JPH04501679A - 粒子材料の手段による液体からの物質分離法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 粒子材料の手段による液体からの物質分離法本発明は、物質を粒子材料と結合さ せることによって、液体からその物質を分離する方法に関する。これに関しては 、粒子材料とは、固体のみならず多少液体材料の粒子、例えばゲル状の粒子を含 んでいる細かく分割された形状の何か適当な材料を意味している。該粒子はポー ラスでもよいし、また液体を浸み込ませないものでもよい。好ましいのは、これ ら粒子が化学的に安定していて、本発明の殆んどの適用にあたり、接触する液体 に対しても、液体から分離されるべき物質に対しても化学変化を起こさないこと である。その粒子がどんな適当な形状をしてもよいが、はぼ同じ大きさの球状で あることが好ましい。

従来、いわゆる液体クロマトグラフィ装置という手段による分離は、分離される べき物質を含んだ液体が、孔のあいた２枚の端壁間の処理室において、−緒に緊 密に包まれた状態の多量の小粒子で満たされた処理室を通過させることを意味し ている。このようにして、液体は、移動を止められた粒子間の隙間を通って流れ なければならない。そして、分離されるべき物質は、彼等の表面における吸着あ るいは何か他の方法にょって保持されている。

この分離技術についての問題点は、粒子間の隙間において液体の流動抵抗が非常 に大きいことである。粒子が小さければ小さい程この流動抵抗は大きくなる。

こうして、液体は、粒子間の隙間を通過することができるように、高圧力状態に されていなければならない。一定量の包まれた粒子は、その粒子が小さければ小 さい程、大きな全表面積を流動液体にさらすことになるので、粒子ができるだけ 小さく造られることが好ましいという事実によって、この問題は強調される。

これらの理由で、大きな分離能力をもった分離プラントを許容できるコストで提 供することは困難であって、したがって、前述の分離技術は、主として小規模な もの、例えば、分析目的または非常に小量の非常に高価な物質を分離するのに有 効である。

上述の分離技術に代わるものとして、分離されるべき物質を含む液体が粒子の床 （ｂｅｄ）を含む処理室の低い部分に供給され、それによって粒子が互いに相対 的に自由に動くことができ、それから、粒子が処理室内に流動状態ないし浮遊状 態で維持されるような方法で、下から上へ粒子の床を通って流動するようにすべ きことが提案されてきた。

この種の流動技術は、前述の分離技術よりも供給液体に対する圧力の加え過ぎが 小さいことを要求される。しかしながら、この場合の分離プラントの能力は、粒 子の床を通過する液体の流速を過大にすることができないという事実によって、 その代わりに限定されよう。粒子が重力によって床に達し、処理室の外へ、上方 に流れる液体によりて連続的に送られなくなる程、この流速が犬であってはいけ ない。

液体の中のある物質を粒子に結合させることを提案されてきた別の一つの技術は 、ある時間攪拌によって粒子を液体中に浮遊状態に保持し、粒子が液体中の前記 物質を引きつけた後、重力分離または遠心力分離によって粒子を液体から分離す ることにある。この技術の不利な点は、この中の物質の分離のため粒子と液体の すべての部分との間で必要な接触をさせることが比較的に長い時間を要すること である。

本発明の目的は、物質を小さい粒子に結合させることによって、その物質を液体 から分離させる新しい方法を提供することであり、その方法は、前述の方法より も実質的にさらに大きな分離能力を持つことを可能にし、こうして、それらの方 法よりも大規模に使用されることができるものである。本発明のもう一つの目的 は、従来使用できたものよりも実質的にさらに小さい粒子の使用を可能にするこ とである。

本発明によればこれらの目的は、所定の密度をもった液体自身を、液体の密度よ りも低い密度をもった小さな粒子と一緒に回転させることを維持すること、およ び分離されるべき物質を含む液体を、その粒子が回転している液体中に浮遊して いるような方法で、粒子と接触させることによって達成されることができる。

したがって本発明は、液体よりも軽い粒子を回転中の液体中に浮遊状態に保持す ることであり、その間、分離されるべき物質を含む液体は、浮遊している粒子を 通過して流動して行くようになっている。

望むならば、粒子は、回転している液体全体にわたり浮遊された状態を維持する ことができる。しかしながら、前記物質を除去されるべき液体が、浮遊層を通過 して流動して行けるように、粒子は液体の層中に浮遊状態のみで持続されている ことが望ましい。液体の主要部分は、回転液体の回転軸から液体の回転方向最外 側の部分へ向う方向に浮遊粒子間を流れるべきである。

粒子が液体よりも軽いので、液体中に浮遊している粒子は、遠心力によって半径 方向内側Ｎ動こうとするが、この方向に影響力を与える遠心力は、粒子の位置が 回転軸から遠い程大きい。したがって、分離されるべき前記物質を含む液体の供 給は、粒子が半径方向外側に流れる液体と一緒に処理室を去るべきであることに ついて何らリスクなしに、非常に大量になされることができる。供給される液体 の流わによって粒子が受ける力は、粒子と回転軸との間の距離に無関係である粒 子の大きさが浮遊層によって多少異なっていてもこれは非常に大きな問題とはな らない、その理由は、供給される液体により容易に連続して運ばれる極端に小さ い粒子は、半径方向外側へ増大する遠心力のため、他の粒子との接近をなお保持 しているからである。

もし、それが偶然の力に影響され、回転軸から遥か遠くへ移送されたとしても、 それと同じ機構により粒子は半径方向内方に直ちに戻される。

回転状態を続ける液体自体はどんな望ましい形状にもできる。供給される液体の 流れの断面が半径方向外側に増大するような形状を持っているならば、浮遊粒子 上における釣合の影響は一層大きくなる。何故ならば、この場合粒子上に作用し 、かつ液体の流れにより生ずる力が、液体の回転軸から遠ざかるにしたがって減 少するからであり、それに反し、反対向きに作用する遠心力が増大するからであ る。

供給される液体が流れの方向に断面が増大して行くことは、そこで粒子が安全に 保持されるために、とくに浮遊層の半径方向外側の部分において望ましい、しか しながら、浮遊層の主要部分においては、その代わりに、供給される液体が流れ の過程で断面が半径方向外側へ向って減少して行くことが望ましい、それによっ で、すなわち、そこを通る液体の流路に沿って浮遊層における粒子のほぼ均一な 分布が望まれるならば、それは実現されることができる。粒子がある大きさの範 囲に分布されているならば、そこの粒子の望ましい分布状態を確保するため、浮 遊層を通る液体の流路の設計に関連して、このことが考慮されなければならない 。

すでに明らかなように、浮遊層における粒子間のどのような望ましい距離でも、 浮遊層内の遠心力と、同層を通る液体の流れとを適当に選択することによって実 現され得る。この距離は分離工程の途中においてでも、遠心力およびまたは液体 の流れを制御することによって変えることもできる。

望まれれば、回転中の液体において浮遊粒子の異なった層（分離層または重複層 ）を得ることは、異なった大きさの粒子を用いることにより可能である。これは 、粒）の半径方向移動を回転する液体の浮遊層内に制限するために、分離操作中 に粒子をバッチ式に使用することに役立たせることができる。

好都合にも、些細な点でのみ変更された、前記液体と粒子がともにほぼ環状体の 形状で回転を続ける従来の遠心分離機が、本発明の方法の実施のために使用され 得る。

本発明は、従来の液体クロマトグラフィが問題となった種類のほとんどすべての 分離プロセスに関連して用いられ得る。さらに本発明は、現在経済的に許容され る方法では解決できない多くの分離問題の解決を、ここで問題となる分離技術の 手段によって可能にした。このようにして、本発明は、非常に稀釈された大量の 溶液から非常に小量の高価なあるいは有害な物質を分離することを工業的規模で 可能とする。例えば、本発明は、溶液から金、銀等の高価な金属を抽出すること 、あるいはバイオ技術プロセスの液体からタンパク質、ポリペプチド、あるいは アミノ酸を抽出することに用いられる。また炭水化物、脂質も抽出できる。さら に、ビール、ワインのような飲料の品質が、ある物質の除去によって改善し得る 。他の例は、廃水が自然界に戻される前に、重金属、フェノールあるいはシアニ ド等の好ましくない物質を除去することが可能である。

使用されるべき粒子用材料の選択は、分離されるべき物質を含んだ液体と、前記 物質とに関連させてなされなければならない。多くのプロセスの液体が約１゜０ 　ｇ／ｃｍ３の密度を有するので、１　、　０　ｇ／ｃｍ３よりも低い密度を有 する粒子がしばしば選択されなければならない。そこで、色々な種類のプラスチ ック材料が問題となりうる。例えば、ポリエチレンまたはポリプロピレンは粒子 の中の基盤材料として用いられる。しかしながら、かかる材料の粒子が一種類の ガスあるいはそれ以上のガスを含むように、従来知られている技術の手段によっ て膨張されるならば、１−　Ｏｇ／ｃｍ３より重い材料も使うことができる。０ 　、　０４　ｇ／ｃｍ３程度の低い密度を有するこの種の粒子は市場で入手し得 る。

従来の液体クロマトグラフィに関して一般に知られているのと同じ方法で、本発 明の方法に用いられるべき粒子は、液体から分離されるべき物質を抽出あるいは 結合することができるように、常に準備されていなければならない。既知の多く の方法の中の−っまたは他の方法において、液体がそれとともに接触したときに 、例えば化学的または物理的に前記物質を粒子と結合できる活性面が粒子に与え られる。例えば粒子表面に、ある電荷を与えることができ、その結果表面は、反 対の電荷を持っている粒子物質を抽出および結合することができる（イオン交換 技術）。いわゆる親和クロマトグラフィ、疎水性相互作用等に関するよく知られ た原理が本発明に関して用いられることができる。

液体中の物質を吸収する能力を持った粒子を用いることも可能である。このよう な場合、その物質は問題の粒子本体に侵入し、そこで保持される。

従来の液体クロマトグラフィに関してと同様に、本発明の分離方法に用いられた 粒子は、幾度も繰返し使用できることが、しばしば叉望される。分離プロセスの 間に、粒子を粒子と結合している物質から離すため、従来の液体クロマトグラフ ィに関してと同様に対応した技術が用いられる。

粒子の大きさは、できるだけ小さくされるべきであるが、問題の遠心力の場にお いて、到達した遠心力と液体の流れの大きさとの組み合わせの選択に適合されな ければならない。０．１〜１０μｍの大きさの粒子が用いられるのが望ましい。

次に、添付の図面を参照して本発明を説明する。図１には、本発明の実施に用い られ得るある種のいわゆる開放型遠心ロータを概略的に示す。図２は、多少修正 された図１の遠心ロータの一部を示す。図３は、本発明の実施に選択して用いら れ得る、いわゆる閉鎖型遠心ロータを示す。

図１は垂直な駆動軸２によって支持されたロータ本体１を含む遠心ロータの一部 を示す。ロータ本体１は分離室３を限定し、この分離室において従来の円錐台状 の分離円板４の積み重ねがロータと同軸に配置されている。軸方向に一列に並ん だいわゆる分配用孔５を有する分離円板４の積み重ねが円錐の底板６の上方に置 かれている。この底板は分配孔５と一列に並んで対応している孔７を有する。底 板６はロータ本体１の下部と一緒に室８を形成し、室８は底板６の孔７を通って 分離室３と通じている。回転軸２を通って軸方向に延びている流路９は、室８に 開放されている。

ロータ本体１の上部と一緒に多数の流路１１の境界を定めている円錐形の仕切り １０が、分離円板４の積み重ねの上に置かれている。流路１１は分離室３の半径 方向の外側部からロータの中心に向って延び、それぞれロータ本体１の半径方向 内部と仕切り１０とによって形成された第１の出口室１２に開放されている。

第１の出口室１２の半径方向内側に、仕切り１０の半径方向内部が第２の出口室 １３を形成する。分離室３は溢流出口１４を通して前記第２の出口室１３に通じ ている。

両出口室１２．１３は、半径方向内側に開いた環状溝を形成しており、これら環 状溝の中へ静止した出口部材１５．１６が延びていて、これらは従来のいわゆる 皮むき円板（ｐａｒ　ｉｎｇ　ｄｉｓｃｓ）の形態を有することができる。百出 口部材は、ロータの外側からロータ内の中央入口室１８に延びていて円錐台状の 分離円板４の半径方向内側に形成されている静止入口管１７によって支持されて いる。入口室１８に位置している入口管１７の部分には孔が明けられているので 、入口管を通して供給される液体は半径方向外側にスプレーされ、入口室の軸方 向の延びに沿って分配される。

分離室３の半径方向最外部において、ロータ本体１は回転軸の周りに均等に分布 された多数の出口孔１９を有する。公知の方法で、これらの出口孔は、ロータの 運転中に開閉されるように配置することができる。

運転中、上述の遠心ローターは液体および液体の密度よりも小さい密度をもった 非常に小さい粒子を含んでいる。液体は、分離円板４と中央入口室１８の部分と の間の空間を含む分離室３の最大部分を充たしている回転体を形成し、そして粒 子は回転軸に最も近接した位置にある液体の層２０を形成した円筒状のスリーブ 中に浮遊される。層２０は半径方向内方に溢流出口１４の水準まで延び、それに より、入口管１７を通してロータに供給される液体が、層２０の内側に向ってス プレーされる。層２０は、底板６と仕切り１０によって分離円板４の半径方向内 側に支持され、半径方向および軸方向に延びている一連の翼（不図示）の手段に よって分離片に分割されることができる。

図１の遠心ロータは次の様に作用するように設計されている。

分離されるべきある物質を含む液体は、入口管１７を通して供給され、粒子を含 む液体層２０を形成している回転スリーブの内側に向けてスプレーされる。この 液体の供給によって、粒子は回転する液体中に浮遊状態で保持されている。入口 管１７を通して液体の供給量が大きければ大きい程、液体中の粒子間の大きい間 隔が得られる。

層２０を通して供給される液体が通過中に、液体から分離されるべき物質を抽出 することは、既知の方法で準備された粒子表面と効果的に接触させることになる 。液体が層２０を通って移動し、前記物質の全体または一部から分離されると、 それは、さらに、分離円板４間の間隙を通して半径方向外側に、分離室３の半径 方向外部へ流れ続ける。そこから液体は、流路１１を通して半径方向内側に出口 室１２へ流れ、そこから静止出口部材１５の手段によって取出される。

前述の分離作用の間、新しい粒子をロータに供給することができ、使用された粒 子は、ロータから連続的にあるいは間欠的にのいずれかで取出されることができ る。新しい粒子は、駆動軸ｚ内の流路９を通して供給することができ、そして室 ８および分配孔５を通して分離円板４間の隙間内にポンプにて送られる。供給さ れた新しい粒子はこのようにしてロータ内を半径方向外側に流れる液体と相対的 に反対方向に移動する。

それによって供給された液体から前述の物質を分離した粒子に一致する量が溢流 出口１４を通して出口室１３に、入口室１８の外へ移動する。静止出口部材１６ の手段によって、粒子は出口室１３がら取出される。

分離室３の外へ間欠的に粒子を移動させる別の方法によれば、静止出口部材１５ を通して液体の外への流れは一時的に止めることができるが、一方、新しい液体 は入口管１７を通じて連続的に供給される。それから、出口室１２と分離室３（ または入口室１８）の画室における液体の表面は半径方向内側に移動する。

新しい粒子は、例えば、前記物質を分離した後遠心ロータを去る液体の一部のよ うな適当な種類の液体に浮遊されて、遠心ロータに供給されるのが望ましい。

前述の分離操作で使われた粒子、すなわち、出口室１３を通して遠心ロータから 排出された粒子は既知の方法で再調整されて、再使用することができる。粒子の 不足の際に、流路９を通ってロータに供給される粒子浮遊物は一層薄めれら、す なわち、粒子浮遊物の単位容積あたり粒子の含有量が出口部材１６の手段によっ てロータから排出される粒子浮遊物よりも少なくなる。排出される粒子浮遊物の 成分は、液体中に流動化された粒子の層２０に用いられる粒子密度によって決定 される。

前述の種類の円錐形の分離円板４を使用して、供給された液体中の前記物質を抽 出することを目的とする粒子は、ロータ中を半径方向外側にその流路を液体によ って遠過ぎるところまで運ばれないように効果的に防止される。しかしながら、 粒子浮遊物の大部分が半径方向に分離円板の内側に形成されるような方法で、分 離円板の寸法を定めることが粒子浮遊物の濃度が余りにも犬となることを防止す るために適切に行なわれ得る。

遠心ロータが新しい粒子のための分離された入口を持つことは前述で想像される 。そうでなければ、新粒子は、前記液体の通常の入口を通して遠心ロータに供給 されることができる。すなわち、それが遠心ロータに供給される前に液体と混合 されることができる。図２は、この方法で新しい粒子を供給するように配備され た遠心ロータの一実施例を示す。

図２は、出口部材１６ａを支持する孔の明いた入口管１７ａを示す。出口部材は 出口室１３ａにおいて半径方向外側へ延びでおり、この出口室１３ａは仕切り２ ２の多数の孔２１を通してロータの分離室に通じている。孔２１は、そこを回転 する液体によって入口室１８ａに形成された自由液面の半径方向外側のある水準 に位置決めされる。

図２に層２０ａとして示されている液体の半径方向最内層において、粒子は孔の あいた入口管１７ａを通しての液体の供給によって浮遊状態に保持される。明ら かなように、仕切り２２は半径方向内側に層２０ａの内側の水準まで延びている ので、浮遊粒子は孔２１を通る以外に他の通路を通って出口室１３ａに流入する ことができない。これらの孔は層２０ａの半径方向外側部分の水準に位置してい る。

図２に示された実施例において、遠心ロータは円錐台状の分離円板４ａを有し、 この分離円板４ａは、はぼ水平に延びている環状部材２３を半径方向最内側の縁 において支持している。環状部材２３は半径方向外側に向かって厚さを増してお り、それにより、それらの間の隙間が半径方向外側へ向かって狭くなっている。

これは、流れの断面積が殆んど変らないか減少する場合でさえも、粒子浮遊の層 ２０ａを通って半径方向外側に流れる液体を供給し得ることを可能にする部材２ ３の設計によるものである。

該部材２３は、互いにまた孔２１とも軸方向に揃った孔２４を有する。それによ って、通過する液体からある物質を分離された粒子は、実際に半径方向の水準で 層２０ａを去り、出口室１３ａに流出する。そこにおいて、要望があれば、自由 液面は、入口室１８ａにおいて自由液面の半径方向外側に出口部材１６ａの手段 によって保持される。孔２１が浮遊物の出口室１３ａ内へ流れのための絞りを形 成することが推定される図２による遠心ロータの実施例において、入口管１７ａ を通して供給される液体と一緒に新しい粒子が層２０ａに供給されることが好ま しい。これによって、新しい粒子が初めに層２０ａの半径方向最内部に浮遊状態 に保持されることが可能である。粒子は、液体から前記物質を次第に分離し、そ れによって、本発明の大ていの適用例において重くなるので、半径方向外側に動 き、最後に孔２４と２１を通って層２０ａを去ることができる。

図３は、本発明の方法が実行される手段による遠心ロータの別の実施例を示す。

図１の遠心ロータの部分に対応する図３の遠心ロータの部分は同一参照番号であ って、図３の方は、図１のものに文字すが加えられている。

図３の遠心ロータは、物質を分離すべき液体のための入口管２５を有し、この入 口管は駆動シャフト２ｂ内の流路９ｂを通って延びている。ロータと一緒に回転 できる入口管２５はその延びる方向に沿って入口室１８ｂ内へ孔が明けられてい る。

ロータ本体１ｂはその上部で管２６および導管に連絡されているポンプ車輪２７ を支持している。管２６とポンプ車輪２７は、出口溝２９を有する静止ポンプハ ウスによって周りを密封される。管２６の内側はロータ内の流路１１ｂと通じ、 ポンプ車輪２７の内側とも通じている。これによってポンプ車輪は液体を分離室 ３ｂから流路１１ｂを通ってポンプハウジング２８内へ、さらに出口溝２９を通 って外へポンプで送られるように配備されている。

同様な方式でその上方部分における円錐形の仕切り１０ｂが管３０と連結されて おり、この管３ｏは管２６を通って同一軸に延びており、ポンプ車輪４１を支持 している管３０の上部とポンプ車輪３１は出口溝３３を有する静止ポンプハウジ ング３２によって周りを密封されている。管３０の内側は入口室１８ｂに通じ、 ポンプ車輪３１の内側に通じている。これにより、ポンプ車輪は粒子浮遊物を入 口室１８ｂからポンプハウジング３２内へ、さらに出口溝３３を通してポンプで 排出するように配備されている。

図３の遠心ロータは、図１の遠心ロータとほぼ同様に作用する。差異はただ、入 口１１８ｂ全体が、運転中に粒子浮遊物で充たされることと、ロータ内の分離作 用が大気圧以上で行われ、かつロータの周りの大気に液体も粒子も接触すること なしに、実施されることである。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．物質を小粒子と結合させることによって、液体から該物質を分離する方法に おいて、 所定の密度を有する液体が、該液体の密度よりも低い密度を有する小粒子ととも に回転状態に保たれ、かつ、 分離されるべき前記物質を含む液体を、粒子が回転している該液体に浮遊状態で 保持されるように、粒子と接触させることを特徴とする、液体から物質を分離す る方法。
2. ２．分離されるべき前記物質を含む液体の主要部分を、回転している液体の回転 軸から液体の半径方向外側部分に向かう方向に、浮遊粒子間を流動させることを 特徴とする、請求項１に記載の液体から物質を分離する方法。
3. ３．分離されるべき前記物質を含む液体を、前記粒子が浮遊状態で保持されて回 転する液体の層（２０）を通って流動させることを特徴とする、請求項１または 請求項２に記載の液体から物質を分離する方法。
4. ４．液体が、前記層（２０）の半径方向外側部分から連続的に除去されることを 特徴とする、請求項３に記載の液体から物質を分離する方法。
5. ５．液体が回転を継続しているときに、新しい粒子が供給され、使用された粒子 が液体から除去されることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一 項に記載の液体から物質を分離する方法。
6. ６．液体と前記粒子とが、ほぼ環状物体として回転状態を維持されることを特徴 とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の液体から物乞を分離す る方法。
7. ７．液体が、回転している液体から浮遊粒子の半径方向外側へ、隙間（１２）に 誘導され、回転される間に、所定の半径方向の水準に維持される自由な、なるべ く環状の液体表面を形成することを許容されることを特徴とする、請求項１ない し請求項６のいずれか一項に記載の液体から物質を分離する方法。
8. ８．液体と粒子の回転中の自由表面が、ロータ本体（１）によって境界を定めら れる室（３）における所定の水準に、前記室（３）から溢流出口（１４）の手段 によって維持されることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか一項 に記載の液体から物質を分離する方法。
9. ９．新しい粒子が、第１の水準において回転している液体の前記層（２０ａ）に 供給され、使用された粒子が、前記第１の水準の半径方向外側の第２の水準（２ １）において層（２０ａ）から除去されることを特徴とする、請求項３ないし請 求項７のいずれか一項に記載の液体から物質を分離する方法。
10. １０．分離されるべき前記物質を含む液体を、液体の流れの方向からみて、流れ の断面が減少し、そして遠心力が増加する流路に沿って浮遊物質を通過させて流 動さることを特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の液体 から物質を分離する方法