JPWO2019176143A1 - 超臨界流体分離装置 - Google Patents

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Abstract

超臨界流体分離装置は、加熱ブロック温度を測定する第1温度センサの出力と分離部温度を測定する第2温度センサの出力の両方に基づいて、分離部温度が設定温度になるようにヒータの出力のフィードバック制御を行なう。分離部温度と設定温度との差分が大きいとき(所定値以上であるとき)は、加熱ブロック温度に基づいてヒータの出力を調節し、分離部温度と設定温度との差分が小さくなったとき(所定値未満となったとき)に当該差分の大きさに基づいてヒータの出力を調節する。

Description

本発明は、超臨界流体を利用して試料成分の分離を行なう超臨界流体分離装置に関するものである。
農産物中の残留農薬量の測定、血液中の代謝物や薬物等の量の測定にクロマトグラフが用いられるが、その前処理として測定対象の成分の抽出を行なう必要がある。測定対象成分を抽出するために、試料内への拡散力が強く、多くの物質に対して優れた溶解性を示す超臨界流体を用いた抽出装置が提案されている(特許文献1参照。)。
特許文献1の抽出装置は、複数の抽出容器を備え、各抽出容器における超臨界流体を流入させる入口部と超臨界流体を流出させる出口部の双方又は一方が、その入口部又は出口部に接続すべき流路の端部に設けられたニードルの先端を挿入することで流路接続が行われるニードルシール構造になっており、ニードルを自動で移動させることによって、試料の抽出を行なう抽出容器の切替えを自動的に行なうように構成されている。
抽出容器を保持するホルダは熱伝導性であり、そのホルダの温度がヒータやペルチェ素子などの素子を用いて所定温度に制御される。抽出容器の入口部に接続される流路には液体二酸化炭素とモディファイアが供給される。抽出容器の出口部に接続される流路上には背圧制御弁が設けられている。
液体二酸化炭素とモディファイアからなる移動相は、背圧制御弁によって背圧が一定の高圧状態に保持されることで、背圧制御弁までの流路内を超臨界状態で送液される。これにより、抽出容器の内部が超臨界流体で満たされ、抽出容器に収容された試料中の成分が抽出容器の出口部から抽出される。抽出された成分は、その下流側に設けられた分取装置において捕集されるか、又は分析カラムで分離された後で検出器に導入されて分析される。
特開2014−160055号公報
超臨界流体を用いた抽出装置やクロマトグラフでは、抽出容器や分析カラム(これらを総称して分離部と称する。)の温度が正確に設定された温度に調節されることが求められる。ここで、分離部の温度を設定温度に調節するためのヒータ出力の制御方法としては、加熱ブロック温度の測定値に基づくフィードバック制御と、分離部温度の測定値に基づくフィードバック制御と、が考えられる。
加熱ブロック温度の測定値に基づくフィードバック制御では、加熱ブロック温度と設定温度との差分に基づいてヒータの出力が調節されるため、加熱ブロック温度が設定温度に近づくと、分離部温度が設定温度付近に到達していないにも拘わらずヒータの出力が小さく調節されてしまい、分離部温度が設定温度に到達しにくいという問題がある。
一方で、分離部の温度の測定値に基づくフィードバック制御では、加熱ブロック温度の上昇速度に比べて分離部の温度の上昇速度が遅いために、ヒータが過熱してしまう虞がある。
そこで、本発明は、ヒータの過熱を防止しつつ分離部の温度を設定温度にまで正確に到達させることができるようにすることを目的とするものである。
本発明に係る超臨界流体分離装置は、移動相を送液する移動相送液流路、背圧制御弁、分離部、加熱ブロック、第1温度センサ、第2温度センサ、設定温度記憶部、及び温度制御部を備えている。前記背圧制御弁は、前記移動相送液流路の下流側に接続され、前記移動相送液流路を流れる移動相が超臨界状態となるように前記移動相送液流路内の圧力を制御するものである。前記分離部は、前記移動相送液流路と前記背圧制御弁との間に設けられ、前記移動相送液流路からの移動相によって試料成分の分離を行なうものである。前記加熱ブロックは、ヒータを具備し、前記ヒータからの熱を前記分離部へ伝達するように直接的に又は間接的に前記分離部と接するように設けられている。前記第1温度センサは、前記加熱ブロックの温度を測定するためのものである。前記第2温度センサは、前記分離部の温度を測定するためのものである。前記設定温度記憶部は、前記分離部の設定温度を記憶する。前記温度制御部は、前記分離部の温度が前記設定温度記憶部に記憶された前記設定温度になるように前記ヒータの出力をフィードバック制御するものであり、前記設定温度と前記第2温度センサによって測定される前記分離部の温度との差分が所定値以上であるときに、前記第1温度センサによって測定される前記加熱ブロックの温度に基づいて前記ヒータの出力を調節し、前記設定温度と前記第2温度センサによって測定される前記分離部の温度との差分が所定値未満となったときに、当該差分の大きさに基づいて前記ヒータの出力を調節するように構成されている。
すなわち、本発明に係る超臨界流体分離装置では、加熱ブロック温度を測定する第1温度センサの出力と分離部温度を測定する第2温度センサの出力の両方に基づいて、分離部温度が設定温度になるようにヒータの出力のフィードバック制御を行なう。具体的には、分離部温度と設定温度との差分が大きいとき(所定値以上であるとき)は、加熱ブロック温度に基づいてヒータの出力を調節し、分離部温度と設定温度との差分が小さくなったとき(所定値未満となったとき)に当該差分の大きさに基づいてヒータの出力を調節する。これにより、分離部温度がまだ目標温度から遠いときは、加熱ブロック温度に基づくフィードバック制御がなされることによってヒータの加熱が防止される。そして、分離部温度が目標温度に近づくと、設定温度と分離部温度との差分に基づいたフィードバック制御がなされ、分離部温度を設定温度に正確に到達させることができる。
本発明において、前記温度制御部は、前記設定温度と前記第2温度センサによって測定される前記分離部の温度との差分が所定値以上であるときに、前記加熱ブロックの目標温度を前記設定温度よりも高い温度に設定し、当該目標温度と前記第1温度センサによって測定される前記加熱ブロックの温度との差分の大きさに基づいて前記ヒータの出力を調節するように構成されていることが好ましい。これにより、分離部温度が設定温度から遠いときは、加熱ブロックの目標温度が設定温度よりも高く設定されることによってヒータの出力が高く調節されるため、分離部温度を迅速に昇温させることができる。
本発明において、前記分離部は、試料を収容する内部空間、前記移動相送液流路が接続され前記内部空間に前記移動相送液流路からの移動相を導入する入口部、及び前記背圧制御弁に通じる流路が接続され前記内部空間から移動相とともに抽出された試料を前記背圧制御弁側へ流出させる出口部を有する抽出容器であってもよい。
なお、本発明における「分離部」には、上記抽出容器のほか、超臨界流体を通液させることによって試料を成分ごとに分離する分析カラムも含む。
前記分離部が抽出容器である場合、前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部の少なくとも一方が、前記入口部又は前記出口部に接続されるべき流路の端部に設けられた可動性のニードルを挿入させることによってその流路を前記内部空間に接続するニードルシール構造となっていてもよい。この場合、超臨界流体分離装置は、前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部に接続されるべき流路の端部に設けられた前記ニードルを移動させて、前記ニードルの前記入口部又は前記出口部への接続と離脱を行なうニードル移動機構をさらに備え、前記第2温度センサは、前記ニードルが前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部に挿入される際に前記抽出容器の外面に接するように前記ニードル移動機構に保持されているようにしてもよい。このような構成にすれば、抽出容器の入口部又は出口部への配管接続が自動かつ容易になされるため、抽出容器の洗浄や交換等の作業が容易になる上、抽出容器の温度を測定する第2温度センサを抽出容器ごとに設ける必要がなくなる。
本発明に係る超臨界流体分離装置では、分離部温度と設定温度との差分が大きいときは、加熱ブロック温度に基づいてヒータの出力を調節し、分離部温度と設定温度との差分が小さくなったときに当該差分の大きさに基づいてヒータの出力を制御するので、ヒータの加熱を防止しつつ分離部温度を設定温度に正確に到達させることができる。
超臨界流体分離装置の一実施例を示す概略構成断面図である。 同実施例における抽出容器の出口部におけるニードルシール構造を示す断面図である。 同実施例における温度制御動作を説明するためのフローチャートである。 同実施例における加熱ブロック温度と抽出容器温度の時間変化の一例を示す図である。 加熱ブロック温度のみに基づくフィードバック制御を行なった場合の加熱ブロック温度と抽出容器温度の時間変化の一例を示す図である。 抽出容器温度のみに基づくフィードバック制御を行なった場合の加熱ブロック温度と抽出容器温度の時間変化の一例を示す図である。
以下、超臨界流体分離装置の一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図1に示されているように、成分を抽出する試料を内部に収容する分離部としての抽出容器7が容器ホルダ2に収容される。この実施例では、4つの抽出容器7が設けられているが、抽出容器7は3つ以下又は5つ以上であってもよい。抽出容器7は良好な熱伝導率を有する金属により構成されている。
容器ホルダ2は、抽出容器7の上部のキャップ部10より下側部分を収容する穴を備えている。容器ホルダ2は良好な熱伝導率を有する金属によって構成され、容器ホルダ2の下部に加熱ブロック4が設けられている。加熱ブロック4はヒータ5及びサーミスタなどからなる第1温度センサ6が埋設された熱伝導性の金属部材である。加熱ブロック4に埋設されたヒータ5の出力は、後述する制御装置27によって、抽出容器7の温度が設定温度になるように、第1温度センサ6によって測定される加熱ブロック4の温度T(以下、加熱ブロック温度T)と後述する第2温度センサ2によって測定される抽出容器7の温度T(以下、抽出容器温度T)に基づいて制御される。
抽出容器7の上部にキャップ部10が着脱可能に装着されており、そのキャップ部10を取り外すことで抽出容器7内に試料を収容したり、収容された試料を取り出したりすることができる。キャップ部10の上面側に出口部11が設けられている。抽出容器7の下面側には入口部8が設けられている。
入口部8及び出口部11は、ニードルを挿入させることによって流路接続が行われるニードルシール構造を有する。ニードルシール構造については後述する。
試料ホルダ2の下方に、先端部が鉛直上方向を向く入口側ニードル12と、その入口側ニードル12を水平面内方向及び鉛直方向へ移動させるニードル移動機構14が設けられている。入口側ニードル12の基端部に移動相送液流路15が接続されている。移動相送液流路15には送液装置16が接続されている。送液装置16は、二酸化炭素容器18から液体二酸化炭素を送液する送液ポンプ16aとモディファイア容器20からモディファイアを送液する送液ポンプ16bを備えている。送液装置16により入口側ニードル12の先端に二酸化炭素とモディファイアの混合溶液が供給される。
入口側ニードル12は抽出容器7の入口部8に挿入され、移動相送液流路15を抽出容器7の内部空間に接続するものである。図示されていないが、試料ホルダ2の加熱ブロック4には、試料ホルダ2に収容された抽出容器7の入口部8に通じる穴が設けられており、入口側ニードル12はその穴から入口部8に挿入される。
試料ホルダ2の上方に、先端部が鉛直下方向を向く出口側ニードル24と、その出口側ニードル24を水平面内方向と鉛直方向へ移動させるニードル移動機構22が設けられている。出口側ニードル24の基端部に抽出流路23が接続されている。抽出流路23は分取装置32へ通じているとともに、抽出流路23上に背圧制御弁(BPR)30が設けられている。
出口側ニードル24は抽出容器7の出口部11に挿入され、抽出流路23を抽出容器7の内部空間に接続するものである。出口側ニードル24にセンサホルダ26が設けられており、そのセンサホルダ26の下端に第2温度センサ36(図2参照)が設けられている。第2温度センサ36は、出口側ニードル24が抽出容器7の出口部11に挿入される際に抽出容器7の外面に接し、抽出容器7の外面の温度を測定する。
この超臨界流体分離装置は、成分の抽出を行なう試料が収容されている抽出容器7の入口部8に入口側ニードル12、出口部11に出口側ニードル24をそれぞれ挿入し、送液装置16を駆動して液体二酸化炭素とモディファイアからなる移動相を抽出容器7へ供給する。このとき、背圧制御弁30によって、背圧制御弁30よりも上流側の移動相送液流路15、抽出容器7及び抽出流路23で構成される系内の圧力が、移動相が超臨界状態となる圧力に制御される。
抽出容器7が超臨界流体で満たされることにより抽出容器7に収容されている試料から成分が抽出され、その成分が移動相とともに抽出流路23を通じて分取装置32に導入され、捕集される。
ここで、抽出容器7の出口部11におけるニードルシール構造及びセンサホルダ26の構造について図2を用いて説明する。抽出容器7の入口部8もニードルシール構造となっているが、その構造は出口部11のニードルシール構造と同じである。
抽出容器7の出口部11は、抽出容器7の上部に装着されるキャップ部10に設けられている。抽出容器7の本体部分の内面上部に周方向のネジが設けられ、キャップ部10の外周面下部にもネジが設けられ、キャップ部10を抽出容器7の本体部分とは相対的に回転させることによって、キャップ部10を締めて本体部分に固定し又はキャップ部10を緩めて本体部分から取り外すことができる。
出口部11には、出口側ニードル24の先端部を挿入させる孔11aと、その孔11aを抽出容器7の内部空間へ通じさせる孔11bが設けられている。孔11aの内径は出口側ニードル24の外径よりも大きく、孔11bの内径は出口側ニードル24の外径よりも小さい。孔11aと孔11bの繋ぎ目部分11cは下方へいくほど内径が小さくなるテーパ形状になっており、その繋ぎ目部分11cに出口側ニードル24の先端部が押し付けられることで、出口側ニードル24の内側流路と孔11bとがシール性を保って接続される。
出口側ニードル24の先端側にセンサホルダ26が取り付けられている。センサホルダ26は、出口側ニードル24の外周面を囲う筒状の部材であり、その下端面に、例えばサーミスタなどからなる第2温度センサ36が設けられている。センサホルダ26の内側に出口側ニードル24の軸方向に伸縮する、例えばコイルバネなどの弾性部材38が収容されている。弾性部材38は、上端が出口側ニードル24に設けられた鍔状の突起34と係合し、下端がセンサホルダ26と係合する。センサホルダ26は弾性部材38によって出口側ニードル24の先端側へ付勢されている。
センサホルダ26の下端面に設けられた第2温度センサ36は、出口側ニードル24が出口部11の孔11aに挿入されたときに出口部11の孔11aの縁に接するとともに、弾性部材38の弾性力によって孔11aの縁に押し付けられて当該縁と密接し、抽出容器7のキャップ部10の温度T(抽出容器温度T)を測定する。
図1に戻って説明を続けると、加熱ブロック4に埋設されているヒータ5の出力、ニードル移動機構14,22の動作、送液装置16の動作、及び背圧制御弁30の動作を制御する制御装置27が設けられている。制御装置27は、専用のコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータによって実現される。
制御装置27は、抽出容器7の温度制御を行なうための機能として、温度制御部28及び設定温度記憶部29を備えている。温度制御部28は、制御装置27においてマイクロコンピュータなどの演算素子が所定のプログラムを実行することによって得られる機能であり、設定温度記憶部29は制御装置27に設けられた記憶装置の一部の記憶領域によって実現される機能である。
抽出容器7の目標温度はユーザにより設定され、その設定温度Tsが設定温度記憶部29に記憶される。温度制御部28は、抽出容器7の温度が設定温度記憶部29に記憶された設定温度Tsになるように、第1温度センサ6により測定される加熱ブロック温度Tと第2温度センサ36(図2参照)により測定される抽出容器温度Tに基づいて、ヒータ5の出力のフィードバック制御を行なうように構成されている。
具体的には、抽出容器温度Tと設定温度Tsとの差分(Ts−T)が所定値a以上、すなわち、抽出容器温度Tが設定温度Tsよりも所定値a(a>0)だけ低いしきい値(Ts−a)以下であるとき、温度制御部28は、加熱ブロック温度Tに基づいてヒータ5の出力を調節する。そして、抽出容器温度Tと設定温度Tsとの差分(Ts−T)が所定値a未満、すなわち、抽出容器温度Tが設定温度Tsよりも所定値aだけ低いしきい値(Ts−a)を超えているとき、温度制御部28は、設定温度Tsと抽出容器温度Tとの差分(Ts−T)に基づいてヒータ5の出力を調節する。なお、aは設定温度Tsに応じて可変に調整される値であってもよい。
さらに、この実施例では、抽出容器温度Tと設定温度Tsとの差分(Ts−T)が所定値a以上、すなわち、抽出容器温度Tが設定温度Tsよりも所定値aだけ低い温度(Ts−a)以下であるとき、温度制御部28は、加熱ブロック4の目標温度を設定温度よりも所定値α(α>0)だけ高い温度(Ts+α)に設定し、加熱ブロック温度Tと目標温度(Ts+α)との差分(Ts+α−T)に基づいてヒータ5の出力を調節する。これにより、抽出容器温度Tがしきい値(Ts−a)に達するまでの抽出容器7の昇温速度を、ヒータ5の出力が加熱ブロック温度Tと設定温度Tsとの差分に基づいて調節される場合に比べて向上する。なお、αは設定温度Tsに応じて可変に調整される値であってもよい。
温度制御部28により実現される抽出容器7の温調動作について、図3のフローチャートを用いて説明する。
制御装置27には、第1温度センサ6及び第2温度センサ36によって測定される加熱ブロック温度T及び抽出容器温度Tが一定時間間隔で取り込まれる(ステップS1)。温度制御部28は、制御装置27に取り込まれた抽出容器温度Tと設定温度Tsとの差分(Ts−T)が所定値a以上であるときは(ステップS3)、加熱ブロック4の目標温度を設定温度Tsよりも高い温度(Ts+α)に設定し(ステップS4)、目標温度(Ts+α)と加熱ブロック温度Tとの差分(Ts+α−T)に基づいてヒータ5の出力を調節する(ステップS5)。他方、制御装置27に取り込まれた抽出容器温度Tと設定温度Tsとの差分(Ts−T)が所定値a未満であるときは(ステップS3)、当該差分(Ts−T)に基づいてヒータ5の出力を調節する(ステップS6)。
図4は上述の制御方法により実現される加熱ブロック温度Tと抽出容器温度Tの時間変化の一例を示している。この図に示されているように、抽出容器温度Tがしきい値(Ts−a)に達するまでは、加熱ブロック温度Tが設定温度Tsよりも高い目標温度(Ts+α)に近づくようにヒータ5の出力が調節されるため、加熱ブロック4の温度が過剰に上昇することなく、かつ迅速に抽出容器温度Tがしきい値(Ts−a)にまで到達する。そして、抽出容器温度Tがしきい値(Ts−a)に達した後は、抽出容器温度Tが設定温度Tsに近づくようにヒータ5の出力が調節されるため、抽出容器温度Tを設定温度Tsに正確に制御することができる。
図5は、加熱ブロック温度Tにのみ基づいてヒータ5の出力のフィードバック制御を行なった場合の加熱ブロック温度Tと抽出容器温度Tの時間変化の一例を示しており、図6は、抽出容器温度Tにのみ基づいてヒータ5の出力のフィードバック制御を行なった場合の加熱ブロック温度Tと抽出容器温度Tの時間変化の一例を示している。
図5からわかるように、加熱ブロック温度Tにのみ基づいてヒータ5の出力のフィードバック制御を行なうと、加熱ブロック温度Tが設定温度Tsに達すると加熱ブロックTの温度を一定に維持するようにヒータ5の出力が調節されるため、抽出容器温度Tが設定温度Tsに到達しにくいという問題がある。
一方で、図6からわかるように、抽出容器温度Tにのみ基づいてヒータ5の出力のフィードバック制御を行なうと、抽出容器温度Tが設定温度Tsに達するまで、加熱ブロック4がヒータ5によって加熱され続けるため、加熱ブロック温度Tが過剰に上昇してしまうという問題がある。
これに対し、この実施例のように、加熱ブロック温度Tに基づくフィードバック制御と抽出容器温度Tに基づくフィードバック制御とを途中で切り替えて実行することで、ヒータ5による過熱を防止しつつ抽出容器温度Tを設定温度Tsに正確に制御することが可能である。
なお、詳細な説明は省略しているが、上述の温調動作は、分離部としての分析カラムを備えた超臨界流体クロマトグラフにおいても同様に適用することができる。
2 容器ホルダ
4 加熱ブロック
5 ヒータ
6 第1温度センサ
7 抽出容器
8 入口部
10 キャップ部
11 出口部
12 入口側ニードル
14,22 ニードル移動機構
15 移動相送液流路
16 送液装置
16a,16b 送液ポンプ
18 二酸化炭素容器
20 モディファイア容器
23 抽出流路
24 出口側ニードル
26 センサホルダ
27 制御装置
28 温度制御部
29 設定温度記憶部
30 背圧制御弁
32 分取装置
34 突起
36 第2温度センサ
38 弾性部材

Claims (4)

  1. 移動相を送液する移動相送液流路と、
    前記移動相送液流路の下流側に接続され、前記移動相送液流路を流れる移動相が超臨界状態となるように前記移動相送液流路内の圧力を制御する背圧制御弁と、
    前記移動相送液流路と前記背圧制御弁との間に設けられ、前記移動相送液流路からの移動相によって試料成分の分離を行なう分離部と、
    ヒータを具備し、前記ヒータからの熱を前記分離部へ伝達するように直接的に又は間接的に前記分離部と接するように設けられた加熱ブロックと、
    前記加熱ブロックの温度を測定するための第1温度センサと、
    前記分離部の温度を測定するための第2温度センサと、
    前記分離部の設定温度を記憶する設定温度記憶部と、
    前記分離部の温度が前記設定温度記憶部に記憶された前記設定温度になるように前記ヒータの出力をフィードバック制御する温度制御部であって、前記設定温度と前記第2温度センサによって測定される前記分離部の温度との差分が所定値以上であるときに、前記第1温度センサによって測定される前記加熱ブロックの温度に基づいて前記ヒータの出力を調節し、前記設定温度と前記第2温度センサによって測定される前記分離部の温度との差分が所定値未満となったときに、当該差分の大きさに基づいて前記ヒータの出力を調節するように構成された温度制御部と、を備えた超臨界流体分離装置。
  2. 前記温度制御部は、前記設定温度と前記第2温度センサによって測定される前記分離部の温度との差分が所定値以上であるときに、前記加熱ブロックの目標温度を前記設定温度よりも高い温度に設定し、当該目標温度と前記第1温度センサによって測定される前記加熱ブロックの温度との差分の大きさに基づいて前記ヒータの出力を調節するように構成されている、請求項1に記載の超臨界流体分離装置。
  3. 前記分離部は、試料を収容する内部空間、前記移動相送液流路が接続され前記内部空間に前記移動相送液流路からの移動相を導入する入口部、及び前記背圧制御弁に通じる流路が接続され前記内部空間から移動相とともに抽出された試料を前記背圧制御弁側へ流出させる出口部を有する抽出容器である請求項1又は2に記載の超臨界流体分離装置。
  4. 前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部の少なくとも一方が、前記入口部又は前記出口部に接続されるべき流路の端部に設けられた可動性のニードルを挿入させることによってその流路を前記内部空間に接続するニードルシール構造となっており、
    前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部に接続されるべき流路の端部に設けられた前記ニードルを移動させて、前記ニードルの前記入口部又は前記出口部への接続と離脱を行なうニードル移動機構をさらに備え、
    前記第2温度センサは、前記ニードルが前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部に挿入される際に前記抽出容器の外面に接するように前記ニードル移動機構に保持されている、請求項3に記載の超臨界流体分離装置。
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