貫通型マイクロチャネル乳化システムの確立

• Project/Area Number: 03J00122
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 生物・生体工学
• Research Institution: National Food Research Institute (2005); University of Tsukuba (2003-2004)
• Principal Investigator: 小林 功 独立行政法人食品総合研究所, 企画調整部, 研究員
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥3,700,000 (Direct Cost: ¥3,700,000); Fiscal Year 2005: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2004: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2003: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 貫通型マイクロチャネル乳化 / 単分散エマルション / 矩形チャネル / 非対称貫通型マイクロチャネル / 液滴作製 / CFD / 疎水化基板 / 塩濃度 / 矩形貫通孔 / スケールアップ / しきい値 / Computational Fluid Dynamics / 多相エマルション / サブミクロンチャネル / 貫通型マイクロチャネル / 乳化 / 単分散エマルジョン / 矩形 / シミュレーション

Research Abstract

相当直径1〜5μm台の矩形断面の微細貫通孔のアレイ(貫通型マイクロチャネル(MC))が精密加工されたシリコン基板を開発した。この基板を用いて乳化を行ったところ、矩形チャネルから平均液滴径4〜9μm台で変動係数5%台以下の単分散O/W(oil-in-water)型エマルションが安定的に作製され、貫通型MC乳化で作製可能なエマルションの最低液滴径を従来の約30μmから4μm台に微細化することができた。
スリット(長辺103μm、短辺11μm、深さ21μm)とチャネル(直径9.5μm、深さ5.6μm)という非対称二層構造の微細貫通孔のアレイ(非対称貫通型MC)が精密加工されたシリコン基板を開発した。この基板を用いて乳化を試みたところ、従来の貫通型MCでは困難であった低粘性油(デカン)を液滴材料とした場合でも平均液滴径約40μm、変動係数2%以下の単分散O/Wエマルションを安定的に作製できた。また、数値流体力学(CFD)を利用して、非対称貫通型MCからの液滴作製シミュレーションを行った。チャネルを通過した分散相(油)はスリット内部で円盤状に膨張した後に基板上部の連続相領域に流れ込み、相当直径35〜38μmの液滴へと自発的に変形することをCFDシミュレーションにより確認できた。
非対称貫通型MCを用いた単分散W/O(water-in-oil)エマルションの作製についても検討を行った。シランカップリング剤であるオクタデシルトリエトキシシランを用いて疎水化処理を施した非対称貫通型MC基板を用いた場合に、変動係数3%以下の単分散W/Oエマルションを安定的に作製できた。連続相の粘度の増加に伴って平均液滴径(34〜45μm)が増加する傾向にあることを示したとともに、非対称貫通型MCから単分散W/Oエマルションを作製できる分散相の塩濃度に下限があることも明らかにした。

Research Products

• [Journal Article] Experimental and CFD studies of effects of type and physical properties of dispersed phase on emulsion droplet formation in straight-through microchannel emulsification (2005)
  • Author(s): I.Kobayashi, S.Mukataka, M.Nakajima
  • Journal Title: Langmuir 21 Pages: 5722-5730
• [Journal Article] Production of monodisperse oil-in-water emulsions using a large silicon straight-through microchannel plate (2005)
  • Author(s): I.Kobayashi, S.Mukataka, M.Nakajima
  • Journal Title: Industrial Engineering and Chemistry Research 44 Pages: 5852-5856
• [Journal Article] Novel asymmetric through-hole array microfabricated on a silicon plate for formulating monodisperse emulsions (2005)
  • Author(s): I.Kobayashi, S.Mukataka, M.Nakajima
  • Journal Title: Langmuir 21 Pages: 7629-7632
• [Journal Article] Preparation of monodisperse W/O/W emulsions using microfluidization and straight-through microchannel emulsification (2005)
  • Author(s): I.Kobayashi, X.Lou, S.Mukataka, M.Nakajima
  • Journal Title: Journal of American Oil Chemists' Society 82 Pages: 65-71
• [Journal Article] Effect of slot aspect ratio on droplet formation from silicon straight-through microchannels (2004)
  • Author(s): I.Kobayashi, S.Mukataka, M.Nakajima
  • Journal Title: Journal of Colloid and Interface Science 279 Pages: 277-280
• [Journal Article] CFD simulation and analysis of emulsion droplet formation from straight-through microchannels (2004)
  • Author(s): I.Kobayashi, S.Mukataka, M.Nakajima
  • Journal Title: Langmuir 20 Pages: 9868-9877
• [Book] "Generation and Multiphase Flow of Emulsions in Microchannels" in Advanced Micro and Nanosystems vol.5 Micro Process Engineering.(Edited by N.Kockmann) (2006)
  • Author(s): I.Kobayashi, M.Nakajima
  • Publisher: WILEY-VCH Verlag Gmbh ＆ KGaA, Weinheim
• [Publications] Isao KOBAYASHI et al.: "Preparation characteristics of lipid microspheres using microchannel emulsification and solvent evaporation methods"Journal of Chemical Engineering of Japan. 36(8). 996-1000 (2003)
• [Publications] Isao KOBAYASHI et al.: "Preparation characteristics of oil-in water emulsions using differently charged surfactants in straight-through microchannel emulsification"Colloids and Surfaces A : Physicochemical and Engineering Aspects. 229. 33-41 (2003)