JP4477007B2 - クロマトグラフィーカラム分配系 - Google Patents

Description

本発明はクロマトグラフィーカラム用の液体分配系に関する。具体的には、本発明は大規模クロマトグラフィーカラムに拡張可能な液体分配系に関する。

分離法、特に液体クロマトグラフィーにおいては、流体分配系は全体的性能に重大な影響を与え、クロマトグラフィーカラムの断面積の増大に伴ってその重要性は高まる。

液体クロマトグラフィーに使用されるカラムは、通例、本体を形成する構造を備えており、その構造内に多孔質媒体が収容され、多孔質媒体を通してキャリア液が流れるが、分離はキャリア液と多孔質媒体の固相との間の物質分配によって達成される。通例、多孔質媒体はカラム内に充填ベッドとして収容され、通例、離散粒子の懸濁液を詰めることによって形成される。充填ベッドの代替はいわゆる流動ベッド又は流動層であり、流動ベッドの有効多孔率及び体積は流体の速度に依存する。以下、「充填物」という用語はあらゆるタイプのクロマトグラフィーの多孔質固相を表すのに用いる。クロマトグラフィーの分離効率はいずれのモードでも充填物の流体入口及び出口の液体分配／回収系によって大きく左右される。

理想的には、キャリア液は充填物の上面全体に均一に導入され、充填物の断面全体で同じ線速度で充填物内を流れ、充填物の底部で画成される面で均一に取り出される。

液体クロマトグラフィーに用いられる従来の分配系は、カラムの分離効率に悪影響をもつ幾つかの固有の問題に対処しなければならない。こうした問題としては、充填物の上面での不均一な初期流体分配並びに充填物の出口での不均一な流体回収が挙げられる。不均一な初期流体分配の問題とは、充填物の横断面全体にある体積の試料を同時に添加する際の問題を包括していう。充填物の上面によって画成される平面に流体が同時に導入されない限り、充填物内で均一な流れ分布を達成することは事実上不可能である。

これは、系全体に流体と共に輸送されるトレーサ物質の対流滞留時間分布の幅を広げてクロマトグラフィー系の分散を増大させる。液体分配系によって生じる分散は、拡散及び混合効果によりクロマトグラフィー充填物自体によって導入される分散の量との関連で制御しなければならない。

標準流体分配系は、カラムの端板に形成された移動相用の１つの中央入口とカラム入口端のフィルタ（ネット又はシンター）又はベッド支持体の背後の細い分配流路（間隙）との組合せ並びにカラム出口端の同様の流体回収系からなる。フィルタ又はベッド支持体はリブによって支持され、リブは端板の内面からフィルタ又はベッド支持体の端板に面した側まで延在する。リブは放射状に延び、リブ間の空間は流体を分配するための分配流路を形成する。各リブは、カラムの中心に面するテーパ端部と、テーパ部からカラム壁まで延在する実質的に一定の幅の本体とを有する。所定の半径位置において、フィルタ／ベッド支持体の必要な機械的支持を保持するためリブの数は倍になる。カラムにおいて、半径位置ｒにおける分配流路の液体流のための局所有効断面積は、流路の深さｈと流路の幅ｗと流路の数によって定義される。カラムにおける液体流のための局所有効流路高（即ち、カラムの中心から所与の半径距離の位置での流路高）は、実際のカラムの同一半径距離における流路の合計断面積と同じ液体流断面積を有する対応開放流路（即ち、リブのない流路）の局所高として定義される。例えば、あるカラムにおいてカラム中心からの距離Ｒにおける流路高が４ｍｍで、距離Ｒにおける断面積の半分がリブで占められている場合、距離Ｒにおける有効流路高は２ｍｍとなる。フィルタ又はベッド支持体全体に理想的な流体分配を与えるには、局所有効流路高がカラムの中心からカラム壁まで直線的に変化するのが望ましいと考えられる。しかし、従来技術では、リブのサイズと数が局所有効流路高に及ぼす効果については何ら考慮されていなかった。これを図３に示す。この図で、実線は、Ｒ＝５５ｍｍ及びＲ＝１１０ｍｍを始点とするリブをもつ従来技術の典型的なカラムについてカラムの中心からの半径距離（Ｒ）に対して算出した有効流路高（ＥＣＨ）を示し、点線は局所有効流路高の望ましい線形変化を示す。Ｒ＝５５ｍｍでは、理想局所有効流路高が３．８ｍｍであるのに対して実際の局所有効流路高は３．２ｍｍ、つまり理想値の８４％しかなく、Ｒ＝１１２ｍｍでは、実際の有効局所流路高は１．４ｍｍで、理想高さ２．５ｍｍの５６％しかない。明らかに、リブ数が倍となる半径位置で有効流路高に局所的減少が存在し、分配流路の流れを絞る。これは局所的圧力増加を起こし、クロマトグラフィー性能に悪影響をもつ。
米国特許第６２２４７６０号明細書 米国特許第４８９４１５２号明細書

本発明では、請求項１の特徴的部分に存する特徴を有する装置によって従来技術の問題の少なくとも若干が解決される。

図１ａ〜１ｄに従来技術の分配系の概略図を示す。分配プレート１は、中央入口オリフィス５をもつディスク形の本体３からなる。長さＬ１の複数の第１のベッド支持リブ７が、オリフィス５の中心から距離Ｒ１の領域から、実質的に本体３の外縁９まで放射状に延在する。各第１ベッド支持リブ７は、オリフィス５又はその近傍の第１の端部６で最大高ｈ１を有し、本体３の外縁９又はその近傍の第２の端部８で最小高ｈ２を有する。各第１ベッド支持リブ７の高さは第１端部６から第２端部８まで直線的に変化する。各第１端部６には、中央入口オリフィス５に向かって長さｔ１のテーパ部１０でテーパが付けられている。各第１リブは長さ（Ｌ１−ｔ１）の細長いリブ本体１１を有し、各第１端部６のテーパ部１０から第２端部８まで実質的に一定の幅ｗ１を有する。

オリフィス５と外縁９の間に位置する第１の中間半径位置Ｒ２を始点とし、Ｌ１よりも短い長さＬ２の複数の第２の中間ベッド支持リブ１７が、第１ベッド支持リブ７間に配設される。各第２ベッド支持リブ１７は、中央入口オリフィス５に向かって長さｔ２のテーパ部１６と、実質的に一定の幅ｗ１を有する長さ（Ｌ２−ｔ２）の細長いリブ本体１８とを有する。これらの第２ベッド支持リブ１７は、第１の中間半径位置Ｒ２から実質的に本体３の外縁９まで延在する。

オリフィス３と外縁９の間の、Ｒ２よりもオリフィス３から遠い位置にある第２の中間半径位置Ｒ３を始点とする長さＬ３の複数の第３の中間支持リブ１９が、第１ベッド支持リブ７と第２ベッド支持リブ１７の間に配設される。各第３ベッド支持リブ１９は、中央入口オリフィス５に向かって長さｔ３のテーパ部２１と、実質的に一定の幅ｗ１を有する長さ（Ｌ３−ｔ３）の細長いリブ本体２３とを有する。これらの第３ベッド支持リブ１９は、第２の中間半径位置Ｒ３から本体３の外縁９の近くまで延在する。

リブ７，１７，１９間の間隙によって流路１３が形成される。

図１ａ〜１ｄから明らかな通り、半径位置Ｒ２及びＲ３の近傍の領域には、それぞれ第２及び第３の支持リブの存在による流路１３の局所断面積の減少が存在する。この局所断面積の減少によって流路１３を通過する流れが局所的に絞られ、局所的な圧力の増加として現れる。これは分配系の流れを乱し、クロマトグラフィーカラムの性能に悪影響をもつ。

図２ａ〜２ｃに、本発明に係る分配プレート１０１の第１の実施形態の概略図を示す。分配プレート１０１は、中央入口オリフィス１０５をもつディスク形の本体１０３からなる。長さＬＬ１の複数の第１ベッド支持リブ１０７が、オリフィス１０５に近い第１の内側半径位置Ｒ１から、本体１０３の外縁１０９に近い外側半径位置まで放射状に延在する。各第１ベッド支持リブ１０７は、オリフィス１０５又はその近傍の第１の端部１０６で最大高を有し、本体１０３の外縁１０９又はその近傍の第２の端部１０８で最小高を有する。各第１ベッド支持リブ１０７の高さは第１端部１０６から第２端部１０８まで直線的に変化する。各第１端部１０６には、中央入口オリフィス１０５に向かって長さｔｌ１のテーパ部１１０でテーパが付けられている。各第１リブ１０７は長さ（ＬＬ１−ｔｌ１）の細長いリブ本体１１１を有し、テーパ部１１０の最大幅の地点から第２端部１０８まで延在する。以下で説明する通り、細長いリブ本体１１１はその長さ方向に一定の幅を有していない。

オリフィス１０５と外縁１０９の間に位置する第１の内側中間半径位置Ｒ２を始点とする（ＬＬ１よりも短い）長さＬＬ２の複数の第１の中間ベッド支持リブ１１７が、第１ベッド支持リブ１０７間に配設される。各第１中間ベッド支持リブ１１７は、中央入口オリフィス１０５に向かって尖端部を有する長さｔｌ２のテーパ部１１６と、以下で説明する通り、幅が変化する長さ（ＬＬ２−ｔｌ２）の細長いリブ本体１１８とを有する。これらの第１中間ベッド支持リブ１１７は、第１中間半径位置Ｒ２から、本体１０３の外縁１０９に近い外側半径位置まで延在する。

オリフィス１０５と外縁１０９の間の、Ｒ２よりもオリフィス１０５から遠い位置にある第２の内側中間半径位置Ｒ３を始点とする長さＬＬ３の複数の第２の中間ベッド支持リブ１１９が、第１ベッド支持リブ１０７と第１の中間ベッド支持リブ１１７の間に配設される。各第２ベッド支持リブ１１９は、中央入口オリフィス１０５に向かって尖端部を有する長さｔｌ３のテーパ部１２１と、幅が変化する長さ（ＬＬ３−ｔｌ３）の細長いリブ本体１２３とを有する。これらの第２中間ベッド支持リブ１１９は、第２の内側中間半径位置Ｒ２から、本体１０３の外縁１０９に近い外側半径位置まで延在する。

リブ１０７，１１７，１１９間の間隙によって流路１１３が形成される。この実施形態では、有効局所流路高は、位置Ｒ１からカラムの外縁まで、従来技術の装置よりも一段と直線的に低下する（即ち、理想局所有効流路高と実際の局所有効流路高との最大差が理想局所流路高の１５．５％未満である）。これは、リブ間に形成される流路１１３の断面積の不連続性（つまり局所的急変）を低減又は解消すべく、細長いリブ本体１１１，１１８及び１２３の幅をそれらの長さに沿って変化させることによって達成される。これは、各第１支持リブ１０７の細長い本体１１１の、第１中間支持リブ１１７及び／又は第２中間支持リブ１１９のテーパ部１１６に隣接した位置の幅、並びに／或いは各第１中間支持リブ１１７の細長い本体１１８の第２中間支持リブ１１９のテーパ部１２１に隣接した位置の幅を、実際の有効局所流路高が理想局所有効流路高の最悪でも１５％以内、好ましくは１０％以内、さらに好ましくは５％以内、最も好ましくは理想局所有効流路高と同じになるように適合化させることによって達成し得る。第１及び第２の中間支持リブ１１７，１１９が存在する半径位置での流路の断面積の不連続性を低減させるため、各々の細長い本体１１１の任意の半径位置における幅を、実際の局所有効流路高が理想局所流路高の最悪でも１５％以内となるように適合化して中間支持リブ１１７の存在に起因する流路断面積の減少を部分的又は完全に補償する。好ましくは、最長のリブの長さの大半において、実際の局所有効流路高は理想局所有効流路高の１０％以内、さらに好ましくは５％以内、最も好ましくは理想局所有効流路高と同じである。これは、各々の細長いリブ本体１１１の半径位置Ｒｘにおける接線方向の断面積を、隣接する中間支持リブ１１７の同一半径位置Ｒｘにおける接線方向の断面積に等しい量又は大小わずかに異なる量だけ適合化させることによって達成される。本発明のこの実施形態では、第１支持リブ、第１中間支持リブ及び第２中間支持リブが存在する半径位置での流路の断面積を一定に保つため、第１支持リブ１０７及び第１中間支持リブ１１７の双方の幅をすべての半径位置Ｒｘにおいて、第２中間支持リブ１１７の存在に起因する流路断面積の減少の半分に等しい量だけ均等に適合化させることによって、第２の中間支持リブ１１９の存在に起因する流路断面積の減少を補償する。

図４は、本発明に係るカラム分配系の局所有効流路高（ＥＣＨ）と半径位置（Ｒ）との関係を示すグラフであり、カラム分配系は２組のリブを有しており、図４に示す通り第１の組はＲ＝５５ｍｍを始点とし、第２の組はＲ＝１１０ｍｍを始点とする。図４において、理想局所有効カラム高（点線で示す）からの実際の局所有効カラム高（実線で示す）の最大偏差はＲ＝１１０ｍでみられるが、実際の有効流路高は１．６ｍｍであり、理想有効流路高は１．５ｍｍであるので、その差は６．７％にすぎない。このカラムでは、最長のリブの全長にわたって、実際の局所有効流路高が理想局所有効流路高の５％以内である部分の流路の延べ長さは、これらのリブの最長リブの長さの８０％超に相当する。

好ましくは、本発明に係る分配系は、実際の局所有効流路高が理想局所有効流路高の５％以内である部分の分配系の長さが最長リブの長さの９０％超に相当するように機械加工される。さらに好ましくは、本発明に係る分配系は、これらのリブの長さの９５％超で実際の局所有効流路高が理想局所有効流路高の５％以内となるように機械加工される。最も好ましくは、本発明に係る分配系は、これらのリブの長さの１００％で実際の局所有効流路高が理想局所有効流路高の５％以内となるように機械加工される。

本発明の別の実施形態では、細長いリブ本体１１１及び１１８の双方の幅を適合化させることによって第３の支持リブ１１９の存在に起因する流路幅の減少を補償する代わりに、細長いリブ本体の１タイプ（例えば細長いリブ本体１１８）だけの幅を適合化させてもよい。

本発明の他の実施形態では、長いリブ本体の幅を適合化させることによって第２その他の支持リブの存在に起因する流路幅の減少を補償する代わりに、リブ間の流路の高さを適合化させてもよい。

以上、局所有効流路高が半径方向に直線的に変化する（即ち、局所有効カラム高がカラム中心からの半径距離の逆数に比例する）ようなカラム用分配系の実施形態を例にとって本発明を例示してきたが、局所有効流路高が直線的に変化せずに、例えば局所有効カラム高がカラム中心からの半径距離の２乗の逆数に比例するような他の式に従う曲線に沿って変化するカラム用分配系に本発明を適用することも思料される。

リブの寸法の変化の精度を高めることによって、リブの全長にわたって実際の局所有効流路高が理想流路高の５％以内にある本発明に係る分配系を達成することができる。非常に制度の高いコンピュータ制御製造法を用いることによって、リブの全長にわたって理想局所有効流路高が実際の局所有効流路高と実質的に等しい分配系を製造することができる。

以上の実施形態は本発明の例示を目的としたものであって、特許請求の範囲に記載された保護範囲を限定するものではない。

従来技術のクロマトグラフィーカラム用分配プレートの概略平面図。 図１ａの線Ｉ−Ｉに沿った断面図。 図１ａの平面図の部分拡大図。 従来技術の分配プレートの図１ｃに示す部分の斜視図。 本発明に係るクロマトグラフィーカラム分配プレートの第１の実施形態の概略平面図。 図２ａの平面図の部分拡大図。 本発明に係る分配プレートの図２ｂに示す部分の斜視図。 従来技術のカラムの有効流路高（ＥＣＨ）と半径距離（Ｒ）との関係を示すグラフ。 本発明に係るカラムの一実施形態の有効流路高（ＥＣＨ）と半径距離（Ｒ）との関係を示すグラフ。

Claims (6)

1. プレートの中心に近い第１の内側半径位置（Ｒ１）からプレートの外縁（１０９）に近い外側半径位置まで放射状に延びる１組の第１のベッド支持リブ（１０７）と、中間半径位置（Ｒ２，Ｒ３）を始点としてプレート（１０１）の外縁（１０９）に近い外側半径位置まで延びる少なくとも１組の中間ベッド支持リブ（１１７，１１９）とを備え、かくして隣り合うベッド支持リブ（１０７，１１７，１１９）間に流路が形成されるクロマトグラフィーカラム分配系（１０１）であって、第１のベッド支持リブ（１０７）の高さが第１の半径位置Ｒ１から外側半径位置まで直線的に減少し、かつ中間ベッド支持リブ（１１７，１１９）が同一半径距離における第１のベッド支持リブ（１０７）と同じ高さを有していて、少なくとも第１のベッド支持リブ（１０７）の幅が中間ベッド支持リブ（１１７，１１９）の存在に起因する流路断面積の減少を補償するように適合化されていて、実際のカラムの同一半径距離における流路の合計断面積と同じ液体流断面積を有するリブのない対応開放流路の局所高として定義される実際の局所有効流路高が、分配系の第１の半径位置（Ｒ１）と外側半径位置の間の所定の部分で、第１の半径位置Ｒ１から外側半径位置まで直線的に変化する理想局所有効流路高の１５％以内となるようにリブ（１０７，１１７，１１９）又は流路の横断面積が適合化されており、上記部分の全長が第１の半径位置（Ｒ１）と外側半径位置との距離の８０％以上に相当することを特徴とするクロマトグラフィーカラム分配系（１０１）。
2. リブ（１０７，１１７，１１９）又は流路の横断面積が、実際の局所有効流路高が理想局所有効流路高の１０％以内となるように適合化されていることを特徴とする、請求項１記載のクロマトグラフィーカラム分配系（１０１）。
3. リブ（１０７，１１７，１１９）又は流路の横断面積が、実際の局所有効流路高が理想局所有効流路高の５％以内となるように適合化されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載のクロマトグラフィーカラム分配系（１０１）。
4. 局所有効流路高がＲ１からの距離に反比例することを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のクロマトグラフィーカラム分配系（１０１）。
5. 前記部分が、第１の半径位置（Ｒ１）と外側半径位置との距離の９０％以上に相当することを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のクロマトグラフィーカラム分配系（１０１）。
6. 前記部分が、第１の半径位置（Ｒ１）と外側半径位置との距離の９５％以上に相当することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のクロマトグラフィーカラム分配系（１０１）。

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