JP7152509B2 - 連続遠心機及び連続遠心機のエア排出方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料を連続的に流して液体試料中の粒子をロータ内で遠心分離する連続遠心機に関し、特にロータ内へ送られた試料中に混入するエア（空気）を除去できるようにすることにある。

遠心分離機は、通常の重力場では沈降しないもしくは沈降しにくい粒子を分離するもので、例えばウイルスや菌体などが分離対象に含まれる。ウイルスや菌体は、薬品やワクチンなどの製造にとっては欠かせない原料であり、これらの製造過程において原料を分離精製する設備として連続遠心機（連続遠心分離機）が広く使用される。連続遠心機は、高速回転するロータおよびその上下に接続される貫通穴を有した２本の回転軸等とロータに試料を供給するための試料供給部を有する。

試料供給部は、試料を供給するための送液ポンプや流量計および圧力計をシリコンチューブなどで接続したシステムが提案されている。連続遠心機が回転中は、ロータ内は完全に液体で満たされている必要がある。液体が完全に満たされていない状態で運転を行なうとロータはアンバランス状態となって過大な振動が発生する恐れがあり、好ましくない。最悪の場合は、連続遠心機は異常振動となり運転停止させなければならない。また、試料ラインに空気が留まっていると、試料注入時の試料ラインの圧力が高くなり、所定の流量で試料を注入できなくなってしまうおそれがある。また、コアボディと下側ロータカバーとの間において径方向に流れて遠心分離用の空間に試料を送るための流路が形成されるが、遠心中は外周ほど液圧が高くなるため、試料内の微細な気泡が最外部まで送り込めずに流路が詰まってしまい、試料が流れにくくなり、試料送液のための圧力が高くなってしまう。連続遠心機において安定した遠心分離性能を得るためには、試料送液のための圧力は低いほうが良いため、試料ラインに留まっている空気がロータ内に入り込まないように取り除くことが重要となる。例えば特許文献１では試料ラインに空気が混入したか否かを容易に検出できるようにし、ロータ室に注入する前に試料ラインの空気を排出するようにした連続遠心機が提案されている。また特許文献２では、ロータの下側の生じた気泡を効果的に排出するために、ロータの下から上方向に薬液を流した後に、薬液を流す方向を切り替えて、ロータの上から下方向に所定時間流すように構成した連続遠心機が提案されている。

特開２０１３－２２４７３号公報 特開２０１１－１７７７０３号公報

連続遠心機に用いられる試料ラインの配管は、シリコンチューブのように透明又は半透明なチューブを使用する場合、試料ラインに空気があるかどうかは目視で確認することができるので、シリコンチューブを手で摘んで試料ラインの圧力を一旦高くしてから解放したりするなど、オペレータのマニュアル操作で試料ラインから空気を排出することができる。しかしながら、マニュアル操作による空気の排出をしても空気が十分排出できるとは限らないうえに、試料内に気泡として混入する空気まで排出させることが難しい。その対策として特許文献１では、試料がロータ内に入る前にエアセンサによって気泡を検出して、三叉路を介して外部に排出する。しかしながら、エアセンサの検出限界以下の微小な気泡や試料液中に溶けた気泡は検出することができないので除去できない。また、連続遠心機のロータコアへ試料を注入する際、ロータ内のシャフトやロータコアで構成される流路は、接続されるチューブに比べて細いため、エアが混入していると抜けにくい。ロータコアの内部でエアブロックを起こしたら、ラインの圧力が上がってしまい、試料の注入が難しくなってしまう。そこでロータの回転開始後、低速回転域（一般的には４，０００ｒｐｍ程度）でロータに供給する試料の流れ方向を手動にて反転させて、トップフィードとボトムフィードの切替えを手動にて複数回行い、同時にポンプ速度を上げるケースがあったが、非常に手間であった。

本発明は上記背景に鑑みてなされたもので、その目的は、ロータに流入した試料中に混入している気泡を効果的に排出できるようにした連続遠心機及び連続遠心機のエア排出方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、複数のバルブをブリッジ状に設け、制御部の制御によってエア抜き用の流路切替え工程を自動で実施できるようにした連続遠心機及び連続遠心機のエア排出方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、複数のバルブの一部を一時的に制限し、流路内の圧力を一時的に上昇させることによって試料の流速を高めることができる連続遠心機及び連続遠心機のエア排出方法を提供することにある。

本願において開示される発明のうち代表的なものの特徴を説明すれば次の通りである。本発明の一つの特徴によれば、試料を分離するための円筒状のロータと、ロータが収納される遠心室と、ロータを回転させる駆動手段と、ロータの回転中にロータに試料を連続的に供給および排出する試料ラインを備えた連続遠心機において、ロータを回転させながら試料をロータにトップフィードとボトムフィードで交互に流す操作を行い、フィード方向の切替え後の流速が通常よりも高くなるように試料ラインを一時的に絞って、その後に開放するという操作（エア排出モード）を行う。試料ラインは、試料タンクに接続される試料供給ラインと、回収タンクに接続される試料排出ラインと、ロータの上側通路に繋がるアッパーラインと、ロータの下側通路に繋がるロアラインを有し、４つのラインをブリッジ接続すると共に、それぞれのブリッジ部分に流路開閉用のバルブを設けた。

本発明の他の特徴によれば、バルブは遠心分離運転を制御する制御部によって独立して開閉操作され、制御部は、以下のa)～d)のステップで制御する。
a) ４つのバルブのうち対向する２つのバルブだけを開放することによってロータに対する試料の供給方向をトップフィード又はボトムフィードに定め、
b) 試料のロータからの排出が行われた後に、開放されたバルブのうちの排出側に位置するバルブを閉じることにより流路圧力を所定のピーク圧力Ｐ２まで到達させてから、排出側に位置するバルブを再び開いて流路圧力を通常状態に戻し、
c) ステップa)にて開放された２つのバルブを閉じて、残りのバルブを開くようにしてロータに対する試料の供給方向を反対方向にし、
d) ステップb)及びステップc)を繰り返すことによってロータ内の気泡を排出させる。また、ステップb)において、排出側に位置するバルブを、短い時間だけ閉じる操作と一定時間開く操作の２つの操作を複数回繰り返すことによって、流路圧力を所定のピーク圧力Ｐ２まで複数回上昇させる。このステップd)も双方のフィード方向で複数回ずつ実行すると良い。

本発明のさらに他の特徴によれば、４つのバルブは、遠心室の外部に設けられるものであって、圧縮空気又は電力を動力源として開閉される。また、ロータは、円筒形のロータボディと、ロータボディの上下開口を塞ぐように取りつけられる上側ロータカバーと下側ロータカバーと、試料を分離するためであって内部を複数の空間に仕切るコアを含んで構成される。アッパーラインはロータボディの回転軸線の上側にて上側ロータカバーに接続され、ロアラインはロータボディの回転軸線の下側にて下側ロータカバーに接続される。ロータのコアは、ロータ内を複数均等に分割する羽根状隔壁が外周部に突設される中空状の円筒状の胴部と、胴部の上端と下端を塞ぐよう配設された端面部を有する。

本発明のさらに他の特徴によれば、試料供給ラインには送液ポンプと圧力計（圧力センサ）が設けられ、ステップb)における排出側に位置するバルブの開閉は、圧力計の出力に基づいて制御部によって制御される、尚、トップフィード又はボトムフィードに設定した際に、下流側のバルブの開閉によらずに、ロータよりも下流側に液体の圧力を高めるための流路制限手段をバルブブリッジ部とは別に設けるようにしても良い。

本発明によれば、遠心分離運転前の試料供給時に、試料の流れ方向を複数回自動で反転させるので、ロータ内の遠心分離空間やライン内に滞留する気泡（空気）を効果的に排出できる。また、試料の流れ方向を反転させた後に、試料ラインの下流側のバルブを制限（一部閉鎖又は完全閉鎖）することによって試料の液圧を一時的に上昇させるので、ロータやライン内に滞留する気泡（空気）の排出を促進できる。このように遠心分離運転前の試料注入工程において、内部に存在する気泡（空気）を確実に取り除くことができるので、遠心分離運転時に決められたプロトコル通りの流量で試料を注入することが可能となり、安定した遠心分離性能を得ることができる。

本発明の実施例に係る連続遠心機１の全体を示す斜視図である。 図１の遠心分離部１０の詳細構造を示す断面図である。 図２のロータ１００の分解斜視図である。 図３のロータ１００の底部付近の要部縦断面図である。 図１の遠心分離部１０の試料ラインの配管図である。 ロータ１００へのボトムフィードによる試料の流れを示す図である。 ロータ１００へのトップフィードによる試料の流れを示す図である。 トップフィードとボトムフィードの際のバルブＡ～Ｄの開閉状況を示すテーブルである。 本実施例におけるトップフィードとボトムフィードの切替え操作とその際の圧力９５を示す図である。 トップフィードとボトムフィードの切替制御手順を示すフローチャートである。 図１０のエア抜き工程（ステップ２０５）の制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の部分には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。

図１は、本実施例に係る連続遠心機１の全体を示す斜視図である。図１に示されるように連続遠心機１は、ワクチン製造工程などに使用されるいわゆる“連続超遠心分離機”と呼ばれるものであり、遠心分離部１０と制御装置部５０の２つの主要部分から構成される。遠心分離部１０と制御装置部５０との間は配線・配管群４０で接続される。連続遠心機１は、駆動部３０に吊り下げたロータ１００を、リフト１６およびアーム１７の操作によってチャンバ１１に出し入れ可能な構造である。遠心分離部１０には、ロータ室となる円筒状のチャンバ１１と、チャンバ１１を支持するベース１２と、チャンバ１１の内部に出し入れ自由に収容されて高速回転するロータ１００と、チャンバ１１の上部に配置されてロータ１００を吊り下げた状態でこれを回転駆動する駆動部３０と、チャンバ１１の下側に取り付けられる下側軸受部２０と、駆動部３０を上下および前後方向に移動させるためのリフト１６およびアーム１７と、ロータ１００に試料又は滅菌液を連続的に供給・排出する送液ポンプ７７（図５参照）を有して構成される。チャンバ１１の内部には、駆動部３０に吊り下げられたロータ１００が収容される。回転体であるロータ１００の外側面は、胴体部である円筒状のロータボディ１０１と、その両端をねじ込み式で閉止する上側ロータカバー１１０および下側ロータカバー１２０を含んで構成される。上側ロータカバー１１０の上側には、試料の通路であって回転軸ともなるアッパーシャフト３２が設けられ、下側ロータカバー１２０の下側には、試料の通路であって回転軸ともなるロアシャフト１０５が設けられる。

ロータ１００は高速で回転駆動されるため、遠心分離中は、運転時の大気との風損や摩擦熱による発熱を抑える目的でチャンバ１１の内部は減圧された状態に保たれる。チャンバ１１内を減圧状態にするために、チャンバ１１内の空気を排出する図示せぬ排出口がチャンバ１１の胴部に形成され、図示しない真空ポンプが接続される。チャンバ１１は複数のボルト１３でベース１２に固定され、ベース１２は複数のボルト１４により床面に固定される。

制御装置部５０には、チャンバ１１の内部を冷却するための図示せぬ冷却装置と、図示せぬ真空ポンプと、ロータ１００を所定の場所に移動させるための図示せぬリフト駆動装置と、ロータ１００を駆動制御する図示せぬ遠心機コントローラ（制御装置）等が収容される。制御装置部５０の上部には、操作・入力する箇所である操作パネル６０が配置される。制御装置は、図示しないマイクロコンピュータと記憶装置を含んだ電子回路で構成され、ロータ１００の駆動制御、送液ポンプの駆動、後述する複数のバルブＡ～Ｄの制御を含む連続遠心機全体の制御を行なう。

図２は図１の遠心分離部１０の詳細構造を示す断面図である。チャンバ１１は、その内部に駆動部３０に吊り下げられた状態のロータ１００が収容され、ロータ１００の周囲を覆うように円筒形のエバポレータ（蒸発配管）１８が設置され、エバポレータ１８の外側には円筒形の防御壁の機能を果たすプロテクタ１９が設置される。エバポレータ１８は、冷媒ガスを循環させる銅配管で構成されており、ロータ１００の収容空間を冷却可能である。

ロータ１００の内部には、注入された試料を高重力場に導入するためのロータコア１３０が設置される。ロータコア１３０は、コアボディ１３１と、コアボディ１３１の胴部に設けられた羽根状の隔壁１３２（図３で後述する１３２ａ～１３２ｆ）によってロータ１００の内部を複数の遠心分離空間に分割する。駆動部３０は、リフト１６（図１参照）の先端部に取り付けられるもので、アッパーシャフト３２を回転可能に軸支する。アッパーシャフト３２の内部であって軸心位置には、鉛直方向に延びる試料通過孔が形成され、上側の試料の通路の一部を形成することになる。アッパーシャフト３２の下端部は漏斗状に広がり、試料通過孔と上側ロータカバー１１０に形成された試料通路１１１に連通するように、上側ロータカバー１１０がアッパーシャフト３２にナット１１９と上側ロータカバー１１０第二雄ねじ１１７が螺合することによって固定される。なお、上側ロータカバー１１０とアッパーシャフト３２の間にはシールの為のＯリング１１８が設けられている。駆動部３０に含まれるモータの駆動によってアッパーシャフト３２が高速回転されと、アッパーシャフト３２に連結されたロータ１００も高速回転する。ロータコア１３０の下側には、回転軸部であるロアシャフト１０５が取り付けられる。ロアシャフト１０５の軸中心には、試料の下側通路の一部を形成する試料通過孔が貫通しており、試料通過孔は下側ロータカバー１２０に形成された試料通路１２１と下側接続部７１を接続する。

遠心分離を行なう前にロータ１００の内部には試料が供給される。下側接続部７１に接続される下側パイプ７２を介して試料が矢印７５ｂ、７５ｃのように供給され、下側軸受部２０を通過してロアシャフト１０５の試料通過孔を通過して、ロータ１００の内部を下から上方向に導入される。このように下側の試料通路１２１からロータ１００内に試料を導入することを「ボトムフィード」と呼ぶ。送液ポンプ７７（図５で後述）によって送出された試料がロータ１００内に満たされると、上側パイプ８２から試料が排出されるので、その状態が制御装置５１によって検知されると、制御装置５１は駆動部３０の図示しないモータを制御して、ロータ１００を高速な遠心分離運転回転数まで加速する。

ロータ１００内に導入された試料は、ロータコア１３０によって高遠心力場へ移動されて沈殿と上清とに分離され、上清（廃液）は、上側ロータカバー１１０に形成された試料通路１１１からアッパーシャフト３２の試料通過孔を通り、駆動部３０内を通過して上側接続部８１から矢印８５ａのように上方に排出される。矢印８５ａのように排出された試料は、上側パイプ８２を通って矢印８５ｂのように送出される。

図３は図２のロータ１００の拡大図である。コアボディ１３１は合成樹脂製であって中実にて形成される円柱状のコアボディ１３１の外周側に、周方向に突出する６枚の羽根状の隔壁１３２ａ～１３２ｆを形成したものである。隔壁１３２ａ～１３２ｆは、軸方向に連続する形状であって、コアボディ１３１と一体に成形され、隔壁１３２ａ～１３２ｆの外周側端部がロータボディ１０１の内周面に当接することによって、分離空間１３７（図４参照）を周方向に均等な６つの空間に区画する。コアボディ１３１は、上面１３１ａと下面１３１ｂの回転中心にそれぞれ試料通過孔１３４を有し、試料通過孔１３４から径方向に延在する複数のコア端面溝１３５ａ～１３５ｆが形成される。コアボディ１３１の上面１３１ａと下面１３１ｂは、それぞれ上側ロータカバー１１０の下面と、下側ロータカバー１２０の上面に接することで、コアボディ１３１とロータカバーの間に、径方向に延びる６本の試料通路を形成する。ここでは、コア端面溝１３５ａ～１３５ｆの外縁が、コアボディ１３１の外周側に等間隔で配置された６枚の隔壁１３２ａ～１３２ｆの中間付近に開口する。コアボディ１３１の底面部の形状は、上面の形状と基本的に同じ形状とされる。上側ロータカバー１１０とロータボディ１０１はねじ込み式であって、上側ロータカバー１１０の円筒面の下端には雄ねじ１１４が形成され、ロータボディ１０１の上側開口１０１ａには雌ねじ１０２が形成される。同様にして、下側ロータカバー１２０とロータボディ１０１はねじ込み式であって、下側ロータカバー１２０の円筒面の下端には雄ねじ１２４が形成され、ロータボディ１０１の下側開口１０１ｂには雌ねじ（図では見えない）が形成される。

下側ロータカバー１２０の内側には、中央の回転軸心に沿って嵌合軸１２３が形成され、軸心には試料通路１２１が形成される。下側ロータカバー１２０とロータボディ１０１の間にはＯリング１２５が介在され、嵌合軸１２３とコアボディ１３１の下面に形成された嵌合孔（図では見えない）の間には、Ｏリング１２６が介在される。同様に上側ロータカバー１１０とロータボディ１０１の間にもＯリング１１５、Ｏリング１３３が介在されている。下側ロータカバー１２０の上側の円周上の２箇所には、コアボディ１３１の下面に設けられる位置決め用孔に嵌合するピン１２８ａ、１２８ｂが取りつけられる。

図４はロータ１００の底部付近の部分断面図である。本断面は回転軸線Ａ１を通る鉛直面の縦断面図である。下側ロータカバー１２０には回転軸線Ａ１に沿って延びる試料通路１２１と、試料通路１２１の途中から斜めに分岐するように形成される試料分岐通路１２２が形成される。試料通路１２１はロアシャフト１０５（図２参照）に形成された試料連通孔と連通する。ロアシャフト１０５はナット１２９によって下側ロータカバー１２０に固定される。なお、下側ロータカバー１２０とロアシャフト１０５の間にはＯリング１２７が設けられている。

駆動部３０の図示しないモータが回転すると、アッパーシャフト３２が回転し、それに同期するようにロータ１００全体も回転する。ロアシャフト１０５は下側軸受部２０（図２参照）によって回転可能なように軸支されるので、ロータ１００と共に回転する。試料通路１２１には途中から斜め径方向に分岐する複数の試料分岐通路１２２が形成されるので、矢印７５ｄの方向に試料通路１２１から流入した試料は、試料分岐通路１２２を通って矢印１７６のように上方向及び径方向外側に流れて径方向通路１４５に到達する。その後、試料は径方向通路１４５を矢印１７７の方向に流れてから、分離空間１３７に到達する。分離空間１３７では試料が矢印１７８の方向（上方向）に連続的に流れながら遠心分離運転が行われる。これら試料通路１２１、試料分岐通路１２２、径方向通路１４５は径が細い上に屈曲した接続部分があるため、液中に溶け込んでいる微小な気泡が屈曲部分に溜まりやすい。またロータが回転中に試料を注入する場合には、比重の軽い気泡は試料分岐通路１２２を径方向外側に向かって流れにくく停滞しやすい。そこで、本実施例では後述するように、試料の流れる方向をボトムフィードとトップフィードで１回以上反転させるようにし、さらには、試料のフィード中においても断続的に送液圧力を高める操作を行うことにより、気泡を滞留部分から離脱させるようにする。

図５は遠心分離部１０の試料ラインの配管図である。本明細書では、試料タンク７０から回収タンク８６までであって、ロータ１００の内部を除く一連のライン（流路）を“試料ライン”と定義する。遠心分離される試料は送液ポンプ７７によって、試料を貯える試料タンク７０から供給パイプ７３を矢印７５ａの方向に流れ、送液ポンプ７７を通過してバルブブリッジ部９０の試料流入点７３ａに流入する。供給パイプ７３の途中には圧力センサ（圧力計）７６が接続される。圧力センサ７６は、試料ラインに供給される液体の圧力を測定する。マイコン５２は、圧力センサ７６から圧力データを取得することにより送液ポンプ７７の駆動を制御し、送液ポンプ７７を駆動してロータ１００に試料を送ることが出来る。

バルブブリッジ部９０は、ブリッジ接続された４つのバルブＡ～Ｄによって構成される流路切替手段である。バルブブリッジ部９０により、下側パイプ７２から上側パイプ８２方向に試料を流す第一の流路方向（ボトムフィード）と、上側パイプ８２から下側パイプ７２方向に試料を流す第二の流路方向（トップフィード）が切り替えられる。バルブブリッジ部９０の４つの接続点のうちタンク側の２つは、試料タンク７０から試料供給ラインによって供給される試料の流入点７３ａと、回収タンク８６へ試料供給ラインを介して試料を排出するための試料排出点８３ａである。残りのロータ１００側の接続点の２つは、下側パイプ７２に接続されるロアライン接続点７２ａと、上側パイプ８２に接続されるアッパーライン接続点８２ａとなる。バルブＡ～Ｄは、それぞれ同一部品であって、高圧のエアを駆動源としてバルブの開閉を行い、流路を開くか閉じるかいずれかの制御が可能である。バルブＡ～Ｄの開閉操作は、制御装置５１に含まれるマイコン５２の指示によって行われる。尚、バルブＡ～Ｄの種類は任意で有り、マイコン５２の指示によって開閉制御が直接又は間接的に実行可能であるならば、電力を用いる電磁バルブでも良い。また、バルブＡ～Ｄは、“全開位置”、又は“全閉位置”の２つしか選択できないようなバルブで十分であるが、半開等の任意の中間位置が選択できるような開度調整可能なバルブを用いても良い。

下側パイプ７２、上側パイプ８２、供給パイプ７３、排出パイプ８３は、シリコンチューブ等の弾力性のあるもの、ステンレスパイプ等の弾力性のないもの等、適宜設定することができる。しかしながら、本願のエア抜き工程をおこなうにはステンレスパイプ等の弾力性のないものとすると好ましい。制御装置５１はマイコン５２を含んで構成され、コンピュータプログラムを実行することにより、送液ポンプ７７の駆動による試料の送出及び排出の制御、バルブブリッジ部９０のバルブＡ～Ｄの開閉制御、圧力センサ７６を用いた試料の圧力測定を含む遠心分離運転の全体の管理を行う。送液ポンプ７７は、点線で示すようにマイコン５２の制御によって駆動される。圧力センサ７６の出力は信号線によってマイコン５２に伝達される。ここでは図示していないが、バルブブリッジ部９０のバルブＡ～Ｄへは、高圧空気を送出するエアパイプが接続され、マイコン５２がそれぞれのエアパイプへの高圧空気の供給又は遮断を制御することによって、バルブＡ～Ｄの開閉操作を行う。遠心分離運転時のロータ１００の内部への連続的な試料の注入方向は、図５の矢印７５ｃのように下側から行い、矢印８５ａのようにロータ１００の上側からアッパーシャフト３２の試料貫通穴を介して分離された上澄み液（上清）が図示しない排出ラインに排出される、いわゆるボトムフィードが一般的であるが、トップフィードで行う場合もある。

図６はロータ１００へのボトムフィードによる試料の流れを示す図である。バルブブリッジ部９０においてボトムフィードが設定されると、矢印７５ａのようにバルブブリッジ部９０に流入した試料が、矢印７５ｂ、７５ｃのように下側パイプ７２を通ってロータ１００の下側軸受部２０からロータ１００の内部に試料が流入する。この流路を形成するには、バルブブリッジ部９０のうち、バルブＡとＤを閉じて、バルブＢとＣを開くようにする。このようにバルブＡ～Ｄを操作すれば、ロータ１００の内部で下側から上側に向けて試料が流れるボトムフィードが実現できる。ボトムフィードを行いながらロータ１００の高速回転をさせると、分離された上清（廃液）は、アッパーシャフト３２（図１参照）を通って駆動部３０に流入し、駆動部３０から上側パイプ８２を通って矢印８５ａ、８５ｂのように流れて、アッパーライン接続点８２ａからバルブブリッジ部９０に流入し、試料排出点８３ａを通って排出パイプ８３を矢印８５ｃのように流れて回収タンク８６（図５参照）に到達する。

図７はロータ１００へのトップフィードによる試料の流れを示す図である。トップフィードにするには、バルブブリッジ部９０のうち、バルブＢとＣを閉じて、バルブＡとＤを開くようにする。このようにバルブＡ～Ｄを操作すれば、試料タンク７０から矢印７５ａ、７５ｄ、７５ｅのように流れ、ロータ１００の内部で上側から下側に向けて試料が流れるボトムフィードが実現できる。トップフィードを行いながらロータ１００の高速回転をさせると、分離された沈殿液は、ロアシャフト１０５（図１参照）を通って下側軸受部２０に流入し、下側軸受部２０から下側パイプ７２を通って矢印８５ｄ、８５ｅのように流れて、バルブブリッジ部９０に流入し、試料排出点８３ａを通って排出パイプ８３を矢印８５ｆ、８５ｃのように流れて、ロアライン接続点７２ａからバルブブリッジ部９０に流入し、試料排出点８３ａを通って排出パイプ８３を矢印８５ｃのように流れて回収タンク８６（図５参照）に到達する。

トップフィードとボトムフィード時のバルブＡ～Ｄの開閉状態をまとめたのが図８のテーブルである。トップフィードからボトムフィードの切替えでは、各バルブの開閉状態を逆にして、バルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（開、閉、閉、開）の状態を、バルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（閉、開、開、閉）とすれば良い。同様に、ボトムフィードからトップフィードの切替えでは、各バルブの開閉状態を逆にして、バルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（閉、開、開、閉）の状態を、バルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（開、閉、閉、開）とすれば良い。このようにトップフィードとボトムフィードの切替制御だけであれば、バルブＡとＤを共通のエアホースで高圧エアを供給し、バルブＢとＣを共通のエアホースで高圧エアを供給するようにすれば良い。しかしながら、本実施例では、バルブＡ～Ｄはそれぞれ独立して開閉制御できるように構成して、バルブの一部を一時的に制限する（閉鎖または絞る）ことによって流路内の液圧を一時的に上昇させて、上昇させた液圧をすぐに開放するという操作を、間隔をおきながら数回繰り返すようにした。その制御の仕方を図９を用いて説明する。

図９は、本実施例におけるトップフィードとボトムフィードの切替え操作とその際の圧力９５を示す図である。横軸は時間の経緯（単位ｓｅｃ．）であり、縦軸は圧力センサで計測された圧力（単位ＭＰａ）である。ここでは、ボトムフィードとトップフィードを２回ずつ切替え、それぞれのフィード中に圧力変動を加える回数Ｙを３とした場合の圧力９５の推移を示す。遠心分離を行う前には、まずバルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（閉、開、開、閉）としてボトムフィードに設定する。次に、準備工程としてロータ１００を回転させる前に、送液ポンプ７７を稼働させて密度の異なる液体（密度液）をボトムフィードにてロータ内に順次入れる。例えば密度の低い液体を入れたあとに、密度の高い液体を入れ、分離空間１３７（図２参照）を密度の異なる液体の層で満たす。ロータ１００内が液体で満たされると、上側パイプ８２からバルブブリッジ部９０まで液体が到達して、試料排出点８３ａより排出される。この状態になってから、ロータ１００を低速回転、例えば４０００ｒｐｍまで回転させ、整定したら、時刻ｔ_１～ｔ_５にわたって本実施例によるエア抜き工程を実行する。

時刻ｔ_１において、ボトムフィードの状態を維持したまま、一定時間Ｔ１（秒）が経過するまで待ち、その後バルブＣを閉鎖する。つまり、バルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（閉、開、閉、閉）とする。すると、液体の圧力９５が矢印９５ａのように急上昇する。ここで圧力９５が矢印９５ｂに示すように所定の圧力閾値（ピーク圧力）Ｐ２に到達したら、マイコン５２はバルブＣを開いて、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（閉、開、開、閉）の状態に戻す。すると液体の圧力はＰ２から急激に低下して、矢印９５ｃに示すように通常の給送圧力Ｐ１に戻る。通常の給送圧力Ｐ１が一定の時間Ｔ２（秒）だけ経過したら再びバルブＣを閉鎖して圧力を高め、矢印９５ｄのように圧力閾値Ｐ２に到達したらバルブＣを開く。このように、バルブＣを閉鎖して圧力閾値Ｐ２に到達させる流路制限手段として作用させ、圧力閾値Ｐ２をピーク圧力とする状態を、矢印９５、９５ｄ、９５ｅのように３回繰り返す。その後、時間Ｔ３（秒）だけ待機し、１回目のフィード時のエア抜き工程を終了する。

次に時刻ｔ_２において、バルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（開、閉、閉、開）としてトップフィードに切り替える。この時は、送液ポンプ７７を稼働させた状態のままで良い。時刻ｔ_２から一定時間Ｔ１（秒）が経過するまで待ち、その後バルブＤを閉鎖する。つまり、バルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（（開、閉、閉、閉）とする。すると、液体の圧力９５が矢印９５ｆのように急上昇する。ここで圧力９５が矢印９５ｇに示すように所定の圧力閾値Ｐ２に到達したら、マイコン５２はバルブＤを開いて、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（開、閉、閉、開）の状態に戻す。すると液体の圧力はＰ２から急激に低下して、矢印９５ｈに示すように通常の給送圧力Ｐ１に戻る。通常の給送圧力Ｐ１が一定の時間Ｔ２（秒）だけ経過したら再びバルブＤを閉鎖して圧力を高め、矢印９５ｉのように圧力閾値Ｐ２に到達したらバルブＤを開く。このように、流路制限手段として作用するバルブＤを閉鎖して圧力閾値Ｐ２に到達させる状態を、矢印９５ｇ、９５ｉ、９５ｊのように３回繰り返す。その後、時間Ｔ３（秒）だけ待機し、２回目のフィード時のエア抜き工程を終了する。

同様にして、時刻ｔ_３にてボトムフィードに切り替え、３回目のフィード時のエア抜き工程によって矢印９５ｋ～９５ｍの３つの圧力ピークを生ずるようにする。最後に時刻ｔ_４にてトップフィードに切り替え、２回目のトップフィードによるエア抜き工程によって矢印９５ｎ～９５ｐの３つの圧力ピークを生ずるようにする。最後に時刻ｔ_５にてバルブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ＝（閉、開、開、閉）としてボトムフィードに切り替え、全エア抜き工程を終了する。ここで、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の時間は適宜設定すれば良いが、例えばＴ１、Ｔ２、Ｔ３は数秒程度に設定できる。

このように、本実施例では流路切換えを行うバルブブリッジ部９０と、ライン圧力を測定可能な圧力センサ７６と、試料を供給する送液ポンプ７７を備えたサンプルフィードにおいて、ロータ１００を低速回転で整定後に、ボトムフィードとトップフィードの切り替え操作による第一のエア抜き手順を行う。さらに本実施例では、フィード方向の設定後に、１回以上の短い時間の圧力上昇を発生させるようにして第二のエア抜き手順を行う。切り替え中においては、トップフィード又はボトムフィードで試料を流しながら、遠心機の許容圧力Ｐｍａｘを超えない、あらかじめ決められた圧力閾値Ｐ２のピーク圧力までライン圧力が一時的に上がるようにした。つまり、開操作中のバルブの一つを閉じることにより、液体の圧力を閾値Ｐ２まで上昇させ、閾値Ｐ２に達した後は、一時的に閉じていたバルブを再び開く、という操作を行うエア排出モードを実現した。この結果、ロータ１００内の試料に含まれる気泡を、制御部による自動制御によって自動で取り除くことができるようになった。時刻ｔ_５以降は、ロータ１００を高速回転まで加速させて、下側ライン７２からロータ１００へ試料を送液しながら、ロータ１００の高速回転による連続的な遠心分離運転を実行する。

次に図１０のフローチャートを用いて連続遠心機１によるエア抜き工程の手順を説明する。本実施例によるエア抜き工程は、連続遠心分離運転を行う直前の準備段階、即ち、ロータ１００の内部が試料によって満たされ、高速回転させる前に一度低速回転で実行されるもので、マイコン５２を有する制御装置５１（図５参照）によって実施される。まず、試料を試料タンク７０にセットして、バルブＢ、Ｃを開き、バルブＡ、Ｄを閉じることによってボトムフィードにセットする（ステップ２０１）。次に、フィード方向の設定回数をカウントするためのカウンタＸを１にセットし（ステップ２０２）、ロータ１００の内部に試料を供給するために送液ポンプ７７を動作させて、下側接続部７１から試料を注入する（ステップ２０３）。ロータ１００内が試料で満たされると、上側接続部８１から試料が出てくるので、試料が出てきたらロータ１００を回転させ、低速回転、例えば４，０００ｒｐｍまで加速して整定させる（ステップ２０４）。通常、この時の試料ラインにおける送液の圧力は、連続遠心機１の許容圧力Ｐ_ｍａｘに（図９参照）に比べて十分小さい。このように試料をロータ１００に供給している最中に、開いている２つのバルブのうち流入方向下流側にあるバルブ（ここではバルブＣ）を一時的に閉じる操作を実行して、エア抜きを１回以上実施するエア抜き工程を実行する（ステップ２０５）。エア抜き工程（ステップ２０５）の詳細手順は図１１を用いて後述する。

ボトムフィード時におけるエア抜き工程（ステップ２０５）が終了したら、マイコン５２は、バルブＡ、Ｄを開いて、バルブＢ、Ｃを閉じることによりボトムフィードからトップフィードに切り替え（ステップ２０６）、フィード方向の設定回数カウンタＸを１つ増加させる（ステップ２０７）。次に、マイコン５２はトップフィードにより試料を供給しながら、図９で実施したバルブＤを一時的に閉じるエア抜き工程を実施する（ステップ２０８）。エア抜き工程（ステップ２０８）の手順は、開閉するバルブの対象が違うだけでステップ２０５と同じであるが、詳細手順は図１１を用いて後述する。エア抜き工程（ステップ２０８）が終了すると、マイコン５２は、フィード方向逆転回数Ｎが規定回数４に到達したか否かを判定し、規定回数に到達していない場合は、バルブＢ、Ｃを開き、バルブＡ、Ｄを閉じることによってボトムフィードにセットして（ステップ２１０）、設定回数カウンタＸを１つ増加させて（ステップ２１１）、ステップ２０５に移る。ステップ２０５から２０８が再び実行され、ステップ２０９にてフィード方向逆転回数Ｘが４に到達したら、エア抜き工程が終了となる（ステップ２１２）。エア抜き工程が終了、即ち図９の時刻ｔ_５に到達したら、マイコン５２はロータ１００を高速で回転させることにより遠心分離運転を実行する。この遠心分離運転の制御手順は従来の連続遠心機の制御手順と同じであるので、ここでの説明は省略する。

次に、図１１を用いてエア抜き工程（ステップ２０５）の詳細手順を説明する。最初に、マイコン２０１は、フィード方向を設定した後の圧力上昇回数ＹをカウントするためのカウンタＹを０クリアし（ステップ２５１）、Ｔ１秒だけ待機する（ステップ２５２）。Ｔ１秒が経過したら、マイコン５２は２つ開いているバルブＢ、Ｃのうち、流れ方向の下流側に存在するバルブＣを閉じる（ステップ２５３）。この際、カウンタＹを１増加させる（ステップ２５４）。バルブＣを閉とすれば、流路が閉ざされるため徐々にライン圧力は上昇していく。図９の矢印９５ｂに示すように圧力９５が閾値Ｐ２に到達したら、マイコン５２はバルブＣを開くと、ラインの中に留まっていた試料は一気に排出される（ステップ２５５、２５６）。このように試料の圧力９５をＰ１→Ｐ２→Ｐ１と急激に変化させることによって、ロータ１００内に滞留していた微小な気泡までも効果的に移動させることが可能となる。

次にマイコン５２は、所定の時間Ｔ２が経過するまで待機し（ステップ２５７）、バルブＣを閉じた回数を示すカウンタＹが、規定の値（ここでは３）に到達しているかを判定し、到達していなかったらステップ２５３に戻り、ステップ２５３～２５７を合計Ｙ回繰り返す。ステップ２５８において規定の値３に到達したら、マイコン５２は、所定の時間Ｔ３が経過するまで待機し（ステップ２５９）、元のステップ２０５に戻る。このようにボトムフィードとトップフィードが合計Ｘ回となるように切り替えつつ、それぞれのフィード実行時に、圧力上昇と流路開放の操作をＹ回ずつ行う。以上のように、ライン内に圧力変動を繰り返し与えることおよび流れ方向を切り替える“エア排出モード”を設けたことによって、流路に混入した気泡はラインからほぼ排出される。

尚、ステップ２５５は圧力閾値Ｐ２の到達に合わせてマイコン５２によって自動的に制御可能なバルブの開閉を行うものであるが、送液ポンプ７７の回転数を同時に制御するようにしても良い。通常の試料注入時に使用する送液ポンプの回転数よりも高めにすることで、配管内の流速が急激に上げることができるため、エアが抜けやすくなると同時に、圧力閾値Ｐ２に達するまでの時間を短縮できるため、Ｘ＝４回分のエア抜き工程を完了させるためのタクトタイムを短縮できる。

ところで“エア排出モード”の機能は、エア抜き工程だけでなく、停止中のＣＩＰ工程（ライン洗浄工程）にも活用できる。遠心分離後のロータ、コア内部のサンプル由来の汚れは、一般的にアルカリ水溶液を用いてライン洗浄され、さらにアルカリ成分が残留しないようＷＦＩで洗浄されることが多いが、デッドスペースに汚れやアルカリ成分が残留しないようにする必要がある。上記の制御方法を採用すれば、ラインの圧力、流れ方向、流速などに変化をもたらすことを自動で行えるため、遠心分離後の接液部の洗浄性向上が期待される。さらに特開２０１１－１７７７０３で示されたロータを低速回転させながらライン洗浄する方法と組み合わせることで、より一層洗浄効果の向上が見込まれる。

なお、連続遠心機１とは別装置であるサンプルフィードシステムには、従来製品においてもバルブＡ～Ｄの役割を持つ４方向弁を採用していることが多い。上記はこの４方向弁を制御する形で述べたものであるが、サンプルフィードシステムではなく、連続遠心機１の上側シール部および下側シール部近傍に新たなバルブを設けることでも実現できる。遠心分離部にできるだけ近い箇所にバルブを設けて開閉動作を行った方が、圧力変動や流速変動の効果を期待できる。バルブ制御を担う制御部は、サンプルフィードシステム側が備えても、連続遠心機１側が備えても良い。

またサンプルフィードシステムおよび連続遠心機１との接続に使用される配管は、シリコンチューブのようなチューブを用いる場合もあるが、ＳＩＰを取り入れる場合などではステンレス配管となる場合もある。チューブ配管であれば自動ピンチバルブを用いればよく、ステンレス配管であれば自動ダイヤフラム弁を用いればよいが、流路を開閉する機能を有すればバルブの種類は問わない。更に言えば、バルブと呼称される部品に限定せずとも、流路を閉塞する機能を有するものであれば、同様の効果を期待できる。

本実施例によれば、トップフィードとボトムフィードの切替え合計回数をＸ、圧力閾値Ｐまで圧力を上げてから開とする自動バルブの動作回数をそれぞれの切り替え時にＹ回とし、自動バルブの開閉間隔時間をＴ１、Ｔ２、Ｔ３としてパラメータとしてマイコン５２に記憶させることで、エア抜き工程をマイコン５２を用いて全自動で行うことが可能となった。ロータ１００の高速回転前にロータ内に残留する気泡を自動で除去すれば、遠心分離運転時における試料の送液圧力を低く保つことができ、ロータ１００への試料の連続供給が安定し、良好な遠心分離性能を得ることができる。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施例の連続遠心機１では、分離する試料を下側パイプ７２からロータ１００へ入れるボトムフィードの例で説明したが、それだけに限られずに、試料を上側パイプ８２からロータ１００内に入れて、下側パイプ７２から廃液又は分離試料を回収タンク８６に回収するトップフィードによる遠心分離運転の場合であっても同様に適用できる。

１…連続遠心機、１０…遠心分離部、１１…チャンバ、１２…ベース、１３，１４…ボルト、１６…リフト、１７…アーム、１８…エバポレータ、１９…プロテクタ、２０…下側軸受部、３０…駆動部、３２…アッパーシャフト、４０…配線・配管群、５０…制御装置部、５１…制御装置、５２…マイコン、６０…操作パネル、７０…試料タンク、７１…下側接続部、７２…下側パイプ、７２ａ…下側ライン接続点、７３…供給パイプ、７３ａ…試料流入点、７５ａ～７５ｅ…試料の流れ、７６…圧力センサ、７７…送液ポンプ、８１…上側接続部、８２…上側パイプ、８２ａ…アッパーライン接続点、８３…排出パイプ、８３ａ…試料排出点、８５ａ～８５ｆ…廃液の流れ、８６…回収タンク、９０…バルブブリッジ部、９５…液体の圧力、１００…ロータ、１０１…ロータボディ、１０１ａ…上側開口、１０１ｂ…下側開口、１０２…雌ねじ、１０５…ロアシャフト、１１０…上側ロータカバー、１１１…試料通路、１１４…雄ねじ、１１５…Ｏリング、１１７…第二雄ねじ、１１８…Ｏリング、１１９…ナット、１２０…下側ロータカバー、１２０ａ…開口部、１２１…試料通路、１２２…試料分岐通路、１２３…嵌合軸、１２４…雄ねじ、１２５～１２７…Ｏリング、１２８ａ，１２８ｂ…位置決め用ピン、１２９…ナット、１３０…ロータコア、１３１…コアボディ、１３１ａ…コア上面、１３１ｂ…コア下面、１３２，１３２ａ～１３２ｆ…隔壁、１３３…Ｏリング、１３４…試料通過孔、１３５，１３５ａ～１３５ｆ…コア端面溝、１３７…分離空間、１４５…径方向通路、１７６～１７８…試料の流れ、１８０～１８２…試料の流れ、Ａ１…（ロータの）回転軸線

Claims (10)

1. 試料を分離するための円筒状のロータと、ロータが収納される遠心室と、ロータを回転させる駆動手段と、ロータの回転中にロータに試料を連続的に供給および排出する試料ラインと、遠心分離運転を制御する制御部と、を備え、
   前記試料ラインは、試料タンクに接続される試料供給ラインと、回収タンクに接続される試料排出ラインと、前記ロータの上側通路に繋がるアッパーラインと、前記ロータの下側通路に繋がるロアラインを有する連続遠心機において、
   ４つの前記ラインをブリッジ接続すると共に、前記制御部によって独立して開閉操作されるバルブをそれぞれのブリッジに設け、
   前記制御部は、前記ロータを回転させながら前記試料を前記ロータにトップフィードとボトムフィードで交互に流す操作を、
   ａ）４つの前記バルブのうち対向する２つのバルブだけを開放することによって前記ロータに対する試料の供給方向をトップフィード又はボトムフィードに定め、
   ｂ）前記試料の前記ロータからの排出が行われた後に、開放されたバルブのうちの排出側に位置する前記バルブを閉じることにより流路圧力を所定のピーク圧力まで到達させてから、排出側に位置する前記バルブを再び開いて前記流路圧力を通常状態に戻し、
   ｃ）前記ステップａ）にて開放された２つのバルブを閉じて、残りのバルブを開くようにして前記ロータに対する試料の供給方向を反対方向にし、
   ｄ）前記ステップｂ）及びステップｃ）を繰り返す、
   ことを実行することによって前記ロータ内の気泡を排出することを特徴する連続遠心機。
2. 前記ステップｂ）において、排出側に位置する前記バルブを、短い時間だけ閉じる操作と一定時間開く操作の２つの操作を複数回繰り返すことによって、前記流路圧力を所定のピーク圧力まで到達させる状態を複数回発生させることを特徴とする請求項１に記載の連続遠心機。
3. 前記ｄ）の繰り返しステップは、複数回実行されることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続遠心機。
4. ４つの前記バルブは、前記遠心室の外部に設けられるものであって、圧縮空気又は電力を動力源として開閉されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の連続遠心機。
5. 前記ロータは、円筒形のロータボディと、前記ロータボディの上下開口を塞ぐように取りつけられる上側ロータカバーと下側ロータカバーと、前記試料を分離するためであって内部を複数の空間に仕切るコアを含んで構成され、
   前記アッパーラインは前記ロータボディの回転軸線の上側にて前記上側ロータカバーに接続され、前記ロアラインは前記ロータボディの回転軸線の下側にて前記下側ロータカバーに接続されることを特徴とする請求項４に記載の連続遠心機。
6. 前記コアは、前記ロータ内を複数均等に分割する羽根状隔壁が外周部に突設される中空状の円筒状の胴部と、該胴部の上端と下端を塞ぐよう配設された端面部を有することを特徴とする請求項５に記載の連続遠心機。
7. 前記試料供給ラインには送液ポンプと圧力計が設けられ、
   前記ステップｂ）における排出側に位置する前記バルブの開閉は、前記圧力計の出力に基づいて前記制御部によって制御されることを特徴とする請求項６に記載の連続遠心機。
8. 試料を分離するための円筒状のロータと、ロータが収納される遠心室と、ロータを回転させる駆動手段と、ロータの回転中にロータに試料を連続的に供給および排出するための試料ラインと、遠心分離運転を制御する制御部を備えた連続遠心機のエア排出方法であって、
   前記試料ラインとして、試料タンクに接続される試料供給ラインと、回収タンクに接続される試料排出ラインと、前記ロータの上側通路に繋がるアッパーラインと、前記ロータの下側通路に繋がるロアラインを設け、４つの前記ラインをブリッジ接続して、それぞれのブリッジにバルブを設け、
   前記制御部は、
   ａ）前記ロータを回転させながら前記試料を前記ロータにトップフィードとボトムフィードで交互に流す操作を行い、
   ｂ）フィード方向を切替えた後の前記試料ラインの流速が通常よりも高くなるように前記試料ラインを一時的に絞って、その後に開放するという操作を行い、
   ｃ）４つの前記バルブのうち対向する２つのバルブだけを開放することによって前記ロータに対する試料の供給方向をトップフィード又はボトムフィードに定め、
   ｄ）前記試料の前記ロータからの排出が行われた後に、開放されたバルブのうちの排出側に位置する前記バルブを閉じることにより流路圧力を所定のピーク圧力まで到達させてから、排出側に位置する前記バルブを再び開いて前記流路圧力を通常状態に戻し、
   ｅ）前記ステップａ）にて開放された２つのバルブを閉じて、残りのバルブを開くようにして前記ロータに対する試料の供給方向を反対方向にし、
   ｆ）前記ステップｄ）及びステップｅ）を繰り返す、
   ことによって前記ロータ内の気泡を排出させることを特徴とする連続遠心機のエア排出方法。
9. 前記ステップｄ）において、排出側に位置する前記バルブを、短い時間だけ閉じる操作と一定時間開く操作の２つの操作を複数回繰り返すことによって、前記流路圧力を所定のピーク圧力まで到達させる状態を複数回発生させることを特徴とする請求項８に記載の連続遠心機のエア排出方法。
10. 前記ｆ）の繰り返しステップは、複数回実行されることを特徴とする請求項９に記載の連続遠心機のエア排出方法。

Images