JP7005951B2

JP7005951B2 - 超臨界流体分離装置

Info

Publication number: JP7005951B2
Application number: JP2017114903A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎山本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2022-01-24
Anticipated expiration: 2037-06-12
Also published as: JP2019002693A

Description

本発明は、超臨界流体を用いて試料から目的成分を分離する装置に関し、特に、そうして分離した成分を含む超臨界流体を移動相として用いる超臨界流体クロマトグラフに関する。

超臨界流体は、臨界点（臨界温度、臨界圧力）を超える温度及び圧力を有する流体であり、多くの物質に対して優れた溶解力を示すことから、農産物から農薬成分を抽出したり血液中から薬物成分を抽出したりするための溶媒として、或いは、超臨界クロマトグラフ（Supercritical Fluid Chromatograph; SFC）の移動相として用いられている。また、超臨界流体を抽出溶媒とする抽出装置と超臨界流体クロマトグラフを組み合わせた装置が提供されている（特許文献１～３参照）。以下では、これらの装置をまとめて超臨界流体分離装置とし、該超臨界流体分離装置において試料から成分を抽出したり成分を分離したりする処理が行われる部分を成分分離部として説明する。

特開2005-172679号公報特開2010-101875号公報特開2014-160055号公報

超臨界流体分離装置では、超臨界流体の元となる流体はボンベに貯留されており、該ボンベ内の流体はポンプにより加圧された状態で成分分離部に供給される。成分分離部内において流体を超臨界状態にするため、前記ポンプから成分分離部に至るまでの流路内の圧力が臨界圧力を超える圧力となるような吐出圧力で該ポンプは駆動される。ところが、ボンベ内の流体の残量が低下してボンベ内の圧力が所定値を下回ると、ポンプから成分分離部に至る流路内の圧力が低下したり、成分分離部への流体の供給量が低下したりするため、該成分分離部において試料から成分を分離（又は抽出）する性能が低下してしまう。このため、超臨界流体分離装置では、ボンベ内の流体の残量を把握しておく必要があるところ、通常、こうしたボンベには圧力ゲージ等が設けられていないため、作業者は定期的にボンベの重量を測定して残量を確認する必要があり、不便であった。

本発明が解決しようとする課題は、ボンベに貯留された流体を超臨界状態にし、それにより試料から成分を分離する装置において、ボンベ内の流体の残量の低下を簡単に確認できるようにすることである。

上記課題を解決するために成された本発明は、超臨界流体を用いて試料から成分を分離する超臨界流体分離装置であって、
成分分離部と、
ボンベに貯留された流体を前記成分分離部に供給するための流路と、
前記流路に設けられた、前記成分分離部内を臨界圧力を超える圧力にするための送液ポンプと、
前記送液ポンプよりも前記ボンベ側の前記流路を開閉する開閉弁と、
前記送液ポンプよりも前記成分分離部側の前記流路に設けられた圧力センサと、
前記開閉弁が開放され、且つ前記送液ポンプが停止された状態において、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことに基づき前記ボンベ内の超臨界流体の残量の低下を検知する残量検知部と
を備えることを特徴とする。

本発明に係る超臨界流体分離装置としては、超臨界流体を抽出溶媒とする抽出装置や超臨界流体クロマトグラフ、抽出装置と超臨界流体クロマトグラフを組み合わせた装置が挙げられる。抽出装置の場合は抽出容器が成分分離部に相当し、超臨界流体クロマトグラフの場合は分離カラムが成分分離部に相当する。また、抽出装置と超臨界流体クロマトグラフを組み合わせた装置の場合は抽出容器から分離カラムに至る部分が成分分離部となる。このような超臨界流体分離装置では、成分分離部内の圧力を臨界圧力を超える圧力に維持する必要があり、そのことを確認するための圧力センサが送液ポンプよりも成分分離部側の流路に設けられている。本発明は、この圧力センサを用いてボンベ内の超臨界流体の残量の低下を検出するようにしたものであり、具体的には、残量検知部は、開閉弁が開放された状態にあり、且つ、送液ポンプが停止した状態にあるときの圧力センサの検出値を所定の圧力閾値と比較して、該検出値が前記圧力閾値を下回ったことを検出する。

圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回る状態とは、ボンベ内の流体の残量が低下したために、送液ポンプが駆動されたときに該送液ポンプから成分分離部に供給される流体の流量が所定値を下回るか、或いは、成分分離部内が臨界圧力に達しないような状態に相当する。従って、前記所定の圧力閾値は、超臨界流体の種類やボンベから圧力センサまでの流路の長さ等に応じて決定される。前記所定の圧力閾値は、予め設定されていても良いが、ユーザが圧力閾値を設定するようにしても良い。

残量検知部により圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことが検出されると、超臨界流体分離装置（の制御部）はボンベ内の流体の残量が低下している旨を音声メッセージや警告音等で報知するように構成すると良い。これにより、ユーザはボンベを交換する必要があることを認識することができる。
また、前記流路に複数のボンベを選択的に接続する接続手段を備え、残量検知部により圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことが検出されると、前記接続手段は、流路に接続されるボンベを自動的に切り替えるようにしても良い。

本発明においては、さらに、前記残量検知部に、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことを検出させるための指示部を備えることが好ましい。また、前記残量検知部に、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことを検出させるタイミングをユーザに設定させるためのタイミング設定部を備えることが好ましい。これらの構成では、必要な時期にのみ、前記残量検知部に、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことを検出させることができる。

また、前記残量検知部は、前記送液ポンプを停止してから所定時間が経過してから、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことを検出することが好ましい。この構成では、流路内の圧力が安定した状態で、前記ボンベ内の流体の残量が低下したか否かを検出することができる。

本発明の超臨界流体分離装置によれば、既存の設備である圧力センサを用いてボンベ内の超臨界流体の残量の低下を簡単に検出することができる。

本発明の一実施例に係る超臨界流体分離装置の全体構成図。供給装置の概略構成図。事前設定に関する操作及び処理のフローチャート。圧力監視のための制御及び処理のフローチャート。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る超臨界流体分離装置（以下、分離装置という。）の概略構成図である。この分離装置１００は、成分抽出部１０、クロマトグラフ部２６、フラクションコレクタ２７を備えている。この分離装置１００においては、成分抽出部１０、クロマトグラフ部２６、及びこれらを繋ぐ流路が、本発明の成分分離部に相当する。
成分抽出部１０は、4個の試料容器１１を収納可能な容器ラック１２と、該容器ラック１２の上部に配置された、流出ニードル１５を左右及び上下方向に移動させるニードル移動機構１６と、容器ラック１２が載置されるラック載置台１７と、ラック載置台１７内の下部に配置された加熱ブロック１７１と、を備えている。試料容器１１は、円筒状の本体１１１と、その上端部に固定された蓋部１１２から構成されており、試料容器１１の下端部中央、及び上端部中央にはそれぞれ流入口及び流出口が形成されている。

ラック載置台１７には、容器ラック１２に収納された試料容器１１の流入口に挿入される4個の流入ニードル１３が保持されている。これら4個の流入ニードル１３は、流路切換バルブ１９の4個のポートにそれぞれ接続されている。流路切換バルブ１９の1個のポートには、二酸化炭素ボンベ２０と、そこから流出する二酸化炭素を加圧して流入ニードル１３に供給する供給装置２１、並びにモディファイア（修飾剤）を供給するモディファイアポンプ２２が接続されている。供給装置２１の詳細な構成は後述する。

ニードル移動機構１６には、流路切換バルブ２５を介してクロマトグラフ部２６、フラクションコレクタ２７が接続されている。クロマトグラフ部２６は、分離カラム２６１、検出器２６２、背圧調整弁２６３から構成される。検出器２６２は例えば紫外可視分光光度計から成る。検出器２６２からの検出信号は、抽出制御部３９が備える記憶部４０に記憶される。フラクションコレクタ２７は複数の分取容器２７１と流路切替弁である電磁弁２７２を備える。電磁弁２７２は抽出制御部３９からの制御信号に従って動作しクロマトグラフ部２６からの流路を分取容器２７１とドレイン（図示せず）のいずれかに接続する。
流路切換バルブ２５にはまた、溶出用ポンプ２９を介して溶出用溶媒容器３１が接続されている。さらに、流路切換バルブ２５とクロマトグラフ部２６を繋ぐ流路には、流路切換バルブ１９の1個のポートに一端が接続された流路の他端が接続されている。

成分抽出部１０には、ニードル外周洗浄ポート３５及びニードル内面洗浄ポート４５が配置されている。ニードル外周洗浄ポート３５にはリンスポンプ３６を介してリンス液容器３７が接続されている。ニードル内面洗浄ポート４５は流路切換バルブ１９の1個のポートに接続されている。

図２に示すように、供給装置２１は、二酸化炭素ボンベ２０と流路切換バルブ１９を繋ぐ流路２１１、該流路２１１に設けられた送液ポンプ２１２、送液ポンプ２１２よりもボンベ２０側の流路２１１に設けられた開閉弁２１３、送液ポンプ２１２と開閉弁２１３の間の流路２１１に設置された冷却装置２１４、送液ポンプ２１２よりも流路切換バルブ１９側の流路２１１に設けられた圧力センサ２１５を有している。開閉弁２１３は、分離装置１００の電源がオフのときに閉鎖状態となるノーマリークローズのシャットオフバルブ（密閉バルブ）から成る。送液ポンプ２１２は、所定の吐出・吸引圧力で吸引・吐出動作を行う。所定の吐出・吸引圧力とは、二酸化炭素ボンベ２０内に所定量の流体が貯留されているときに、送液ポンプ２１２から試料容器１１を経て分離カラム２６１に至る部分の圧力が臨界圧力を超えるような値をいう。これにより、送液ポンプ２１２による吸引・吐出動作に伴い二酸化炭素ボンベ２０からの液化二酸化炭素は気化することなく試料容器１１に供給される。圧力センサ２１５からの検出信号は抽出制御部３９に入力される。

冷却装置２１４は、内部を流路２１１が貫通する冷却ブロック２２０と、該冷却ブロック２２０を冷却するためのペルチェ素子２２１及びクロスフローファン２２２と、該冷却ブロック２２０と送液ポンプ２１２のポンプヘッドにまたがって設けられたクーラント液の流通路２２３、及びクーラント液を流通させるためのダイヤフラムポンプ２２４を含む。冷却ブロック２２０には、流路２１１のうち開閉弁２１３から送液ポンプ２１２に至る部分が埋め込まれている。クーラント液は例えば30％のエタノール水溶液から成り、交換可能な容器２２５に収容されている。クーラント液を流通路２２３に流すことにより、流路２１１の一部、及び送液ポンプ２１２のポンプヘッドが冷却され、以て、送液ポンプ２１２内での液化二酸化炭素の気化が防止される。

成分抽出部１０、クロマトグラフ部２６、フラクションコレクタ２７の各部の動作は抽出制御部３９により制御されるが、本実施例の分離装置１００では、特徴的な機能ブロックとして、圧力監視部４１、残量判定部４２を備える。また、抽出制御部３９には、音声アナウンスやブザー音などを出力する報知部４３が接続されている。
中央制御部５０には、キーボートやマウス等のポインティングデバイスを含む入力部５１や表示部５２が接続され、入出力制御や分離装置１００の基本的な制御を担う。なお、抽出制御部３９及び中央制御部５０は、パーソナルコンピュータをハードウェア資源とし、該パーソナルコンピュータにインストールされた専用の制御／処理ソフトウェアをパーソナルコンピュータ上で実行することにより具現化されるものとすることができる。また、中央制御部５０は抽出制御部３９と電気的に接続されており、入力部５１の操作により中央制御部５０を通じて抽出制御部３９を動作させることができるようになっている。

本実施例に係る分離装置１００の動作を、試料に含まれる１乃至複数の成分を分離カラム２６１により分離し、各分取容器２７１に採取する場合を例に挙げて説明する。
まず、試料を入れた試料容器１１を容器ラック１２に収納し、該容器ラック１２をラック載置台１７にセットする。これにより、試料容器１１の流入口にニードル１３が挿入される。また、移動機構１６を駆動してニードル１５を試料容器１１の流出口に挿入する。続いて、第１流路切替バルブ１９及び第２流路切替バルブ２５のポートを、図１に示す接続状態とする。

次に、送液ポンプ２１２により加圧しつつ液化二酸化炭素（超臨界流体）を二酸化炭素ボンベ２０から引き出す。また、モディファイアポンプ２２により極性溶媒（メタノール、エタノールなど）である修飾剤（モディファイア）を溶媒容器から引き出す。これらは共に第１流路切替バルブ１９を経由して、加熱ブロック１７１により温度が調整された試料容器１１に送られる。送液ポンプ２１２及び背圧調整弁２６３により、送液ポンプ２１２から分離カラム２６１に至る部分の圧力を、二酸化炭素の臨界圧力（７．４ＭＰａ）を超える圧力にし、且つ、加熱ブロック１７１により試料容器１１を二酸化炭素の臨界温度（３１℃）を超える温度にすると、試料容器１１内で二酸化炭素（超臨界流体）は、超臨界状態となる。超臨界状態の二酸化炭素はその温度及び圧力に応じた溶解力を有しており、この溶解力に応じて試料容器１１内の試料が溶解され、試料中の目的成分が抽出される。

試料容器１１内の抽出物を含む超臨界流体は、ニードル１５から第２流路切替バルブ２５を経由して、クロマトグラフ部２６に至る。クロマトグラフ部２６では、図示しないカラムオーブンにより臨界温度を超える温度に分離カラム２６１が加熱されており、試料からの抽出物を含む超臨界流体は、分離カラム２６１を通過する際にそれぞれの成分に分離された後、検出器２６２にて各成分が検出される。検出器２６２の検出信号は抽出制御部３９に出力されて一旦、記憶部４０に記憶された後、中央制御部５０に入力される。それに基づき中央制御部５０はクロマトグラムを作成して表示部５２に表示する。

また、中央制御部５０は、検出器２６２からの検出信号の変化率を計算する。そして、検出信号の値の変化率の絶対値が所定値を超えた時点を目的成分の溶出開始時と判定する。そして、その時点から所定の遅れ時間だけ後の時点でフラクションコレクタ２７の電磁弁２７２を動作させて、目的成分を分取容器２７１に採取する。ここで、所定の遅れ時間とは、検出器２６２から電磁弁２７２までの流路の長さや移動相の流速等に基づき求められた値であり、中央制御部５０に予め記憶されている。なお、クロマトグラフ部２６の流路を流れる超臨界流体は、背圧調整弁２６３を通過することで超臨界状態でなくなった後、フラクションコレクタ２７の分取容器２７１に回収される。

また、中央制御部５０は、出力信号の値の変化率の絶対値が所定の値よりも小さくなった時点を目的成分の溶出終了時と判定する。そして、その時点から、上述の遅れ時間だけ後の時点で、フラクションコレクタ２７の電磁弁２７２を動作させて目的成分の採取を終了する。

上記のような目的成分の分取処理の実行中に二酸化炭素ボンベ２０の二酸化炭素残量が低下すると、送液ポンプ２１２から分離カラム２６１に至る部分の圧力が二酸化炭素の臨界圧力を下回り、試料容器１１内、及び分離カラム２６１内における二酸化炭素が超臨界状態に達しなくなる。そうすると、試料容器１１内及び分離カラムにおいて所期の抽出性能及び分離性能が得られなくなる。そこで、本実施例では、二酸化炭素ボンベ２０の残量を監視する機能を有している。以下、二酸化炭素ボンベ２０の残量の監視機能について、図３のフローチャートを参照して説明する。

装置の使用に先立ち、ユーザは二酸化炭素ボンベ２０の残量の低下を判定するための事前設定を行う。すなわち、ユーザは入力部５１により所定の操作を行うことで、残量監視機能を使用するか否かを選択し（ステップＳ１）、残量監視機能を使用する設定がなされた場合（ステップＳ２でＹｅｓの場合）は、さらに入力部５１を操作して、二酸化炭素ボンベ２０の圧力の判定閾値、及び残量監視機能の実行タイミングを選択又は入力する（ステップＳ３及びＳ４）。残量監視機能は送液ポンプ２１２を停止した状態で行う必要があるため、残量監視機能の実行タイミングとしては、例えば二酸化炭素及びモディファイアを導入する試料容器１１を切り替えるために流路切替弁１９の切換動作を行っているとき、或いは、容器ラック１２に収納された試料容器１１の試料から成分を分離する処理が全て終了して容器ラック１２を交換するとき、等が考えられる。なお、ステップＳ２で残量監視機能を使用しない設定がなされた場合（ステップＳ２にてＮｏの場合）には、それ以降の設定は不要であるので、事前設定処理を終了する。

ステップＳ３及びＳ４における設定情報は全て抽出制御部３９の記憶部４０に格納される。残量監視機能を使用する設定がなされている場合には、Ｓ４で設定されたタイミングにおいて、図４に示したような一連の制御及び処理が実行される。

すなわち、抽出制御部３９において、圧力監視部４１は内部タイマをリセットし、経時を開始する（ステップＳ１１）。続いて、ステップＳ３で設定され記憶部４０に格納されている圧力閾値を読み出す（ステップＳ１２）。次に、抽出制御部３９は開閉弁２１３を開放するとともに送液ポンプ２１２の駆動を停止し（ステップＳ１３）、圧力監視部４１は、圧力センサ２１５の検出値を取得する（ステップＳ１４）。そして、残量判定部４２は、圧力監視部４１が取得した検出値を圧力閾値と比較し（ステップＳ１５）。そして、圧力センサ２１５の検出値が圧力閾値よりも小さい場合には二酸化炭素ボンベ２０の残量が不足しており、十分な流量を確保できない可能性があると判断する（ステップＳ１５にてＹｅｓの場合）。一方、圧力センサ２１５の検出値が圧力閾値を超えている場合（ステップＳ１５にてＮｏの場合）には、何ら問題がないのでステップＳ１１に戻る。

なお、圧力監視部４１は、開閉弁２１３が開放されるとともに送液ポンプ２１２が停止されると、直ちに圧力センサ２１５の検出値を取得しても良いが、開閉弁２１３の開放及び送液ポンプ２１２の停止から待ち時間が経過した時点で圧力センサ２１５の検出値を取得しても良い。また、圧力監視部４１は、前記停止から待ち時間が経過するまで圧力センサ２１５の検出値の取得を続け、その平均値を流路内の圧力値としても良い。

二酸化炭素ボンベ２０の残量が不足している可能性があると判断された場合、抽出制御部３９は報知部４３に、ユーザにその旨を知らせるための警告報知を実行させる（ステップＳ１６）。これにより、ユーザは二酸化炭素ボンベ２０の残量が低下していることを認識し、二酸化炭素ボンベ２０を交換することができる。二酸化炭素ボンベ２０の交換が終わると、ユーザは入力部５１により残量監視機能の実行前の状態への復帰を指示する。

なお、上記実施の形態は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に含有されることは明らかである。
上記実施例では、超臨界流体を用いて試料中の成分を抽出し、これを分離カラムに導入して分離する装置を用いて説明したが、本発明は、超臨界流体を用いて試料中の成分を抽出する装置や、超臨界流体クロマトグラフにも適用可能である。

また、二酸化炭素ボンベ２０の残量が不足している可能性があると判断された場合に警告報知するようにしたが、
上記実施例では、検出器としては、ＰＤＡ（Photo Diode Attay）を用いた多波長検出器、旋光度検出器、円二色性検出器、蛍光検出器、屈折率検出器、及び蒸発光散乱検出器等の光学的検出器を用いても良く、また、質量分析装置を検出器として用いても良い。

１００…超臨界流体分離装置
１０…成分抽出部
１１…試料容器
１２…容器ラック
１２１…保持部
１２２…把持部
１２４…円筒状部材（試料容器保持部）
１２５…キャップ
１３…流入ニードル
１５…流出ニードル
１６…ニードル移動機構
１７…ラック載置台
１７１…加熱ブロック
１７５…ヒータ
１７６…温度センサ
１９、２５…流路切換バルブ
２１…供給装置
２１１…流路
２１２…送液ポンプ
２１３…開閉弁
２１４…冷却装置
２１５…圧力センサ
２２０…冷却ブロック
２２１…ペルチェ素子
２２２クロスフローファン
２２３…容器
２２４…ダイヤフラムポンプ
３９…抽出制御部
４０…記憶部
４１…圧力監視部
４２…残量判定部
５０…中央制御部
５１…入力部
５２…報知部
５３…表示部

Claims

超臨界流体を用いて試料から成分を分離する超臨界流体分離装置であって、
成分分離部と、
ボンベに貯留された流体を前記成分分離部に供給するための流路と、
前記流路に設けられた、前記成分分離部内を臨界圧力を超える圧力にするための送液ポンプと、
前記送液ポンプよりも前記ボンベ側の前記流路を開閉する開閉弁と、
前記送液ポンプよりも前記成分分離部側の前記流路に設けられた圧力センサと、
前記開閉弁が開放され、且つ前記送液ポンプが停止された状態において、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことに基づき前記ボンベ内の超臨界流体の残量の低下を検知する残量検知部と
を備え、
前記開閉弁が開放され、且つ前記送液ポンプが動作する状態において、前記圧力センサにより前記成分分離部内の圧力が臨界圧力を超える圧力であるか否かを確認することを特徴とする超臨界流体分離装置。
請求項１に記載の超臨界流体分離装置において、さらに、
前記残量検知部により前記ボンベ内の超臨界流体の残量の低下が検出されたときにそのことを報知する報知部を備えることを特徴とする超臨界流体分離装置。
請求項１又は２に記載の超臨界流体分離装置において、さらに、
前記残量検知部に、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことを検出させるための指示部を備えることを特徴とする超臨界流体分離装置。
請求項１又は２に記載の超臨界流体分離装置において、さらに、
前記残量検知部に、前記圧力センサの検出値が所定の圧力閾値を下回ったことを検出させるタイミングをユーザに設定させるためのタイミング設定部を備えることを特徴とする超臨界流体分離装置。
請求項１～４のいずれかに記載の超臨界流体分離装置において、
前記残量検知部が、前記送液ポンプを停止してから所定時間が経過した後の前記圧力センサの検出値に基づいて前記ボンベ内の超臨界流体の残量の低下を検出することを特徴とする超臨界流体分離装置。