JP2006510037A - 高速クロマトグラフィカラムフロー分配器 - Google Patents

Abstract

本発明はクロマトグラフィカラム用のフロー分配器および一体型のベッド支持体である。フロー分配器は貫通する出口およびベッド支持体が固定される底面を有する。底面は表面の中心部分から半径方向に外側に向かって延在する一連のリブを有する。ベッド支持体はフロー分配器にその外周端部周囲で固定され、ベッド支持体を固定するのに用いられるフロー分配器および／または表面の利用可能な表面積の量は約１０％未満である。分配ディスクは入口の上に配置され、フロー分配器の表面積の約１〜約３０％にわたって延在し、表面の中心地点に最も近いリブの内端部のちょうど手前で終端する。このディスクはリブと実質的に同じ高さになるように２本以上の脚上に設置される。このディスクは目立った分離を生じさせることなく３６０°の半径方向に分配するように流体の流れを放出する。このフロー分配器は、その完全性およびフロー分配器にわたる標準的な流れを維持しながら、かつカラムにわたって低い圧力低下しか起こさないで、最大１５００ｃｍ／時のより高速でカラムを操作することを可能にする。

Description

本発明はクロマトグラフィカラム用のフロー分配器に関する。本発明は、より詳細には、露出している分配器の表面と充填されたベッドとの比が高く、最小の圧力低下で高速の流れに耐えることができるクロマトグラフィカラム用のフロー分配器に関する。

典型的には、クロマトグラフィカラムは主要な３つの構成要素である本体、固定底板、および可動天板から形成されている。本体は典型的には、ガラス、アクリル、またはステンレススチールから作られた中空円柱である。底板は本体の底部を閉鎖し、カラム内にやはり存在する媒質を妨げることなくカラムを通過する流体を収集するために、典型的にはスクリーンおよびその内面にわたるフローコレクタを有する。底板はまた、カラムを通過した流体の除去のためにスクリーンの下に出口を備える。

可動天板、すなわちフロー分配器は本体内に収まり、カラム内の媒質のより上にある所望の位置に、または媒質上に移動し得る。可動天板はまた、媒質、すなわちベッドに最も近いその表面にわたって一般にはベッド支持体呼ばれるスクリーンを有している。カラムへの入口も天板を貫いて形成されており、ベッド支持体の上方でフロー分配器の表面とベッド支持体との間の空間へと開いている。流体は従って、入口から半径方向に外側に向かって流れ、理想的にはベッド支持体を通ってクロマトグラフィベッドを均一に通過する。

ほとんどのクロマトグラフィカラム設計において、流れる方向は反転され得、底板を通って流れ、天板を出る。流れの方向を反転させると、天板および底板の用役が切り替わる。

大半の分配器はその表面上に、ベッド支持体を支持するのに役立ち、かつ板の表面に均一にわたるように流体を外に向かって広げるのにも役立つ一連の放射状リブを備えている。

実際、この設計にはいくつかの欠点がある。

入口が典型的には板の表面の中心に置かれているので、流体が入口の直下にあるベッド支持体を直線状に流れる傾向がある。これはカラムの性能に悪影響を及ぼす不均一な流れを生じさせる原因になる。より低速の場合以外は、これは入口の下の媒質をずれさせることになり、断面が均一になるように設計されているベッド内に空洞ができてしまう。

現行の設計もフロー分配器に対してベッド支持体を密封するために周辺端部の広い面積を使用している。天板の表面積の１０％以上、多くの場合１５％以上がその目的のために使用されている。このため、ベッドの１０〜１５％以上が真っ直ぐな流れを受け取らないので、そのベッド全体にわたって均一な流れを有する装置の能力が制限されている。天板の表面積を制限すれば、逆の流れ方向で操作中にカラムの性能に悪影響を及ぼす。

いくつかのカラムは焼結ポリエチレンなどのプラスチック性のベッド支持体を使用しているが、これらは他の問題を被る。プラスチックに関連する大きな問題の１つはウェットアウトすることができないことであり、微細孔に閉じ込められている空気をカラムを操作する前に除去しなければならない。同じく、プラスチックはその構造を介して空気を容易に通さないので、使用中にベッド内に閉じ込められる空気を除去するのは困難である。フロー分配器を備えたプラスチック性のベッド支持体を使用することに関する別の問題としては、流れの分配には邪魔になり、かつ清掃できないかもしれないフロー分配器への支持体を追加しないと、それらベッド支持体は製造サイズまたは大型のパイロット用のクロマトグラフィカラム上には使用され得ないか、あるいは使用されないということである。このことはパイロットとプロセススケールの応用例をサポートする同じ設計のフロー分配器／ベッドを使用できず、故にこの２つの設計は拡大縮小不可能であるので、このシステム用に個別のプロトコルを開発するのに時間と費用を費やすことになる。

別の欠点としては、より高速の場合にはこれらの効果のすべてが悪化することである。さらに、より高速（１００ｃｍ／時超）な場合、従来の設計はカラムに高い圧力低下を生じる。カラムの高い圧力低下は速度または別の場合にはカラムが安全に操作され得るベッド高さを制限することになる。

さらには、ベッド支持体をフロー分配器に固定するのに用いられる領域が大きいのにもかかわらず、より高速な場合には、これらベッド支持体、特にプラスチック性のベッド支持体が分配器から外れるか、あるいは外方向に湾曲して、ふたたび不連続な流れを生じさせることが知られている。

１つのアプローチは、フロー分配器にねじ込まれるボルトを用いてベッド支持体をその中心に固定することであった。これは上記問題を解決するにはほとんど役に立たず、ベッド内に別の不連続性を生じさせるだけでなく、設計の清掃性に関する問題も生む。

マサチューセッツ州ビレリカのＭｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＶａｎｔａｇｅ（登録商標）カラムでは、分配ディスクはその外端部がリブの内部部分と結合するように形成されている。このディスクは永久的にリブに取り付けられたままである。

このディスクはカラムベッドの中心部下へのチャネリングおよび傾向的な流れを低減させるという点で、よりよい流れの分配を提供する。しかし、そのディスクはリブに固定されているので、流体が分割され分配される一連の四分円部分を形成する。このディスクはベッド支持体を取り付けるために１０％を超えるフロー分配器表面の表面積を依然として使用し、依然としてより高速での処理ができない。

必要とされているのは、流れの分配地点あるいは収集地点として機能するとともに優れた流れの分配特性を有し、ベッド支持体を分配器に封止するのに用いられるのが利用可能な表面の１０％より小さく、圧力低下がほとんどない状態で、かつベッド支持体を湾曲させたり外したりすることなくより高速で操作可能な、よりよいフロー分配器設計である。

本発明はクロマトグラフィカラム用のフロー分配器および一体化されるベッド支持体である。このフロー分配器は貫通する出口およびベッド支持体が固定される底面を有する。底面はその底面の中心部分から半径方向に外に向かって延在する一連のリブを有する。ベッド支持体はフロー分配器にその外周付近で固定され、ベッド支持体を固定するのに用いられるフロー分配器および／または表面の利用可能なこの表面積の大きさは約１０％未満である。

分配ディスクが入口の上に配置され、フロー分配器の表面積の約１〜約３０％にわたる範囲で延在し、フロー分配器の表面の中心点に最も近いリブの内端部のちょうど手前で終わっている。このディスクは実質的にリブと同じ高さになるように２つ以上の脚上に設けられている。このディスクは目立った分離を生じさせることなく３６０°の半径方向に分配するように半径方向に流体の流れを放出する。

このフロー分配器は、その完全性およびフロー分配器にわたる標準的な流れを維持しながら、かつカラムにわたって低い圧力損失しか起こさないで、最大１５００ｃｍ／時のより高速でカラムを操作することを可能にする。

図１は本発明の一実施形態のフロー分配器を示している。このフロー分配器２は上面４および下面６（図示していないクロマトグラフィカラムの方を向いている）を有しており、下面はフロー分配器２をカラムの内外に移動させる（調整装置の例として米国特許第６，１３９，７３２号および欧州特許第４７６ ９９６ Ａ２号を参照）。

入口８はフロー分配器２貫通して底面６まで延びている、図示したように、底面６は底面６の外側周辺端部１２に向かって、底面６の中心部に近接する領域から半径方向に外側に延びる一連のリブ１０を含んでいる。

ベッド支持体１４が底面６に設けられ、上面２の外側周辺端部１２において保持されている。

分配ディスク１８は入口８の上に位置し、２本以上の脚によって底面６に固定されている。

図２は分配ディスクが適所にあり、かつベッド支持体がまだ設置されていない状態のフロー分配器の底面を示している。

図示したように、一連の寸法の異なるリブ（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）が存在する。この場合、３つの一連のリブは相互に等しい間隔で離間している。一連のリブ１０Ａは最も長いリブであり、ディスクの外端部に近接する地点から底面の外側周辺端部まで延在している。図示したように、この一連のリブは相互に６０°離間した６本のリブから構成されている。表面の中心からの一連のリブＡの先端の距離は表面半径の約１９％である。所望によりあるいは必要に応じてその距離は前後してよい。典型的には、その距離は表面半径の約１０％〜３０％であり、好適には約１６％〜約２２％である。この距離は入口のリブによって生じる閉塞を低減させることによって半径方向の分配の均一性を保証する。

一連のリブ１０Ｂは一連のリブ１０Ａよりも長さが短く、リブ１０Ａに比べて入口の中心から離れた場所を始点としている。また、図示したように、リブ１０Ｂは一連のリブ１０Ａの数と同じであり、相互に（この実施形態では６０°だけ）および一連のリブ１０Ａから等しく離間している。

一連のリブ１０Ｃは最短であり、この実施形態では一連のリブ１０Ａの長さの約１／２であり、外側周辺端部１２から入口の中心に向かって延在している。これらのリブの数は１２本であり、相互におよび各々近接する一連のリブ１０Ａ、１０Ｂから等しく離間していることがわかる。

流体分配が均一で、かつベッド支持体が均一に指示される限り、その他のリブ設計が使用されてもよい。このことは本発明においてこれら実施形態を同様に包含することを意図している。図示したリブはテーパー形状の側端２０を有し、入口の中心に最も近いリブ１０の地点のテーパー形状の先端２２にて終端している。これによって最適な流動特性が可能となり、工業的に広く受け入れられた慣行である。他のリブ設計には丸型のリブがあり、適切な流体分布および支持を提供できる限り、非テーパー形状リブであっても使用され得る。

図３は封止機構の一実施形態を詳細に示している。

図示したように、フロー分配器２のその底面６上にある外側周辺端部１２は、ベッド支持体１４が挿置されるアンダーカット２４を有している。アンダーカット２４の上腕２６はベッド支持体を適所に保持し、高速操作中に離れるのを妨げる。停滞領域、すなわち流れのない領域ができないようにするために、任意のガスケット２８もアンダーカット内に示されている。多数の用途においてはこのガスケットはなくてよい。

アンダーカット２１および上腕２６はフロー分配器２と一体に成形され得る。代替的には、上腕２６はより垂直な位置に成形され得、アンダーカット２４にベッド支持体を挿入後に、上腕２６はフロー分配器１４に向かって、押圧されるか、あるいは下方に折り曲げられる。

別の実施形態（図示せず）では、フロー分配器２の上腕および外端部分１２は別個に形成され、ベッド支持体１４を適所に位置決めしてから天板２に取り付けられる。２つの部分を一体にするために、接着剤、超音波溶着、熱結合、組み合わされたねじ山およびねじ等が使用されてよい。

上腕２６の長さはフロー分配器の利用可能な有効表面を最大にするようにできるだけ小さくなければならない。好適には、その長さはフロー分配器の有効な表面積とその下のカラムベッドの全表面積との比が少なくとも０．９、好ましくは約０．９〜約０．９５である。

図４は図１および２のディスク分配器をより詳細に示している。図示したように、ディスク分配器は円形上部部分３０および２本以上の脚１６から形成されている。この図では３本の脚１６が示されている。３本の脚１６は流れの乱れが最小で、最大の安定性を提供するので、好適な実施形態である。ディスク１８は底面の全表面積の約１〜約３０％でであり得る。ディスク１８は好適には全表面積の約１％〜約４％であり、より好適には約２％〜約３％である。一実施形態ではディスクは全表面積の２．４％を占める。

脚１６の高さはディスクの上面３０が近接するリブ（図４に示していないが、図１を参照すること）と実質的に同じ高さでなければならない。これはフロー分配器１４の表面をできるだけ平坦にして、流体の流れまたはクロマトグラフィベッドの形状の不連続性が除去されるので好ましい。

ディスク１８およびその脚１６は３６０°の半径方向の流れの分配の障害になるものを最小化するように設計される。

底面へのディスクの取り付け方法に応じて、脚１６は実際に完成した高さよりも長くてよい。例えば、脚が底面の凹部に収容され、接着、熱結合、摩擦係合、あるいは溶着で適所に取り付けられる場合、脚は、脚が凹部を完全に封止し、かつディスク１８の上面３０をリブ１０の上面と実質的に平行に並べることができる長さである必要がある。

一実施形態では、脚１６は円筒形であり、約１ｍｍの直径を有する。

また、脚１６は好適には最も近いリブの射線と直線になるようにディスク周囲に配置されるべきである。このようにして、フロー分配器はさらに最小化される。

ディスク１８はステンレス鋼などの金属（機械加工または鋳造のいずれか）あるいはポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＡ、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＴＦＥ樹脂のようなプラスチック、ＰＦＡ、ＭＦＡ、およびＦＥＰ樹脂などの過フッ化熱可塑性樹脂およびアクリルから形成され得る。ディスク１８はフロー分配器と同じ材料で製造されるのが好ましい。

ベッド支持体はクロマトグラフィに用いられる金属、ガラス、およびプラスチックなどの従来の材料で製造されてよい。

好適な１つのベッド支持体はカラムへ流体が流れるための一連の微細孔が形成されたステンレス鋼から製造される。ウェットアウトの問題を呈さず、かつ圧力およびより高速な流速に著しい耐性があるとともにベッド支持体にわたって標準的な多孔性を維持するので、本発明においてはステンレス鋼などの金属が好ましい。

上記支持体は金属スクリーンまたはクロスの１つまたは複数の層、典型的には今日のクロマトグラフィ産業において一般に使用される、異なる寸法のメッシュ開口を有する２層以上の層から形成され得る。このスクリーンまたはクロスは典型的には金属の織繊維で形成されており、相互に対して垂直あるいは相互に対して他の角度である縦糸／横糸パターンで配置されてよい。焼結させた多孔性金属を用いてもよい。同様に、本発明において有利には連の貫通する孔が形成された中実金属を用いてもよい。利用可能な孔を最も均一に配分するので、中実板設計の微細孔はマシニング、スタンピング、ケミカルエッチング、ウォータージェットカッティング、あるいはレーザドリリングによって形成されるのが好ましい。

本発明ではプラスチック性のベッド支持体も有用である。燒結させた多孔性プラスチック、機械によるエッチング、レーザによる穴開け、編み込み、モールディング、あるいはキャスティングによって孔が形成されてよい。同様に、プラスチック性スクリーンおよび／または織物の１つまたは複数の層が使用されてもよい。

いくつかの場合、ベッド支持体を形成するためにガラスまたはセラミックが使用されてよい。孔は燒結させた多孔性のガラスあるいはセラミックを用いて形成されてよいか、またはマシニング、エッチング、あるいはレーザドリリングによって形成されてよい。

同様に、フロー分配器はステンレス鋼または陽極処理アルミニウムなどの金属、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどのプラスチック、あるいは炭素繊維、エポキシ、黒鉛、セラミック、またはガラス繊維入りプラスチックなどの複合材料から形成されてよい。

フロー分配器はステンレス鋼あるいはポリプロピレンから製造されるのが好ましい。

リブ１０はフロー分配器の底面を機械加工することによって形成されてよいか、フロー分配器が鋳造品の場合、リブはその鋳造品と一体型で形成されてよい。

ディスク分配器もまたステンレス鋼などの金属、ポリエチレンなどのプラスチック、またはセラミックあるいは複合体から製造されてよい。良好な流れの分配を保証し、かつより速い流速に耐える十分な強さを持つために、ディスク分配器は実質的には非多孔性でなければならない。ステンレス鋼およびポリプロピレンが好ましい。

図５は本発明のフロー分配器を用いたカラムについて得られた圧力のフロー曲線を示している。固定された底板および天板として可動フロー分配器を有する直径１００ｍｍのカラムを用いた。カラムの底から２０ｃｍ上にフロー分配器を設置し、０〜１０００ｃｍ／時の速さで水を流した（媒質は添加せず）。カラムへの入口およびカラムからの出口において水の圧力を測定した。得られたデータからの結果的な曲線を描いた。

この曲線は本発明のフロー分配器が高速な場合であっても圧力低下は最小であることを示している。

本発明の第１の実施形態を示す断面図である。 天板およびフローディスクの逆さまにした状態を示す平面図である。 フロー分配器および天板端部を拡大した状態を示す断面図である。 フローディスクを示す斜視図である。 本発明のフロー分配器を用いたカラム用の圧力のフロー曲線を示すグラフである。

Claims (10)

1. 上面および底面と、貫通する入口と、ベッド支持体が固定される底面とを有するフロー分配器を備えるクロマトグラフィカラム用のフロー分配器であって、底面が底面の中心部分から半径方向に外に向かって延びる１つまたは複数の一連のリブを有し、ベッド支持体がフロー分配器底面に近接してフロー分配器にその外周端部周囲で固定され、分配ディスクが入口の上に配置され、フロー分配器の底面積の約１〜約３０％にわたって延在し、かつ入口の中心部分に最も近い１つまたは複数の一連のリブの内端部のちょうど手前で終端しており、リブと実質的に同じ高さになるようにディスクが２本以上の脚上に配置され、ディスクが目立った分離を生じさせることなく３６０°の半径方向に分配するように入口からの流体の流れを放出するフロー分配器。
2. ベッド支持体を固定するのに用いられるフロー分配器の底面の表面積の大きさが約１０％未満である請求項１に記載のフロー分配器。
3. フロー分配器にわたってその完全性および標準的な流れを維持しながら、かつカラムにわたって低い圧力低下しか起こさないで、カラムが最大１５００ｃｍ／時の速度で動作することをフロー分配器が可能にする請求項１に記載のフロー分配器。
4. 有効フロー分配器表面積とその下にあるカラムベッドの全表面積との比が少なくとも０．９％、好適には少なくとも約０．９〜約０．９５％である請求項１に記載のフロー分配器。
5. ディスクが底面の全表面積の約１％〜約４％である請求項１に記載のフロー分配器。
6. ディスクが底面の全表面積の約２％〜約３％である請求項１に記載のフロー分配器。
7. ディスクが底面の全表面積の約２．４％である請求項１に記載のフロー分配器。
8. １つまたは複数の一連のリブが表面の中心部に最も近い先端を有し、かつ先端が表面の中心から表面の半径の約１９％の距離だけ離間している請求項１に記載のフロー分配器。
9. １つまたは複数の一連のリブが表面の中心部に最も近い先端を有し、かつ先端が表面の中心から表面の半径の約１０％〜約３０％の距離だけ離間している請求項１に記載のフロー分配器。
10. １つまたは複数の一連のリブが表面の中心部に最も近い先端を有し、かつ先端が表面の中心から表面の半径の約１６％〜約２２％の距離だけ離間している請求項１に記載のフロー分配器。

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