JP2023040603A - ロータリーエバポレーターの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より正確に飽和蒸気圧温度を測定、制御することができるロータリーエバポレーターの蒸気温度制御方法を提供する。【解決手段】恒温水槽４で加熱されている蒸発フラスコ１内の試料溶液の蒸気温度を、蒸発フラスコ１内に設けられたセンサ１３によって検出して、検出温度が、恒温水槽４の温度と冷却水の温度の間で設定される蒸気設定温度よりも一定温度高い状態になった場合、電磁弁１１が開き、真空ポンプ８による真空吸引を行うことで、蒸気温度を低下させ、前記検出温度が前記蒸気設定温度よりも一定温度低い状態になった場合、電磁弁１１が閉じ、真空ポンプ８による真空吸引を停止することで、蒸気温度を上昇させ、これらを繰り返す繰返制御によって濃縮プロセスを継続させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリーエバポレーターの制御方法に関する。

従来、ロータリーエバポレーターなどの減圧濃縮装置において、装置の制御を行う上で、圧力センサを備えた真空コントローラー（真空ポンプなど）が設けられている。真空コントローラーは、冷却水の流通量の調整や恒温水槽の上下位置調節などを行うことで、装置内の真空度の制御を行うものである。

また、従来のロータリーエバポレーターで真空度の制御をしながら試料を濃縮する際に、試料中に溶存していた気体（空気等）が突然発泡する、いわゆる突沸を生じることがある。このような突沸を生じると、試料が激しく沸騰した状態となり、飛沫となって回収用フラスコ側に蒸気と共に流れ込んでしまったりするため、制御にあたっては、極力突沸が発生しないように注意する必要があった。試料の突沸を防止するために、減圧運転開始から所定真空度に達するまでの真空度を、溶媒の種類に応じた所定の減圧勾配で減圧する特許文献１のような制御方法も提案されている。

特開平８－８９７０５号公報

しかしながら、従来の真空コントローラーは、装置設計の都合上、圧力センサが当該真空コントローラーの内部に存在するため、蒸留フラスコ内の液体の蒸発直後の蒸気圧を測定しておらず、蒸気が冷却器で冷却された後の値、つまり蒸発直後の実測値よりも緩やかな値の蒸気圧を表示する。そのため、蒸留フラスコ内の蒸気の正確な飽和蒸気圧が測定できていない。また、突沸を起こしやすい液体や発泡性を有する液体に関しては、突沸や発泡による気泡発生のために、沸点検知に誤作動が生じる可能性があり、正確な蒸発プロセスをたどれない可能性が危惧されている。

また、特許文献１のような勾配制御については、勾配時間が長いため実用的でない場面もあり、試料よって、勾配制御のカスタマイズ化が必要な場合があった。

そこで、本発明は、ロータリーエバポレーターの蒸発部（蒸発フラスコ）から発生する蒸気の飽和蒸気圧温度（減圧下での沸点）を、蒸発部分のすぐ近くで測定し、より正確に飽和蒸気圧温度を測定、制御することができる、ロータリーエバポレーターの制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のロータリーエバポレーターの制御方法は、溶液の入った蒸発フラスコをモータ駆動で回転するとともに該蒸発フラスコ内の試料溶液を真空吸引する一方で恒温加熱することにより、該試料溶液を濃縮するロータリーエバポレーターの制御方法であって、恒温水槽で恒温加熱されている蒸発フラスコ内の試料溶液の蒸気温度を、当該蒸発フラスコ内に設けられたセンサによって検出して、前記センサによって検出される検出温度が、恒温水槽の温度と冷却水の温度の間で設定される蒸気設定温度よりも一定温度高い状態になった場合、電磁弁が開き、真空ポンプによる真空吸引を行うことで、蒸気温度を低下させ、前記検出温度が前記蒸気設定温度よりも一定温度低い状態になった場合、電磁弁が閉じ、真空ポンプによる真空吸引を停止することで、蒸気温度を上昇させ、これらを繰り返す繰返制御によって濃縮プロセスを継続させることを特徴とするものである。

また、前記繰返制御の前処理工程として、前記検出温度と前記蒸気設定温度よりも高い場合には、前記恒温水槽に前記蒸発フラスコを浸すのを中止し、前記真空ポンプによる真空吸引のみを行い、初期沸騰を開始させてから、前記恒温水槽に前記蒸発フラスコを浸し、前記検出温度が前記蒸気設定温度よりも低い場合には、前記恒温水槽に前記蒸発フラスコを浸したまま、前記真空ポンプによる真空吸引を停止し、前記検出温度が前記蒸気設定温度よりも高くして、前記真空ポンプによる真空吸引を再開し、初期沸騰を開始させることを特徴とするものである。

本発明のロータリーエバポレーターの制御方法によれば、蒸発フラスコ内の液面近くに温度センサを設けているので、発生する蒸気の飽和蒸気圧温度をより正確に測定し、装置全体を適切に操作することができる。突沸性や発泡性を有する液体を対象とする場合にも、突沸が起こるのを防止することができる。

本発明の方法を適用可能なロータリーエバポレーターの一形態例を示す図である。 エタノールを試料溶液として、真空ポンプ（ダイアフラムポンプ）でロータリーエバポレーター装置内の吸引を行った場合の各種状態を示す図である。 図２の一部を詳細に示した図である。 エタノールを試料溶液として、本発明の制御方法を適用した場合の真空度と上記温度の状態を示す図である。

以下、本発明の方法を適用可能なロータリーエバポレーターの一形態例を図面に基づいて説明する。図１は、上記ロータリーエバポレーターの概略を示すものであり、試料溶液の入った蒸発フラスコ１が、昇降可能なスタンド２に設けられた駆動部３により回転可能に保持されており、蒸発フラスコ１がヒータ内蔵の恒温水槽４中に浸漬されている。

この蒸発フラスコ１には、駆動部３を介して凝縮管５が接続されており、当該凝縮管５の内部には、冷却管７が配設され、その下部には、凝縮した溶媒等を回収する回収用フラスコ６と、真空ポンプ８に接続された排気口９とが設けられている。

上記排気口９と真空ポンプ８との間には、真空度表示モニター１０及び電磁弁１１が設けられており、蒸気温度に応じて電磁弁１１が開閉制御され、真空ポンプ８によってエバポレーター内部が真空吸引されるようになっている。なお、電磁弁１１と真空ポンプ８との間には通気用ニードルバルブ１２が備えられており、必要に応じて真空状態を調整するための通気がなされるようになっている。

また、蒸発フラスコ１内には、当該フラスコ内の蒸気温度を検出する蒸気温度検出用センサ１３が設けられている。また、電磁弁１１と温度コントローラー１４及び継電器１５が接続されており、電磁弁１１の開閉や継電器１５の起動によって、真空度が制御され、蒸気温度が調整されるようになっている。

以上のように構成されたロータリーエバポレーターを用いて、本発明の制御方法は、以下のようにして行われる。

試料溶液の入った蒸発フラスコ１を駆動部３でモータ駆動により回転するとともに該蒸発フラスコ１内の試料溶液を本発明の制御装置である蒸気温度制御による真空コントローラーによる真空下で恒温加熱することにより上記試料溶液を濃縮する上で、恒温水槽４を加熱するヒータと、蒸発フラスコ１を回転駆動させる駆動部３である回転駆動用モータと、該蒸発フラスコ１内を真空に保つための電磁弁１１とを制御する上記制御装置を設け、恒温水槽４で恒温加熱されている蒸発フラスコ１内の試料溶液の蒸気温度を、当該蒸発フラスコ１内に設けられた蒸気温度検出用センサ１３によって検知し、該蒸気温度を上記制御装置によって電磁弁１１の開閉等で、自動的に蒸気温度と真空度と制御しながら、試料溶液の濃縮プロセスを、試料溶液が濃縮乾固されるまで継続する。

この際に、まず、蒸発フラスコ１内の試料溶液を濃縮する際に生じる蒸気の温度を、なるべく蒸気の発生部分（試料容器の液面）の近くで、蒸気温度検出用センサ１３によって検出する。濃縮プロセスが進行して、蒸発フラスコ１内の液量がわずかになってくると、蒸気温度は上昇し始めるので、濃縮プロセスの終点を予測できるようになる。例えば、設定温度から任意の温度（例えば、５℃）上昇した点を上限点として、電磁弁１１を制御して濃縮プロセスの運転を停止することで、試料溶液が完全に濃縮乾固されたものとみなすことができる。

ここで、試料溶液が完全に濃縮乾固されるまでの具体的な制御方法を詳述する前に、突沸という現象について詳述する。エタノールを試料溶液として、真空制御を行わずに、真空ポンプ（ダイアフラムポンプ）で装置内の吸引を行いながらロータリーエバポレーターを使用した場合の圧力等の各種状態を図２に示す。図３は、図２の一部を詳細に示した図である。従来のロータリーエバポレーターの使用においては、恒温水槽４、凝縮管５の冷却水循環装置の温度を設定し、それぞれの設定温度に到達すると、ロータリーエバポレーターを所定の回転数に調整して、蒸発フラスコ１を恒温水槽４に浸さない状態で真空ポンプを作動させ、蒸発フラスコ１内の真空度がある程度下がった時点で、蒸発フラスコ１を恒温水槽４に浸して蒸発操作を開始させるのが一般的である。このとき、蒸発フラスコ１内の試料溶液をエタノールとして、装置の運転を進行させると、蒸発フラスコ内の飽和蒸気圧、すなわち系内の真空度は、図２の「操作圧力」に示される様な挙動を示す。

前述したように、系内の真空度が低下した状態で、蒸発フラスコ１を恒温水槽４に浸すことにより、蒸発フラスコ内１の蒸気温度は恒温水槽４からの加熱によって上昇し、その後、系内の真空度（操作圧力）が飽和蒸気圧に到達すると、内部に蓄積された熱エネルギーが一気に放出されて蒸発が起こり、液中から泡が生じる。この状態が突沸である。特に、試料溶液が発泡性である場合は、真空度が飽和蒸気圧に到達する時点で発泡が生じ、その発泡に付随して突沸が生じやすい（図２の「突沸が生じやすい」領域）。

図３により更に説明すると、上記の様に、真空ポンプ８による真空吸引により、装置内は、「操作圧力」に示されているように減圧される。その減圧に伴って、試料溶液の沸点（操作圧力下での沸点）も降下する。当該降下した沸点と試料温度（センサが検知する蒸気温度）が同一となる時、試料溶液は沸騰する。この時点でそれまでに蓄積されていた熱エネルギーが放出されるので、蒸気温度が上がり、蒸発量が多くなり、想定外の突沸（沸騰）が起こりやすくなる（図３の●部分付近）。ここで、一般的な真空ポンプを用いた場合、一定速度での吸引を継続するので、装置内の真空度は増し、沸点も降下するが、試料温度に対応する飽和蒸気圧に到達するまで、試料温度は下降しない故に、試料の飽和蒸気圧の真空度に到達しても、沸騰に僅かな遅れが生じるため、真空ポンプによって、真空度は下がり過ぎてしまう故に、試料液は、設定温度の飽和蒸気圧に戻そうと激しく沸騰を始める。しかし、この沸騰は激しすぎて、蒸発１より大きく膨らみ過ぎて、未沸騰状態の試料液も含めて、激しく受けフラスコ6側に排出され、蒸発フラスコ1側の液はほとんど移動してしまう試料が存在する。この過熱・過真空状態を避けることができれば、試料溶液の突沸を生じずに濃縮プロセスを最後まで行うことができるようになる。

本発明におけるロータリーエバポレーターの制御方法は、特に発泡性・突沸性の強い試料の場合には、突沸を生じさせずに初期沸騰を開始させる前処理工程を実施し、その後、蒸気温度検出用センサ１３によって検出された温度（検出温度）と設定温度とを比較しながら電磁弁１１の開閉制御をすることで、安定的に制御するものである。

本発明においては、まず、要求されている蒸気温度を設定する（蒸気設定温度）。それに合わせて、恒温水槽４の温度と冷却水の温度を設定する（例えば、恒温水槽４の温度が４０℃、冷却水の温度が５℃のとき、設定温度は２０℃。）。

次に、前処理工程について説明する。例えば図３の●部分付近のような突沸が生じやすい領域では、非加熱状態に近い空中で、この状態の温度よりも沸点がゆっくり下がるように制御していれば、突沸・発泡を防止できるのである。

検出温度が蒸気設定温度よりも高い場合には、試料溶液の突沸が生じやすい状態であるものと解して、恒温水槽４に蒸発フラスコ１を浸すのを中止し、真空ポンプ８による真空吸引のみを行うようにする。発泡性・突沸性の強い試料の場合には、試料溶液の温度と蒸気設定温度が1℃以上あるときは、蒸気設定温度を試料溶液温度に近づけて、（0~0.5℃高くして）、その後、試料溶液の沸騰が確認できたら（初期沸騰が開始したら）、蒸気設定温度を所定の温度に再設定し、恒温水槽４に蒸発フラスコ１を浸して濃縮プロセスを継続する。

また、検出温度が蒸気設定温度よりも低い場合には、一度、恒温水槽４に蒸発フラスコを浸して、真空ポンプ８による真空吸引を停止して、試料溶液の液温を設定温度よりも０～０．５℃高くして、真空ポンプ８による真空吸引を行う。その後、試料溶液の沸騰が確認できたら、恒温水槽４に蒸発フラスコ１をゆっくり浸して濃縮プロセスを継続するようにする。この様にすることで、突沸や発泡を起こすことなく、試料溶液の濃縮プロセスを継続できる。

なお、排気量の大きな真空ポンプ８を用いた場合、通気用ニードルバルブ１２を調整して空気を少し入れることによって、試料の飽和蒸気圧に到達するまでの時間が調整できるので、初期沸騰開示時における突沸の発生を避けることができる。

次に、上述のように初期沸騰を開始した後の濃縮プロセスを継続している際の制御方法について説明する。試料の沸騰が始まると、真空ポンプ８による減圧に伴って、試料溶液の温度（飽和蒸気圧での温度）も沸騰しながら降下する。検出温度と蒸気設定温度とが同一となる時、安定した制御が可能となる。すなわち、それまでに蓄積されていた熱エネルギーが放出されている状態なので、真空度は安定した蒸気温度に従属し、制御は継続できるのである。

ここで、試料溶液の濃縮プロセスを行うための真空ポンプ８と電磁弁１１の制御に関して、より詳細に説明する。真空ポンプ８は、検出温度が蒸気設定温度よりも一定温度（例えば０．１℃）高い状態になると電磁弁１１が開き、真空吸引を行う。そうすると、ロータリーエバポレーターの系内の真空度は増すので、試料温度は下降することになる、ここで、検出温度が蒸気設定温度よりも一定温度（例えば０．１℃）低い状態になると、電磁弁１１は閉じ、真空吸引は停止される。すると、蒸発フラスコ内の真空度は悪くなり、試料温度は上昇に転じる。これが繰り返し行って安定的に制御するものである。

例えば、試料溶液をエタノールとし、恒温水槽４の温度を４０℃±２℃、冷却水の温度を２～４℃、駆動部３の回転数１２０ｒｐｍとして、蒸気温度の設定温度を２０℃、前記一定温度を０．１℃と設定し前処理工程をして蒸発開始をさせ、上記のように電磁弁１１の開閉制御（繰返制御）を行った場合の結果を図４に示す。濃縮時間２５分０４秒において、エタノール試料400.58ｇに対して回収量399.05ｇとなり、９９．６％の回収率となった。前記一定温度０．１℃の制御ではあるが、電磁弁の開閉等に応答遅れが生じ、蒸気温度が１７．８．３℃～２０．６℃の間で制御されている。また、この制御を行っている間、上記電磁弁１１の開閉制御を一定時間行うことで、蒸発フラスコ１内部の真空吸引を断続的に行うことができ、この範囲の状態変化では、試料溶液の急激な状態変化を避けられるようになるので、安定的に濃縮プロセスを継続し、さらなる突沸を防止することが確認できた。

また、蒸発が進行し、濃縮された残渣物が少なくなってくると、上述のような繰り返しの制御は不能となる検出温度は上昇するが、この状態は、濃縮の終了が近い現象であるため問題ない。図４においては、６℃程度上昇した段階で終了としているが、蒸気設定温度から例えば５℃上昇した場合、電磁弁１１を自動的に閉じて濃縮プロセスの運転を停止することで、試料溶液が完全に濃縮乾固されたものとみなすこともできる。

なお、上記試料溶液としてエタノールを用いているが、その他の溶媒を用いても構わない。

１・・・蒸発フラスコ、２・・・スタンド、３・・・駆動部、４・・・恒温水槽、５・・・凝縮管、６・・・回収用フラスコ、７・・・冷却管、８・・・真空ポンプ、９・・・排気口、１０・・・真空度表示モニター、１１・・・電磁弁、１２・・・通気用ニードルバルブ、１３・・・蒸気温度検出用センサ、１４・・・温度コントローラー、１５・・・継電器

Claims (2)

1. 試料溶液の入った蒸発フラスコをモータ駆動で回転するとともに該蒸発フラスコ内の試料溶液を真空吸引する一方で恒温加熱することにより、該試料溶液を濃縮するロータリーエバポレーターの制御方法であって、
   恒温水槽で恒温加熱されている蒸発フラスコ内の試料溶液の蒸気温度を、当該蒸発フラスコ内に設けられたセンサによって検出して、
   前記センサによって検出される検出温度が、恒温水槽の温度と冷却水の温度の間で設定される蒸気設定温度よりも一定温度高い状態になった場合、電磁弁が開き、真空ポンプによる真空吸引を行うことで、蒸気温度を低下させ、
   前記検出温度が前記蒸気設定温度よりも一定温度低い状態になった場合、電磁弁が閉じ、真空ポンプによる真空吸引を停止することで、蒸気温度を上昇させ、
   これらを繰り返す繰返制御によって濃縮プロセスを継続させるロータリーエバポレーターの制御方法。
2. 前記繰返制御の前処理工程として、
   前記検出温度と前記蒸気設定温度よりも高い場合には、前記恒温水槽に前記蒸発フラスコを浸すのを中止し、前記真空ポンプによる真空吸引のみを行い、初期沸騰を開始させてから、前記恒温水槽に前記蒸発フラスコを浸し、
   前記検出温度が前記蒸気設定温度よりも低い場合には、前記恒温水槽に前記蒸発フラスコを浸したまま、前記真空ポンプによる真空吸引を停止し、前記検出温度が前記蒸気設定温度よりも高くして、前記真空ポンプによる真空吸引を再開し、初期沸騰を開始させることを特徴とする請求項１記載のロータリーエバポレーターの制御方法。

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