JP5999194B2 - 超臨界流体処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界流体クロマトグラフや超臨界流体抽出装置などの超臨界流体処理装置に関するものである。

近年、超臨界流体を用いて試料の分析や抽出を行なう超臨界流体超臨界流体クロマトグラフィー（以下、ＳＦＣ：Supercritical Fluid Chromatography）や超臨界流体抽出装置（以下、ＳＦＥ：Supercritical Fluid Extraction）などの超臨界流体処理装置が注目されている。超臨界流体は液体と気体の両方の性質をもち、液体よりも拡散性が高く粘性が低いという特徴があり、超臨界流体を溶媒として用いることで、高速・高分離・高感度での分析や高精度の抽出が可能となる。

ＳＦＣは、二酸化炭素などに一定の温度及び圧力をかけて超臨界流体とし、その超臨界流体を溶媒として行なうクロマトグラフィーである。溶媒を超臨界状態に保つためには、一般的に流量を３ｍｌ／ｍｉｎ以下の微少流量とし、流路系の圧力を１０ＭＰａ以上にする必要がある。このため、ＳＦＣ装置には、流路系を１０ＭＰａ以上の一定圧力で保つための圧力制御バルブが分析カラムの後段側に設けられている。これは、ＳＦＥについても同様である。

圧力制御バルブとしては、入口流路の設けられた弁座とその入口流路を塞ぐ弁体との間の隙間（開口面積）を調整する方式のもの（特許文献１参照。）や、ダイヤフラムの駆動により流路幅（開口面積）を調整する方式のもの（特許文献２参照。）、入口流路の端部のオリフィス開口にニードルを挿入し、オリフィス開口へのニードルの挿入深さによってその隙間（開口面積）を調整する方式のもの（特許文献３参照。）などがある。

特開平２−１９０７６１号公報 特開平３−１７２６８８号公報 特開平８−３３８８３２号公報

既述のように、ＳＦＣやＳＦＥでは二酸化炭素が一般に溶媒として用いられており、二酸化炭素はダイヤフラムやニードル等によって圧力を制御している圧力制御バルブのバルブ機構部分よりも上流側では１０ＭＰａ以上の圧力に維持される。しかし、圧力制御バルブのバルブ機構部分を通過した後では、二酸化炭素の圧力は大気圧程度にまで急激に降下し、二酸化炭素が気化することによる気化熱の影響で瞬時に二酸化炭素が冷却され、圧力制御バルブの出口近傍にドライアイスが発生することがある。

圧力制御バルブの出口近傍でドライアイスが発生すると、バルブの弁体や弁座の損傷やバルブの制御性の悪化の原因となる。これを防止するために、従来では、圧力制御バルブ本体をヒータで加熱することによってドライアイスの発生を防ぐことが一般的であった（特許文献２参照。）。

例えばＳＦＣの分析中は、移動相にサンプルが含まれている時間帯と含まれていない時間帯があるため移動相の流量が時間的に変化する。また、移動相の流量を変化させて分析するグラジエント法を利用する場合にはさらに顕著に移動相の流量が変化する。移動相流量が変化すると圧力制御バルブの出口部分における二酸化炭素の気化熱も変化し、それによって冷却熱量が変化するため、圧力制御バルブの出口部分の流体温度が変化する。ヒータによる圧力制御バルブの温度制御では、ヒータの加熱をこのような瞬時の温度変化に追従させて圧力制御バルブ内を一定温度に制御することは困難である。このため、圧力制御バルブ内の移動相の温度が不安定になる。

超臨界状態の二酸化炭素は、液体や気体の状態の二酸化炭素に比べて圧力変化や温度変化による密度の変化が大きい。上述のように、ヒータによる加熱が移動相の温度変化に追従できず圧力制御バルブ内の移動相の温度が変動すると、圧力制御バルブ内の二酸化炭素の密度も大きく変化する。圧力制御バルブによって保持されるバルブ機構部分前後の圧力差ΔＰとバルブ機構部分の開口面積Ｓの関係は、ベルヌーイの定理より次式で表わされる。
ΔＰ＝Ｑ_m ²／２ρＳ²
Ｑｍは流体流量、ρは流体密度である。この式から、ΔＰを一定に保つためには、流体密度ρの変化を開口面積Ｓを変化させることによって相殺する必要があるが、流体密度ρの急激な変化に追従させて開口面積Ｓを変化させることは困難であり、その結果、圧力制御バルブで圧力を一定に制御することができなくなり、分析結果に影響を与えてしまう。

また、圧力制御バルブ本体には、ピエゾアクチュエータなどの電子的駆動機構が搭載されているため、圧力制御バルブ本体にヒータを取り付けることは、それらの電子的駆動機構の耐熱性や耐久性に悪影響を及ぼすことも懸念される。

そこで、本発明は、圧力制御バルブによる圧力制御を安定させながら圧力制御バルブの出口部分においてドライアイスが発生することを防止することを目的とするものである。

本発明にかかる超臨界流体処理装置は、試料が超臨界状態の移動相とともに流れる超臨界流路と、超臨界流路上に配置され試料の分離を行なう試料分離部と、超臨界流路上の試料分離部よりも下流側に配置され試料分離部で分離された試料成分を検出する検出器と、流体入口及び流体出口を備え、超臨界流路の検出器よりも下流側に接続され、超臨界流路内の圧力を所定圧力に制御して超臨界流路を流れる移動相を超臨界状態にする圧力制御バルブと、圧力制御バルブの流体出口に一端が接続されたバルブ後段流路と、圧力制御バルブの流体出口側に設けられバルブ後段流路内を流体出口からの移動相が気化しない圧力に保つ圧力保持手段と、を備えたものである。

本発明の超臨界流体処理装置は、圧力制御バルブの流体出口側に、圧力制御バルブの流体出口に一端が接続されたバルブ後段流路内を流体出口からの移動相が気化しない圧力に保つ圧力保持手段が設けられているので、圧力制御バルブの流体出口近傍における移動相の気化が防止され、ドライアイスの発生が防止される。これにより、圧力制御バルブ近傍において流体が気化しないため、圧力制御バルブ内の温度が急激に変動することがなくなり、圧力制御バルブによる圧力制御を安定して行なうことができる。

超臨界流体クロマトグラフの一実施例を概略的に示す流路図である。 同実施例における圧力制御バルブの一例を示す断面図である。 圧力保持手段の一実施例を概略的に示す断面図である。 圧力保持手段の他の実施例を概略的に示す断面図である。 圧力保持手段のさらに他の実施例を概略的に示す断面図である。 圧力保持手段のさらに他の実施例を概略的に示す断面図である。 圧力制御バルブの上流側に冷却手段を設けた実施例を概略的に示す断面図である。 二酸化炭素の圧力と密度との関係を温度ごとに示すグラフである。 図５の実施例の効果を検証した結果を示す画像である。

本発明にかかる流体液体処理装置の圧力保持手段は、バルブ後段流路に設けられたオリフィスであってもよい。

また、圧力保持手段はバルブ後段流路の一部として設けられた抵抗管であってもよい。

圧力制御バルブからバルブ後段流路に流入した移動相が気化しないようにするためには、バルブ後段流路内を７ＭＰａ以上の圧力に保つ必要がある。バルブ後段流路内の圧力は圧力保持手段の内径と移動相の流量によって決まる。移動相の流量は分析の目的によって変更されるが、その流量の変更幅が大きいと、圧力制御のための開口面積が固定であるオリフィスや抵抗管では、変更幅のすべての流量に対してバルブ後段流路内を移動相を気化させない好ましい圧力で保つことは不可能である。

そこで、流量の変更幅が大きい（例えば最小と最大で２桁以上の差がある）場合には、圧力保持手段はバルブ後段流路内の圧力を調節する第２の圧力制御バルブであることが好ましい。そうすれば、移動相の流量に応じて圧力保持手段の内径を調整することが可能となる。

ところで、圧力保持手段の下流側に配管が存在している場合、圧力保持手段を通過した移動相が圧力の低下によって気化し、その気化熱の影響で圧力保持手段とその近傍の配管が冷却され、それによってバルブ後段流路内の圧力が変化し、バルブ後段流路内でドライアイスが発生して管内が詰まるなどの問題が発生し得る。そこで、これを防止するために、本発明の超臨界流体処理装置では、圧力保持手段を加熱するための加熱手段をさらに備えていることが好ましい。なお、圧力保持手段が第２の圧力制御バルブである場合には圧力制御バルブを加熱手段によって加熱することになるが、第２の圧力制御バルブは管内の圧力を高精度に制御するものではないため、バルブをダイナミックに制御するピエゾアクチュエータなどの精密なアクチュエータを搭載している必要はない。そのため、超臨界流路の圧力を制御する圧力制御バルブとは異なり、第２の圧力制御バルブを加熱手段によって加熱しても、第２の圧力制御バルブを駆動するアクチュエータの機構に対する熱の影響は小さい。

また、圧力保持手段としてのオリフィスをバルブ後段流路の下流端に設け、バルブ後段流路の下流端を大気開放してもよい。オリフィス部分から大気中へ二酸化炭素を射出することで、射出された二酸化炭素が大気中で気化するため、気化熱によって配管が冷却されることはない。これにより、圧力保持手段及びその近傍の配管を加熱する加熱手段を設ける必要がなくなる。なお、ここでの「大気開放」とは、大気開放されていることと同等とみなせる程度に大きい閉じられた空間にオリフィスを通過した移動相を射出するようになっている場合も含む。

また、圧力制御バルブの流体入口に接続された流路を冷却することにより流体入口へ流れる移動相を液体状態にする冷却手段をさらに備えていることが好ましい。図８に示されているように、超臨界状態の二酸化炭素は圧力が変化すると密度が大きく変化するのに対し、４ＭＰａ以上の圧力下での液体状態の二酸化炭素は、圧力が変化しても密度がそれほど変化しない。したがって、圧力制御バルブを移動相が液体状態で通過するようにすれば、圧力制御バルブの通過に伴う移動相の圧力変化による移動相の密度変化を小さくすることができ、圧力制御バルブによる圧力制御をさらに安定させることができる。

超臨界流体処理装置の一つである超臨界流体クロマトグラフの一実施例について図１を用いて説明する。
液体状態の二酸化炭素をポンプ６により送液する二酸化炭素送液流路２と、モディファイアであるメタノールをポンプ１０により送液するメタノール送液流路４がミキサ１４に接続されている。ミキサ１４には超臨界流路１６が接続されている。超臨界流路１６上には、この超臨界流路１６に試料を注入する試料注入部（オートサンプラ）１８、分離カラム（試料分離部）２０、検出器２２及び圧力制御バルブ２４が配置されている。

二酸化炭素とメタノールはミキサ１４で混合され、移動相として超臨界流路１６に導入される。二酸化炭素送液流路２、メタノール送液流路４及びミキサ１４は、二酸化炭素とメタノールが混合された溶媒を移動相として送液する移動相供給部を構成している。超臨界流路１６は圧力制御バルブ２４によって内圧が７ＭＰａ以上に制御されており、超臨界流路１６に導入された移動相は超臨界状態となる。試料注入部１８により注入された試料は超臨界状態となった移動相によって分離カラム２０に搬送され、成分ごとに分離され、検出器２２、圧力制御バルブ２４及び圧力保持手段２６を経て外部へ排出される。
なお、移動相としては、二酸化炭素のみからなるもののほか、二酸化炭素にメタノールなどのアルコール類が混合されたもの、二酸化炭素にアセトニトリルやジクロロメタンなど高速液体クロマトグラフで用いられる溶媒が混合されたものを使用することができる。

圧力制御バルブ２４の一例について図２を用いて説明する。
圧力制御バルブ２４は、圧力制御ブロック３０内に設けられた直線形状の内部流路４０を分断する凹部４２とその凹部４２に嵌め込まれた突起部４５との間の隙間を可変に調節するものである。圧力制御ブロック３０の側面には配管３２及び３６をそれぞれメイルナット３４及び３８によって固定するための穴が設けられている。配管３２は超臨界流路１６の一部をなし、配管３６は後述するバルブ後段流路１７をなす。配管３２は内部流路４０の一端に、配管３６は内部流路４０の他端にそれぞれ接続されている。内部流路４０の一端は流体入口をなし、内部流路４０の他端は流体出口をなしている。メイルナット３４及び３８は外周面にネジが切られた部材であり、それぞれフェルルによって配管３２及び３６に装着されている。配管３２及び３６を固定するための穴の内周面にはメイルナット３４及び３８の外周面のネジと螺合するネジが切られている。

内部流路４０の開口面積を調整する封止部材４４は平面形状が円形であり、中央部に突起部４５を有する。封止部材４４は圧力制御ブロック３０の内部流路４０と平行な平面に設けられた円形の穴４６に突起部４５が内部流路４０側を向くように挿入されている。穴４６の底面中央部から内部流路４０を横切るように錐体状の凹部４２が設けられており、その凹部４２に突起部４５が嵌め込まれている。封止部材４４は超高分子ポリエチレンやポリエーテルエーテルケトンなど、耐薬品性、耐圧性、弾性、耐衝撃性を備えた材料で構成されている。

穴４６にはさらに封止部材押付具５０の先端部が挿入されている。封止部材押付具５０はその先端部で封止部材４４の周縁部を穴４６の底面に押し付けて内部流路４０を流れる移動相が凹部４２から漏れ出ることを防止するものである。封止部材押付具５０の基端は穴４６に挿入される先端部よりも外径が大きくなっており、その基端部がネジ４２によって圧力制御バルブ２４に固定されている。

封止部材押付具５０の平面中心部に貫通孔が設けられており、その貫通孔を円柱形状の駆動部材５４が貫通している。駆動部材５４の先端は突起部４２の裏側に位置する封止部材４４の中央部に接している。駆動部材５４は例えばピエゾアクチュエータなどのアクチュエータ５６によって上下方向へ駆動され、それによって封止部材４４を変形させて突起部４５の先端と窪み部４２との間の隙間を調節する。

なお、圧力制御バルブ２４の構造は上記のものに限定されるものではなく、超臨界流路１６内の圧力を制御することができるものであれば、どのような構造のものであってもよい。

図１に戻って、圧力制御バルブ２４の出口側にバルブ後段流路１７が接続されているとともに圧力保持手段２６が設けられている。圧力保持手段２６はバルブ後段流路１７内の圧力を移動相が気化しない圧力に保つものである。

圧力保持手段２６の一例として、図３に示されているように、バルブ後段流路１７をなす配管３６に設けられたオリフィス部６２が挙げられる。この場合、オリフィス部６２を経た移動相が圧力の低下によって気化し、それによって配管３６が急激に冷却されることを防止するために、配管３６のオリフィス部６２が設けられている部分を加熱するヒータ（加熱手段）６４が設けられている。

圧力保持手段２６の他の例として、図４に示されているように、バルブ後段流路１７の一部として設けられた抵抗管６６が挙げられる。この場合も、抵抗管６６を経た移動相が圧力の低下によって気化し、それによって配管３６が急激に冷却されることを防止するためにヒータ６４が必要となる。

圧力保持手段２６のさらに他の例としては、図５に示されているように、配管３６の下流端に設けられたオリフィス部６８が挙げられる。そして、オリフィス部６８の設けられている配管３６の下流端は大気開放されている。この場合には、配管３６のオリフィス部６８が設けられている部分を加熱するヒータは不要である。

図９は配管３６の下流端にオリフィス部６８を設けたときの効果を検証した画像である。同図（ａ）は配管３６の下流端に内径が３０μｍの抵抗管を接続したときの抵抗管の下流端から排出される移動相の状態、同図（ｂ）は配管３６の下流端に内径が５０μｍのオリフィス部６８を設けたときのオリフィス部から排出される移動相の状態をそれぞれ示している。

図９の画像からわかるように、配管３６の下流端に抵抗管を接続すると、抵抗管内の圧力が出口が大気圧となるまで線形に圧力が降下するため、抵抗管の途中で二酸化炭素の気化熱による冷却が発生し、抵抗管の出口からドライアイスが析出している。これに対し、オリフィス部６８を配管３６の下流端に設けて配管３６の下流端を大気開放することにより、オリフィス部６８から射出された二酸化炭素が大気中で気化するため、配管３６内における二酸化炭素の気化が発生せず、気化熱による配管３６の冷却が防止され、オリフィス部６８からドライアイスが析出することはない。したがって、配管３６を加熱するヒータは不要である。

また、図６に示されているように、圧力保持手段２６として第２の圧力制御バルブ７０を用いることも可能である。特に、移動相の流量が２桁以上の広い範囲で変更されるような装置では、オリフィスや抵抗管など圧力制御のための開口面積が固定である場合にはそのような広い流量範囲のすべてで配管３６内を移動相を気化させない好ましい圧力に保つことは不可能である。

例えば、移動相の流量が０．１ｍｌ／ｍｉｎから１０ｍｌ／ｍｉｎの範囲で変更される場合、圧力保持手段２６として流量が０．１ｍｌ／ｍｉｎのときに７ＭＰａの圧力に保つオリフィスや抵抗管を用いると、流量が１０ｍｌ／ｍｉｎのときには２０ＭＰａもの圧力が維持され、圧力制御バルブ２４による超臨界流路１８内の圧力制御機能は２０ＭＰａ以上の領域でしか得られない。反対に、圧力保持手段として流量が１０ｍｌ／ｍｉｎのときに７ＭＰａの圧力に保つ抵抗管を用いると、流量が０．１ｍｌ／ｍｉｎのときには配管３６内を高い圧力に保つことができず、圧力制御バルブ２４の流体出口において二酸化炭素の気化が発生する。

このように移動相の流量の変更幅が大きい（例えば最小と最大で２桁以上の差がある）場合には、圧力保持手段２６として、配管３６内の圧力制御のための開口面積を可変に調節することのできる第２の圧力制御バルブ７０を用いることが好ましい。第２の圧力制御バルブ７０は圧力制御バルブ２４と同様の構造を有するものであってもよいし、異なる構造を有するものであってもよく、配管３６内の圧力を可変に調節できるものであればどのようなものであってもよい。第２の圧力制御バルブ７０は圧力制御バルブ２４と異なり、分析時の圧力安定のためのダイナミック制御は不要であり、高精度な制御も必要ではない。なお、この場合も、第２の圧力制御バルブ７０を経た移動相が圧力の低下によって気化し、それによって配管３６が急激に冷却されることを防止するためにヒータ７２が必要となる。

また、図７は、圧力制御バルブ２４の上流側に冷却手段７４を設けた実施例を概略的に示している。冷却手段７４としては、例えばペルチェ素子を使用することができる。カラムオーブン等で加熱された超臨界状態の移動相を冷却手段７４によって３０℃以下に冷却し、液体の状態にしてから圧力制御バルブ２４を通過させる。液体状態の二酸化炭素は超臨界状態の移動相に比べて圧力変化に対する密度変化が小さいため、圧力制御バルブ２４を通過する際の圧力変化による密度変化を抑制することができる。なお、図７に示した実施例は、図３の実施例に冷却手段７４を追加したものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、図４、図５又は図６の実施例の構成に冷却手段７４を追加してもよい。

２ 二酸化炭素送液流路
４ メタノール送液流路
６，１０ ポンプ
８ 二酸化炭素
１２ メタノール（モディファイア）
１４ ミキサ
１６ 超臨界流路
１７ バルブ後段流路
１８ 試料注入部
２０ 分離カラム
２２ 検出器
２４ 圧力制御バルブ
２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 圧力保持手段
３０ 圧力制御ブロック
３２，３６ 配管
３４，３８ メイルナット
４０ 内部流路
４２ 凹部
４４ 封止部材
４５ 突起部（封止部材）
４６ 封止部材嵌込穴
５０ 封止部材押付具
５２ ネジ
５４ 駆動部材
５６ アクチュエータ
６２，６８ オリフィス部
６４，７２ 加熱手段
６６ 抵抗管
７０ 第２の圧力制御バルブ
７４ 冷却手段

Claims (7)

1. 試料が超臨界状態の移動相とともに流れる超臨界流路と、
   前記超臨界流路上に配置され試料の分離を行なう試料分離部と、
   前記超臨界流路上の前記試料分離部よりも下流側に配置され前記試料分離部で分離された試料成分を検出する検出器と、
   前記超臨界流路の前記検出器よりも下流側に接続され、流体入口及び流体出口をもち、前記超臨界流路内の圧力を所定圧力に制御して移動相を超臨界状態にする圧力制御バルブと、
   前記圧力制御バルブの前記流体出口に一端が接続されたバルブ後段流路と、
   前記圧力制御バルブとは別体として前記圧力制御バルブの前記流体出口側に設けられ、前記バルブ後段流路内を前記流体出口からの移動相が気化しない圧力に保つ圧力保持手段と、を備え、
   前記圧力制御バルブと前記圧力保持手段との間に前記流体出口からの移動相を加熱するヒータが設けられていない超臨界流体処理装置。
2. 前記圧力保持手段は前記バルブ後段流路に設けられたオリフィスである請求項１に記載の超臨界流体処理装置。
3. 前記圧力保持手段は前記バルブ後段流路の一部として設けられた抵抗管である請求項１に記載の超臨界流体処理装置。
4. 前記圧力保持手段は前記バルブ後段流路内の圧力を調節する第２の圧力制御バルブである請求項１に記載の超臨界流体処理装置。
5. 前記圧力保持手段を加熱するための加熱手段をさらに備えている請求項１から４のいずれか一項に記載の超臨界流体処理装置。
6. 前記オリフィスは前記バルブ後段流路の下流端に設けられており、前記バルブ後段流路の下流端は大気開放されている請求項２に記載の超臨界流体処理装置。
7. 前記圧力制御バルブの前記流体入口に接続された流路を冷却することにより前記流体入口へ流れる移動相を液体状態にする冷却手段をさらに備えている請求項１から６のいずれか一項に記載の超臨界流体処理装置。