JP3629575B2

JP3629575B2 - ノンエレメント混合・反応器

Info

Publication number: JP3629575B2
Application number: JP2003081943A
Authority: JP
Inventors: 利久植田; 雄一郎長津; 圭太奥田; 英俊松岡
Original assignee: Keio University
Current assignee: Keio University
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP2004283791A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノンエレメント混合・反応器に関し、特に、スタティックミキサーのような内部に曲線によって形づくられた部品（エレメント）を有しない混合器（ミキサー）あるいは反応器（リアクター）に関するものであり、機械工学、化学工学、生物・生体工学、医用・医療工学、食品工学等の分野に適用できるものである。特に、今後の展開が期待される、ナノ・マイクロマシン分野、新材料開発分野、バイオ技術分野、医療分野での問題に対応する機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、乱流でなくカオス対流（カオス混合）（非特許文献１）を用いた混合・反応器として、スタティックミキサーが知られている（非特許文献２）。スタティックミキサーは可動部・動力部を持たない静止型混合器であり、内部に曲線によって形づくられた部品（エレメント）を有しており、その例を図８に示す。円筒形状の管３０内部（内側）に配置されるスタティックミキサーエレメントは、左方向にねじられた羽根形状をした左ねじり羽根３１と、右方向にねじられた羽根形状をした右ねじり羽根３２とを交互に複数接合してなる形状を有するものであって、隣接する左ねじり羽根３１の端部と右ねじり羽根３２の端部との交叉角度は９０°である。このようなスタティックミキサーは、分割・転換・反転の作用により流体３３を効果的に混合する。すなわち、
分割作用…流体３３は１つのエレメント３１、３２を通過する毎に２分割される。
【０００３】
転換作用…流体３３はエレメント３１、３２内のねじれ面に沿って管３０中央部から壁部へ、管３０壁部から中央部へと並び替えられる。
【０００４】
反転作用…流体３３は１エレメント３１、３２毎に回転方向が替わり、急激な慣性力の反転を受けて撹拌される。
【０００５】
【非特許文献１】
植田利久「反応系の流体力学」（２００２年１１月１８日コロナ社発行）ｐｐ．１５６〜１７６
【０００６】
【非特許文献２】
Ｊ．Ｍ．Ｏｔｔｉｎｏ「Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｏｆｍｉｘｉｎｇ：ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ，ｃｈａｏｓ，ａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔ」（１９８９年ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ発行）ｐｐ．２２０〜２４３
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のスタティックミキサーは、カオス混合技術を応用した効率の高い混合機器であるが、内部に曲線によって形づくられたエレメントを有していることから、次のような欠点を有している。
【０００８】
・ナノ・マイクロマシン分野
ナノ・マイクロマシン分野では、機械自体の大きさをできる限り小さくしたい。ところが、エレメントを有するスタティックミキサーでは、エレメントの大きさの制約を受け、ある程度以下の大きさの混合器とすることができない。また、小型化した場合、エレメントのよる圧力損失も相対的に増加する。
【０００９】
・新材料開発分野
近年、新材料開発に用いられる素材には非ニュートン流体が多い。非ニュートン流体には、多くの場合、高分子物質等が含まれており、エレメントがある場合には、エレメントによって流体中に含まれる高分子物質が破壊される場合がある。
【００１０】
・バイオ技術分野
バイオ技術分野では、微生物等を含むいわゆるバイオ流を対象にしているが、バイオリアクター等では、このバイオ流中にさまざまな物質を分散させなければならない。その際、従来のスタティックミキサーでは、エレメントにより大きな剪断を生じ、微生物の一部が死滅する可能性があり、また、その付着が液体を汚染する場合がある。
【００１１】
・医療分野
医療分野において重要なことは、血液等が流れる場合、流路の衛生管理が最も重要な問題となる。エレメントが入っていると、そのエレメントにさまざまな物が付着し、洗浄を十分に行わなければ衛生上問題を生じることになる。また、生体液体は、赤血球等さまざま物質を含んでおり、新材料開発分野と同様、エレメントにより液体内部構造を破壊する可能性もある。
【００１２】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内部にエレメントを持つことなく、カオス対流を流れ場を制御することにより実現して、高粘性流体、高分子物質等を含む非ニュートン流体、微生物等を含む生物流、生体流における混合・反応を促進することのできるノンエレメント混合・反応器を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のノンエレメント混合・反応器は、第１の流体と第２の流体を混合又は混合して反応させる混合・反応器において、第１の流体を導入する導入端と混合された流体を排出する排出端と有する断面形状が軸方全ての位置で等しい主流管を備え、前記主流管の側面に導通して上流から下流にかけて複数の支流管が間隔をおいて設けられ、前記主流管の導入端には第１の流体を定常的に供給する第１流体供給手段が連結され、前記支流管の各導入端には、流量を周期的に変化させながら第２の流体を注入する第２流体供給手段が連結されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この場合に、第２流体供給手段としては、第２の流体を矩形波状に間欠送りするものとすることが望ましい。
【００１５】
また、支流管の少なくとも１つに対し、主流管の中心軸を挟んで略対向する側面に別の支流管を設けるようにしてもよい。
【００１６】
あるいは、支流管の少なくとも１つに対し、主流管の中心軸を含む平面に対して略対称位置に別の支流管を設けるようにしてもよい。
【００１７】
本発明の別のノンエレメント混合・反応器は、第１の流体と第２の流体を混合又は混合して反応させる混合・反応器において、第１の流体を導入する導入端と混合された流体を排出する排出端と有する主流管を備え、前記主流管の側面に導通して少なくとも１つの枝管が取り付けられており、前記枝管内に支流管が前後に移動可能に配置されて前記支流管の先端が前記主流管の内部を移動するように構成され、かつ、前記支流管を周期的に駆動する駆動手段が前記支流管に取り付けられており、前記主流管の導入端には第１の流体を定常的に供給する第１流体供給手段が連結され、前記支流管の導入端には、第２の流体を供給する第２流体供給手段が連結されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明においては、エレメントを用いることなく流体中で混合物質の引き伸ばしと折り畳みを行ってカオス混合を行わせ、層流低剪断混合を実現することができる。そのため、エレメントの大きさに制約を受けずに混合・反応器を小型化ができ、流体中に含まれる高分子物質、微生物等の液体内部構造の破壊、死滅を起こすことがなく、洗浄も簡単で衛生上の問題も起こり難くなり、高粘性流、非ニュートン流、バイオ流、生体流における混合・反応に適した混合・反応器を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のノンエレメント混合・反応器の基本原理は、スタティックミキサーと同様に、カオス対流（カオス混合）によるものである。スタティックミキサーでは、カオス対流を内部のエレメントにより実現させているが、本発明のノンエレメント混合・反応器では、混合される一方の流体の流れの中に混合される他方の流体を流量を周期的に変化させながら注入するか、あるいは、注入位置を周期的に変化させながら注入することによりカオス対流を実現するものである。
【００２０】
ここで、カオス対流（カオス混合）とは、流体の要素が引き伸ばしと折り畳みという変形を指数関数的に行い流体場の中に広がって行く現象であり、２つの流体塊があるときには、この２つの流体塊は分子オーダーで近づいて混合が促進されていき、反応物質の分子拡散領域が重なる程に流体が近づき、化学反応が促進される。このような混合がカオス混合と呼ばれる。
【００２１】
さて、本発明のノンエレメント混合・反応器の基本形を説明する。図１に模式的に示すように、２つの流体（液体）Ａ及びＢの混合を考える。流体Ａは主流として円管（主流管）１内を定常的に流される。流体Ａに混合をさせたい液体Ｂを、流量を周期的に変化させながら円管１の側面から注入する。円管１内に液体Ｂを周期的に注入することにより、図に示したように、液体Ｂは円管１内の液体Ａ中で引き伸ばしと折り畳みを受け、さらに、流体Ａが円管１内に形成する速度分布（壁面では速度ゼロ、中心部分では最大速度になる放物線状の分布）の影響を受けることにより、引き伸ばしと折り畳みがさらに促進されて、流体Ａと流体Ｂのカオス的な混合が実現される。
【００２２】
実際には、特別の場合を除いて、図１のような基本形のユニットを複数（５〜２０個程度）用いてそれらを縦列に連結し、その中を流体Ａを定常的に流し、各ユニットに設けられた支流管各々から液体Ｂを周期的に注入することにより、両液体Ａ、Ｂの引き伸ばしと折り畳みをさらに促進して流体Ａと流体Ｂのカオス混合を実現する。
【００２３】
以下、本発明のノンエレメント混合・反応器を構成するユニットについて説明する。
【００２４】
第１の形態のユニット１１は、図２（ａ）に示すように、１つ主流管１に１本の支流管２を側面に取り付けたものである。この際のパラメータとしては、主流管１の流れ方向の長さＬと、支流管２の入口からの取り付け距離Ｌ_１と、支流管２の主流管１中心軸方向への倒れ角φ_１と、支流管２取り付け位置の主流管１中心軸からのずれ量λである。例えば、図２（ｂ）に正面図、図２（ｂ）’に斜視図を示すように、λが略ゼロのもの、図２（ｃ）、図２（ｃ）’に同様の図を示すように、λが主流管１の半径の１／２程度のもの、図２（ｄ）、図２（ｄ）’に同様の図を示すように、λが主流管１の半径の１／２より大きなもの等がある。特に、λがゼロ以外のものにおいては、液体の引き伸ばしと折り畳みを３次元的に行わせることが可能になり、カオス的な混合をより促進することができる。
【００２５】
なお、本発明のノンエレメント混合・反応器は、流路途中に支流から混合させる別の流体を注入するため、上流からの流速が遅い場合、逆流が生じる場合がある。そこで、その逆流が生じる区間に、図３に示すような円管３からなる助走部ユニット１０を用いる。
【００２６】
図４は、このような助走部ユニット１０と複数（６個）のユニット１１を縦列に連結して構成した本発明の１実施例のノンエレメント混合・反応器１００の構成を示す図である。このようなノンエレメント混合・反応器１００の本体の主流管の上流に連結管３２を介して液槽３１が連結され、また、各ユニット１１の支流管２は、枝分かれ管３３を介して例えば人工心肺用のポンプのような矩形波状に液体を間欠送りできるポンプ３４の吐き出し側に連結される。そして、そのポンプ３４の吸い込み側には、連結管３６を介して液槽３５が連結される。さらに、ノンエレメント混合・反応器１００の主流管の下流には、連結管３７を介して液槽３８に連結される。
【００２７】
このような構成において、液槽３１に液体Ａが、液槽３５に液体Ｂが入れられ、液槽３１から重力により液体Ａが助走部ユニット１０の円管３と複数のユニット１１の主流管１とを経て一定流量で送られ、また、ポンプ３４により液槽３５から液体Ｂが各ユニット１１の支流管２を経てそれぞれの主流管１内に矩形波状に間欠的に注入される。このような配置により、１個のユニット１１中で行われる図１で説明したような両液体Ａ、Ｂの引き伸ばしと折り畳みがその段数分促進されて流体Ａと流体Ｂがカオス混合されて一様に混合・反応されていく。
【００２８】
図４のように縦列に連結する主流管１と支流管２からなるユニットとしては、図２のようなものに限らず、他の形態のユニットも可能である。図５に第２の形態のユニット１２、図６に第３の形態のユニット１３を示す。
【００２９】
図５の第２の形態のユニット１２は、１つ主流管１の中心軸を挟んで対向する側面に２本の支流管２、２を取り付けたものである。この際のパラメータとしては、主流管１の流れ方向の長さＬと、各支流管２の入口からの取り付け距離Ｌ_１、Ｌ_２と、各支流管２の主流管１中心軸方向への倒れ角φ_１、φ_２と、各支流管２の主流管１横断面内での倒れ角θ_１、θ_２と、支流管２の主流管１中心軸からのずれ量λである。例えば、図５（ｂ）に正面図を示すように、λが略ゼロのもの、図５（ｃ）に同様の図を示すように、λが主流管１の半径の１／２程度のもの、図５（ｄ）に同様の図を示すように、λが主流管１の半径の１／２より大きなもの等がある。特に、λがゼロ以外のものにおいては、液体の引き伸ばしと折り畳みを３次元的に行わせることが可能になり、カオス的な混合をより促進することができる。
【００３０】
図６の第３の形態のユニット１３は、１つ主流管１の中心軸を含む平面に対して対称位置に２本の支流管２、２を取り付けたものである。この際のパラメータとしては、主流管１の流れ方向の長さＬと、各支流管２の入口からの取り付け距離Ｌ_１、Ｌ_２と、各支流管２の主流管１中心軸方向への倒れ角φ_１、φ_２と、各支流管２の主流管１横断面内での倒れ角θ_１、θ_２と、支流管２の主流管１中心軸からのずれλである。この場合は、液体の引き伸ばしと折り畳みを３次元的に行わせることが可能になり、カオス的な混合をより促進することができる。
【００３１】
このようなユニット１２あるいはユニット１３を図４のユニット１１と同様に複数縦列に連結して同様のノンエレメント混合・反応器を構成することにより、両液体Ａ、Ｂの引き伸ばしと折り畳みがその段数分促進されて流体Ａと流体Ｂがカオス混合されて一様に混合・反応される。
【００３２】
なお、以上のユニット１１、１２、１３はそれぞれ独立したものでなく、用途等に合わせて複数種のユニットを任意に組み合わせることが可能である。
【００３３】
ここで、図４のようなノンエレメント混合・反応器１００の具体的なパラメータ例としては、図２（ｂ）、（ｂ）’のようなユニット１１を６個用い、その主流管１の内径は１０ｍｍであり、支流管２間の間隔は５０ｍｍとし、流体Ａとしては、マーカーと比重を合わせるために９９ｗｔ％グリセリン＋１ｗｔ％水からなる水溶液とし、その流体Ａにマーカー用の染料を定常的に時間平均流量０．００２８ｃｍ^３／ｓで注入して、流体の挙動が側面から見えるようにした。そして、この流体Ａを助走部ユニット１０の円管３と６個のユニット１１の主流管１を経て流量０．１３ｃｍ^３／ｓで一定に流した。また、各ユニット１１の支流管２より１本当たり流体Ｂとしてグリセリンを流量０．３１ｃｍ^３／ｓで２秒、周期４０秒で同期して注入した。主流と支流の流量を加算して時間平均すると、全ての支流より下流では、時間平均流量が０．２３ｃｍ^３／ｓとなる。この場合の管レイノルズ数は７．３×１０^−５であり、１より十分小さく、乱流は起こらない条件である。
【００３４】
この結果、支流管２より最初の注入時点をｔ＝０ｓとし、ｔ＝１００ｓの場合には、上流側支流付近では顕著な引き伸ばしが起こり、最下流側支流付近では大きな折り畳みが起こっていた。時間が経過すると、折り畳みは支流を通過する毎に繰り返されるようになり、幾重にも重なる細かい折り畳みが形成された。その繰り返しの結果、ｔ＝１００ｓの場合に、全ての支流より下流の部分では、マーカーは流れに垂直方向に顕著に広がり、支流から周期的に流体Ｂを注入することによりマーカーを図４の構成の長さのノンエレメント混合・反応器１００で管全体に拡散させることができ、一様化して混合していった。そして、この装置１００の引き伸ばし、折り畳みの複雑な繰り返しにより得られる拡散の促進は、流れのカオス的挙動によるものであることが分かった。
【００３５】
ところで、前記したように、特別の場合を除いて、図２、図５、図６のようなユニット１１、１２、１３を複数用いてそれらを縦列に連結することにより本発明のノンエレメント混合・反応器１００を構成するとしていたが、図７に示すようなユニット１４を用いる場合は、必ずしも複数のユニットを縦列に連結しなくとも本発明のノンエレメント混合器・反応器を構成することができる。
【００３６】
図７の第４の形態のユニット１４は、図７（ａ）に側面図、図７（ｂ）に正面図を示すように、１つ主流管１の側面に枝管４を取り付け、その枝管４内に支流管２’を前後に移動可能に配置し、その先端（図では、細く絞って支流管２’の先端としている。）が主流管１の内部で直径方向に移動するようになっている。この支流管２’を適当な周期、波形で前後に移動することで、主流管１中を流れる液体Ａと支流管２’から注入される液体Ｂとの引き伸ばしと折り畳みを行わせることが可能になり、カオス的な混合が可能になる。このユニット１４の場合は、必ずしも複数のユニットを縦列に連結しなくとも、図７（ｃ）に示すように、１つのユニット１４の下流に直円管５を連結するだけでカオス的な混合が可能になる。なお、この形態の場合のパラメータとしては、主流管１の流れ方向の長さＬと、支流管２’の入口からの取り付け距離Ｌ_１と、支流管２’の主流管１中心軸方向への倒れ角φ_１である。
【００３７】
なお、第４の形態のユニット１４を用いたノンエレメント混合・反応器１００の場合は、図７（ｃ）に示すように、支流管２’の先端を主流管１の中で適当な周期、波形で移動させるための周期的駆動装置６を支流管２’に取り付けることになり、また、ユニット１４の上流及び支流管２’の供給口には単に定常的に液体ＡとＢを送る機構を設ければよい。もちろん、支流管２’の供給口には、図４の場合と同様に、液体Ｂを間欠送りできるポンプを取り付けてもよい。
【００３８】
なお、ユニット１１、１２、１３とユニット１４を混合して任意に組み合わせるようにしてもよい。
【００３９】
なお、本発明のノンエレメント混合・反応器を有効に用いるためには、支流の流れ（支流流量、支流作動時間、支流作動間隔）の制御がきわめて重要であることは明らかである。
【００４０】
以上、本発明のノンエレメント混合・反応器をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず、種々の変形が可能である。なお、主流管、支流管等は円管で構成するものとしたが、断面円形以外の矩形等の管でこれらの管を構成してももちろんよい。また、各ユニットの支流管に注入する流体は流量が同じである必要も、また、位相が同じである必要もない。さらに、支流管に注入する流体の流量は矩形波状に周期的に変化させるだけでなく、サイン波状等他の波形状に周期的に変化させるようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のノンエレメント混合・反応器によって、エレメントを用いることなく高粘性等の流体中で混合物質の引き伸ばしと折り畳みを行ってカオス混合を行わせ、層流低剪断混合を実現することができる。そのため、エレメントの大きさに制約を受けずに混合・反応器を小型化ができ、流体中に含まれる高分子物質、微生物等の液体内部構造の破壊、死滅を起こすことがなく、洗浄も簡単で衛生上の問題も起こり難くなり、高粘性流、非ニュートン流、バイオ流、生体流における混合・反応に適した混合・反応器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のノンエレメント混合・反応器の基本形を説明するための模式図である。
【図２】本発明のノンエレメント混合・反応器を構成する第１の形態のユニットを説明するための図である。
【図３】本発明のノンエレメント混合・反応器に用いる助走部ユニットを説明するための図である。
【図４】図２の第１の形態のユニットと図３の助走部ユニットとを組み合わせて構成した本発明の１実施例のノンエレメント混合・反応器の構成を示す図である。
【図５】本発明のノンエレメント混合・反応器を構成する第２の形態のユニットを説明するための図である。
【図６】本発明のノンエレメント混合・反応器を構成する第３の形態のユニットを説明するための図である。
【図７】本発明のノンエレメント混合・反応器を構成する第４の形態のユニットとそれを用いたノンエレメント混合・反応器を説明するための図である。
【図８】従来のスタティックミキサーの１例を説明するための図である。
【符号の説明】
Ａ…流体（液体）Ａ
Ｂ…流体（液体）Ｂ
１…円管（主流管）
２…支流管
２’…支流管
３…円管
４…枝管
５…直円管
６…周期的駆動装置
１０…助走部ユニット
１１…第１の形態のユニット
１２…第２の形態のユニット
１３…第３の形態のユニット
１４…第４の形態のユニット
２０…円筒形状の管
２１…左ねじり羽根
２２…右ねじり羽根
２３…流体
３１…液槽
３２…連結管
３３…枝分かれ管
３４…ポンプ
３５…液槽
３６…連結管
３７…連結管
３８…液槽
１００…ノンエレメント混合・反応器

Claims

第１の流体と第２の流体を混合又は混合して反応させる混合・反応器において、第１の流体を導入する導入端と混合された流体を排出する排出端と有する断面形状が軸方全ての位置で等しい主流管を備え、前記主流管の側面に導通して上流から下流にかけて複数の支流管が間隔をおいて設けられ、前記主流管の導入端には第１の流体を定常的に供給する第１流体供給手段が連結され、前記支流管の各導入端には、流量を周期的に変化させながら第２の流体を注入する第２流体供給手段が連結されていることを特徴とするノンエレメント混合・反応器。
前記第２流体供給手段は、第２の流体を矩形波状に間欠送りするものであることを特徴とする請求項１記載のノンエレメント混合・反応器。
前記支流管の少なくとも１つに対し、前記主流管の中心軸を挟んで略対向する側面に別の支流管が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のノンエレメント混合・反応器。
前記支流管の少なくとも１つに対し、前記主流管の中心軸を含む平面に対して略対称位置に別の支流管が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のノンエレメント混合・反応器。
第１の流体と第２の流体を混合又は混合して反応させる混合・反応器において、第１の流体を導入する導入端と混合された流体を排出する排出端と有する主流管を備え、前記主流管の側面に導通して少なくとも１つの枝管が取り付けられており、前記枝管内に支流管が前後に移動可能に配置されて前記支流管の先端が前記主流管の内部を移動するように構成され、かつ、前記支流管を周期的に駆動する駆動手段が前記支流管に取り付けられており、前記主流管の導入端には第１の流体を定常的に供給する第１流体供給手段が連結され、前記支流管の導入端には、第２の流体を供給する第２流体供給手段が連結されていることを特徴とするノンエレメント混合・反応器。