積がアウトレット側に向けて次第に小さくなるように設定されたマイクロ乳化器によれば、インレット側からアウトレット側へと流体が流れて行くに従い、流体とチャネル壁面との間に生じる流体剪断速度が次第に大きくなる。またインレット側からアウトレット側へと流体が流れて行くに従い、流体の分割作用や転換作用、更には転換作用や慣性力による混合作用が働き、流体間の分散が次第に効率的に進められる。特にアウトレット側になる程、前述したように流速が速くなるので、アウトレット側に進むにつれて慣性力による流体の分散効果が次第に大きくなる。
【００１９】
するとインレット側からアウトレット側に流体が進むに従って上述した２つの効果が、異種の流体、特に水（Ｗ）と油（Ｏ）のような不混和流体（Ｗ／Ｏ）に強く作用し、不混和流体を混合したエマルジョンを効果的に生成することになる。具体的には剪断応力の発生に伴って流体間に摩擦が生じ、この摩擦に起因する電荷が発生する。するとその電荷が不混和流体の界面に蓄積され、ゼータ（ζ）電位が増大する。この電荷の蓄積可能な量は、当然のことながら不混和流体の界面積が大きい程大きくなる。
【００２０】
ちなみに不混和流体の界面積が大きい反面、剪断応力のレベルが低くい為に電荷の発生が不十分な場合、或いは逆に剪断応力のレベルが大きく、電荷の発生量が多くても、不混和流体の界面積が少ない場合には、電荷を十分に蓄積することができない。従ってこのような場合にはゼータ（ζ）電位が低くなり、流体の分散効果が十分に発揮されないことになる。
【００２１】
この点、前述したマイクロ乳化器の構造によれば、剪断応力による電荷の発生と、分散の進行による界面積の増加とをバランス良く生起することができる。そしてマイクロチャネルを介する流体の流れがアウトレット側に近付くに従って、これらの効果を大きくすることができる。この結果、電荷の発生と分散とが無駄なく相乗作用するので、界面活性剤を用いることなくゼータ（ζ）電位が、例えば７５ｍＶ程度と大きいエマルジョンを、即ち、非常に良好に分散したエマルジョンを生成することが可能となる。
【００２２】
図５(ａ)〜(ｃ)は、試作した上述した構造のマイクロ乳化器［ＹＭ-１］を用いて油（サラダ油）と水（蒸留水）とを混合して生成したエマルジョンと、ＩＭＭ社のマイクロミキサ［ＩＭＭ］を用いて生成したエマルジョンの顕微鏡写真を対比して示している。尚、図５(ａ)は油／水流量比（Ｏ／Ｗ）を（３／２０）として上記［ＹＭ-１］を用いて生成されたエマルジョン、図５(ｂ)は油／水流量比（Ｏ／Ｗ）を（２０／２０）として［ＹＭ-１］を用いて生成されたエマルジョン、そして図５(ｃ)は油／水流量比（Ｏ／Ｗ）を（６／６）として［ＩＭＭ］を用いて生成されたエマルジョンをそれぞれ示している。但し、油／水流量比（Ｏ／Ｗ）を示す、例えば（３／２０）は、油を３ｃｍ³／分、水を２０ｃｍ³／分でマイクロ乳化器（ミキサ）に供給して混合した条件を示している。
【００２３】
この観察においては、油／水流量比が１０％前後では径の小さなエマルジョンが安定に分散していた。また油と水とを等量混合した場合には、［ＹＭ-１］,［ＩＭＭ］とも安定な濃厚Ｏ／Ｗエマルジョンが生成できた。しかし［ＹＭ-１］においては、低流量ではＯ／Ｗエマルジョンが生成されず、総流量が１２ｃｍ³／分以上となったときに始めて安定なエマルジョンが生成されることが確認できた。ちなみにこの値は［ＩＭＭ］の約１０倍に相当し、［ＹＭ-１］が［ＩＭＭ］に比較して略１０倍のエマルジョン生成能力を有することが確認できた。特に［ＩＭＭ］におけるマイクロチャネルの幅が４０μｍであり、これに対して［ＹＭ-１］におけるマイクロチャネルの幅が４００μｍと、その１０倍程度であることから、エマルジョンの生成能力が、専ら、マイクロチャネルの幅に起因するチャネル内の剪断速度が重要な因子となっていると認められた。
【００２４】
また各エマルジョンの滴径分布について調べてみたところ、図６に示すような結果が得られた。ちなみに等量混合による濃厚エマルジョンの滴径は１〜１５μｍと幅広い分布を持ち、その平均径は［ＩＭＭ］においては略４μｍ、また［ＹＭ-１］においては略７μｍであった。一方、低濃度Ｏ／Ｗエマルジョンの滴径分布を比較すると、［ＹＭ-１］,［ＩＭＭ］共にその滴径が１μｍ程度であり、分布幅の小さなエマルジョンであることが確認できた。従って前述したエマルジョンの生成能力を勘案すれば、本発明に係る構造のマイクロ乳化器［ＹＭ-１］によれば、界面活性剤を用いることなく微粒子製造等に有効に活用し得る可能性があることが判明した。
【００２５】
次に上述した構造を有するマイクロ乳化器の具体例について説明する。
図７はこの実施形態に係るマイクロ乳化器の概略構成を示す分解斜視図で、図中１,２は上下一対のプレート体である。これらのプレート体１,２は、例えば厚みが５ｍｍ、一辺の長さが５０ｍｍ程度の平板矩形状のＡl材やＳＵＳ等からなる。これらの各プレート体１,２の四隅部には、貫通孔１ａとねじ孔２ａとがそれぞれ設けられており、上部プレート体１の各貫通孔１ａを通して下部プレート体２のねじ孔２ａに螺合する４本のボルト３により、後述する複数枚の流路モジュールをその間に挟んで結合一体化されるものとなっている。
【００２６】
しかして上部プレート体１の中央部には、その対角線方向に３つの貫通孔（図示せず）が設けられており、これらの各貫通孔には流体導入用のコネクタ４ａ,４ｂと、流体取出用のコネクタ（乳化器のアウトレット）４ｃとがそれぞれ装着されている。また下部プレート体２の中央部には、前記流体導入用のコネクタ４ａ,４ｂがそれぞれ装着された２つの貫通孔にそれぞれ対応して、図８(ａ)に示すように略三角形状をなす所定深さの流体導入チャネル（乳化器のインレット）５ａ,５ｂが形成されている。これらの流体導入チャネル５ａ,５ｂは、後述する流路モジュールに配列される混合分配ユニットの並びに沿って設けられる所定厚みの隔壁５ｃを介して区画されている。またこの下部プレート体２には、後述する複数枚の流路モジュールを位置合わせして積み重ねる上でのガイドピン（図示せず）を垂直に植設する為のピン孔６が設けられている。
【００２７】
さて上述したプレート体１,２間に積層して挟み込まれる複数枚（ｍ枚）の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）は、例えば厚みが０.８ｍｍ、一辺の長さ２５ｍｍ程度の平板矩形状のＡl材からなる。これらの各流路モジュール７は、図８(ｂ)に示すように前述した流体導入用のコネクタ４ａ,４ｂがそれぞれ装着された２つの貫通孔にそれぞれ対応する貫通孔８ａ,８ｂと、上述したガイドピンを挿通してその位置合わせに供せられる貫通孔９とをそれぞれ共通に備え、更に前記流体導入チャネル５ａ,５ｂを区画する隔壁５ｃに沿って配列された複数の混合分配ユニット１０を備える。
【００２８】
ちなみに上記混合分配ユニット１０は、例えば図９にその概略構成を示すように、板状の流路モジュール７における上流面（下面）側に設けた２個のインレット１１（１１ａ,１１ｂ）と、上記流路モジュール７における下流面（上面）側に設けた２個のアウトレット１２（１２ａ,１２ｂ）とを備え、その上面側に穿いた深さ０.４ｍｍの溝からなるチャネル１３を介して上記各インレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂとを連結して、流路モジュール７の上下面間に流路を形成した構造をなす。
【００２９】
特にこの混合分配ユニット１０においては、前記チャネル１３の中央に位置付けられて該チャネル１３の向きを定める島状の仕切部１４が設けられている。そして前記２個のインレット１１ａ,１１ｂ、および２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを、上記仕切部１４を挟んで互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けた構造となっている。またこの混合分配ユニット１０におけるインレット１１ａ,１１ｂの径、アウトレット１２ａ,１２ｂの径、そしてチャネル１３の幅とその深さは、例えば０.４ｍｍとして互いに等しく設定され、更に２個のインレット１１ａ,１１ｂは０.４ｍｍの間隔を隔てて、また２個のアウトレット１２ａ,１２ｂは１.２ｍｍの間隔を隔てて設けられている。
【００３０】
つまりインレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂとを結ぶチャネル１３は、丸穴からなるインレット１１ａ,１１ｂおよびアウトレット１２ａ,１２ｂの径を含んで、そのチャネル幅、チャネル深さ、分岐の幅等をそれぞれ０.４ｍｍ（４００μｍ）として設定されている。このようなチャネルの幅や深さを規定するマイクロチャネルの代表長については、その目詰まりや圧損、更には混合効率を考慮した場合、１００〜５００μｍ程度に設定することが望ましい。
【００３１】
しかして前述したｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）は、それぞれ上述した構造をなす複数の混合分配ユニット１０を所定の周期で配列した構造を有する。そしてこれらの各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における混合分配ユニット１０を隣接する流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）間で順に連結して積み重ねられて、多層構造化された流路を形成する。
【００３２】
特に各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における１つの混合分配ユニット１０は、その２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを、隣接する下流側の流路モジュール７における２つの混合分配ユニット１０,１０の各１個のインレット１１ａ,１１ｂにそれぞれ個別に連結されるようになっている。換言すれば各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における１つの混合分配ユニット１０の、２個のインレット１１ａ,１１ｂを、隣接する上流側の流路モジュール７における２つの混合分配ユニット１０,１０の各１個のアウトレット１２ａ,１２ｂにそれぞれ個別に連結されている。
【００３３】
そして各流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）における１つの混合分配ユニット１０は、その上流側の流路モジュール７における互いに異なる２つの混合分配ユニット１０の各１個のアウトレット１２ａ,１２ｂからそれぞれ出力された流体を、その２個のインレット１１ａ,１１ｂからそれぞれ導入して混合し、その混合した流体を２個のアウトレット１２ａ,１２ｂから、その下流側の流路モジュール７における互いに異なる２つの混合分配ユニット１０の各１個のインレット１１ａ,１１ｂに対してそれぞれ分配して導出するようになっている。
【００３４】
具体的にはこの実施形態に係るマイクロ乳化器においては、ｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）は、例えば図１０に７段（７層）の流路を形成した例を示すように、その最下流に位置付けられる最上段の流路モジュール７₁は１個の混合分配ユニット１０を備え、その上流側の流路モジュール７₂,〜７₇となるに従って、混合分配ユニット１０の数を順に１個ずつ増やし、最上流に位置付けられる最下段の流路流路モジュール７₇においては７個の混合分配ユニット１０を備えたものとなっている。
【００３５】
またこの実施形態においては、混合分配ユニット１０の特殊なものとして、図９に示した構造の混合分配ユニット１０における２個のアウトレット１２ａ,１２ｂの一方と、該アウトレット１２に連なるチャネル１３とを省略し、混合した流体の分配機能を省いた構造の混合ユニット１５が、適宜、前記混合分配ユニット１０に代えて用いられている。この混合ユニット１５は、２個のインレット１１ａ,１１ｂからそれぞれ導入して混合した流体を、後述するようにその下流側の流路流路モジュール７₁,７₂,〜７₆における１つの混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）に導出すれば十分な場合等に用いられる。
【００３６】
そしてこれらの混合分配ユニット１０および／または混合ユニット１５は、前記各流路モジュール７において、その下流側（上段側）の１つの混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）における２個のインレット１１ａ,１１ｂの各位置に、互いに隣接する２つの混合分配ユニット１０および／または混合ユニット１５の各１個のアウトレット１２ａ,１２ｂがそれぞれ位置付けられるレイアウト（間隔）でそれぞれ配列されている。
【００３７】
換言すれば各流路モジュール７において互いに隣接する２つの混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）は、その一方の混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）におけるアウトレット１１ａが、その下流側（上段側）の１つの混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）における一方のインレット１１ａの位置に位置付けられ、他方の混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）におけるアウトレット１１ｂが、その下流側（上段側）の上記混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）における他方のインレット１１ｂの位置に位置付けられるように配列されている。この結果、ｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）を前述したように位置合わせして積層するだけで、隣接する流路モジュール７間において上記混合分配ユニット１０および／または混合ユニット１５のインレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂとが上述した関係を以て互いに連結されるようになっている。
【００３８】
かくして上述したように前記混合分配ユニット１０および／または混合ユニット１５を所定個数ずつ所定の周期で配列したｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）を積み重ねて構成されるマイクロ乳化器によれば、上記ｍ枚の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）にそれぞれ設けられた混合分配ユニット１０および／または混合ユニット１５のマイクロチャネル１３がなす各段の流路断面積は、上段（下流）側となる程小さくなり、前述した流路構造を形成する。そして前述した如く下部プレート体２に設けられた２つの流体導入チャネル５ａ,５ｂに２種類の流体（液体）Ａ,Ｂを所定の圧力を以て導入すれば、図１０に示すように一方の流体（液体）Ａは、最上流（最下段）の流路モジュール７_m（７₇）における複数の混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）のそれぞれに、その一方のインレット１１ａを介して導入される。また他方の流体（液体）Ｂは、最上流（最下段）の流路モジュール７_m（７₇）における複数の混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）のそれぞれに、その他方のインレット１１ｂを介して導入される。そしてこれらの流体（液体）Ａ,Ｂは、各混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）におけるチャネル１３にてそれぞれ混合され、２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを介してそれぞれ分配して出力される。
【００３９】
すると次段の流路モジュール７₆においては、上記流路モジュール７₇の各混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）におけるアウトレット１２ａ側から出力される流体（液体）[Ａ＋Ｂ／２]を新たに混合すべき一方の流体（液体）Ａ１として、その混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）における一方のインレット１１ａを介して導入し、また流路モジュール７₇の各混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）における他方のアウトレット１２ｂ側から出力される流体（液体）[Ａ＋Ｂ／２]を新たに混合すべき一方の流体（液体）Ｂ１として、その混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）における他方のインレット１１ｂを介して導入する。そしてこれらの流体（液体）Ａ１,Ｂ１を、チャネル１３にてそれぞれ混合し、２個のアウトレット１２ａ,１２ｂを介してそれぞれ分配して出力する。
【００４０】
このような２系統の流体（液体）の混合とその分配を、前記各流路モジュール７において順に繰り返し実行することで、前述した２種類の流体（液体）Ａ,Ｂの細分化（マイクロ分散）が進められ、最下流（最上段）の流路モジュール７₁から前記２種類の液体Ａ,Ｂを混合して両者を均一に分散させたマイクロ乳化液（エマルジョン）が取り出されることになる。特にアウトレット側になる程、混合分配ユニット１０の数を少なしてその実効流路断面積が狭くなるように設定されているので、前述した流体（液体）Ａ,Ｂの混合が効率的に進められることになる。
【００４１】
従ってこの実施形態に係るマイクロ乳化器によれば、複数の混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）を設けた平板状の複数の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）を積み重ねただけの簡単な構造で、２種類の液体Ａ,Ｂを高品質に混合した粒径の揃ったエマルジョンを逸早く、特に量産性良く効果的に形成することができる。しかも上記流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）については、Ａl板やＳＵＳ板等を用いて簡易に製作することができ、混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）の形成（加工）自体も容易なので、その製作コストが安価である。更には複数の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）間のアライメント精度についても容易に高めることができ、その組み立て自体も簡単なので、この点でもその製作コストの低廉化を図り得る等の利点がある。
【００４２】
また前述した混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）におけるインレット１１ａ,１１ｂの径、アウトレット１２ａ,１２ｂの径、そしてチャネル１３の幅が互いにほぼ等しく設定されているので、混合液による目詰まりが生じ難い。しかも混合分配ユニット１０（混合ユニット１５）における２個のインレット１１ａ,１１ｂ、およびアウトレット１２ａ,１２ｂが互いに直交する方向にそれぞれ対称に設けられているので、流体（液体）の流れ（層流）に対する対称性を良好に確保して流体の不均一化を効果的に防止することができ、更にはそのスループットを十分に高めることができる。従ってそのミキシング性能（ミキシング効率）を十分に高め、異種の液体を均質に混合した品質の高いエマルジョンを容易に生成し得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【００４３】
尚、前述した混合分配ユニット１０については、例えば図１１(ａ)〜(ｃ)にそれぞれ示す構造のものとして実現することも可能である。図１１(ａ)に例示する混合分配ユニット１０は、２個のアウトレット１２ａ,１２ｂ間の幅を広くしたものであり、また図１１(ｂ)に例示する混合分配ユニット１０は、チャネル１３の向きを定める島状の仕切部１４を省略し、２個のアウトレット１２ａ,１２ｂ間の幅を狭くしたものである。そして図１１(ｃ)に示す混合分配ユニット１０は、２個のインレット１１ａ,１１ｂ、および２個のアウトレット１２ａ,１２ｂをチャネル１３の向きを定める島状の仕切部１４を中心として点対称に平行四辺形状に配置したものである。
【００４４】
このような各構造の混合分配ユニット１０であっても、隣接する２つの混合分配ユニット１０におけるアウトレット１２ａ,１２ｂが、各混合分配ユニット１０における２個のインレット１１ａ,１１ｂ間の間隔と等しくなるように配列すれば、複数の流路モジュール７（７₁,７₂,〜７_m）間において、そのインレット１１ａ,１１ｂとアウトレット１２ａ,１２ｂの位置をそれぞれ正確に合わせることが可能となるので、先の実施形態と同様な効果が奏せられる。
【００４５】
また図１２は簡易型のマイクロ乳化器を示している。この簡易型のマイクロ乳化器は、図１２(ａ)に示すように２枚の平板２１,２２を接合一体化した外観形状を有し、その接合面間に１００〜５００μｍのチャネル幅を有する複数のマイクロチャネル２３を多段に形成した構造を有する。特に前記２枚の平板２１,２２には、図１２(ｂ)に矢視Ｘ-Ｘの横断面を、また図１２(ｃ)に矢視Ｙ-Ｙの縦断面をそれぞれ示すように、前記マイクロチャネル２３に流体を導入する為の流体導入孔部２１ａ,２２ａと、マイクロチャネル２３を介して混合されたエマルジョンを取り出すための流体排出孔部２１ｂとがそれぞれ設けられている。
【００４６】
また２枚の平板２１,２２の接合面間に設けられるマイクロチャネル２３は、各平板２１,２２の接合面に溝加工して形成されるもので、前記流体導入孔部２１ａ,２２ａにそれぞれ連なって交互に直線状に配置される複数のインレット２４（２４ａ,２４ｂ）と、前記流体排出孔部２１ｂに連なるアウトレット２５とを結ぶ流路を形成する。これらのマイクロチャネル２３は、図１２(ｄ)に示すようにインレット２４側からアウトレット２５側に向けてその数を１個ずつ減らしながら順に多段に連結することで、その流路断面積をピラミッド状に絞り込んだ流路を形成した構造をなす。
【００４７】
かくして上述した流路構造のマイクロチャネル２３を有するマイクロ乳化器によれば、各マイクロチャネル２３が有する混合エレメントとしての機能により複数のインレット２４（２４ａ,２４ｂ）からそれぞれ導入された流体（油と水）が隣接するマイクロチャネル２３間で順に混合されて行く。この際、マイクロチャネル２３がなす流路の断面積が前述したようにアウトレット２５側に近付くに従って狭くなっているのでその流速が次第に高くなり、前述したように流体の混合が効率的に進められることになる。これ故、図１２に示すような流路構造を備えた簡易型のマイクロ乳化器においても、実用的には十分なるエマルジョン作成効果が得られる。更には上述した構造であれば、平板２１,２２の一面にマイクロチャネル２３を形成する為の溝を機械加工し、更に流体導入孔部２１ａ,２２ａ等を穴開け加工するだけで良いので量産性に富み、しかもその製作コストが安価である等の利点もある。
【００４８】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。即ち、実施形態おいては２種類の流体（液体）を混合するマイクロ乳化器を例に説明したが、３種類以上の流体（液体）を混合するようにマイクロ乳化器を構成することも可能である。またチャネル幅等を規定する代表値については、流体に対する圧損や目詰まりの限界を考慮して１００μｍ以上にすることが好ましく、また乳化（混合）の効率からすれば５００μｍ以下に設定することが好ましい。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、粒径の揃った高品質なエマルジョンを量産性良く生成することができ、特に油と水等の不混和流体を等量混合するに好適なマイクロ乳化器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマイクロ乳化器の基本構造を示す概略構成図。
【図２】スタティックミキサを用いて構成されるマイクロチャネルの構成例を示す図。
【図３】流体を二次元的に混合するマイクロチャネルの構成例を示す図。
【図４】流体を二次元的に混合するスリット状のマイクロチャネルの構成例を示す図。
【図５】試作したマイクロ乳化器およびＩＭＭ社のマイクロミキサをそれぞれ用いて生成されるエマルジョンの顕微鏡写真を対比して示す図。
【図６】各エマルジョンの滴径分布を示す図。
【図７】本発明の一実施形態に係るマイクロ乳化器の概略構造を示す分解斜視図。
【図８】図１に示すマイクロ乳化器に組み込まれる下部プレート板に設けられる流体導入チャネルの構造と、複数の流路モジュールの概略的な構造を示す図。
【図９】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの概略的な構造を示す部分斜視図。
【図１０】複数の流路モジュールにそれぞれ組み込まれる混合分配ユニット間のインレットとアウトレットとの結合構造と、これらの混合分配ユニットによる流体の混合分配作用を説明するための図。
【図１１】流路モジュールに組み込まれる混合分配ユニットの別の構成例を示す図。
【図１２】本発明の一実施形態に係るマイクロ乳化器の概略構造を示す図。
【符号の説明】
４ｃ コネクタ（アウトレット）
５ａ,５ｂ 流体導入チャネル（インレット）
７,７₁,７₂,〜７_m 流路モジュール
１０ 混合分配ユニット
１１ａ,１１ｂ,１１ｃ マイクロチャネルのインレット
１２ａ,１２ｂ,１２ｃ マイクロチャネルのアウトレット
１３ チャネル
１４ 仕切部
２１,２２ 平板
２３ マイクロチャネル
２４ａ,２４ｂ インレット
２５ アウトレット

Claims (8)

1. 複数のインレットおよび１つのアウトレットと、
   これらのインレットとアウトレットとの間に多段に設けられて前記各インレットからそれぞれ導入された流体の流れを分割・合流して順次次段に導きながら最後には前記アウトレットに導く複数のチャネルとを具備し、
   前記複数のインレットからそれぞれ導入された異種の流体を前記各段のチャネルを介して順に混合して前記アウトレットから導出するマイクロ乳化器であって、
   前記各チャネルは、前記インレット側からアウトレット側に向けて各段毎の実効流路断面積を順次狭くした流路構造をなすことを特徴とするマイクロ乳化器。
2. 前記各チャネルは、略一定の流路断面積の流路を形成したものからなり、各段毎に設けられるチャネルの数をインレット側からアウトレット側に向けて順に少なくすることで、各段の実効流路断面積を順次狭くした流路を生成するものである請求項１に記載のマイクロ乳化器。
3. 前記各チャネルは、流体の流れを分割する分割機構、流体の複数の流れを合流させる合流機構、および流体の並びの向きを転換する転換機構を所定の順序でそれぞれ形成したものである請求項１に記載のマイクロ乳化器。
4. 前記各チャネルは、流路幅や流路深さを規定する代表長を１００〜５００μｍとする流体流路を形成したものである請求項２に記載のマイクロ乳化器。
5. 前記複数のチャネルは、積層されて一体化される複数の薄板にそれぞれ穿設された透孔および／または溝の連なりとして形成されるものである請求項１に記載のマイクロ乳化器。
6. 前記各チャネルは、複数種の流体の流れを分断することにより上記流体を互いに分散させて各流体間の界面積を増大させると共に、各流体にその剪断応力に起因する電荷を発生させながら、分断された流体の合流によって上記流体を混合するものである請求項１に記載のマイクロ乳化器。
7. 前記各段のチャネルにおける流体の混合は、前記流体間における界面積の増大の度合い、および前記剪断応力に起因する電荷発生の度合いを、前記各段毎に順次増大させて行われるものである請求項６に記載のマイクロ乳化器。
8. 前記流体の分散は、流体の流れの分割、合流、流れの転換、および慣性力による混合により進められるものである請求項６に記載のマイクロ乳化器。

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