マイクロ反応装置および触媒反応方法
【課題】反応原料を微細な反応流路に流通させることによって複数の触媒反応を進行させるとともに、その反応を効率よく行うことが可能なマイクロ反応装置を提供する。
【解決手段】反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置を用い、反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させ、容易に目的生成物を得ることができる。
【解決手段】反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置を用い、反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させ、容易に目的生成物を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の触媒反応を進行させることができるマイクロ反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ反応装置は、径が数μｍ〜数百μｍの流路内において化学反応・分離等を行う反応器であり、従来のバッチ方式に比べ数多くの利点を有している。
特に、化学反応では、触媒が不可欠な場合や触媒によって反応効率が高まる場合が多く、例えば、不活性材料からなる固体表面にマイクロチャンネルを刻設し、そのマイクロチャンネルの壁面に触媒能を有する有機分子を固定させたマイクロリアクターを用い、ベンゾイルチロシンパラニトロアニリドの加水分解によるパラニトロアニリンの生成反応や、ピルビン酸の還元によるＬ−乳酸の生成反応が行われている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の反応例は一種類の触媒による一段階の触媒反応であるが、マイクロ反応装置をより多くの有用な反応に利用するためには、より複雑な反応系に利用可能なマイクロ反応装置の開発が望まれる。
【０００４】
複数の触媒を用いる反応例としては、非特許文献１に記載されたＮＯ３−（硝酸イオン）の還元反応が挙げられる。ＮＯ３−は、地下水等に含まれていることがある。ＮＯ３−を含む地下水を飲料水として飲み続けると、人体に有害であり、メトヘモグロビン血症、糖尿病、高血圧などを引き起こすと指摘されている。このＮＯ３−を触媒反応を用いて無害な物質に分解する方法として、二種類の触媒を利用する触媒反応が提案されている（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−２６０３５１号公報
【非特許文献１】Ｔ．Ｏｋｕｈａｒａ ｅｔ ａｌ．， Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．３４， Ｎｏ．１１, ｐ．１５１０−１５１１（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献２のように、複数の触媒を利用した段階的反応を経て化学変換を行う場合には、その反応の各段階毎に独立した反応器が必要であるが、本発明者らは、異なる触媒による２以上の触媒反応が段階的に進行する化学反応を、マイクロ反応流路を利用して効率よく行うことができることを見出した。
【０００６】
本発明の課題は、反応原料を微細な反応流路に流通させることによって複数の触媒反応を進行させるとともに、その反応を効率よく行うことが可能なマイクロ反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るマイクロ反応装置は、反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、「触媒」とは、単体で触媒活性を有する物質、担体に触媒活性を有する物質を担持させた触媒組成物、または、それらに助触媒を担持させた触媒組成物、酵素等であり、ある特定の化学反応を促進する物質または組成物のことである。
【０００９】
本発明によれば、反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができる。特に、本発明によれば、触媒の種類と配列の順番を適宜変更することにより、容易に目的生成物を得ることができる。更に、新規な反応経路による新規な生成反応を、容易に実現することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係るマイクロ反応装置は、反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で繰り返し配列されて設けられていることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に繰り返し進行させることができる。
【００１２】
また、本発明の第３の態様に係るマイクロ反応装置は、第１または第２の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るマイクロ反応装置は、反応原料から、触媒Ｃ１による第１の触媒反応、触媒Ｃ２による第２の触媒反応、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）を含む逐次反応を進行させることによって、目的生成物を生成させる反応に用いられる。
【００１４】
このような逐次反応をバッチ式反応容器で行う場合には、一般的には、その各反応段階に応じた数の反応器が必要である。また、バッチ式反応容器を用いた反応では、時間とともに反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が変化する。
【００１５】
一方、微細な反応流路を有する反応器に、反応原料を流通させて反応を行うフロー型反応器の場合は、該反応器の反応開始部位からの距離によって、反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が決まる。本発明は、この特性を利用したものである。
【００１６】
本発明によれば、上記反応において、ｎ＝２の場合、まず触媒Ｃ１の形成領域において、反応原料から、第１の触媒反応を進行させて、次位の触媒反応である第２の触媒反応に供される中間生成物を十分な濃度になるように生成させ、続いて、触媒Ｃ２の形成領域において、前記第２の触媒反応を進行させることができる。
【００１７】
ｎ＝３の場合、前記第２の触媒反応に続いて、第３の触媒反応が行われる。
この場合もｎ＝２の場合と同様に、第１の触媒反応を進行させて、次位の触媒反応である第２の触媒反応に供される反応中間体を十分な濃度になるように生成させ、続いて、触媒Ｃ２の形成領域において、前記第２の触媒反応を進行させることができる。更に、触媒Ｃ２の形成領域においては、第３の触媒反応に供される反応中間体を十分な濃度になるように生成させ、続いて、触媒Ｃ３の形成領域において第３の触媒反応を進行させることができる。
【００１８】
すなわち、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられているので、反応原料の濃度と前記各触媒の形成領域の長さを適宜設定することにより、先行する触媒反応によって次位の触媒反応に供される反応中間体を十分な濃度になるように生成させることができ、反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、一連の逐次反応を効率よく行うことができる。
【００１９】
また、本発明の第４の態様に係るマイクロ反応装置は、第３の態様において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする。
【００２０】
本発明において、「構造的に不安定な中間生成物」とは、生成した中間生成物が分解する、異性化する、または該中間生成物が生成した反応の逆反応が起こりやすい等の理由により、その構造で存在できる時間が短い（寿命が短い）中間生成物のことである。
バッチ方式では、先の触媒反応により生成する中間生成物が構造的に不安定な場合、先の反応に用いる触媒と、次の反応に用いる触媒とを混合することにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくする方法が用いられるが、触媒の種類によっては混合ができない場合もある。
【００２１】
本発明によれば、構造的に不安定な中間生成物を生成する反応に用いる触媒のすぐ下流に次の触媒を並べて設けることにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくし、効率よく中間生成物を次の反応の反応原料として用いることができる。このことによって、それぞれの触媒活性を最大に発揮させることができる上、先の反応に用いる触媒と次の反応に用いる触媒とが混合できないものであっても、先の反応で生成した構造的に不安定な中間生成物を効率よく利用できる反応装置構成とすることができ、バッチ方式では生成しない物質の生成が期待できる。
【００２２】
また、本発明の第５の態様に係るマイクロ反応装置は、第１または第２の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする。
【００２３】
本発明において、「複数の触媒が複数の反応基質に独立的に作用する」とは、例えば、地下水中に含まれる有害物質であるＮＯ３−（基質１）と有機物（基質２）の無害化処理を行うため、ＮＯ３−の還元に用いられる触媒１と有機物の分解に用いられる触媒２のように、触媒１と触媒２の作用が互いに無関係（独立）であることである。
【００２４】
本発明によれば、反応原料に含まれる複数の反応基質に対して、それぞれの反応基質に独立的に作用する触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができる。
【００２５】
また、本発明の第６の態様に係るマイクロ反応装置は、第１の態様乃至第５の態様のいずれかにおいて、配列された複数の触媒の形成領域の間に、触媒非形成領域が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、前記触媒非形成領域を、触媒反応以外の他の反応や、上流側の触媒反応の不活性化などに用いることができ、より複雑な反応に利用可能となる。例えば、上流側の触媒が光触媒である場合には、その下流側に設けられた触媒非形成領域において、該光触媒の形成領域で生成した活性種の濃度を減少させることができ、その光触媒反応の作用を制御することが可能である。
【００２７】
また、上流側の触媒反応によって中間生成物が複数生じ、該複数種の中間生成物の寿命に差がある場合には、触媒の配列の間隔、反応原料の流通の速度を制御することによって、反応の選択性を上げることも期待できる。例えば、反応基質Ａから触媒Ｃ１の触媒反応によって、寿命の異なる中間生成物Ｂ（長寿命）とＢ’（短寿命）が生成する場合、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域の間隔を広く、または、反応原料の流通の速度を遅くすることによって、より寿命の長い中間生成物Ｂを選択的に利用した反応系を構築することが可能となる。
【００２８】
また、本発明の第７の態様に係るマイクロ反応装置は、第１の態様乃至第５の態様のいずれかにおいて、配列された触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域が設けられていることを特徴とする。
【００２９】
本発明によれば、隣り合う二種類の触媒のうち、反応流路の上流側に配列された触媒形成領域の触媒による触媒反応の途中から、下流側に配列された触媒形成領域の触媒による触媒反応を開始することができる。
【００３０】
また、本発明の第８の態様に係るマイクロ反応装置は、第７の態様において、前記触媒混合領域における二種類の触媒のうち、上流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が減少するように設けられ、下流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が増加するように設けられていることを特徴とする。
【００３１】
本発明によれば、触媒混合領域において、前記二種類の触媒うち、先行する触媒反応に係る触媒（上流側に配列された触媒）と、次に進行する触媒反応に係る触媒（下流側に配列された触媒）の量に勾配をつけることができ、先行する触媒反応から次の触媒反応に移行するために最適な反応条件を設定することができる。
【００３２】
また、本発明の第９の態様に係るマイクロ反応装置は、第１の態様乃至第８の態様のいずれかにおいて、前記反応器は光透過性材料より形成され、前記触媒層は、光触媒によって形成され、前記触媒層の表面に光を照射する光照射手段を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、第１の態様乃至第８の態様のいずれかに係るマイクロ反応装置を、光触媒反応に利用することができる。
【００３３】
また、本発明の第１０の態様に係る触媒反応方法は、反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に配列されており、前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、該触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする。
【００３４】
本発明によれば、反応原料を反応器に設けられた微細な反応流路に導入し、該反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番で進行させることができる。
【００３５】
また、本発明の第１１の態様に係る触媒反応方法は、反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に繰り返し配列されており、前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、前記触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、反応原料を反応器に設けられた微細な反応流路に導入し、該反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番で繰り返し進行させることができる。
【００３７】
また、本発明の第１２の態様に係る触媒反応方法は、第１０または第１１の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番で進行させて、一連の逐次反応を効率よく行うことができる。
【００３９】
また、本発明の第１３の態様に係る触媒反応方法は、第１２の態様において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする。
【００４０】
逐次反応では、生成した中間生成物が分解する、異性化する、または該中間生成物が生成した反応の逆反応が起こりやすい等の理由により、その構造で存在できる時間が短い（短寿命である）ため、該中間生成物から次の生成物が効率よく得られない場合がある。
【００４１】
本発明によれば、構造的に不安定な中間生成物を生成する反応に用いる触媒のすぐ下流に次の触媒を並べて設けることにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくし、その短寿命の中間生成物を効率よく次の反応に用いることができる。このことによって、それぞれの触媒活性を最大に発揮させることができる上、先の反応に用いる触媒と次の反応に用いる触媒とが混合できないものであっても、先の反応で生成した構造的に不安定な中間生成物を効率よく利用できる構成とすることができ、バッチ方式では生成しない物質の生成が期待できる。
【００４２】
また、本発明の第１４の態様に係る触媒反応方法は、第１０または第１１の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする。
【００４３】
本発明によれば、複数の反応基質を含む反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、それぞれの反応基質に独立的に作用する触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、反応原料を反応流路に流通させている間に、該反応原料中において、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができ、複数の触媒反応をワンパスで行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
［実施例１］
以下、本発明に係るマイクロ反応装置の一実施例について説明する。図１は、本発明に係るマイクロ反応装置の一例を示す斜視図であり、図２は、本発明に係るマイクロ反応装置の他の一例を示す斜視図である。
本発明に係るマイクロ反応装置１は、反応原料を流通させる微細な反応流路３を有する反応器２と、前記反応流路３内に形成された触媒層４と、を備えている。
【００４６】
反応原料を流通させる微細な反応流路３を有する反応器２としては、例えば、図１のように、エッチング、機械加工、または射出成形等によって、幅５００μｍ、深さ１０−５００μｍ程度の反応流路３を成す溝が形成された基板５表面に、反応流路３に反応原料を供給するための供給口７、および、反応流路３を通過した反応液が取り出される取り出し口８が設けられた天板６が接合された公知の反応器２を用いることができる。また、図２のように、前記反応流路３の途中に他の供給口９および他の排出口１０を設ければ、反応途中における添加剤の導入、反応中に発生したガス成分の排出等を行うこともできる。
【００４７】
供給口７、供給口９、排出口８、および排出口１０にはそれぞれチューブコネクタ１１が設けられ、マイクロチューブ１２が接続されている。供給口７および供給口９のマイクロチューブ１２は、シリンジポンプ等の原料送り込み手段（図示せず）に接続されており、一定の速度で反応原料が送り込まれるように構成されている。
【００４８】
前記反応器２を形成する基板５および天板６の材料は、反応原料、中間生成物、生成物等の化学物質や、用いられる各触媒の性質に応じて選定することができる。例えば、用いられる触媒として光触媒が含まれている場合には、前記基板５および前記天板６は、ホウ珪酸ガラス、または、石英で形成されていることが好ましい。
【００４９】
前記反応器２の反応流路３には、触媒層４が形成されている。該触媒層４は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、各触媒の形成領域が、前記反応流路３に配列されて設けられている。前記複数の触媒の形成領域の配列構成については、後で詳細に説明する。
【００５０】
それぞれの触媒は、異なる触媒反応に係るものである。触媒は、前記反応流路３に固定または担持して設けられるものであればよく、光触媒、金属または金属化合物触媒、錯体触媒、酵素、などが挙げられる。
【００５１】
前記触媒層４を形成する複数の触媒として光触媒が含まれている場合には、光反応を誘起するために光を照射する光照射手段（図示せず）が設けられる。光源としては紫外発光ダイオードを用いることが望ましい。光源として発光ダイオードを用いることによって、マイクロ反応装置１の省スペース化と低フォトンコストを実現することができる。紫外発光ダイオードの波長は、用いる光触媒の種類に応じて選択することができ、２００ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましい。
【００５２】
次に、反応流路３における前記触媒の形成領域の配列構成を、ｎ＝２およびｎ＝３の場合について説明する。図３（Ａ）は、反応流路に二種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝２の場合）の例を示す図であり、図３（Ｂ）は、反応流路に三種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝３の場合）の例を示す図である。
【００５３】
図３（Ａ）に示す反応流路３には、触媒Ｃ１、および、触媒Ｃ２の形成領域、図３（Ｂ）においては、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、および触媒Ｃ３の形成領域が連続して形成されており、各触媒の形成領域において、それぞれの触媒による触媒反応が進められるように構成されている。このような構成の反応流路３を備えたマイクロ反応装置を用いて逐次反応を行った場合について、図１１を用いて説明する。
【００５４】
図１１は、本実施例に係るマイクロ反応装置において、反応基質Ｍ０から触媒Ｃ１による第１の触媒反応によって中間生成物Ｍ１が生成し、次に中間生成物Ｍ１から触媒Ｃ２による第２の触媒反応によって中間生成物Ｍ２が生成し、中間生成物Ｍ２から触媒Ｃ３による第３の触媒反応によって目的生成物Ｍ３が生成する反応（Ｍ０→Ｍ１→Ｍ２→Ｍ３）を行った場合の、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の濃度変化を示す図である。分かりやすく説明するために、各段階の反応は収率が１００％の理想的な状態で行われるものと仮定している。
【００５５】
このように、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることによって、先行する触媒反応によって、次位の触媒反応に供される中間生成物を十分な濃度で生成させるように各触媒領域の範囲を設定し、反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、一連の逐次反応を効率よく行うことができる。
【００５６】
次に、図４（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、図４（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、図４（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の他の例を示す図である。
【００５７】
ｎ＝２の場合、図４（Ａ）のように、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域との間に、触媒非形成領域２１が設けられる。ｎ＝３以上の場合には、図４（Ｂ）のように、それぞれの触媒の形成領域の間に、触媒非形成領域２１を設けることができるし、また、図４（Ｃ）のように、一部の触媒の形成領域の間のみに、触媒非形成領域２１を設けることもできる。
【００５８】
前記触媒非形成領域２１を、触媒反応以外の他の反応や、上流側の触媒反応の不活性化などに用いることによって、より複雑な反応を行うことができる。例えば、触媒Ｃ１が光触媒である場合には、触媒非形成領域２１において、該光触媒（触媒Ｃ１）の形成領域で生成した活性種の濃度を減少させることができ、その光触媒反応の作用を制御することが可能である。
【００５９】
図５（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の触媒の形成領域が設けられ、該二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、図５（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、図５（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の他の例を示す図であり、図５（Ｄ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の更に他の例を示す図である。
【００６０】
ｎ＝２の場合、図５（Ａ）のように、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域とが重なる触媒混合領域２２が設けられる。
ｎ＝３以上の場合には、図５（Ｂ）のように、隣り合う二種類の触媒の形成領域それぞれに対して、触媒混合領域２２を設けることができるし、また、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）のように、図３および図４の構成を組み合わせて複数の触媒を配列して設けることが可能である。
【００６１】
前記触媒混合領域２２において、二種類の触媒は、それぞれの担持量に勾配をつけて設られることが望ましい。図６は、図５（Ａ）と同様に二種類の触媒が反応流路３に設けられ、それぞれの触媒の担持量に勾配をつけた場合の例を示す図である。
【００６２】
二種類の触媒のうち、上流側に設けられている触媒Ｃ１は、触媒混合領域２２において、下流側に向かってその量が漸次減少するように設けられている。下流側に設けられている触媒Ｃ２は、触媒混合領域２２において、下流側に向かってその量が漸次増加するように設けられている。触媒の量は、図６（Ａ）のように連続的に増減させることも可能であり、図６（Ｂ）のように段階的に増減させることも可能である。
【００６３】
反応流路３に配列された二種類の触媒の形成領域に触媒混合領域２２を設け、該触媒混合領域２２において、二種類の触媒の担持量に勾配をつけることによって、先行する触媒反応から次の触媒反応に移行するために最適な条件を設定することができる。
【００６４】
［反応例１−１］
実施例１に係るモデル反応として、地下水中のＮＯ３−（硝酸イオン）の無害化プロセスが挙げられる。地下水中に含まれる、人体に有害なＮＯ３−をＮ２Ｏ（亜酸化窒素）に変換する方法として、二種類の触媒を利用する触媒反応が提案されている［Chemistry
Letters Vol.34, No.11, p.1510-1511(2005)］。本実施例では、更に他の触媒を用いたＮ２ＯからＮ２（窒素）への還元反応を含む３種類の触媒（触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、および触媒Ｃ３）による、ＮＯ３−の無害化プロセスを効率よく行うことができるマイクロ反応装置について説明する。ＮＯ３−からＮ２への変換は、式１に示すような逐次反応で進行する。
【００６５】
【化１】
【００６６】
触媒Ｃ１は、活性炭に担持したＣｕ−Ｐｄクラスター触媒（以下、Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ）である。触媒Ｃ２は、βゼオライトに担持したＰｄ触媒（以下、Ｐｄ／βゼオライト）である。触媒Ｃ３は、活性炭に担持したＰｄ触媒（以下、Ｐｄ／ＡＣ）である。
Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ（触媒Ｃ１）は、ＮＯ３−をＮＯ２−へと還元する（第１の触媒反応）。Ｐｄ／βゼオライト（触媒Ｃ２）は、ＮＯ２−をＮ２ＯとＮ２に分解する（第２の触媒反応）。Ｐｄ／ＡＣ（触媒Ｃ３）は、Ｎ２ＯをＮ２へと還元する（第３の触媒反応）。
【００６７】
図７は反応例１−１に使用されるマイクロ反応装置の平面概略図である。
図７のマイクロ反応装置３１の反応器３２には、反応流路３３が設けられ、第１の触媒反応に用いられる触媒Ｃ１であるＣｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４と、第２の触媒反応に用いられる触媒Ｃ２であるＰｄ／βゼオライトの形成領域３５と、第３の触媒反応に用いられる触媒Ｃ３であるＰｄ／ＡＣの形成領域３６が、反応流路３２の上流側から、前記逐次反応の順番に配列されて設けられている。
【００６８】
ＮＯ３−を含む地下水（以下、反応溶液４０）は、供給口４１から導入される。
供給口４２は、第１の触媒反応に必要な添加剤である水素（Ｈ２）を導入するためのものであり、Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４の上流側に設けられている。Ｈ２は、反応流路３３内において、反応溶液４０にスラグ流または環状流（パイプフロー）を生成させる圧力で導入される。スラグ流または環状流を生成した反応溶液４０が、Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４を流通する間に、第１の触媒反応によって、反応溶液４０中のＮＯ３−はＮＯ２−へと還元される。
【００６９】
次に、前記Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４の下流側には、供給口４３が設けられ、該供給口４３が設けられた位置より更に下流には、第１の触媒非形成領域３７が設けられている。供給口４３は、前記還元反応によってアルカリ性になった反応溶液４０を中和させるために二酸化炭素（ＣＯ２）を導入するためのものである。Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４を脱出した反応溶液４０（アルカリ性）に、前記供給口４３からＣＯ２が導入され、該反応溶液４０が第１の触媒非形成領域３７を流通している間に中和される。
【００７０】
前記第１の触媒非形成領域３７に続いて、Ｐｄ／βゼオライトの形成領域３５が設けられている。中和された反応溶液４０は、該Ｐｄ／βゼオライトの形成領域３５を流通し、その間に第２の触媒反応によって、反応溶液４０中のＮＯ２−がＮ２とＮ２Ｏに分解される。
【００７１】
前記Ｐｄ／βゼオライトの形成領域３５の下流側には、気液分離器４６を構成する第２の触媒非形成領域３８と、分岐反応流路４９および排出口４４が設けられている。該第２の触媒非形成領域３８において、反応流路３３の表面は、その上流側から親水性処理され、前記排出口４４へと続く分岐反応流路４９表面まで親水性表面を備える親水性流路４７となっている。そして、前記分岐反応流路４９との分岐点５０より下流の反応流路３３の表面には疎水性処理が施されている。
【００７２】
反応流路３３を流通する反応溶液４０中の水成分（地下水）は、前記分岐点５０において親水性流路４７から分岐反応流路４９に導かれ、排出口４４から排出される。一方、前記第２の触媒反応後の反応溶液４０中に含まれる気体成分Ｎ２およびＮ２Ｏ（Ｈ２およびＣＯ２も含まれる）は、疎水性流路４８を流通して送られる。このようにして、第２の触媒非形成領域３８を気液分離器４６として利用し、反応溶液４０中の気体成分と液体成分とを分離することができる。
【００７３】
前記気液分離器４６によって、水成分とＮ２およびＮ２Ｏとが分離され、すなわち、地下水からＮＯ３−由来の窒素成分が除かれ、ＮＯ３−が除去された浄化地下水が排出口４４から排出されている。ここで、分離された気体成分に含まれるＮ２Ｏは、地球温暖化ガスであり、依然として有害である。したがって、Ｎ２Ｏを無害化するために、前記第２の触媒非形成領域３８の下流にはＰｄ／ＡＣの形成領域３６が設けられている。該Ｐｄ／ＡＣによる第３の触媒反応によって、Ｎ２ＯはＮ２に還元され、排出口４５からＮ２および未反応のＨ２を含む無害な混合気体成分が排出される。更に、過剰に加えられたＣＯ２も排出される。
【００７４】
このようにして、汚染された地下水を反応流路３３に流通させている間に、触媒Ｃ１（Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ）、触媒Ｃ２（Ｐｄ／βゼオライト）、触媒Ｃ３（Ｐｄ／ＡＣ）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に開始、進行させることができ、複数の触媒反応をワンパスで行うことができる。
【００７５】
［反応例１−２］
実際の汚染された地下水は、有害物質としてＮＯ３−だけでなく有機物も含むので、このＮＯ３−の無害化プロセスの前段に、酸化チタン担持領域を設け、前記有機物を酸化分解により除去する工程を加え、該有機物を基質とする酸化分解反応を触媒する酸化チタンと、ＮＯ３−を基質とする還元反応を触媒するＣｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ、Ｐｄ／βゼオライト、およびＰｄ／ＡＣのように、複数の反応基質に独立的に作用する触媒を設ける構成とすることも可能である。
【００７６】
［反応例１−３］
実施例１に係る他の反応例として、式２に示すような逐次反応が挙げられる。
【００７７】
【化２】
【００７８】
このような逐次反応をバッチ式反応容器で行った場合の反応基質Ａ、中間生成物Ｂ、および目的生成物Ｄの時間的濃度変化の典型例を図７に示す。バッチ式反応容器を用いた逐次反応では、時間とともに反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が変化する。
【００７９】
一方、本実施例に係るマイクロ反応装置のような、微細な反応流路に反応原料を流通させて反応を行うフロー型反応器の場合には、該反応器の反応開始部位からの距離によって、反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が決まる。すなわち、図８のグラフにおける横軸（時間）は、反応開始地点（ゼロ点）からの距離に置き換えることができる。
【００８０】
したがって、反応流路上の各地点における反応基質Ａおよび中間生成物Ｂの濃度を考慮して、触媒Ｃ１および触媒Ｃ２の担持量を設定することによって、反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの逐次反応に最適な条件を設定することができる。
例えば、図９のように、中間生成物Ｂの濃度に合わせて触媒Ｃ１および触媒Ｃ２の担持量に勾配をつけることができる。触媒の担持量は、図６（Ａ）のように連続的に増減させることも可能であり、図６（Ｂ）のように段階的に増減させることも可能である。
【００８１】
［実施例２］
次に、本発明に係るマイクロ反応装置の他の実施例について説明する。
マイクロ反応装置の基本的な構成は、実施例１と同様であるのでその詳細は省略する。本実施例は、反応流路における複数の触媒（触媒Ｃ１および触媒Ｃ２）の形成領域の配列構成に特徴を有するものである。
【００８２】
図１０は、本実施例に係るマイクロ反応装置の反応流路における、複数の触媒の配列構成を示す図であり、触媒Ｃ１および触媒Ｃ２を反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２の順番で繰り返し配列して設けられた場合の一例を示す図である。
【００８３】
前述の式２のような逐次反応において、中間生成物Ｂが安定であり、中間生成物Ｂの寿命が長い（存在時間が長い）場合には、図３（Ａ）、図４（Ａ）または図５（Ａ）に示したように、触媒Ｃ１および触媒Ｃ２を並べて配列した構成でも良いが、中間生成物Ｂが構造的に不安定であり、中間生成物Ｂの寿命が短い（存在時間が短い）場合には、触媒Ｃ２形成領域を長く設けても、触媒Ｃ１形成領域で生成された中間生成物Ｂがすぐに消滅してしまい、反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの反応効率が悪くなってしまう。
【００８４】
このような場合には、構造的に不安定な中間生成物を生成する反応に用いる触媒のすぐ下流に次の触媒を並べて設けることにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくし、効率よく中間生成物を次の反応に用いることができる。このことによって、それぞれの触媒活性を最大に発揮させることができる上、先の反応に用いる触媒と次の反応に用いる触媒とが混合できないものであっても、先の反応で生成した構造的に不安定な中間生成物を効率よく利用できる構成とすることができ、バッチ方式では生成しない物質の生成が期待できる。
【００８５】
また、図１０（Ａ）に示すように触媒Ｃ１と触媒Ｃ２とをＣ１、Ｃ２の順番で繰り返し配列して設けることによって、構造的に不安定で寿命が短い中間生成物Ｂを何度も生成させてＡ→Ｂ→Ｄの反応を繰り返し行うことができ、効率よく目的生成物Ｄを生成させることができる。このように、触媒を繰り返し配列した反応系は、バッチ式反応容器を用いた手法では実現困難である。
【００８６】
更に、中間生成物が複数生じ、該複数種の中間生成物の寿命に差がある場合には、触媒の配列の間隔、反応原料の流通の速度を制御することによって、反応の選択性を上げることも期待できる。例えば、反応基質Ａから触媒Ｃ１の触媒反応によって、寿命の異なる中間生成物Ｂ（長寿命）とＢ’（短寿命）が生成する場合、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域の間隔を狭く設定し、触媒の繰り返し配列によって、何度も反応基質Ａ→中間生成物Ｂ、Ｂ’→目的生成物Ｄを行うことにより、Ｂ’の収率を上げることができる。また、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域の間隔を広く、または、反応原料の流通の速度を遅くすることによって、より寿命の長い中間生成物Ｂを選択的に利用した反応系を構築することができる。
【００８７】
図１２は、実施例２に係るマイクロ反応装置において、反応基質Ｍ０から触媒Ｃ１による第１の触媒反応によって構造的に不安定な中間生成物Ｍ１が生成し、次に中間生成物Ｍ１から触媒Ｃ２による第２の触媒反応によって目的生成物Ｍ２が生成する反応（Ｍ０→Ｍ１→Ｍ２）を行った場合の、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２の濃度変化を示す図である。第１の触媒反応によって生成する構造的に不安定な中間生成物Ｍ１は、触媒を必要とせず、または触媒Ｃ２によって、Ｍ０への可逆反応が起こる物質であるものとする。分かりやすく説明するために、各段階の反応は効率よく理想的な状態で行われるものと仮定している。
【００８８】
触媒Ｃ１形成領域と触媒Ｃ２形成領域を１サイクルの反応とすると、まず、1順目の触媒Ｃ１形成領域において、Ｍ０→Ｍ１の反応が進行し、十分な濃度の中間生成物Ｍ１が生成する。十分な濃度の中間生成物Ｍ１を含む反応溶液が、触媒Ｃ２形成領域を流通し、Ｍ１→Ｍ２の反応が進行する。しかし、中間生成物Ｍ１は反応基質Ｍ０への可逆反応が起こるため不安定であり、前記反応溶液が触媒Ｃ２形成領域に到達した際に含まれていた中間生成物Ｍ１がすべて目的生成物Ｍ２に変換されず、触媒Ｃ２形成領域において再び反応基質Ｍ０が生成することとなる。
【００８９】
続いて、２順目の触媒Ｃ１形成領域に、反応基質Ｍ０と目的生成物Ｍ２とが含まれる反応溶液が導入される。ここで、再び反応基質Ｍ０は、中間生成物Ｍ１に変換される。そして、中間生成物Ｍ１と目的生成物Ｍ２とが含まれる反応溶液が、２順目の触媒Ｃ２形成領域を流通し、Ｍ１→Ｍ２の反応が進行する。1順目と同様に中間生成物Ｍ１から反応基質Ｍ０への可逆反応が起こるが、反応溶液中の目的生成物Ｍ２の含有量は増加する。
【００９０】
２順目と同様に、３順目以降の反応を進行させて、反応溶液中に目的生成物Ｍ２を蓄積することができるので、中間生成物Ｍ１が構造的に不安定であるため、1サイクルの反応での収率の低い物質であっても、その収率を高めることが可能となる。
【００９１】
［反応例２−１］
実施例２に係るモデル反応として、固体酸および活性金属による難脱硫性硫黄化合物の脱硫プロセスが挙げられる。
自動車排気ガス、特にディーゼル車の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状物質（ＰＭ）による大気汚染は深刻な状況であり、排気ガス中のＮＯｘおよびＰＭの低減が急務である。そのためのディーゼル車のＮＯｘ還元処理装置およびＰＭ除去装置等の排気ガス後処理装置の機能を十分に発揮させるためには、軽油中の硫黄分を更に低減させることが課題となる。
【００９２】
従来、脱硫反応塔を用いた脱硫処理方法に用いる触媒として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に異性化能を有する固体酸と、脱硫性能を有する活性金属としてのコバルト（Ｃｏ）とモリブデン（Ｍｏ）を担持させた触媒が開発されている［FocusNEDO，第６号（２００２年１１月号），ｐ．１−４，「石油精製汚染物質低減等技術開発−軽油の低硫黄化技術の開発−」］。この触媒は、難脱硫性硫黄化合物であるアルキルジベンゾチオフェン類を処理するためのものである。アルキルジベンゾチオフェン類の処理工程を以下の式３に示す。
【００９３】
【化３】
【００９４】
このように、異性化能を有する固体酸（触媒Ｃ１）を触媒として、アルキルジベンゾチ
オフェン類を異性化して、硫黄原子近傍のアルキル基による立体障害を除き、脱硫性能を
有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）によって脱硫することによって行われる。
【００９５】
しかし、既述の脱硫反応塔を用いた脱硫処理方法では、式４に示すように、異性化能を有する固体酸触媒（触媒Ｃ１）と、脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）とをアルミナに担持させた触媒を一つの触媒Ｃ３として用い、脱硫処理が行われている。これは、固体酸による異性化反応は可逆反応であり、アルキル基の立体障害の少ない異性化体はその寿命が短く、異性化反応後、速やかに脱硫反応を行う必要があるためであると考えられる。すなわち、異性化触媒と脱硫触媒を同じ担体に担持させることによって、異性化反応が起こるとほぼ同時に脱硫反応が行われるように構成されていると考えられる。
【００９６】
【化４】
【００９７】
反応例２−１は、実施例２のマイクロ反応装置を用い、異性化能を有する固体酸触媒（
触媒Ｃ１）と、脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）のそれぞれの機能を分離し、ア
ルキルジベンゾチオフェン類の脱硫を行うものである。
【００９８】
式２における反応基質Ａがアルキルジベンゾチオフェン類、寿命の短い中間生成物Ｂが異性化体、目的生成物Ｄが脱硫体であり、使用するマイクロ反応装置の反応流路には、図９（ａ）のように異性化能を有する固体酸触媒（触媒Ｃ１）と脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）とがＣ１、Ｃ２の順番で繰り返し配列されて設られる。
【００９９】
このことによって、異性化能を有する固体酸触媒（触媒Ｃ１）と、脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）の機能を分離し、それぞれの触媒能が有効に発揮されるとともに、アルキルジベンゾチオフェン類→異性化体→脱流体の反応を繰り返し行うことによって、寿命の短い異性化体から脱流体への反応も確実に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、反応原料を微細な反応流路に流通させることによって、複数の触媒反応を進行させるマイクロ反応装置として有効である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に係るマイクロ反応装置の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るマイクロ反応装置の他の一例を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は、反応流路に二種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝２の場合）の例を示す図であり、（Ｂ）は、反応流路に三種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝３の場合）の例を示す図である。
【図４】（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の他の例を示す図である。
【図５】（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の触媒の形成領域が設けられ、該二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の他の例を示す図であり、（Ｄ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の更に他の例を示す図である。
【図６】（Ａ）は、図５（Ａ）において、二種類の触媒の担持量に連続的な勾配をつけた場合の例を示す図であり、（Ｂ）は、図５（Ａ）において、二種類の触媒の担持量に段階的な勾配をつけた場合の例を示す図である。
【図７】反応例１−１に使用されるマイクロ反応装置の平面概略図である。
【図８】反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの逐次反応をバッチ式反応容器で行った場合の、反応基質Ａ、中間生成物Ｂ、および目的生成物Ｄの時間的濃度変化を示す図である。
【図９】反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの逐次反応をマイクロ反応装置で行った場合の、反応基質Ａ、中間生成物Ｂ、および目的生成物Ｄの濃度と、マイクロ反応装置の反応流路上の位置との関係を示す図である。
【図１０】実施例２に係るマイクロ反応装置の反応流路における、複数の触媒の配列構成を示す図である。
【図１１】実施例１に係るマイクロ反応装置を用いた反応例を説明する図である。
【図１２】実施例２に係るマイクロ反応装置を用いた反応例を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１ マイクロ反応装置、 ２ 反応器、 ３ 反応流路、 ４ 触媒層、
５ 基板、 ６ 天板、 ７、９、 供給口、 ８、１０ 排出口、
１１ チューブコネクタ、 １２ マイクロチューブ、
２１ 触媒非形成領域、 ２２ 触媒混合領域、
３１ マイクロ反応装置、 ３２ 反応器、 ３３ 反応流路、
３４ Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域、
３５ Ｐｄ／βゼオライトの形成領域、 ３６ Ｐｄ／ＡＣの形成領域、
３７ 第１の触媒非形成領域、 ３８ 第２の触媒非形成領域、
４０ 反応溶液（ＮＯ３−を含む地下水）、
４１、４２、４３ 供給口、 ４４、４５ 排出口、
４６ 気液分離器、 ４７ 親水性流路、 ４８ 疎水性流路、
４９ 分岐反応流路、 ５０ 分岐点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の触媒反応を進行させることができるマイクロ反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ反応装置は、径が数μｍ〜数百μｍの流路内において化学反応・分離等を行う反応器であり、従来のバッチ方式に比べ数多くの利点を有している。
特に、化学反応では、触媒が不可欠な場合や触媒によって反応効率が高まる場合が多く、例えば、不活性材料からなる固体表面にマイクロチャンネルを刻設し、そのマイクロチャンネルの壁面に触媒能を有する有機分子を固定させたマイクロリアクターを用い、ベンゾイルチロシンパラニトロアニリドの加水分解によるパラニトロアニリンの生成反応や、ピルビン酸の還元によるＬ−乳酸の生成反応が行われている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１の反応例は一種類の触媒による一段階の触媒反応であるが、マイクロ反応装置をより多くの有用な反応に利用するためには、より複雑な反応系に利用可能なマイクロ反応装置の開発が望まれる。
【０００４】
複数の触媒を用いる反応例としては、非特許文献１に記載されたＮＯ３−（硝酸イオン）の還元反応が挙げられる。ＮＯ３−は、地下水等に含まれていることがある。ＮＯ３−を含む地下水を飲料水として飲み続けると、人体に有害であり、メトヘモグロビン血症、糖尿病、高血圧などを引き起こすと指摘されている。このＮＯ３−を触媒反応を用いて無害な物質に分解する方法として、二種類の触媒を利用する触媒反応が提案されている（非特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３−２６０３５１号公報
【非特許文献１】Ｔ．Ｏｋｕｈａｒａ ｅｔ ａｌ．， Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．３４， Ｎｏ．１１, ｐ．１５１０−１５１１（２００５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献２のように、複数の触媒を利用した段階的反応を経て化学変換を行う場合には、その反応の各段階毎に独立した反応器が必要であるが、本発明者らは、異なる触媒による２以上の触媒反応が段階的に進行する化学反応を、マイクロ反応流路を利用して効率よく行うことができることを見出した。
【０００６】
本発明の課題は、反応原料を微細な反応流路に流通させることによって複数の触媒反応を進行させるとともに、その反応を効率よく行うことが可能なマイクロ反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様に係るマイクロ反応装置は、反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明において、「触媒」とは、単体で触媒活性を有する物質、担体に触媒活性を有する物質を担持させた触媒組成物、または、それらに助触媒を担持させた触媒組成物、酵素等であり、ある特定の化学反応を促進する物質または組成物のことである。
【０００９】
本発明によれば、反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができる。特に、本発明によれば、触媒の種類と配列の順番を適宜変更することにより、容易に目的生成物を得ることができる。更に、新規な反応経路による新規な生成反応を、容易に実現することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係るマイクロ反応装置は、反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で繰り返し配列されて設けられていることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に繰り返し進行させることができる。
【００１２】
また、本発明の第３の態様に係るマイクロ反応装置は、第１または第２の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るマイクロ反応装置は、反応原料から、触媒Ｃ１による第１の触媒反応、触媒Ｃ２による第２の触媒反応、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）を含む逐次反応を進行させることによって、目的生成物を生成させる反応に用いられる。
【００１４】
このような逐次反応をバッチ式反応容器で行う場合には、一般的には、その各反応段階に応じた数の反応器が必要である。また、バッチ式反応容器を用いた反応では、時間とともに反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が変化する。
【００１５】
一方、微細な反応流路を有する反応器に、反応原料を流通させて反応を行うフロー型反応器の場合は、該反応器の反応開始部位からの距離によって、反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が決まる。本発明は、この特性を利用したものである。
【００１６】
本発明によれば、上記反応において、ｎ＝２の場合、まず触媒Ｃ１の形成領域において、反応原料から、第１の触媒反応を進行させて、次位の触媒反応である第２の触媒反応に供される中間生成物を十分な濃度になるように生成させ、続いて、触媒Ｃ２の形成領域において、前記第２の触媒反応を進行させることができる。
【００１７】
ｎ＝３の場合、前記第２の触媒反応に続いて、第３の触媒反応が行われる。
この場合もｎ＝２の場合と同様に、第１の触媒反応を進行させて、次位の触媒反応である第２の触媒反応に供される反応中間体を十分な濃度になるように生成させ、続いて、触媒Ｃ２の形成領域において、前記第２の触媒反応を進行させることができる。更に、触媒Ｃ２の形成領域においては、第３の触媒反応に供される反応中間体を十分な濃度になるように生成させ、続いて、触媒Ｃ３の形成領域において第３の触媒反応を進行させることができる。
【００１８】
すなわち、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられているので、反応原料の濃度と前記各触媒の形成領域の長さを適宜設定することにより、先行する触媒反応によって次位の触媒反応に供される反応中間体を十分な濃度になるように生成させることができ、反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、一連の逐次反応を効率よく行うことができる。
【００１９】
また、本発明の第４の態様に係るマイクロ反応装置は、第３の態様において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする。
【００２０】
本発明において、「構造的に不安定な中間生成物」とは、生成した中間生成物が分解する、異性化する、または該中間生成物が生成した反応の逆反応が起こりやすい等の理由により、その構造で存在できる時間が短い（寿命が短い）中間生成物のことである。
バッチ方式では、先の触媒反応により生成する中間生成物が構造的に不安定な場合、先の反応に用いる触媒と、次の反応に用いる触媒とを混合することにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくする方法が用いられるが、触媒の種類によっては混合ができない場合もある。
【００２１】
本発明によれば、構造的に不安定な中間生成物を生成する反応に用いる触媒のすぐ下流に次の触媒を並べて設けることにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくし、効率よく中間生成物を次の反応の反応原料として用いることができる。このことによって、それぞれの触媒活性を最大に発揮させることができる上、先の反応に用いる触媒と次の反応に用いる触媒とが混合できないものであっても、先の反応で生成した構造的に不安定な中間生成物を効率よく利用できる反応装置構成とすることができ、バッチ方式では生成しない物質の生成が期待できる。
【００２２】
また、本発明の第５の態様に係るマイクロ反応装置は、第１または第２の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする。
【００２３】
本発明において、「複数の触媒が複数の反応基質に独立的に作用する」とは、例えば、地下水中に含まれる有害物質であるＮＯ３−（基質１）と有機物（基質２）の無害化処理を行うため、ＮＯ３−の還元に用いられる触媒１と有機物の分解に用いられる触媒２のように、触媒１と触媒２の作用が互いに無関係（独立）であることである。
【００２４】
本発明によれば、反応原料に含まれる複数の反応基質に対して、それぞれの反応基質に独立的に作用する触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができる。
【００２５】
また、本発明の第６の態様に係るマイクロ反応装置は、第１の態様乃至第５の態様のいずれかにおいて、配列された複数の触媒の形成領域の間に、触媒非形成領域が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、前記触媒非形成領域を、触媒反応以外の他の反応や、上流側の触媒反応の不活性化などに用いることができ、より複雑な反応に利用可能となる。例えば、上流側の触媒が光触媒である場合には、その下流側に設けられた触媒非形成領域において、該光触媒の形成領域で生成した活性種の濃度を減少させることができ、その光触媒反応の作用を制御することが可能である。
【００２７】
また、上流側の触媒反応によって中間生成物が複数生じ、該複数種の中間生成物の寿命に差がある場合には、触媒の配列の間隔、反応原料の流通の速度を制御することによって、反応の選択性を上げることも期待できる。例えば、反応基質Ａから触媒Ｃ１の触媒反応によって、寿命の異なる中間生成物Ｂ（長寿命）とＢ’（短寿命）が生成する場合、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域の間隔を広く、または、反応原料の流通の速度を遅くすることによって、より寿命の長い中間生成物Ｂを選択的に利用した反応系を構築することが可能となる。
【００２８】
また、本発明の第７の態様に係るマイクロ反応装置は、第１の態様乃至第５の態様のいずれかにおいて、配列された触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域が設けられていることを特徴とする。
【００２９】
本発明によれば、隣り合う二種類の触媒のうち、反応流路の上流側に配列された触媒形成領域の触媒による触媒反応の途中から、下流側に配列された触媒形成領域の触媒による触媒反応を開始することができる。
【００３０】
また、本発明の第８の態様に係るマイクロ反応装置は、第７の態様において、前記触媒混合領域における二種類の触媒のうち、上流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が減少するように設けられ、下流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が増加するように設けられていることを特徴とする。
【００３１】
本発明によれば、触媒混合領域において、前記二種類の触媒うち、先行する触媒反応に係る触媒（上流側に配列された触媒）と、次に進行する触媒反応に係る触媒（下流側に配列された触媒）の量に勾配をつけることができ、先行する触媒反応から次の触媒反応に移行するために最適な反応条件を設定することができる。
【００３２】
また、本発明の第９の態様に係るマイクロ反応装置は、第１の態様乃至第８の態様のいずれかにおいて、前記反応器は光透過性材料より形成され、前記触媒層は、光触媒によって形成され、前記触媒層の表面に光を照射する光照射手段を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、第１の態様乃至第８の態様のいずれかに係るマイクロ反応装置を、光触媒反応に利用することができる。
【００３３】
また、本発明の第１０の態様に係る触媒反応方法は、反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に配列されており、前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、該触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする。
【００３４】
本発明によれば、反応原料を反応器に設けられた微細な反応流路に導入し、該反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番で進行させることができる。
【００３５】
また、本発明の第１１の態様に係る触媒反応方法は、反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に繰り返し配列されており、前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、前記触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする。
【００３６】
本発明によれば、反応原料を反応器に設けられた微細な反応流路に導入し、該反応原料を反応流路に流通させている間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番で繰り返し進行させることができる。
【００３７】
また、本発明の第１２の態様に係る触媒反応方法は、第１０または第１１の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする。
【００３８】
本発明によれば、反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番で進行させて、一連の逐次反応を効率よく行うことができる。
【００３９】
また、本発明の第１３の態様に係る触媒反応方法は、第１２の態様において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする。
【００４０】
逐次反応では、生成した中間生成物が分解する、異性化する、または該中間生成物が生成した反応の逆反応が起こりやすい等の理由により、その構造で存在できる時間が短い（短寿命である）ため、該中間生成物から次の生成物が効率よく得られない場合がある。
【００４１】
本発明によれば、構造的に不安定な中間生成物を生成する反応に用いる触媒のすぐ下流に次の触媒を並べて設けることにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくし、その短寿命の中間生成物を効率よく次の反応に用いることができる。このことによって、それぞれの触媒活性を最大に発揮させることができる上、先の反応に用いる触媒と次の反応に用いる触媒とが混合できないものであっても、先の反応で生成した構造的に不安定な中間生成物を効率よく利用できる構成とすることができ、バッチ方式では生成しない物質の生成が期待できる。
【００４２】
また、本発明の第１４の態様に係る触媒反応方法は、第１０または第１１の態様において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする。
【００４３】
本発明によれば、複数の反応基質を含む反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、それぞれの反応基質に独立的に作用する触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、反応原料を反応流路に流通させている間に、該反応原料中において、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に進行させることができ、複数の触媒反応をワンパスで行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
［実施例１］
以下、本発明に係るマイクロ反応装置の一実施例について説明する。図１は、本発明に係るマイクロ反応装置の一例を示す斜視図であり、図２は、本発明に係るマイクロ反応装置の他の一例を示す斜視図である。
本発明に係るマイクロ反応装置１は、反応原料を流通させる微細な反応流路３を有する反応器２と、前記反応流路３内に形成された触媒層４と、を備えている。
【００４６】
反応原料を流通させる微細な反応流路３を有する反応器２としては、例えば、図１のように、エッチング、機械加工、または射出成形等によって、幅５００μｍ、深さ１０−５００μｍ程度の反応流路３を成す溝が形成された基板５表面に、反応流路３に反応原料を供給するための供給口７、および、反応流路３を通過した反応液が取り出される取り出し口８が設けられた天板６が接合された公知の反応器２を用いることができる。また、図２のように、前記反応流路３の途中に他の供給口９および他の排出口１０を設ければ、反応途中における添加剤の導入、反応中に発生したガス成分の排出等を行うこともできる。
【００４７】
供給口７、供給口９、排出口８、および排出口１０にはそれぞれチューブコネクタ１１が設けられ、マイクロチューブ１２が接続されている。供給口７および供給口９のマイクロチューブ１２は、シリンジポンプ等の原料送り込み手段（図示せず）に接続されており、一定の速度で反応原料が送り込まれるように構成されている。
【００４８】
前記反応器２を形成する基板５および天板６の材料は、反応原料、中間生成物、生成物等の化学物質や、用いられる各触媒の性質に応じて選定することができる。例えば、用いられる触媒として光触媒が含まれている場合には、前記基板５および前記天板６は、ホウ珪酸ガラス、または、石英で形成されていることが好ましい。
【００４９】
前記反応器２の反応流路３には、触媒層４が形成されている。該触媒層４は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、各触媒の形成領域が、前記反応流路３に配列されて設けられている。前記複数の触媒の形成領域の配列構成については、後で詳細に説明する。
【００５０】
それぞれの触媒は、異なる触媒反応に係るものである。触媒は、前記反応流路３に固定または担持して設けられるものであればよく、光触媒、金属または金属化合物触媒、錯体触媒、酵素、などが挙げられる。
【００５１】
前記触媒層４を形成する複数の触媒として光触媒が含まれている場合には、光反応を誘起するために光を照射する光照射手段（図示せず）が設けられる。光源としては紫外発光ダイオードを用いることが望ましい。光源として発光ダイオードを用いることによって、マイクロ反応装置１の省スペース化と低フォトンコストを実現することができる。紫外発光ダイオードの波長は、用いる光触媒の種類に応じて選択することができ、２００ｎｍ〜４００ｎｍであることが好ましい。
【００５２】
次に、反応流路３における前記触媒の形成領域の配列構成を、ｎ＝２およびｎ＝３の場合について説明する。図３（Ａ）は、反応流路に二種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝２の場合）の例を示す図であり、図３（Ｂ）は、反応流路に三種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝３の場合）の例を示す図である。
【００５３】
図３（Ａ）に示す反応流路３には、触媒Ｃ１、および、触媒Ｃ２の形成領域、図３（Ｂ）においては、触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、および触媒Ｃ３の形成領域が連続して形成されており、各触媒の形成領域において、それぞれの触媒による触媒反応が進められるように構成されている。このような構成の反応流路３を備えたマイクロ反応装置を用いて逐次反応を行った場合について、図１１を用いて説明する。
【００５４】
図１１は、本実施例に係るマイクロ反応装置において、反応基質Ｍ０から触媒Ｃ１による第１の触媒反応によって中間生成物Ｍ１が生成し、次に中間生成物Ｍ１から触媒Ｃ２による第２の触媒反応によって中間生成物Ｍ２が生成し、中間生成物Ｍ２から触媒Ｃ３による第３の触媒反応によって目的生成物Ｍ３が生成する反応（Ｍ０→Ｍ１→Ｍ２→Ｍ３）を行った場合の、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の濃度変化を示す図である。分かりやすく説明するために、各段階の反応は収率が１００％の理想的な状態で行われるものと仮定している。
【００５５】
このように、触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることによって、先行する触媒反応によって、次位の触媒反応に供される中間生成物を十分な濃度で生成させるように各触媒領域の範囲を設定し、反応原料が反応流路をワンパスで流通している間に、一連の逐次反応を効率よく行うことができる。
【００５６】
次に、図４（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、図４（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、図４（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の他の例を示す図である。
【００５７】
ｎ＝２の場合、図４（Ａ）のように、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域との間に、触媒非形成領域２１が設けられる。ｎ＝３以上の場合には、図４（Ｂ）のように、それぞれの触媒の形成領域の間に、触媒非形成領域２１を設けることができるし、また、図４（Ｃ）のように、一部の触媒の形成領域の間のみに、触媒非形成領域２１を設けることもできる。
【００５８】
前記触媒非形成領域２１を、触媒反応以外の他の反応や、上流側の触媒反応の不活性化などに用いることによって、より複雑な反応を行うことができる。例えば、触媒Ｃ１が光触媒である場合には、触媒非形成領域２１において、該光触媒（触媒Ｃ１）の形成領域で生成した活性種の濃度を減少させることができ、その光触媒反応の作用を制御することが可能である。
【００５９】
図５（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の触媒の形成領域が設けられ、該二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、図５（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、図５（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の他の例を示す図であり、図５（Ｄ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の更に他の例を示す図である。
【００６０】
ｎ＝２の場合、図５（Ａ）のように、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域とが重なる触媒混合領域２２が設けられる。
ｎ＝３以上の場合には、図５（Ｂ）のように、隣り合う二種類の触媒の形成領域それぞれに対して、触媒混合領域２２を設けることができるし、また、図５（Ｃ）および図５（Ｄ）のように、図３および図４の構成を組み合わせて複数の触媒を配列して設けることが可能である。
【００６１】
前記触媒混合領域２２において、二種類の触媒は、それぞれの担持量に勾配をつけて設られることが望ましい。図６は、図５（Ａ）と同様に二種類の触媒が反応流路３に設けられ、それぞれの触媒の担持量に勾配をつけた場合の例を示す図である。
【００６２】
二種類の触媒のうち、上流側に設けられている触媒Ｃ１は、触媒混合領域２２において、下流側に向かってその量が漸次減少するように設けられている。下流側に設けられている触媒Ｃ２は、触媒混合領域２２において、下流側に向かってその量が漸次増加するように設けられている。触媒の量は、図６（Ａ）のように連続的に増減させることも可能であり、図６（Ｂ）のように段階的に増減させることも可能である。
【００６３】
反応流路３に配列された二種類の触媒の形成領域に触媒混合領域２２を設け、該触媒混合領域２２において、二種類の触媒の担持量に勾配をつけることによって、先行する触媒反応から次の触媒反応に移行するために最適な条件を設定することができる。
【００６４】
［反応例１−１］
実施例１に係るモデル反応として、地下水中のＮＯ３−（硝酸イオン）の無害化プロセスが挙げられる。地下水中に含まれる、人体に有害なＮＯ３−をＮ２Ｏ（亜酸化窒素）に変換する方法として、二種類の触媒を利用する触媒反応が提案されている［Chemistry
Letters Vol.34, No.11, p.1510-1511(2005)］。本実施例では、更に他の触媒を用いたＮ２ＯからＮ２（窒素）への還元反応を含む３種類の触媒（触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、および触媒Ｃ３）による、ＮＯ３−の無害化プロセスを効率よく行うことができるマイクロ反応装置について説明する。ＮＯ３−からＮ２への変換は、式１に示すような逐次反応で進行する。
【００６５】
【化１】
【００６６】
触媒Ｃ１は、活性炭に担持したＣｕ−Ｐｄクラスター触媒（以下、Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ）である。触媒Ｃ２は、βゼオライトに担持したＰｄ触媒（以下、Ｐｄ／βゼオライト）である。触媒Ｃ３は、活性炭に担持したＰｄ触媒（以下、Ｐｄ／ＡＣ）である。
Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ（触媒Ｃ１）は、ＮＯ３−をＮＯ２−へと還元する（第１の触媒反応）。Ｐｄ／βゼオライト（触媒Ｃ２）は、ＮＯ２−をＮ２ＯとＮ２に分解する（第２の触媒反応）。Ｐｄ／ＡＣ（触媒Ｃ３）は、Ｎ２ＯをＮ２へと還元する（第３の触媒反応）。
【００６７】
図７は反応例１−１に使用されるマイクロ反応装置の平面概略図である。
図７のマイクロ反応装置３１の反応器３２には、反応流路３３が設けられ、第１の触媒反応に用いられる触媒Ｃ１であるＣｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４と、第２の触媒反応に用いられる触媒Ｃ２であるＰｄ／βゼオライトの形成領域３５と、第３の触媒反応に用いられる触媒Ｃ３であるＰｄ／ＡＣの形成領域３６が、反応流路３２の上流側から、前記逐次反応の順番に配列されて設けられている。
【００６８】
ＮＯ３−を含む地下水（以下、反応溶液４０）は、供給口４１から導入される。
供給口４２は、第１の触媒反応に必要な添加剤である水素（Ｈ２）を導入するためのものであり、Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４の上流側に設けられている。Ｈ２は、反応流路３３内において、反応溶液４０にスラグ流または環状流（パイプフロー）を生成させる圧力で導入される。スラグ流または環状流を生成した反応溶液４０が、Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４を流通する間に、第１の触媒反応によって、反応溶液４０中のＮＯ３−はＮＯ２−へと還元される。
【００６９】
次に、前記Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４の下流側には、供給口４３が設けられ、該供給口４３が設けられた位置より更に下流には、第１の触媒非形成領域３７が設けられている。供給口４３は、前記還元反応によってアルカリ性になった反応溶液４０を中和させるために二酸化炭素（ＣＯ２）を導入するためのものである。Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域３４を脱出した反応溶液４０（アルカリ性）に、前記供給口４３からＣＯ２が導入され、該反応溶液４０が第１の触媒非形成領域３７を流通している間に中和される。
【００７０】
前記第１の触媒非形成領域３７に続いて、Ｐｄ／βゼオライトの形成領域３５が設けられている。中和された反応溶液４０は、該Ｐｄ／βゼオライトの形成領域３５を流通し、その間に第２の触媒反応によって、反応溶液４０中のＮＯ２−がＮ２とＮ２Ｏに分解される。
【００７１】
前記Ｐｄ／βゼオライトの形成領域３５の下流側には、気液分離器４６を構成する第２の触媒非形成領域３８と、分岐反応流路４９および排出口４４が設けられている。該第２の触媒非形成領域３８において、反応流路３３の表面は、その上流側から親水性処理され、前記排出口４４へと続く分岐反応流路４９表面まで親水性表面を備える親水性流路４７となっている。そして、前記分岐反応流路４９との分岐点５０より下流の反応流路３３の表面には疎水性処理が施されている。
【００７２】
反応流路３３を流通する反応溶液４０中の水成分（地下水）は、前記分岐点５０において親水性流路４７から分岐反応流路４９に導かれ、排出口４４から排出される。一方、前記第２の触媒反応後の反応溶液４０中に含まれる気体成分Ｎ２およびＮ２Ｏ（Ｈ２およびＣＯ２も含まれる）は、疎水性流路４８を流通して送られる。このようにして、第２の触媒非形成領域３８を気液分離器４６として利用し、反応溶液４０中の気体成分と液体成分とを分離することができる。
【００７３】
前記気液分離器４６によって、水成分とＮ２およびＮ２Ｏとが分離され、すなわち、地下水からＮＯ３−由来の窒素成分が除かれ、ＮＯ３−が除去された浄化地下水が排出口４４から排出されている。ここで、分離された気体成分に含まれるＮ２Ｏは、地球温暖化ガスであり、依然として有害である。したがって、Ｎ２Ｏを無害化するために、前記第２の触媒非形成領域３８の下流にはＰｄ／ＡＣの形成領域３６が設けられている。該Ｐｄ／ＡＣによる第３の触媒反応によって、Ｎ２ＯはＮ２に還元され、排出口４５からＮ２および未反応のＨ２を含む無害な混合気体成分が排出される。更に、過剰に加えられたＣＯ２も排出される。
【００７４】
このようにして、汚染された地下水を反応流路３３に流通させている間に、触媒Ｃ１（Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ）、触媒Ｃ２（Ｐｄ／βゼオライト）、触媒Ｃ３（Ｐｄ／ＡＣ）による触媒反応を、該触媒の配列の順番に開始、進行させることができ、複数の触媒反応をワンパスで行うことができる。
【００７５】
［反応例１−２］
実際の汚染された地下水は、有害物質としてＮＯ３−だけでなく有機物も含むので、このＮＯ３−の無害化プロセスの前段に、酸化チタン担持領域を設け、前記有機物を酸化分解により除去する工程を加え、該有機物を基質とする酸化分解反応を触媒する酸化チタンと、ＮＯ３−を基質とする還元反応を触媒するＣｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣ、Ｐｄ／βゼオライト、およびＰｄ／ＡＣのように、複数の反応基質に独立的に作用する触媒を設ける構成とすることも可能である。
【００７６】
［反応例１−３］
実施例１に係る他の反応例として、式２に示すような逐次反応が挙げられる。
【００７７】
【化２】
【００７８】
このような逐次反応をバッチ式反応容器で行った場合の反応基質Ａ、中間生成物Ｂ、および目的生成物Ｄの時間的濃度変化の典型例を図７に示す。バッチ式反応容器を用いた逐次反応では、時間とともに反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が変化する。
【００７９】
一方、本実施例に係るマイクロ反応装置のような、微細な反応流路に反応原料を流通させて反応を行うフロー型反応器の場合には、該反応器の反応開始部位からの距離によって、反応原料（反応基質）とその反応生成物（中間生成物も含む）の濃度が決まる。すなわち、図８のグラフにおける横軸（時間）は、反応開始地点（ゼロ点）からの距離に置き換えることができる。
【００８０】
したがって、反応流路上の各地点における反応基質Ａおよび中間生成物Ｂの濃度を考慮して、触媒Ｃ１および触媒Ｃ２の担持量を設定することによって、反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの逐次反応に最適な条件を設定することができる。
例えば、図９のように、中間生成物Ｂの濃度に合わせて触媒Ｃ１および触媒Ｃ２の担持量に勾配をつけることができる。触媒の担持量は、図６（Ａ）のように連続的に増減させることも可能であり、図６（Ｂ）のように段階的に増減させることも可能である。
【００８１】
［実施例２］
次に、本発明に係るマイクロ反応装置の他の実施例について説明する。
マイクロ反応装置の基本的な構成は、実施例１と同様であるのでその詳細は省略する。本実施例は、反応流路における複数の触媒（触媒Ｃ１および触媒Ｃ２）の形成領域の配列構成に特徴を有するものである。
【００８２】
図１０は、本実施例に係るマイクロ反応装置の反応流路における、複数の触媒の配列構成を示す図であり、触媒Ｃ１および触媒Ｃ２を反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２の順番で繰り返し配列して設けられた場合の一例を示す図である。
【００８３】
前述の式２のような逐次反応において、中間生成物Ｂが安定であり、中間生成物Ｂの寿命が長い（存在時間が長い）場合には、図３（Ａ）、図４（Ａ）または図５（Ａ）に示したように、触媒Ｃ１および触媒Ｃ２を並べて配列した構成でも良いが、中間生成物Ｂが構造的に不安定であり、中間生成物Ｂの寿命が短い（存在時間が短い）場合には、触媒Ｃ２形成領域を長く設けても、触媒Ｃ１形成領域で生成された中間生成物Ｂがすぐに消滅してしまい、反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの反応効率が悪くなってしまう。
【００８４】
このような場合には、構造的に不安定な中間生成物を生成する反応に用いる触媒のすぐ下流に次の触媒を並べて設けることにより、先の反応から次の反応が行われるまでのタイムラグを少なくし、効率よく中間生成物を次の反応に用いることができる。このことによって、それぞれの触媒活性を最大に発揮させることができる上、先の反応に用いる触媒と次の反応に用いる触媒とが混合できないものであっても、先の反応で生成した構造的に不安定な中間生成物を効率よく利用できる構成とすることができ、バッチ方式では生成しない物質の生成が期待できる。
【００８５】
また、図１０（Ａ）に示すように触媒Ｃ１と触媒Ｃ２とをＣ１、Ｃ２の順番で繰り返し配列して設けることによって、構造的に不安定で寿命が短い中間生成物Ｂを何度も生成させてＡ→Ｂ→Ｄの反応を繰り返し行うことができ、効率よく目的生成物Ｄを生成させることができる。このように、触媒を繰り返し配列した反応系は、バッチ式反応容器を用いた手法では実現困難である。
【００８６】
更に、中間生成物が複数生じ、該複数種の中間生成物の寿命に差がある場合には、触媒の配列の間隔、反応原料の流通の速度を制御することによって、反応の選択性を上げることも期待できる。例えば、反応基質Ａから触媒Ｃ１の触媒反応によって、寿命の異なる中間生成物Ｂ（長寿命）とＢ’（短寿命）が生成する場合、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域の間隔を狭く設定し、触媒の繰り返し配列によって、何度も反応基質Ａ→中間生成物Ｂ、Ｂ’→目的生成物Ｄを行うことにより、Ｂ’の収率を上げることができる。また、触媒Ｃ１の形成領域と触媒Ｃ２の形成領域の間隔を広く、または、反応原料の流通の速度を遅くすることによって、より寿命の長い中間生成物Ｂを選択的に利用した反応系を構築することができる。
【００８７】
図１２は、実施例２に係るマイクロ反応装置において、反応基質Ｍ０から触媒Ｃ１による第１の触媒反応によって構造的に不安定な中間生成物Ｍ１が生成し、次に中間生成物Ｍ１から触媒Ｃ２による第２の触媒反応によって目的生成物Ｍ２が生成する反応（Ｍ０→Ｍ１→Ｍ２）を行った場合の、Ｍ０、Ｍ１、Ｍ２の濃度変化を示す図である。第１の触媒反応によって生成する構造的に不安定な中間生成物Ｍ１は、触媒を必要とせず、または触媒Ｃ２によって、Ｍ０への可逆反応が起こる物質であるものとする。分かりやすく説明するために、各段階の反応は効率よく理想的な状態で行われるものと仮定している。
【００８８】
触媒Ｃ１形成領域と触媒Ｃ２形成領域を１サイクルの反応とすると、まず、1順目の触媒Ｃ１形成領域において、Ｍ０→Ｍ１の反応が進行し、十分な濃度の中間生成物Ｍ１が生成する。十分な濃度の中間生成物Ｍ１を含む反応溶液が、触媒Ｃ２形成領域を流通し、Ｍ１→Ｍ２の反応が進行する。しかし、中間生成物Ｍ１は反応基質Ｍ０への可逆反応が起こるため不安定であり、前記反応溶液が触媒Ｃ２形成領域に到達した際に含まれていた中間生成物Ｍ１がすべて目的生成物Ｍ２に変換されず、触媒Ｃ２形成領域において再び反応基質Ｍ０が生成することとなる。
【００８９】
続いて、２順目の触媒Ｃ１形成領域に、反応基質Ｍ０と目的生成物Ｍ２とが含まれる反応溶液が導入される。ここで、再び反応基質Ｍ０は、中間生成物Ｍ１に変換される。そして、中間生成物Ｍ１と目的生成物Ｍ２とが含まれる反応溶液が、２順目の触媒Ｃ２形成領域を流通し、Ｍ１→Ｍ２の反応が進行する。1順目と同様に中間生成物Ｍ１から反応基質Ｍ０への可逆反応が起こるが、反応溶液中の目的生成物Ｍ２の含有量は増加する。
【００９０】
２順目と同様に、３順目以降の反応を進行させて、反応溶液中に目的生成物Ｍ２を蓄積することができるので、中間生成物Ｍ１が構造的に不安定であるため、1サイクルの反応での収率の低い物質であっても、その収率を高めることが可能となる。
【００９１】
［反応例２−１］
実施例２に係るモデル反応として、固体酸および活性金属による難脱硫性硫黄化合物の脱硫プロセスが挙げられる。
自動車排気ガス、特にディーゼル車の排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状物質（ＰＭ）による大気汚染は深刻な状況であり、排気ガス中のＮＯｘおよびＰＭの低減が急務である。そのためのディーゼル車のＮＯｘ還元処理装置およびＰＭ除去装置等の排気ガス後処理装置の機能を十分に発揮させるためには、軽油中の硫黄分を更に低減させることが課題となる。
【００９２】
従来、脱硫反応塔を用いた脱硫処理方法に用いる触媒として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に異性化能を有する固体酸と、脱硫性能を有する活性金属としてのコバルト（Ｃｏ）とモリブデン（Ｍｏ）を担持させた触媒が開発されている［FocusNEDO，第６号（２００２年１１月号），ｐ．１−４，「石油精製汚染物質低減等技術開発−軽油の低硫黄化技術の開発−」］。この触媒は、難脱硫性硫黄化合物であるアルキルジベンゾチオフェン類を処理するためのものである。アルキルジベンゾチオフェン類の処理工程を以下の式３に示す。
【００９３】
【化３】
【００９４】
このように、異性化能を有する固体酸（触媒Ｃ１）を触媒として、アルキルジベンゾチ
オフェン類を異性化して、硫黄原子近傍のアルキル基による立体障害を除き、脱硫性能を
有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）によって脱硫することによって行われる。
【００９５】
しかし、既述の脱硫反応塔を用いた脱硫処理方法では、式４に示すように、異性化能を有する固体酸触媒（触媒Ｃ１）と、脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）とをアルミナに担持させた触媒を一つの触媒Ｃ３として用い、脱硫処理が行われている。これは、固体酸による異性化反応は可逆反応であり、アルキル基の立体障害の少ない異性化体はその寿命が短く、異性化反応後、速やかに脱硫反応を行う必要があるためであると考えられる。すなわち、異性化触媒と脱硫触媒を同じ担体に担持させることによって、異性化反応が起こるとほぼ同時に脱硫反応が行われるように構成されていると考えられる。
【００９６】
【化４】
【００９７】
反応例２−１は、実施例２のマイクロ反応装置を用い、異性化能を有する固体酸触媒（
触媒Ｃ１）と、脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）のそれぞれの機能を分離し、ア
ルキルジベンゾチオフェン類の脱硫を行うものである。
【００９８】
式２における反応基質Ａがアルキルジベンゾチオフェン類、寿命の短い中間生成物Ｂが異性化体、目的生成物Ｄが脱硫体であり、使用するマイクロ反応装置の反応流路には、図９（ａ）のように異性化能を有する固体酸触媒（触媒Ｃ１）と脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）とがＣ１、Ｃ２の順番で繰り返し配列されて設られる。
【００９９】
このことによって、異性化能を有する固体酸触媒（触媒Ｃ１）と、脱硫性能を有する活性金属触媒（触媒Ｃ２）の機能を分離し、それぞれの触媒能が有効に発揮されるとともに、アルキルジベンゾチオフェン類→異性化体→脱流体の反応を繰り返し行うことによって、寿命の短い異性化体から脱流体への反応も確実に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、反応原料を微細な反応流路に流通させることによって、複数の触媒反応を進行させるマイクロ反応装置として有効である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明に係るマイクロ反応装置の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るマイクロ反応装置の他の一例を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は、反応流路に二種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝２の場合）の例を示す図であり、（Ｂ）は、反応流路に三種類の触媒を連続して並べて配列した場合（ｎ＝３の場合）の例を示す図である。
【図４】（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の形成領域の間に触媒非形成領域２１が設けられている場合の他の例を示す図である。
【図５】（Ａ）は、反応流路に配列された二種類（ｎ＝２）の触媒の触媒の形成領域が設けられ、該二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｂ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の例を示す図であり、（Ｃ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の他の例を示す図であり、（Ｄ）は、反応流路に配列された三種類（ｎ＝３）の触媒の触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域２２が設けられている場合の更に他の例を示す図である。
【図６】（Ａ）は、図５（Ａ）において、二種類の触媒の担持量に連続的な勾配をつけた場合の例を示す図であり、（Ｂ）は、図５（Ａ）において、二種類の触媒の担持量に段階的な勾配をつけた場合の例を示す図である。
【図７】反応例１−１に使用されるマイクロ反応装置の平面概略図である。
【図８】反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの逐次反応をバッチ式反応容器で行った場合の、反応基質Ａ、中間生成物Ｂ、および目的生成物Ｄの時間的濃度変化を示す図である。
【図９】反応基質Ａ→中間生成物Ｂ→目的生成物Ｄの逐次反応をマイクロ反応装置で行った場合の、反応基質Ａ、中間生成物Ｂ、および目的生成物Ｄの濃度と、マイクロ反応装置の反応流路上の位置との関係を示す図である。
【図１０】実施例２に係るマイクロ反応装置の反応流路における、複数の触媒の配列構成を示す図である。
【図１１】実施例１に係るマイクロ反応装置を用いた反応例を説明する図である。
【図１２】実施例２に係るマイクロ反応装置を用いた反応例を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１ マイクロ反応装置、 ２ 反応器、 ３ 反応流路、 ４ 触媒層、
５ 基板、 ６ 天板、 ７、９、 供給口、 ８、１０ 排出口、
１１ チューブコネクタ、 １２ マイクロチューブ、
２１ 触媒非形成領域、 ２２ 触媒混合領域、
３１ マイクロ反応装置、 ３２ 反応器、 ３３ 反応流路、
３４ Ｃｕ−Ｐｄクラスター／ＡＣの形成領域、
３５ Ｐｄ／βゼオライトの形成領域、 ３６ Ｐｄ／ＡＣの形成領域、
３７ 第１の触媒非形成領域、 ３８ 第２の触媒非形成領域、
４０ 反応溶液（ＮＯ３−を含む地下水）、
４１、４２、４３ 供給口、 ４４、４５ 排出口、
４６ 気液分離器、 ４７ 親水性流路、 ４８ 疎水性流路、
４９ 分岐反応流路、 ５０ 分岐点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、
前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、
触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項２】
反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、
前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、
触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で繰り返し配列されて設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたマイクロ反応装置において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、
前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項４】
請求項３に記載されたマイクロ反応装置において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載されたマイクロ反応装置において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ反応装置において、配列された複数の触媒の形成領域の間に、触媒非形成領域が設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ反応装置において、配列された触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域が設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項８】
請求項７に記載されたマイクロ反応装置において、前記触媒混合領域における二種類の触媒のうち、上流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が減少するように設けられ、下流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が増加するように設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロ反応装置において、前記反応器は光透過性材料より形成され、前記触媒層は、光触媒によって形成され、前記触媒層の表面に光を照射する光照射手段を備えていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項１０】
反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、
前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に配列されており、
前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、該触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１１】
反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、
前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に繰り返し配列されており、
前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、前記触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載された触媒反応方法において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、
前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載された触媒反応方法において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項１４】
請求項１０または１１に記載された触媒反応方法において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１】
反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、
前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、
触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で配列されて設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項２】
反応原料を流通させる微細な反応流路を有する反応器と、前記反応流路に形成された触媒層と、を備えたマイクロ反応装置であって、
前記触媒層は、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）によって形成され、
触媒Ｃ１の形成領域、触媒Ｃ２の形成領域、・・・触媒Ｃｎの形成領域が、前記反応流路の上流側から、Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎの順番で繰り返し配列されて設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたマイクロ反応装置において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、
前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項４】
請求項３に記載されたマイクロ反応装置において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載されたマイクロ反応装置において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ反応装置において、配列された複数の触媒の形成領域の間に、触媒非形成領域が設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ反応装置において、配列された触媒の形成領域のうち、隣り合う二種類の触媒の形成領域が重なる触媒混合領域が設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項８】
請求項７に記載されたマイクロ反応装置において、前記触媒混合領域における二種類の触媒のうち、上流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が減少するように設けられ、下流側に配列された触媒形成領域の触媒は、下流側に向かってその量が増加するように設けられていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロ反応装置において、前記反応器は光透過性材料より形成され、前記触媒層は、光触媒によって形成され、前記触媒層の表面に光を照射する光照射手段を備えていることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項１０】
反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、
前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に配列されており、
前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、該触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１１】
反応器に設けられた微細な反応流路に反応原料を流通させて、前記反応流路に形成された触媒層の触媒作用により反応を進行させる触媒反応方法であって、
前記触媒層には、複数の触媒である触媒Ｃ１、触媒Ｃ２、・・・触媒Ｃｎ（ｎは２以上の整数）が前記反応流路の上流側から順番に繰り返し配列されており、
前記複数の触媒による触媒反応を、前記反応原料が前記反応流路を流通している間に、前記触媒の配列の順番で進行させることを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載された触媒反応方法において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、触媒Ｃ１による第１の触媒反応と、触媒Ｃ２による第２の触媒反応と、・・・触媒Ｃｎによる第ｎの触媒反応（ｎは２以上の整数）と、を含み、
前記各触媒反応の少なくとも一部は逐次反応で進行するものであることを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載された触媒反応方法において、前記逐次反応は、構造的に不安定な中間生成物を経て進行するものであることを特徴とする、マイクロ反応装置。
【請求項１４】
請求項１０または１１に記載された触媒反応方法において、前記複数の触媒Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃｎは、前記反応原料に含まれる複数の反応基質に独立的に作用するものであることを特徴とする、触媒反応方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−１９４５９３（Ｐ２００８−１９４５９３Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０８８０（Ｐ２００７−３０８８０）
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月９日（２００７．２．９）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（０００００５９０２）三井造船株式会社 (1,723)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]