JP2004268029A - 積層型エマルション製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】均質なエマルションを長期間にわたって効率よく、大量に、かつ安定に製造できる装置の提供。
【解決手段】分散相が微小孔を通して連続相中に押し出されてエマルションが生成されるように構成されるエマルション製造装置であって、前面板と、背面板とを有し、前記前面板と前記背面板との間に、連続相が供給され、エマルションが形成される流路を有する層Ａ／厚さ方向に貫通した微小孔を有する層Ｂ／分散相の流路を有する層Ｃが連続して積層された積層単位を含むことを特徴とする積層型エマルション製造装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、エマルションの製造装置に関する。

水相と油相のように熱力学的には分離している状態が安定状態な二液相系を、乳化によって準安定な状態なエマルションとする技術が従来から知られている。

エマルションの製造方法としては、ミキサー、コロイドミル、ホモジナイザー等を用いる方法や超音波等で分散させる方法などが知られている（非特許文献１）。ただし、これらの製造方法では連続相中の分散相粒子（マイクロスフィア）の粒径分布の幅が広がり、均一なエマルションが得られないという欠点がある。

そこで、均一な細孔を持つ各種膜を用いて繰り返しろ過を行う方法が提案されている。ポリカーボネート（非特許文献２）、ポリテトラフルオロエチレン（非特許文献３）、多孔質ガラス膜（特許文献１）などを用いる方法が知られているが、これらの方法によっても粒径分布の狭い、均質なエマルションを得ることは困難であった。

また、連続的にエマルションを製造する方法として、マイクロチャネルを利用する方法も提唱されている（特許文献２）。この方法では流路が小さいため、一度に大量に液体もしくは気体を流動させるためには大きな圧力を安定してかけることが必要になるが、容器の耐圧の制限や、均質なエマルションの生成条件から外れてくるなどの問題が生じ、高生産速度を達成できなかった。また、小さな貫通孔を介して分散相を供給することが必要なため、長時間の製造に際し、貫通孔が閉塞したり、粒径が小さくなるいう問題もあり、マイクロチャネルを利用したエマルション製造方法は生産効率の点で問題があった。

近年、歪みをもった形状の微小孔を通して、加圧された分散相を連続相中に押し出して均質なエマルションを製造する方法とそのための装置が提案されている（特許文献３）。最近ではさらに、均質なエマルションを長期間にわたって効率よく、大量に、かつ安定に製造することが可能なエマルション製造装置の開発が求められている。

特開平２−９５４３３号公報（特許請求の範囲、第１図） 特開平９−２２５２９１号公報（特許請求の範囲、図２） 特開２００２−１１９８４１号公報（特許請求の範囲、図１） 「エマルションの化学」（朝倉書店：１９７１） Ｂｉｏｃｈｉｍｉｃａ ｅｔ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａ Ａｃｔａ，５５７（１），９−２３（Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｅｓｓ：１９７９） 化学工学会第２６回秋期大会講演要旨集（１９９３年）

そこで本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、均質なエマルションを長期間にわたって効率よく、大量に、かつ安定に製造することが可能なエマルション製造装置を提供することを目的とする。

本発明は、分散相が微小孔を通して連続相中に押し出されてエマルションが生成されるように構成されるエマルション製造装置であって、前面板と、背面板とを有し、前記前面板と前記背面板との間に、下記層Ａ〜Ｃが連続して積層された積層単位を含むことを特徴とする積層型エマルション製造装置を提供する。
層Ａ：連続相が供給され、エマルションが形成される流路を有する層。
層Ｂ：厚さ方向に貫通した微小孔を有する層。
層Ｃ：分散相の流路を有する層。

本発明の積層型エマルション製造装置によれば、各層が効率よく積層されてエマルションが生成されるように構成されるため、装置の小型化を実現でき、また、上記の各層間での圧力差を小さくできることから均質なエマルションを長期間にわたって効率よく、大量に、かつ安定に得ることができる。特に、本発明の積層型エマルション製造装置によれば、分解能が高く、かつ、平均粒径が同一のものと比較して圧力損失が小さいクロマト充填剤用シリカが得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の積層型エマルション製造装置を構成する各層について説明する。

図１は本発明の積層型エマルション製造装置を構成する各層の平面図である。各層にはそれぞれ、液体を供給、運搬するための流路となる孔が設けられている。図１において、前面板Ｙは分散相導入口１Ｙ及び連続相導入口２Ｙを、背面板Ｚはガス抜き口６Ｚ及びエマルション出口４Ｚをそれぞれ備える。また、層Ａは分散相流路１Ａ、連続相流路２Ａ、連続相−エマルション流路３Ａ、エマルション流路４Ａ及びガス抜き口６Ａを備え、２Ａ、３Ａ、４Ａは連通し、１Ａ、６Ａはそれらと連通していない。層Ｂは分散相流路１Ｂ、連続相流路２Ｂ、エマルション流路４Ｂ、微小孔５Ｂ及びガス抜き口６Ｂを備え、それらは互いに連通していない。層Ｃは分散相流路１Ｃ、連続相流路２Ｃ及びエマルション流路４Ｃを備え、それらは互いに連通していない。しきい層Ｅは分散相流路１Ｅ、連続相流路２Ｅ、エマルション流路４Ｅ及びガス抜き口６Ｅを備え、それらは互いに連通していない。

次に、上記各層を積層して積層型エマルション製造装置を構成する。図２は本発明の積層型エマルション製造装置の一態様例を模式的に示した構造図である。図２に示すように、本発明の積層型エマルション製造装置では前面板Ｙと背面板Ｚとの間に、層Ａ、層Ｂ及び層Ｃがこの順に連続して積層された積層部分を含むことにより、エマルションの製造が可能になる。ここで、積層の順序は、前面板Ｙの方向からみて層Ａ／層Ｂ／層Ｃの順でも、層Ｃ／層Ｂ／層Ａの順でもよい。

本発明の積層型エマルション装置では層Ａ、層Ｂ及び層Ｃが連続して積層された積層単位が複数含まれるため、効率よく、大量にエマルションを製造できる。なかでも、図１のように層Ａ／層Ｂ／層Ｃ／層Ｂ／層Ａのように積層すると、層Ｃから供給された分散相が２方向の微小孔５Ｂに流れ込み、エマルションの生成場が２箇所になるため好ましい。特に好ましくは、（層Ａ／層Ｂ／層Ｃ／層Ｂ／層Ａ）_ｎのように積層する。ここで、ｎは２以上の整数である。

本発明において、積層部分を構成する各層をそれぞれ１つの部材とする場合には、それぞれの層の製造が容易であるので好ましいが、１つの部材に複数の層を設けることもできる。本発明では、前記層Ａと前記層Ｂとが一体型の部材、前記層Ｂと前記層Ｃとが一体型の部材、又は前記層Ａと前記層Ｂと前記層Ｃとが一体化の部材であってもよい。例えば、図３では層Ａと層Ｂとが一体型の部材からなる微小孔−連続相−エマルション層Ｄを形成している。図３において、微小孔−連続相−エマルション層Ｄは分散相流路１Ｄ、連続相流路２Ｄ、連続相−エマルション流路３Ｄ、エマルション流路４Ｄ、微小孔５Ｄ及びガス抜き口６Ｄを備え、２Ｄ、３Ｄ、４Ｄ、５Ｄは連通し、１Ｄ、６Ｄはそれらと連通していない。

上記の積層単位をしきい層Ｅを介してさらに複数積層すると、各液体が互いに混合することなく、効率よくエマルションを製造でき、エマルションの製造効率が向上するため特に好ましい。例えば、（層Ａ／層Ｂ／層Ｃ／層Ｂ／層Ａ／しきい層Ｅ）_ｎや（微小孔−連続相−エマルション層Ｄ／層Ｃ／しきい層Ｅ）_ｎのように積層すると大量に、高速度でエマルションを製造でき好ましい（ここで、ｎは上記と同じ）。

本発明の積層型エマルション製造装置を用いてエマルションを製造する場合、装置内の気体成分をあらかじめ排出してから、液体成分を導入して装置内部を置換すると好ましい。この際、気体成分の排出をガス抜き口６Ｚから行うと、作業性を向上でき好ましい。微小孔５Ｂ、５Ｄを通して気体成分を排出する場合、気体成分と液体成分とが充分に置換されにくくなり、また、微小孔５Ｂ、５Ｄの周辺に気泡が発生して均一なエマルションが得られなくなるおそれがあるため好ましくない。

分散相導入口１Ｙから装置内に導入された分散相は、分散相流路１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの内部を満たす。連続相導入口２Ｙから装置内に導入され、連続相流路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅの内部を流れる連続相中に、微小孔５Ｂ、５Ｄを介して前記分散相の一部が押し出され、連続相−エマルション流路３Ａ、３Ｄ上でエマルションが生成する。生成したエマルションはエマルション流路４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅの内部で合流し、エマルション出口４Ｚから装置外に取り出される。

層Ａ又は微小孔−連続相−エマルション層Ｄ上に、連続相−エマルション流路３Ａ又は３Ｄを複数流路設けるとエマルション生成の場が増え、製造効率が高まるため好ましい。

本発明の積層型エマルション製造装置を構成する層Ａ、層Ｂ又は層Ｃの厚さは厚さ１０μｍ〜１ｍｍであることが好ましい。厚さが１ｍｍ以下であると、積層する際に装置を小型化でき、また、各層間における圧力差を小さくできるため、均質なエマルションを得やすくなり好ましい。ただし、厚さを１０μｍ未満とすると加工が難しくなるほか、繰り返し使用時に安定性が低下するため好ましくない。

また、各層の材料としては、樹脂を主体とする板を用いると加工性に優れるほか、長期間にわたって使用しても寸法的、熱的及び化学的な安定性に優れるため好ましい。特に、樹脂としてポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリアミドイミド、芳香族ポリエステル及びフッ素樹脂からなる１種以上を用いると微細加工しやすく、また繰り返し使用時の寸法安定性に優れるため好ましい。同様に、フッ素ゴムを主体とする板も寸法的、熱的及び化学的な安定性に優れるため好ましく用いられる。

本発明の積層型エマルション製造装置において、前面板、背面板、層Ａ、層Ｂ、層Ｃ、微小孔−連続相−エマルション層Ｄ及びしきい層Ｅからなる群より選ばれる、隣接して積層された２層の間に図示しないガスケットを備えると、液体の漏洩を防止でき、特に繰り返し使用時の安定性が向上するため好ましい。ガスケットは、上記の各層の構成材料よりも軟質の材料を主体とするシートを加工したものであると安定性の観点から好ましく、前記軟質の材料がフッ素樹脂又はフッ素ゴムであると化学的な安定性に優れるため特に好ましい。また、本発明の積層型エマルション製造装置を構成する各層の材料として、フッ素樹脂又はフッ素ゴムを主体とする軟質な材料を用いれば、隣接して積層された２層の間から液体が漏洩しにくくなり、ガスケットを備える必要がなくなることから装置を簡素化でき、特に好ましい。

なお、分散相導入口１Ｙに図２のようにフィルターＸを設けると、異物の混入による微小孔の閉塞を防げるほか、微小孔の径が小さい場合にも均質なエマルションを長期間にわたり安定に製造できるため好ましい。フィルターＸとして連続相に親和性のある材質のものを用いると、圧力が上昇しにくくなるため好ましい。また、フィルターＸのろ過径を微小孔５Ｂ、５Ｄの円換算径の１／４未満とすると、微小孔５Ｂ、５Ｄが閉塞しにくくなり好ましい。

本発明の積層型エマルション製造装置により製造されるエマルションの粒子径は、連続相−エマルション流路３Ａ、３Ｄに流れ込む分散相及び連続相の流速により決定される。そのため、分散相流路１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅと、連続相流路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅの断面積を、各層の厚さに応じて圧力損失を無視できる程度に広く確保することが好ましい。かかる構成により、連続相−エマルション流路３Ａ、３Ｄに流れ込む分散相と連続相の流速が等しくなり、均質なエマルションが得られる。

また、本発明の積層型エマルション製造装置により製造されるエマルションの粒子径は、微小孔５Ｂ、５Ｄの形状によっても影響を受ける。微小孔５Ｂ、５Ｄの円換算径はエマルションの目標径よりも小さい方が好ましい。また、微小孔５Ｂ、５Ｄの先端部が連続相−エマルション流路３Ａ、３Ｄ側に突出していると、均質なエマルションが得られやすくなり好ましい。

本発明の積層型エマルション製造装置は、クロマト充填剤用シリカの製造に応用できる。分散相としてケイ酸ナトリウム水溶液、連続相としてケイ酸ナトリウム水溶液と混和しない有機液体を使用してエマルションを形成し、さらにケイ酸ナトリウム水溶液の液滴を炭酸ガスなどでゲル化させることにより、球状のシリカゲルが得られる。

以下、本発明の積層型エマルション製造装置を実施例により具体的に説明する。

［例１］
（１）（液体の調製）
分散相として、ＳｉＯ_２濃度２４．４質量％、Ｎａ_２Ｏ濃度８．１４質量％（ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏモル比＝３．０９）のケイ酸ナトリウム水溶液を調製した。連続相として、直鎖飽和炭化水素Ｃ_１０Ｈ_２２に、界面活性剤としてソルビタンモノオレイン酸エステルを５０００ｐｐｍ溶解したものを調製した。

（２）（装置作製）
厚さ２ｍｍ、１辺５０ｍｍの正方形のアクリル樹脂製の板に対し、直径６ｍｍの円柱状の貫通孔からなる分散相導入口１Ｙと連続相導入口２Ｙとを図１のように設けて前面板Ｙを作製した。前記アクリル板に、直径６ｍｍの円柱状の貫通孔からなるエマルション出口４Ｚとガス抜き口６Ｚとを図１のように設けて背面板Ｚを作製した。前記アクリル板に、幅約１０ｍｍ、長さ３０ｍｍのＩ型の貫通孔からなる分散相流路１Ｃを図１のように設け、さらに幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなる連続相流路２Ｃとエマルション流路４Ｃとを図１のように設けて層Ｃを作製した。前記アクリル板に、幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなる分散相流路１Ｅ、連続相流路２Ｅ及びエマルション流路４Ｅを図１のように設けてしきい層Ｅを作製した。

次に、厚さ１００μｍ、１辺５０ｍｍの正方形のエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フィルム（旭硝子社製、商品名：アフレックス１００Ｎ−１２５０−ＮＴ）に対し、幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなる分散相流路１Ａ、幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなる連続相流路２Ａ、幅５００μｍ、長さ３０ｍｍの貫通孔からなる連続相−エマルション流路３Ａ及び幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなるエマルション流路４Ａを図１のように設けて層Ａを作製した。

さらに、厚さ５０μｍ、１辺５０ｍｍの正方形のポリフェニレンサルファイドフィルムに対し、直径４０μｍの円柱状の微小孔５Ｂが図１のように、連続相の流れに垂直な方向に１４０μｍピッチで１０個並ぶように設けて層Ｂを作製した。

上記の各層を前面板Ｙ／層Ａ／層Ｂ／層Ｃ／層Ｂ／層Ａの順に積層した後、しきい層Ｅを介し、層Ａ／層Ｂ／層Ｃ／層Ｂ／層Ａ／背面板Ｚからなる積層単位をさらに積層した。図示しない固定具により前面板Ｙ及び背面板Ｚの４辺を固定し、４辺を均等な力で締め付けて各層を固定し、装置を構成した。

なお、分散相導入口１Ｙには、フィルターＸ（アドバンテック社製、ＨＰ０４５）を設置した。

（３）（エマルション製造）
（２）で作製した積層型エマルション製造装置を使用し、（１）で調製した分散相を分散相導入口１Ｙより供給し、（１）で調製した連続相を連続相導入口２Ｙより供給することで、エマルションを連続的に製造した。このとき、分散相の供給量は０．４ｍＬ／ｈであり、また、微小孔５Ｂにおいて、１孔あたりの分散相の供給量は０．０１ｍＬ／ｈ／孔であった。また、連続相の供給量は１２０ｍＬ／ｈとし、各連続相−エマルション流路３Ａでの連続相の流速がそれぞれ３０ｍＬ／ｈとなるように、シリンジポンプにて１０時間供給した。製造は常温で行い、このとき、連続相の流れのレイノルズ数は約２７であり、層流状態であると推測される。

（４）（形状観察）
エマルション出口４Ｚから取り出された液滴の一部を１時間ごとに時計皿に採取し、光学顕微鏡にて観察したところ、１０時間にわたって９５％以上の粒子が３０μｍ〜６０μｍの範囲内の粒子径を有する均質なエマルションであった。

［例２］
（１）（液体の調製）
例１と同様にして調製した。

（２）（装置作製）
厚さ２５０μｍ、１辺５０ｍｍの正方形のポリフェニレンサルファイド製のフィルムに、幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなる分散相流路１Ｄ、幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなる連続相流路２Ｄ、幅７ｍｍ、長さ２５ｍｍの貫通孔からなるエマルション流路４Ｄ、深さ２００μｍ、幅５００μｍ、長さ３０ｍｍの溝が平行に４本形成された連続相−エマルション流路３Ｄ、及び直径４０μｍの円柱状の微小孔５Ｄを、連続相−エマルション流路３Ｄの各々に対して１０個ずつ、図３のように設けて微小孔−連続相−エマルション層Ｄを作製した。

微小孔−連続相−エマルション層Ｄと、厚さを４ｍｍの層Ｃとからなる積層単位を、しきい層Ｅを介して連続して５単位積層し、前面板Ｙと背面板Ｚとで挟み込んだ。さらに、厚さ１００μｍのエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体フィルム（旭硝子社製、商品名：アフレックス１００Ｎ−１２５０−ＮＴ）製のガスケットを、隣接する各層の間に挟んだ。図示しない固定具により前面板Ｙ及び背面板Ｚの４辺を固定し、４辺を均等な力で締め付けて各層を固定して装置を構成した。

（３）エマルション製造
（２）で作製した積層型エマルション製造装置を使用し、（１）で調製した分散相を分散相導入口１Ｙより供給し、（１）で調製した連続相を連続層導入口２Ｙより供給することで、エマルションを連続的に製造した。このとき、分散相の供給量は２ｍＬ／ｈであった。また、連続相は、供給量が６００ｍＬ／ｈとなるようにギアポンプ（ＭＩＣＲＯＰＵＭＰ社製、商品名：ＨＧＡ１８５−００２４）にて１２時間供給した。製造は常温で行い、このとき、連続相の流れのレイノルズ数は連続相−エマルション流路３Ｄの各々において約２３であり、層流状態と推測される。

（４）（形状観察）
エマルション出口４Ｚから取り出された液滴の一部を１時間ごとに時計皿に採取し、光学顕微鏡にて観察したところ、１２時間にわたって重量換算で９５％以上の粒子が３０μｍ〜６０μｍの範囲内の粒子径を有する均質なエマルションであった。

本発明の積層型エマルション製造装置によれば、均質なエマルションを長期間にわたって効率よく、大量に、かつ安定に製造できる。なかでも分解能が高く、かつ、平均粒径が同一のものと比較して圧力損失が小さいクロマト充填剤用シリカが得られる。

本発明の積層型エマルション製造装置の各層を示す図 本発明の積層型エマルション製造装置の一態様例を模式的に示す図 微小孔−連続相−エマルション層を示す図

符号の説明

Ｄ：微小孔−連続相−エマルション層
Ｅ：しきい層
Ｘ：フィルター
Ｙ：前面板
Ｚ：背面板
１Ｙ：分散相供給口
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ：分散相流路
２Ｙ：連続相供給口
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ：連続相流路
３Ａ、３Ｄ：連続相−エマルション流路
４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ：エマルション流路
４Ｚ：エマルション出口
５Ｃ、５Ｄ：微小孔
６Ａ、６Ｂ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｚ：ガス抜き口

Claims (8)

1. 分散相が微小孔を通して連続相中に押し出されてエマルションが生成されるように構成されるエマルション製造装置であって、前面板と、背面板とを有し、前記前面板と前記背面板との間に、下記層Ａ〜Ｃが連続して積層された積層単位を複数含むことを特徴とする積層型エマルション製造装置。
   層Ａ：連続相が供給され、エマルションが形成される流路を有する層。
   層Ｂ：厚さ方向に貫通した微小孔を有する層。
   層Ｃ：分散相の流路を有する層。
2. 前記層Ａ／前記層Ｂ／前記層Ｃ／前記層Ｂ／前記層Ａの順に積層された積層単位を含む請求項１に記載の積層型エマルション製造装置。
3. 前記層Ａと前記層Ｂとが一体型の部材、前記層Ｂと前記層Ｃとが一体型の部材、又は前記層Ａと前記層Ｂと前記層Ｃとが一体型の部材である請求項１又は２に記載の積層型エマルション製造装置。
4. 前記積層単位がしきい層を介して積層される請求項１〜３のいずれかに記載の積層型エマルション製造装置。
5. 前記層Ａに複数の連続相−エマルション流路が形成される請求項１〜４のいずれかに記載の積層型エマルション製造装置。
6. 前記層Ａ、前記層Ｂ又は前記層Ｃの厚さが１０μｍ〜１ｍｍである請求項１〜５のいずれかに記載の積層型エマルション製造装置。
7. 前記前面板、前記背面板、前記層Ａ、前記層Ｂ及び前記層Ｃからなる群より選ばれる、隣接して積層された２層の間にガスケットを備える請求項１〜６のいずれかに記載の積層型エマルション製造装置。
8. 前記前面板に、フィルターを備えた分散相導入口を有する請求項１〜７のいずれかに記載の積層型エマルション製造装置。
   

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