JP4340752B2 - 流体流通回転子及びこれを用いた流体処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、化学反応及び流体物質の単位操作である、ろ過、吸着、分離、濃縮、抽出、殺菌などの各種処理に用いられる装置に関するものである。この装置を用いる分野としては、各種反応化学、及び処理装置、化学工学に用いられる反応及び各種処理操作、分析化学に用いられる反応及び各種処理操作、水処理のための操作、バイオ分野で用いられる操作、医療分野などで用いられる操作、その他の様々な技術分野で用いられる操作を行うために用いることができる。

流体に含まれる固体物質のろ過、流体に溶存する物質の吸着分離、あるいは流体中に存在する物質を反応させるためには、流体をポンプにより押し出すことにより、あるいは流体を吸引することにより、チューブ内に流体を流し、その際に流体をフィルター、分離材あるいは反応材を通過させることが、一般的に行われてきた。このようなポンプによりチューブ内に流体を流すことによる、ろ過、分離、あるいは反応方法には次のような問題があった。
（１）ポンプやチューブ内に付着した汚れ、以前に使用したときにポンプやチューブ内壁に吸着されている物質が、処理しようとする流体にとけ込んでしまうことにより、流体そのものや、フィルター又は分離材あるいは反応材を汚染する結果を招く。あるいは、逆に、フィルター又は分離材あるいは反応材により対象物質を分離回収あるいは反応させる前に、ポンプやチューブ内壁に対象物質が吸着されて、対象とする物質を効率よく回収、あるいは反応できない。
（２）一度に多数の試料を処理する場合は、用いるポンプやチューブの数も多くなるため、費用がかかり、広い場所が必要となる。

このような事態を回避するために、前記のポンプによる流体のチューブ内通過を避ける方法が提案されている。
例えば、流体中に含まれ金属や有機物を分離濃縮する手段として、流体試料容器を設置して処理しようとする流体を充填し、前記容器に接続する垂直に固定されているガラス管やプラスチック管内を通過させる際に、前記管内に吸着材を詰めておき、流体試料を重力により自然に落下させて、吸着材により濃縮する方法が、知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１）。しかしながら、この方法では、流体試料の移しかえに伴う試料容器への吸着損失や汚染が生じやすいといった問題があり、また、流体試料の落下状況を監視、調整するために人手を要するといった問題があった。
また、ポリジメチルシロキサンなどの吸着材を膜状にコーティング（膜厚5〜100μm）したシリンジ針を流体試料に浸して吸着させる方法も使われている（SPME法：Solid Phase Micro Extraction）（例えば、特許文献２及び非特許文献２）。
しかしながら、SPME法は、ポリジメチルシロキサンの被覆量が0.5μL以下と少ないため、分配係数が大きい（例えば、試料量が１０mLの場合、水―オクタノール分配係数K_O/Wが20000以上のもの）ものしか抽出されないという問題があった。更に、SPME法を改良した方法として、磁気回転子の表面にポリジメチルシロキサンなどの吸着材を膜状にコーティングし、これをマグネティックスターラーにより流体試料中で回転させて、流体試料中の有機物を吸着する方法が用いられている（SBSE法：Stir Bar Sorption Extraction）（例えば、特許文献３及び非特許文献３、４）。
SBSE法では、ポリジメチルシロキサンの被覆量が55〜220μLに増えており、水―オクタノール分配係数K_O/Wが比較的小さいものも抽出されるが、共存物質が多量に存在する場合は、この程度の被覆量ではすぐに飽和してしまうという結果となる問題点は残されたままである。
SBSE法では回転子の外表面に吸着材を膜状にコーティングしたものを回転しているだけであり、このため流体試料はランダムな方向から吸着材と接触しており、流体の流れる方向を制御する機能はない。この流体の流れを一定方向に制御するという機能がないと、ろ過の操作を行うことはできない。また、SBSE法で用いられる回転子には、フィルターや樹脂状の吸着材を保持する機能もない。更に、回転子が回転することにより、回転体表面に膜状にコーティングした吸着材が摩耗により劣化するという問題もあった。

特開２００２−３１６００２号公報 特開平８−９４５９７号公報 特開２０００−２９８１２１号公報 C. J. Cheng, T. Akagi, and H. Haraguchi: Bull. Chem. Soc. Jpn., 58, 3229 (1985). C. L. Arthur and J. Pawliszyn: Anal. Chem. 62, 2145 (1990). E. Battussen, P. Sandra, F. David, and C. Cramers: J. Microcolumn Sep. 11, 737 (1999). J. Vercauteren, C. Peres, C. Devos, P. Sandra, F. Vanhaecke, and L. Moens: Anal. Chem. 73, 1509 (2001).

本発明の課題は、ポンプなどにより流体に圧力を付加することなく、流通路に存在する流体に圧力を付加し、且つ流れの方向を制御して、場合によっては、流通路にろ過、吸着操作、分離操作、触媒層又は反応材などの処理手段を設置して、流体に含まれる物質のろ過、吸着、分離、反応など、又は他の流体による濃縮、抽出、あるいは固体と流体又は流体相互の反応などの操作を行うことを可能とする流体流通回転子、及びこの流体流通回転子を用いた反応装置を提供することである。

本発明者らは、従来の問題点を解決すべく、検討を進め、処理しようとする流体を流体流通回転子内に導き、流体流通回転子を強制的に回転をさせて流体に遠心力を加え、その遠心力を利用して、流体の流れる方向を制御し、あるいは、回転体の回転力と流体の慣性力を利用して、流体に強制的に圧力を加え、且つ流体の流れる方向を制御し、場合によっては、その流路にフィルターあるいは分離材、及び（又は）触媒を充填した状態で、前記課題を解決できるのではないかと言うことを考えついた。このような手段及び方法については、発明者が知る限りにおいては、存在しない。

本発明者は、前記の作用を行うことができる構造体として、構造体頂部及び（又は）底部の中心部又はその近傍に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口を有する構造体からなる流体流通回転子を発明し、周囲に流体が存在した状態で、前記流体供給口から流体が侵入できる状態で流体流通回転子を回転させると、流体が流体供給口より吸い込まれ、流体流通路内に至り、流体流通回転子の回転により流体流通路内の流体には遠心力が働き、流体排出口に向かって強制的に流れるようになり、流体のろ過、吸着、分離、濃縮、抽出、殺菌、反応など操作が可能となる。この場合に流体流通回転子の回転手段は、流体流通回転子に接続して回転駆動手段が固定されているものであり、回転駆動手段の回転に応じて回転させるものである。又、前記流体流通路とは別体に磁性体を有する回転体として構成したり、回転体を磁性体により構成して、流体流通回転子が収納されている容器及び容器に接して前記流体流通回転子を回転させる手段から構成される装置である。流体流通回転子を回転させる手段により、流体流通回転子を回転させると、それに応じて、流体流通回転子内に導かれた処理対象となる流体に各種操作が施される。

また、構造体外周側部又は外縁部に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口を有する構造体からなる流体流通回転子とし、前記と同じく、流体が存在し、前記流体供給口から流体が侵入できる状態で回転させると、流体が流体供給口より吸い込まれ、流体流通路内に至り、流体流通回転子が回転したときの、流体流通回転子外周側部又は外縁部の回転速度と、該外周側部又は該外縁部と接触する流体の移動速度との差を利用して、すなわち、流体の慣性力を利用して、流体を流体供給口から流体流通路を経て流体排出口に流通させる。
流体を、流体供給口から流体流通路を介して、流体排出口へと流通させることにより、流体のろ過、吸着、分離、濃縮、抽出、反応などの操作が可能となる。この場合に流体流通回転子の回転手段は、流体流通回転子に接続して回転駆動手段が固定されているものであり、回転駆動手段の回転に応じて回転させるものである。又、前記流体流通路とは別体に磁性体を有する回転体として構成したり、流体流通回転子を磁性体により構成して、流体流通回転子が収納されている容器及び容器に接して回転可能な磁性体から装置として構成し、回転可能な磁性体を回転させると、それに応じて回転体を回転させることができる。外周側部又は外縁部に流体の入口及び流体の出口を有する物体を回転させたとき、流体の慣性力を利用して、流体を該入口から該出口へと流通させるものである。

本発明によれば、以下の発明が提供される。
（１）構造体頂部及び（又は）底部の中心部又はその近傍に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である構造体外周側部又は構造体外縁部には流体排出口を有する構造体であることを特徴とする流体流通回転子。
（２）構造体頂部及び（又は）底部の中心部又はその近傍に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である構造体外周側部又は構造体外縁部には流体排出口を有し、磁性材料により構成される構造体であることを特徴とする流体流通回転子。
（３）構造体頂部及び（又は）底部の中心部又はその近傍に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である構造体外周側部又は構造体外縁部には流体排出口を有し、前記流体流通路とは別体に磁性体を有する構造体であることを特徴とする流体流通回転子。
（４）構造体外周側部又は構造体外縁部に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口が設けられている構造体であることを特徴とする流体流通回転子。
（５）構造体外周側部又は構造体外縁部に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口が設けられており、磁性材料により構成される構造体であることを特徴とする流体流通回転子。
（６）構造体外周側部又は構造体外縁部に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口が設けられており、前記流体流通路とは別体に磁性体を有する構造体であることを特徴とする流体流通回転子。
（７）前記流体流通路に、フィルター又は分離材からなる層が設置されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか記載の流体流通回転子。
（８）前記フィルター又は分離材として、対象とする物質を吸着するための吸着材から構成されていることを特徴とする（７）記載の流体流通回転子。
（９）前記フィルター又は分離材として、細胞、微生物、ウイルスを捕獲分離するフィルター又は吸着材に担持させて用いることを特徴とする（７）記載の流体流通回転子。
（１０）前記流体流通路に、反応材又は触媒が保持されていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれか記載の流体流通回転子。
（１１）反応材が担体に担持した殺菌材、又は細胞、微生物、ウイルスであることを特徴とする（１０）記載の流体流通回転子。
（１２）反応材又は触媒として、細胞、微生物又はウイルスを用いることを特徴とする（１０）記載の流体流通回転子。
（１３）流体処理物質及び（２），（３），（５），又は（６）何れか記載の流体流通回転子が容器に収容されており、この容器に接して流体流通回転子の回転駆動手段が組み合わされて構成されていることを特徴とする流体処理装置。
（１４）流体処理物質及び駆動手段に接続した（１）又は（４）何れか記載の流体流通回転子が容器に収容されていることを特徴とする流体処理装置。

本発明によれば、ポンプなどにより流体に圧力を付加することなく、流体の流れる方向に圧力を付加し、且つ流れの方向を制御して、流体に含まれる物質のろ過、吸着、分離、反応など、又は他の流体による濃縮、抽出、あるいは固体と流体又は流体相互の反応などの操作を行うことを可能とする流体流通回転子、及びこの流体流通回転子を用いた反応装置が得られる。

本発明を添付の図面を参照してより詳細に説明する。
図１は、流体流通回転子を容器内に収容し、容器に接して流体流通回転子の回転駆動手段が組み合わされて構成されている処理装置を示す全体図である。
図２は、駆動手段に接続した流体流通回転子が容器に収容されている処理装置を示す全体図である。
図３は、安定して回転するよう断面が三角形である流体流通回転子である。
図４は、断面が円形の流体流通回転子を示す図である。
図５は、断面が管状の磁性体により構成される棒状の流体流通回転子を示す図である。
図６は、円盤状であり、４つの排出口を設けた 流体流通回転子である。
図７は、棒状流体流通回転子の排出口の一方を塞ぎ、排出口を１個にしたものである。
図８は、流体流通回転子は、回転体外周側部又は外縁部の回転速度と、該外周側部又は該外縁部と接触する流体の移動速度との差を利用して、すなわち、流体の慣性力を利用して、流体を該入口から該排出口へと流通させることを特徴とする流体流通回転子の一例である。
図９は、図３に示す流体流通回転子にフィルターを直接固定した流体流通回転子の側面断面図である。
図１０は、流体流通回転子の流通路に設置するための、フィルター及び吸着材を保持させた管状体である。
図１１は、図１０に示す管状体をストッパーにより図３に示す（ただし排出口の一方を塞いだもの）流体流通回転子の流通路に設置したものである。

流体流通回転子について説明する。
ここに記す流体とは、工業プロセスや化学工学で用いられる各種の液体及び超臨界流体、環境分析や分析化学で分析対象となる工場排水、河川・湖沼水、海水、雨水などの各種試料溶液、水処理分野で対象となる工場排水、水道水、飲料水などの各種水試料、バイオ分野で対象となる発酵液、醸造液などの各種反応液、医療分野など対象となる血液などの生体液や生理活性物質を含む溶液、臨床検査液、薬液、治療液などの各種溶液、また、その他分野で用いられる各種反応や処理の対象とされる様々な種類の液体及び超臨界流体が含まれる。

流体流通回転子は、構造体（構造体頂部及び（又は）中心部又はその近傍に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口を有する）を有する点に特徴がある。

（I）外観形状について
流体流通回転子は、流体中で回転させて利用するものである。したがって、流体中で回転させやすい構造を有している。具体的には、棒状の形状のものを挙げることができる。この棒状の断面が三角形のもの（図３、９、１１）、流体流通回転子の形状が棒状であり、断面が円形のもの（図４、５、７）がある。棒状の形状において断面が円形状であるか三角形状を取るかは加工性のことなどを考慮して適宜決定される。三角形状は、４角形、５角形、６角形、これ以上の多角形状とすることができる。また、流体流通回転子が円板状のもがある（図６、８）。この変形としては、なお、形状は、棒状で交差した十字形状や棒状体が多重に交差した形状、多角形状のもので板状のものなどが挙げられる。 そして、これらの形状は、流れに対して抵抗を少なくすることなどを考慮して、角や面を滑らかな形状、例えば、縁取りをしたり、球状や円柱状などにすることができる。また棒状のものにあっては、先に行くにしたがって、細くすることなどができる。
流体流通回転子は、その内部に有する磁性体及びこれに対応して用いられる回転駆動手段の作用により回転する回転体、又は回転駆動手段に接続する 回転する流体流通回転子であり、回転はその中心部を中心に行われる。
流体流通回転子を形成するために用いる材料としては、プラスチック、金属材料又は陶器あるいは酸化物系無機材料により形成することができる。軽量化をはかり、製造・加工性が良好な材料としいてはプラスチックが最も良好であると考えられる。プラスチックとしては、ポリ４フッ化エチレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどが用いることができる。これらは成形加工方法などを考慮して適宜決定することができる。
流体流通回転子の材料として、磁性材料により形成する場合には、金属材料として磁性体を採用したり、磁性を有するプラスチック材料を用いることができる。
回転数に関しては、必要に応じて適宜定めることができる。実施例１では１８０回／分、 実施例２では２００回／分、実施例３では６０回／分の条件下に行った。

（II）流体供給口について
流体流通回転子は、その構造体頂部及び（又は）底部（換言すれば、頂部及び底部、場合によっては頂部又は底部の何れか一方）の中心部又はその近傍に流体供給口（６）を有している。なお、流体流通回転子が円盤状の場合には、頂部は天井部、底部は前記天井部分に対応する底部を表す。頂部に設置する場合（図１、３、４、６、７、９），底部に設置する場合（図２）、頂部と底部の双方に設置する場合（図５）がある。
流体流通回転子は、その内部に有する磁性体及びこれに対応して用いられる回転駆動手段の作用により回転する回転体、又は回転駆動手段に接続する 回転する流体流通回転子であり、回転はその中心部を中心に行われる。その近傍とは、中心部近傍を意味し、回転に支障がない範囲であれば、流体供給口は中心部から離れていても差し支えないことを意味するものである。
流体供給口（６）は、液体と接触する表面部或いは周囲から流体が侵入しやすくするために、凹部状に形成される（（図１〜７、９、１１）。表面部は、場合によっては表面に傾斜を付けて、液体を流体供給口（６）に流入しやすく流入しやすくすることができる。流体供給口を２個（図５）あるいは、多数個設けることも可能である。

（III）流体流通路について
流体供給口（６）に接続して、流体流通路（５）が設置されている。
一般に、流体流通路は、流体流通回転子内部に、流体供給口（６）から外部方向に向かって水平方向に形成される（図１〜図６）。流出する方向に向かって傾斜をもたせることもできる。流体流通路及び流体排出口を一方向のみに設置することもできる（図７、９）。この場合には、流体流通回転子に回転ムラが生じないように、流体流通路が設けられていない方向に対しても、操作時に同じような重さとなるように、重さを調製するようにする。また、方向は四方に延びるように設置することもできる（図６）。放射状に、又、渦巻き状として設置することもできる。また、周囲の円周方向に向かって円形方向に設置することができる。また、できるだけ均等に液体が配分されるように、デストリビュータを配置することもできる。流体流通路には、液体の攪拌混合処理を意図する場合には何も充填しない状態とする。又、反応などの処理を目指す場合には、触媒層として形成することができる。
吸着物質の具体例としては、活性炭、ゼオライト、ポリマー、各種担体などに担持した吸着物質、担体に担持した抗原や抗体などを挙げることができる。
ろ過層あるいはろ過膜には、フィルターが用いられ、目的に応じて様々な種類のものが使用でき、例えば、ガラス繊維フィルター、メンブレンフィルター、限外ろ過膜、透析膜等を挙げることができる。
触媒は、処理に際し予め適当な粒径の担体とし、この担体に特定の触媒を担持した固体状の触媒とすることができる。また、反応させるための反応材を充填しておくこともできる。反応材には、一方の反応原料を固体状で置いておくことができる。また、流体に溶解させたいときには、固体状で置いておくことができる。
触媒や反応に関与する物あるいは吸着剤として、細胞、微生物、ウイルスなどを担体に担持させたり、フィルター又は吸着材に担持させて利用することができる。
銀などを担体に担持した殺菌材を用いることもできる。
また、この部分にフィルター又は分離材を充填し、特定の物質を吸着するための吸着材として利用することができる。フィルターは多重に設置してよい。フィルター又は分離材により分離された物質を利用する場合には、これらに捕集された物質として、これらから分離して回収する。これらはカートリッジにして任意に交換できるようにしてもよい（図１０）。これらの手段を固定するには、適宜固定手段により固定することができる。例えば、Ｏリングなどによりてフィルターを固定すること、ストッパーにより流体流通路にフィルターを固定することができる。流体流通路の長さは、流体流通路内で行う操作、反応時間を考慮して、適宜決定される。
流体流通回転子の流体流通路を流れる流体の流速は、流体流通回転子の回転数及びその回転数により得られる遠心力に応じて決定される。この際、流通路内に設置するフィルターの孔径、吸着材や触媒の種類、充填密度等に応じて、同じ回転数でも流速は異なる。また、ストッパー１４の穴径を変えることにより、制御することもできる。

（IV）流体排出口について
流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口（７）が設置される（図１乃至７、９、１１）。この部分から処理された流体が排出される。排出しやすくするように丸みを帯びて成形したり、ノズルを介して排出するようにすることができる。

（V）流体供給口及び流体排出口の設置場所に関して
流体流通回転子は、外周側部又は外縁部に流体供給口を有し、流体供給口に接続し流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である外周側部又は外縁部には流体排出口を有する構造とすることもできる（図８）。
回転体外周側部又は外縁部の回転速度と、該外周側部又は該外縁部と接触する流体の移動速度との差を利用して、すなわち、流体の慣性力を利用して、流体を該入口から該出口へと流通させることを特徴とする流体流通回転子の一例である。このタイプの流体流通回転子は、回転方向により入口と出口が逆になる。この場合には、流体流通路とは別体に磁性体を有することもできるし、また、回転体が磁性体により構成されている回転体であることとすることもできる。
流体流通路については前記（III）の場合と同様な構造及び役割をはたすものである。

（VI）磁性体について
流体流通回転子を回転駆動させるために、流体流通回転子を直接駆動手段に接続することができる。また、流体流通回転子を容器に入れて、この容器に接して流体流通回転子の回転駆動手段が組み合わせて設置し、回転駆動手段の運動により流体流通回転子を回転させることができる。この場合には、 流体流通回転子を磁性材料により製造したり、別に磁性体を内部に設置することが行われる。
回転駆動手段である磁性体１０は、前記流体流通路とは別体に設置することもできる。通常は磁性体１０は流体流通路の下部に設置されることが多いが（図１、３、４、６、７、９、１１）、設置個所は下部に限られるものではなく、流体の流通の妨げにならず、且つ回転を妨げない位置であれば、任意の位置に設置することが可能である。また、流体流通路と磁性体とを別体とせず、流体流通回転子が磁性材料により構成してもよい。この場合には、磁性材料を加工して、流通路を形成することもできる（図５）。
流体流通回転子の構造部材１１に接して、被覆材（２０）により磁性体を被覆し、磁性体が腐食することを防ぐことができる（図１１）。
回転駆動手段に流体流通回転子を接続して、回転駆動手段により流体流通回転子を回転する場合には、磁性体は不要であり、又流体流通回転子を磁性体で製造する必要はない。

本発明の処理装置は、処理物質及び流体流通回転子が収納されている容器、及び前記流体流通回転子を回転駆動させる手段から構成される処理装置である。
この装置の具体例は、 図１及び図２に示される。
図１に示される処理装置について説明する。 流体である処理物質を容器中に入れ、次いで、流体流通回転子（４）をいれる。この段階で処理の準備は完了する。
容器を、流体流通回転子の回転駆動手段の上に置き、回転駆動手段を駆動する。
この回転駆動手段は、モーターにより磁石を高速回転させるものであり、この回転に応じて磁性体の作用により、流体流通回転子が回転する。
流体流通回転子４を回転させると、流体流通回転子の流通路５（図３参照）にある流体試料は、中心部の流体供給口６からは、処理対象となる流体試料として流入され、流体流通路５で処理されて、遠心力の作用により流体流通回転子の両端の流体排出口７から排出される。このとき、試料容器２に入れられた流体試料の全体的な流れは、図１の破線で示したとおりである。マグネティックスターラーを用いると、回転軸８を流体試料１に浸ける必要がなく、汚染を少なくすることができる。
図２の装置は、流体流通回転子４に回転軸８を取り付け、モーター９により流体流通回転子４を回転させるようにして処理を行う装置である。モーターにより駆動されるほかは、前記の装置と同じであり、同様に処理とする流体が処理される。

この流体流通路を用いる流体処理には以下の操作がある。
（１）流体に含まれる物質を攪拌して、含まれる物質を溶解混合させ、均一溶液をつく る。
（２）混ざり合いにくい液体を、混合させて均一溶液とする。
（３）流体に含まれる物質を回収あるいは除去するためにろ過する。
（４）流体に含まれる物質を吸着分離したり、濃縮することによる分離操作を行う。
（５）液液抽出などによる抽出分離及び濃縮などによる各種分離操作、及び
（６）固体と流体及び流体と流体の反応操作
以下にこれらの操作について具体的に説明する。

（１）流体中に含まれる物質を流体とともに攪拌して、含まれる物質を溶解混合させ、均一溶液をつくる。
流体中に含まれる物質を流体とともに、攪拌する。この場合に流通路内は空管のものであってよい。流通路内に流体供給口から流体が流入し、遠心力を得て流体は高速で流体排出口から排出される。高速の状態で液体が移動することにより、流体中に含まれる物質が液体中にとけ込むこととなる。
（２）混ざり合いにくい液体を、混合させて均一溶液をつくる。
混ざり合いにくい液体からなる流体を攪拌する。この場合に流通路内は空管のものであってよい。流通路内に流体供給口から流体が流入し、遠心力を得て流体は高速で流体排出口から排出される。高速の状態で移動することにより、混ざり合いにくい液体が接触することにより均一溶液となる。
（３）流体に含まれる物質を回収あるいは除去するためにろ過する。
流体中に含まれる物質を回収あるいは除去する際に、ろ過操作を採用する。
ろ過には、ろ過層あるいはろ過膜が用いられる。ろ過層あるいはろ過膜には、フィルターが用いられ、目的に応じて様々な種類のものが使用でき、例えば、ガラス繊維フィルター、メンブレンフィルター、限外ろ過膜、透析膜等がある。フィルターの孔径を変えることにより、粒子の粒径による分別や、分子量の違いによる分別を行うこともできる。
図９は、図３に示す流体流通回転子（ただし一方の流通路は塞いだもの）にフィルター１２をＯリング１３及びストッパー１４により直接固定した流体流通回転子の側面断面図である。フィルターを直接固定する以外にも、図１０に示す管状体１５にＯリング１６を用いてフィルター１７や１８を固定したものを、図１１に示すようにストッパー１４により流体流通回転子の流路に設置してもよい。フィルター１７と１８の孔径を変えることにより、粒子の粒径による分別や、分子量の違いによる分別が可能となる。フィルターの枚数も２枚に限る必要はなく、必要に応じて枚数は増減してもよい。
ガラス繊維フィルター、メンブレンフィルターは、フィルターの孔径が、例えば、５μm、１μm、0.45μm、0.2μmなど多くの種類があり、それらを適宜利用することにより、孔径に応じた大きさの沈殿物や結晶あるいは微生物を分離することが可能となる。また、限外ろ過膜は種類に応じて特定の分子量よりも大きい分子は通さないので、膜を選択することにより分子量分画を行うことが可能となり、例えばタンパク質、抗体あるいは核酸などの生理活性物質の分離に用いられる。透析膜も限外ろ過膜と同様の働きをするが、更に小さい分子やイオンの分離や脱塩などが可能となる。

（４）流体に含まれる物質の吸着分離及び濃縮などによる各種分離操作を行う。
流体に含まれる物質を分離する際に、吸着材を採用する。
吸着材には、活性炭、ゼオライト、ポリマー、各種担体などに担持した吸着物質、担体に担持した抗原や抗体などがある。活性炭を用いると各種重金属や多種類の有機物を同時に吸着することができる。ポリマーとしてポリウレタンフォームやXAD-2樹脂を用いると疎水性の有機物を吸着することが可能であり、Chelex-100などのキレート樹脂を用いると重金属を吸着することができる。また、吸着には、樹脂だけでなくフィルターを用いることもできる。例えば、イミノ二酢酸基やオクタデシル基を結合させたフィルターを用いると、各々重金属や疎水性有機物を吸着することができる。このようなフィルターには、重金属や農薬類などを選択的に吸着するものが多数開発されているが、それらを用いることにより、流体中に溶存している、これらの物質を吸着分離することが可能となる。また、ダイオキシン抗体などを固定化したフィルターを用いるとダイオキシンなどの化学物質を選択的に吸着することが可能となる。異なる吸着能を有するフィルターを同時に用いることにより、各々のフィルターに異なる種類の物質を同時に吸着させることが可能となる。また、フィルターと吸着材を併用することも可能であり、例えば、図１０に示すように、フィルター１７と１８の間に吸着材１９を設置することも可能である。
これらの吸着操作を行うことにより、流体に含まれる特定の成分を除去することもできるし、逆に、微量に含まれている特定成分を分離し、これを回収して目的物質を取り出す手段とすることもできる。

（５）液液抽出などによる抽出分離及び濃縮などによる各種分離操作を行う。
流体と抽出液を接触させて、流体中に含まれる特定成分を分離したり、濃縮を行うものである。例えば、図１０の吸着材１９の替わりに、多孔性粒子の細孔に水に殆ど溶けない疎水性溶媒を含浸させたものを設置した流体流通回転子を水中で回転させることにより、水試料に含まれる疎水性物質を、この疎水性溶媒中に抽出・分離することが可能となる。例えば、疎水性溶媒として、フタル酸ジエチルヘキシル（別名ジオクチルフタレート）にバリノマイシンを溶かしたものを用いると、水試料に含まれるカリウムイオンを選択的に抽出することができる。また、逆に多孔性粒子の細孔に親水性溶媒を含浸させたものを設置した流体流通回転子を疎水性有機溶媒中で回転させることにより、有機溶媒に含まれる親水性物質を、この親水性溶媒中に抽出・分離することが可能となる。これらの操作により、少量の成分を対象に抽出分離を行うことができる。

（６）固体と流体及び流体と流体の反応を行う。
図１０の吸着材１９の替わりに、触媒として酵素を担持させた微粒子を用いることにより、流体中に含まれる基質を酵素と高速で反応させることが可能となる。例えば、酵素としてグルコアミラーゼを用いると、基質であるデンプンを加水分解してグルコースを製造することが可能である。もちろん、酵素と基質の組み合わせはこれに限るものではない。
また、図１０の吸着材１９の替わりに、土壌試料を詰め、流体として１mol/Lの塩酸を用いると、土壌試料中の金属を溶出させることが可能となり、土壌試料中の溶出金属分析の前処理法として用いることができる。
また、図１０の吸着材１９の替わりに、多孔性粒子の細孔に、殺菌作用のある化合物、例えば銀を担持させたものを設置した流体流通回転子を水中で回転させて水試料と接触させることにより、水試料を滅菌することが可能である。また、銀のような固体を担持させたものの代わりに、殺菌剤を溶解させた疎水性の流体を含浸させたものを設置した流体流通回転子を水中で回転させて水試料と接触させることによっても、水試料を滅菌することが可能となる。

水中の微量金属の吸着分離の例
水中の微量金属を吸着濃縮するための流体流通回転子には、図１０のフィルター１７として孔径0.45μmのメンブレンフィルター（直径４mm）を、またフィルター１８としてイミノ二酢酸系の官能基を有する金属吸着用のフィルター（直径４mm）を、内径３mm、外径５mm、長さが３０mmの管状体１５に固定したものを、図１１に示すように流体流通回転子の流体流通路５に設置し、これをストッパー１４により固定したものを使用した。磁性体１０としては直径３mm、長さ６０mmの永久磁石を用い、これを被覆材２０として厚さ約１mmの石英ガラス膜で覆った。回転体構造部材１１としては直径１５mm、長さ８０mmのテフロン（登録商標）棒を使用した。磁性体を石英ガラスで被覆した理由は、流体流通回転子を酸に浸けて洗浄する場合に、酸蒸気が徐々にテフロン（登録商標）を透過して磁性体を錆びさせることを防ぐためである。図１に示す試料容器２に、pH値が約５〜６に調整された水試料１００ml及び前記流体流通回転子を入れ、マグネティックスターラー３で１８０回／分の回転速度で３０分間回転させた。この間、水試料は中心部に設置した直径５mmの流体供給口６を介して、順次、0.45μmのメンブレンフィルター、イミノ二酢酸系の官能基を有する金属吸着用のフィルターに供給された後、流体排出口７より排出され、図１の破線で示すように、何度もこのプロセスが繰り返された。これにより、0.45μmのメンブレンフィルターでは粒子態の金属が捕集され、イミノ二酢酸系の官能基を有するフィルターでは、溶存態の金属がキレートを形成し、吸着捕集された。粒子態の捕集率はほぼ１００％、また溶存態の捕集率は、金属の種類にもよるが、銅、亜鉛、鉛、希土類元素等多くの元素で９５％以上であった。
これらの操作においては、イミノ二酢酸系の官能基以外にもオキシンなどの金属を吸着する様々な種類の官能基を有するフィルターを用いることができる。また、１枚のフィルターの捕集率が劣る場合には、フィルターの枚数を増やして捕集率を上げることも可能である。また、フィルターの替わりに、吸着材１９として、イミノ二酢酸系のキレート樹脂（例えば、Chelex-100など）を詰めてもよい。なお、金属ではなく、有機物を捕集したい場合は、フィルター１８として、有機物を吸着するもの、例えば、オクタデシル基を有するものや、活性炭素繊維フィルター等を用いればよい。また、フィルター１７と１８として、孔径１μmのガラスフィルターを用い、その間に吸着材１９として、例えばXAD-2やポリウレタンフォーム等を用いると、ダイオキシン等の有機物を捕集することもできる。ダイオキシン等を捕集する場合は、回転体構造部材としては、テフロン（登録商標）の代わりにガラス又はステンレス鋼を用いる方が望ましい。

土壌含有量基準の検液調製法の例
流体流通回転子には、図１０のフィルター１７、１８として孔径0.45μmのメンブレンフィルターを用い、この間に測定用の土壌試料３ｇを充填し、これを図１１に示すように流体流通回転子の流体流通路５に設置し、これをストッパー１４により固定したものを使用した。図１に示す試料容器２に、１mol/Lの塩酸１００ml及び前記流体流通回転子を入れ、マグネティックスターラー３で２００回／分の回転速度で、２時間回転させた。この間、１mol/Lの塩酸は中心部に設置した直径５mmの流体供給口６を介して、土壌試料に供給された後、流体排出口７より排出され、図１の破線で示すように、何度もこのプロセスが繰り返された。これにより、土壌中の金属が塩酸溶液中に溶出されて、土壌含有量基準の検液が調製される。
実施例３

ダイオキシン類の抽出・回収
２０ Lの水試料から、実施例１に示す方法により、ダイオキシン類を吸着させたXAD-2樹脂（１ｇ）を、実施例２の土壌試料に準じて流体流通回転子内に充填し、その流体流通回転子を、１０mLのジクロロメタンが入った試料容器２に入れ、マグネティックスターラー３で６０回／分の回転速度で、１６時間回転させた。この間、ジクロロメタンは中心部に設置した直径５mmの流体供給口６を介して、XAD-2樹脂に供給された後、流体排出口７より排出され、図１の破線で示すように、何度もこのプロセスが繰り返された。これにより、XAD-2樹脂に吸着されていたダイオキシン類がジクロロメタンに抽出され、回収された。回収率はほぼ１００％であった。

処理装置を示す全体図 処理装置を示す全体図 流体流通回転子の一例を示す断面図 断面が円形の流体流通回転子を示す図 断面が管状の磁性体により構成される流体流通回転子 円盤状の流体流通回転子に多数の排出口を設けたもの 棒状の流体流通回転子を示す図 流体の慣性力を利用して、流体を該入口から該排出口へと流通させる流体流通回転子 流体流通回転子にフィルターを直接固定した流体流通回転子の側面断面図 流体流通回転子の流通路に設置するための、フィルター及び吸着材を保持させた管状体 図１０に示す管状体をストッパーにより、図３に示す（ただし排出口の一方を塞いだもの）流体流通回転子の流通路に設置したもの

符号の説明

１ 流体試料
２ 試料容器
３ 流体流通回転子の回転駆動手段（マグネティックスターラー）
４ 流体流通回転子
５ 流体流通路
６ 流体供給口
７ 流体排出口
８ 回転軸
９ モーター
１０ 磁性体
１１ 流体流通回転子構造部材
１２ フィルター
１３.１６ Ｏリング
１４ ストッパー
１５ 管状体
１７．１８ フィルター
１９ 吸着材
２０ 被覆材

Claims (21)

1. 構造体頂部又は底部の少なくとも何れか一方の中心部又はその近傍に流体供給口を有し、流体供給口に接続した管状の流体流通路が設けられており、流体流通路の端部である構造体外周側部又は構造体外縁部には流体排出口を有する構造体であることを特徴とする流体流通回転子において、
   前記構造体は、モーターにより磁石を高速回転させる回転駆動手段の回転に応じて磁性を帯びた磁性体の作用により回転するか、又は回転軸を介して取り付けたモーターの回転に応じて回転するものであって、
   前記流体流通路に、フィルター又は吸着材を有する管状体のカートリッジが設置されていることを特徴とする流体流通回転子。
2. 前記構造体が、モーターにより磁石を高速回転させる回転駆動手段の回転に応じて磁性を帯びた磁性体の作用により回転する構造体であって、かつ磁性を帯びることができる金属材料又はプラスチック材料からなる磁性材料により構成される構造体であることを特徴とする、請求項１に記載の流体流通回転子。
3. 前記構造体が、モーターにより磁石を高速回転させる回転駆動手段の回転に応じて磁性を帯びた磁性体の作用により回転する構造体であって、かつ前記流体流通路とは別体に磁性を帯びることができる金属材料又はプラスチック材料で成形された磁性体を有する構造体であることを特徴とする、請求項１に記載の流体流通回転子。
4. 前記カートリッジが、ストッパーにより前記流体流通路に固定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体流通回転子。
5. 前記フィルターとして、ガラス繊維フィルター、メンブレンフィルター、限外ろ過膜、透析膜から選択されたフィルターを有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体流通回転子。
6. 前記フィルター又は吸着材として、イミノ二酢酸系の官能基もしくはオキシン基を有するフィルター、又はキレート樹脂からなる吸着材である、金属吸着用フィルター又は金属吸着用吸着材を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体流通回転子。
7. 前記フィルターとして、オクタデシル基を有するフィルター又は活性炭素繊維フィルターである、有機物吸着用フィルターを用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体流通回転子。
8. 前記カートリッジが、複数のフィルターの間に吸着材を設置したものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の流体流通回転子。
9. 前記カートリッジが、ガラス繊維フィルターの間に、吸着材としてＸＡＤ−２又はポリウレタンフォームを設置した、有機物捕集用のカートリッジであることを特徴とする請求項８に記載の流体流通回転子。
10. 前記カートリッジが、複数のフィルターの間に、疎水性溶媒を含侵させた多孔性粒子を設置したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体流通回転子。
11. 前記カートリッジが、複数のフィルターの間に、酵素を担持させた微粒子を設置したものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体流通回転子。
12. 前記カートリッジとして、複数のフィルターの間に、土壌試料を設置したカートリッジを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体流通回転子。
13. 前記カートリッジが、複数のフィルターの間に、殺菌性化合物を細孔に担持させた多孔性粒子を設置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体流通回転子。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の流体流通回転子及び流体が容器内に収容されており、この容器に接して流体流通回転子の回転駆動手段が組み合わされて構成されていることを特徴とする流体処理装置。
15. 前記流体処理装置が、流体に含まれる物質をろ過し、回収あるいは除去するための装置である請求項１４に記載の流体処理装置。
16. 前記流体処理装置が、流体に含まれる物質を吸着分離又は濃縮するための装置である、請求項１４に記載の流体処理装置。
17. 前記流体処理装置が、流体に含まれる物質を吸着分離後、さらに他の流体で抽出するための装置である、請求項１６に記載の流体処理装置。
18. 前記流体処理装置が、流体に含まれる物質を、抽出分離又は濃縮するための装置である、請求項１４に記載の流体処理装置。
19. 前記流体処理装置が、流体に含まれる基質を酵素反応させるための装置である、請求項１４に記載の流体処理装置。
20. 前記流体処理装置が、水試料を殺菌するための装置である請求項１４に記載の流体処理装置。
21. 前記流体処理装置が、カートリッジ中に設置された土壌試料から、金属を溶出するための装置である請求項１４に記載の流体処理装置。

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