WO2016042618A1

WO2016042618A1 - 気液分離器及び超臨界流体装置

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Abstract

本発明の実施形態の気液分離器は気体と液体とを含む移動相を気体と液体に分離するものである。本発明の実施形態の気液分離器は、移動相が導入される導入流路と、上記導入流路に接続された複数の吐出流路と、を備えている。上記吐出流路の吐出口から気体及び液体が吐出される。

Description

気液分離器及び超臨界流体装置

　本発明は、気液分離器及び超臨界流体装置に関するものである。

　超臨界流体クロマトグラフ装置（ＳＦＣ：Super-Critical Fluid Chromatography）や超臨界流体抽出装置（ＳＦＥ：Super-Critical Fluid Extraction）では、１０ＭＰａ（メガパスカル）以上の超臨界流体又は液体状態のＣＯ₂が背圧調整器（ＢＰＲ：Back Pressure Regulator）通過後に大気圧に減圧され気化する。分取機能を備えたＳＦＣやＳＦＥでは、例えばＣＯ₂とモディファイアの混合流体に溶解しているサンプルをＢＰＲ通過後に捕集する。気化したＣＯ₂はその体積が４００倍にもなるため、出口配管から流出する流体は飛散し、サンプルが失われるという問題が生じる。

　この問題を解決するため、気体（ＣＯ₂）と液体（モディファイア、主にはＭｅＯＨ）を分離し、液体のみを回収する気液分離器が必要となる。このような気液分離器は例えば特許文献１－７に開示されている。

　ＳＦＣやＳＦＥにおいてカラムを通過した後の分取対象はクロマトピーク群として現れる。クロマトピーク群におけるピークの一つ一つはフラクションと呼ばれる。多数のフラクション（ピーク）は例えば秒単位で近接した状態で分離している。このフラクションすべてを採取する必要がある。

　フラクションの採取にはフラクションコレクタが用いられる。例えば通常の液体クロマトグラフ（ＬＣ：liquid chromatograph）で用いられるフラクションコレクタは、空間的に多数並べられた捕集瓶（例えば試験管など）に吐出口のついたヘッドをＸ－Ｙ方向に移動させることによって多数のフラクションを捕集瓶に滴下する。

　ここでフラクションの分取方式を例えば３つに分けて説明する。
　１つ目の分取方式は、複数の採集瓶に対して採集瓶ごとに気液分離器を設ける方式である。この方式は例えば特許文献１，３，７に開示されている。多数のフラクションはバルブによって流路を切り替えられて気液分離器を介して採集瓶に導かれる。１つの気液分離器には１つのフラクションしか通過しない。したがって、この方式は、デッドボリュームの大きさや、クロスコンタミネーション（例えばピーク個々がブロードになったりして互いに交じり合うこと）は問題とはならない利点がある。しかし、例えば市販の切り替えバルブは６方が最大であり、それ以上の個数のフラクション（分取対象クロマトピーク）を分取するためには複数段数にバルブを接続する必要があり、系が大規模複雑化するという問題が生じる。

　２つ目の分取方式は、捕集瓶内で気液分離を行う方式である。この方式は、デッドボリュームがゼロであるので、クロスコンタミネーションの問題は発生しない利点がある。この方式は例えば特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された方式は、切り替えバルブを使用せずに、ＬＣ用フラクションコレクタと同様に空間的に多数並んだ回収バイアルにフラクション排出プローブを移動させることによって多数のフラクションの分取が可能である。しかし、特許文献２に開示された方式はプローブのＸ－Ｙ方向の移動の時間的前後にプローブ先端をＺ方向に移動させ、回収バイアルとプローブ先端の脱着を行う必要がある。このため、特許文献２に開示された方式は、そのデッドタイムの間はフラクションの分取は行えず、非常に近接したフラクションを分取することは困難である。

　３つ目の分取方式は、フラクションコレクタの上流側の流路に１つの気液分離器を有するタイプである。この方式は、フラクションコレクタに液体のみを送液するので、従来のＬＣのような分取が可能である。この方式は例えば特許文献４，６，７に開示されている。

　装置構成の簡略性を担保しつつ、多数のフラクションを取得可能な装置とするためには、上記３つ目の分取方式が好ましいと考えられる。しかし、特許文献４のようにドリッパと呼ばれる内径拡大管が用いられると、特許文献５で示されるように管内径拡大部で旋回流が発生し、時間的に近接した複数のフラクションが互いに交じり合うクロスコンタミネーションが発生する。管の中に旋回流が発生すると、１周目と２周目や、２周目と３周目では、流れが上下で隣接する。この流れに多数のフラクションが流れると、時間的に異なる成分が互いに交じり合うことが容易に想像できる。特許文献６における旋回流や、特許文献７の多孔質フィルタにおける滞留も、同様にクロスコンタミネーションを引き起こす。

　また、特許文献４の内管、特許文献６のチャンバ、特許文献７のチャンバなどにおけるデッドボリュームによってピークがブロードになる。このことからもクロスコンタミネーションが発生する。また、残留成分が次の分取時に混入するキャリーオーバーも問題となる。例えば特許文献４のように、容量が大きいチャンバ内壁を移動相が通過する構造は好ましくない。

特表２００９－５４４０４２２号公報特開２０１０－７８５３２号公報特許第４９１８６４１号公報特表２０１２－５０８８８２号公報特表２００９－５４４０４２２号公報米国特許出願公開第２０１３／０１８０４０４号明細書国際公開第２０１２／１６７１８０号パンフレット

　さて、サンプルを含む液体成分の飛散の問題を引き起こす主たる要因は、大気圧となり４００倍に膨張したＣＯ₂の線速度が非常に速いことである。線速度が非常に速いため、スプレーと同様の現象によって液体はミスト状に飛散する（以下スプレー現象と呼ぶ。）。線速度は流体が流れる配管の断面積に反比例する。

　そこで、特許文献１，４では線速度を抑制することを目的として管の内径を拡大している。しかし、全てのフラクションが１つの気液分離器を通過する場合には、旋回流や不要なデッドボリュームによるクロスコンタミネーションの問題が発生する。

　また、デッドボリュームのうち流体が通常流れない部分に飛散したサンプルが次回の分取時に流出してくるキャリーオーバーの問題を回避するために、残留サンプルを除去するための洗浄の必要が生じる。例えば３ｍｍ（ミリメートル）以上の内径を持つ配管に１０ｍｌ／ｍｉｎ（ミリリットル／分）程度の低流量の移動相を流すと、配管内面には移動相が通過する（濡れる）部分と通過しない（濡れない）部分が形成される。濡れない部分に付着したサンプルはキャリーオーバーの原因となる。

　本発明は、気体と液体を含む移動相を気体と液体に分離する際にクロスコンタミネーションやキャリーオーバーを発生させずに流体の線速度を抑制することを目的とするものである。

　本発明の実施形態の気液分離器は、気体と液体を含む移動相を気体と液体に分離する気液分離器であって、移動相が導入される導入流路と、上記導入流路に接続された複数の吐出流路と、を備え、上記吐出流路の吐出口から気体及び液体が吐出されるものである。

　本発明の実施形態の超臨界流体装置は、ポンプと、背圧調整器と、本発明の実施形態の気液分離器と、を備え、上記ポンプによって液体と超臨界流体又は液化気体を含む移動相が送液され、上記背圧調整器を通過した移動相が上記気液分離器に導入されるものである。

　本発明の実施形態の気液分離器及び超臨界流体装置は、気体と液体を含む移動相を気体と液体に分離する際にクロスコンタミネーションやキャリーオーバーを発生させずに流体の線速度を抑制することができる。

気液分離器の一実施形態を説明するための概略的な斜視図である。超臨界流体装置の一実施形態を説明するための概略的な構成図である。カラムを通過した後のクロマトピークの一例を説明するための図である。配管から吐出される気体と液体の流れの様子の説明図である。直径３ｍｍ以下の比較的細い内径を持つ管を壁面に添わせて液体の回収実験を行った結果を示す図である。内径が細い管、太い管の気液混合流体の流れの様子を説明するための図である。気液分離器の他の実施形態を説明するための概略的な断面図である。実施形態の気液分離器を備えたフラクションコレクタの一例を説明するための概略的な斜視図である。気液分離器の流路分岐部材の構造の一例を説明するための概略的な分解斜視図である。気液分離器の流路分岐部材の構造の他の例を説明するための概略的な分解斜視図である。気液分離器の他の実施形態の構造を説明するための概略的な分解斜視図である。気液分離器のさらに他の実施形態の構造を説明するための概略的な分解斜視図である。図１１に示された機構に基づいて実際に試作した気液分離器を示す画像である。図１３の気液分離器を用いて気液分離後の液体回収率を評価した結果を示す図である。配管の材質に起因する液体回収率の違いを評価した結果を示す図である。超臨界流体装置の他の実施形態を説明するための概略的な構成図である。超臨界流体装置のシステム準備動作を説明するためのフローチャートである。移動相の冷却の効果を検証した実験結果を示す図である。気液分離器の直前にオリフィスを設置したときと配置しなかったときの液体回収率の温度依存性を評価した結果を示す図である。オリフィスを有する冷却器の一例を説明するための概略的な断面図である。

　本発明の実施形態の気液分離器は、導入流路を複数の吐出流路に分岐して流れ断面積を大きくしている。これにより、本発明の実施形態の気液分離器は、気体と液体を含む移動相を気体と液体に分離する際にクロスコンタミネーションやキャリーオーバーを発生させずに流体の線速度を抑制することができる。

　本発明の実施形態の気液分離器に導入される気体と液体とを含む移動相には、液体と超臨界流体又は液化気体を含む流体の超臨界流体又は液化気体の一部又は全部が気化した気液混合流体が含まれる。

　ところで、例えば特許文献４，６，７に開示されているように気液分離器として内径拡大管が用いられる場合、濡れの問題や飛散の問題を考慮した内径拡大管の最適内径は移動相の流量に依存する。したがって、移動相の流量に応じて内径拡大管の内径を変更する必要があるという問題があった。また、１種類の内径を採用した場合には対応流量に対するダイナミックレンジが小さく、流量を変更した際にサンプル回収率が悪化するという問題があった。

　本発明の実施形態の気液分離器は、導入流路を複数の吐出流路に分岐して流れ断面積を大きくしているので、対応流量に関するダイナミックレンジを小さくすることなく、線速度を抑制することができる。本発明の実施形態の気液分離器は、内径拡大管と比較して、液体の回収率を高く保持できる対応流量レンジが広い。

　本発明の実施形態の気液分離器は、例えば、上記吐出流路の吐出口から吐出された液体が付着して移動する外壁面を有する液体捕集部材をさらに備えているようにしてもよい。この実施形態の気液分離器では、吐出流路の吐出口から吐出された液体が液体捕集部材の外壁面を移動するので、デッドボリュームが小さくなる。この実施形態の気液分離器は、不要なデッドボリュームが存在しないため、洗浄が容易となる。

　本発明の実施形態の気液分離器において、上記液体捕集部材の外観形状は、例えば、円柱形状又は円錐形状である。ただし、上記液体捕集部材の外観形状は、円柱形状及び円錐形状に限定されず、他の形状であってもよい。

　また、本発明の実施形態の気液分離器において、例えば、上記液体捕集部材の内部に上記吐出流路の少なくとも一部分が形成されており、上記液体捕集部材の上記外壁面に上記吐出流路の上記吐出口が形成されているようにしてもよい。

　本発明の実施形態の気液分離器において、例えば、上記吐出流路の内径は２ｍｍ以下であるようにしてもよい。ただし、上記吐出流路の内径は２ｍｍ以下より大きくてもよい。

　本発明の実施形態の超臨界流体装置において、例えば、上記背圧調整器と上記気液分離器の間に冷却器が接続されているようにしてもよい。移動相が冷却器によって冷却された移動相が気液分離器に導入されることにより、移動相が気液分離された後の液体の蒸発が抑制されて回収率が向上する。ただし、本発明の実施形態の超臨界流体装置は上記冷却器を備えていなくてもよい。

　上記冷却器は例えばオリフィスを有している。オリフィスは流路の内径を絞ることにより、移動相を冷却する。上記冷却器としてオリフィスが用いられることにより、簡単な構造で移動相を冷却することができる。

　本発明の実施形態の超臨界流体装置は、例えば、上記ポンプと上記背圧調整器の間に接続された試料注入器と、上記試料注入器と上記背圧調整器の間に接続されたカラムと、上記カラムと上記背圧調整器の間に接続された検出器と、をさらに備えているようにしてもよい。本発明の実施形態の気液分離器はクロスコンタミネーションやキャリーオーバーを防止できるので、この実施形態の超臨界流体装置はクロスコンタミネーションを防止でき、近接した多数のフラクションを分取可能となる。

　さらに、本発明の実施形態の超臨界流体装置は、例えば、上記気液分離器に導入される直前の移動相の温度、上記冷却器の温度又は上記気液分離器の温度を検出するための温度検出器と、上記温度検出器が検出した温度をモニタリングした結果が規定値以下になったことを判断して上記試料注入器を動作させる制御部と、を備えているようにしてもよい。ここで、気液分離器に導入される直前の移動相の温度とは、冷却器と気液分離器の間における移動相の温度を意味する。

　図面を参照しながら本発明の一実施形態を説明する。
　図１は、気液分離器の一実施形態を説明するための概略的な斜視図である。図２は、超臨界流体装置の一実施形態を説明するための概略的な構成図である。まず、図２を参照して、超臨界流体装置の構成について説明する。

　図２に示された超臨界流体装置は、気液分離器を備えた超臨界流体クロマトグラフ装置（ＳＦＣ）である。ＳＦＣでは、例えば、比較的低温度、低圧力で超臨界状態が得られるＣＯ₂が移動相として用いられる。また、移動相には、測定試料の溶解性を高めるためにモディファイア（主にはＭｅＯＨ）が混合される。このため、ＣＯ₂ボンベ１０１から得られる液体ＣＯ₂とモディファイア１０２がＣＯ₂ポンプ１０３とモディファイアポンプ１０４にてそれぞれ送液され、ミキサー１０５にて混合される。

　オートサンプラ１０６（試料注入器）によって試料を注入された流体はカラムオーブン１０７内に設置されたカラム１０８を通る。試料は時間的に分離される。時間的に分離された試料は例えば紫外線（ＵＶ：ultraviolet）検出器１０９によって検出さる。

　ポンプ以降の流路の圧力は圧力制御バルブ１１０（背圧調整器、ＢＰＲ）によって１０ＭＰａ程度以上に一定に保たれる。移動相は圧力制御バルブ１１０通過後に大気圧に減圧される。その後、ＵＶ検出器１０９によって検出したタイミングを基準にして、フラクションコレクタ１１１により、所望の成分がそれぞれ採集瓶に回収される。

　図３は、カラムを通過した後のクロマトピークの一例を説明するための図である。図３において、縦軸はピーク強度（任意単位）、横軸は時間を示す。
　図３に示されたものが分取対象であるクロマトピーク群である。これらのピークの一つ一つはフラクションと呼ばれる。多数のフラクション（ピーク）が例えば秒単位で近接した状態で分離している。ＳＦＣでは、例えばこれらのフラクションすべてを取得する必要がある。

　フラクションコレクタ１１１内の配管出口からは気化により体積が４００倍に膨張したＣＯ₂が勢い良く噴出する。一般には、サンプルを含んだＭｅＯＨがスプレー現象により飛散し、サンプルの回収率が低下する。この実施形態のＳＦＣは、サンプルの回収率を向上させるために、圧力制御バルブ１１０とフラクションコレクタ１１１の間の流路又はフラクションコレクタ１１１内に、図１に示された気液分離器１を備えている。

　気液分離器１について図１を参照して説明する。
　気液分離器１は、例えば移動相（ＣＯ₂＋モディファイア）を気体と液体に分離するものである。気液分離器１は、入口管２（導入流路）、流路分岐部材３、複数の吐出流路４及び誘液柱５（液体捕集部材）を備えている。入口管２には、例えば気体状態のＣＯ₂とモディファイア（液体）を含む移動相が導入される。複数の吐出流路４は流路分岐部材３を介して入口管２に接続されている。

　吐出流路４の吐出口４ａは誘液柱５の外壁面に接して配置されている。誘液注５は円柱形状である。吐出流路４の吐出口４ａから吐出された液体は誘液注５の外壁面に付着して先端部５ａへ移動する。

　気液分離器１は、入口管２から流入する移動相を、流路分岐部材３を通過させることで複数の吐出流路４に分岐する。吐出流路４の内径は比較的細く、例えば２ｍｍ以下である。気液分離器１は、吐出流路４の吐出口４ａから吐出される液体であるモディファイアを誘液柱５の外壁面に伝わせて誘液柱５の先端部５ａから滴下する。移動相の線速度が十分に遅いと、図１に示されるように棒状又は平面状の部材の表面に液体を沿わせることで、ある流量までは飛散なく液体のみを滴下することが可能である。

　図４は、配管から吐出される気体と液体の流れの様子の説明図である。
　配管２０１から気液混合流体が吐出する際、液体はコアンダ効果と呼ばれる現象により配管２０１に接した壁２０２の壁面に絡めとられ、壁面を伝って流れる。他方、気体は壁面とは無関係に自由空間に放出される。これにより、気体と液体の分離が実行される。

　図４に示されたような系であっても、流体の線速度が非常に大きいと、スプレーと同様に液体は気体に乗じて飛散してしまう。したがって、流体の線速度を十分に低下させる必要がある。

　流体の線速度を低下させるためには、流体が流れる断面積を増大させることが有効である。しかし、管内径を拡大すると、前述の特許文献４の説明で述べたように旋回流によるクロスコンタミネーションの問題が発生する。

　そこで、図１に示された気液分離器１では、旋回流を発生させない状態で流れ断面積を拡大するために、比較的細い内径を持つ複数の配管（吐出流路４）に分岐する。分岐後の配管の吐出口４ａが誘液柱５の外壁を伝って流れることもこの実施形態の有益な特徴である。

　配管吐出口を壁面に沿わせて気液分離を行う場合、体積が４００倍にもなる気体ＣＯ₂を液体の流れに乱れの影響を与えないように十分広い空間を用いて逃がしてやる必要があり、気液分離チャンバは十分に大きくする必要がある。

　しかし、特許文献１や特許文献４のようにチャンバの内壁に液体を伝わせる場合、チャンバの大きさはそのまま流路のデッドボリュームとなり、ピークのブロード化によるクロスコンタミネーションの問題が発生する。

　そこで、図１に示された気液分離器１では、液体を誘液柱５の外壁を伝わせるようにした。これにより、気液分離器１を覆うように配置されるチャンバを十分に大きくとっても、流れのデッドボリュームとはならない。

　以上で述べた気液分離の原理の要点について再度まとめる。
　（１）コアンダ効果に基づき、配管出口を壁面に沿わせると液体のみが壁面を流れ、気液分離される。
　（２）しかし流体線速度が大きいと、液体は気体に乗じてスプレーされ、飛散消失してしまう。
　（３）流体線速度を抑制するためには流れ断面積を増大させることが有効である。
　（４）しかし流れ断面積を増大させるために管内径を拡大すると旋回流によりクロスコンタミネーションの問題が生じる。
　（５）旋回流を発生させないで流れ断面積を拡大する目的で、比較的細い内径を持つ複数の配管に分岐する。
　（６）分岐された複数の配管の吐出口は柱の外壁に沿わせることで実質的な流路デッドボリュームを小さくする。

　次に、スプレー現象による液体の飛散を抑制可能な線速度を実験により見積もった結果について説明する。ここでは、ある流量に対してどの程度の内径を持つ配管を用い、何本に分岐すれば回収率が低下しない線速度に抑制できるかを検証した。

　図５は、直径３ｍｍ以下の比較的細い内径を持つ管を壁面に添わせて液体の回収実験を行った結果を示す図である。図５のグラフにおいて、横軸は流量を示し、縦軸はＥｔＯＨ回収率を示している。

　それぞれの管内径（φ１ｍｍ、φ１.５ｍｍ、φ２ｍｍ、φ３ｍｍ）に対して、ある閾値流量までは高い回収率を示した。そして、ある閾値流量を超過すると、流量の増大に応じて回収率が低下する。

　例えばφ１.５ｍｍでは、流量１０ｍｌ／ｍｉｎまでは飛散なく液体を回収可能（線速度が十分に遅い）である。しかし、それ以上の流量に対しては回収率が低下する。つまり、吐出流路が１本では、分取ＳＦＣで必要な１０～１５０ｍｌ／ｍｉｎといった大流量領域では高い回収率は期待できない。そこで、移動相が導入される導入流路を複数本の吐出流路に分岐し、吐出流路１本当たりの流量を減らす（線速度を遅くする）ことによって、大流量に対応する。

　ここで、細い内径の複数の配管に分岐することによるもう一つのメリットについて説明する。細い内径を持つ配管には、低流量側に関して利点がある。例えば０.１ｍｌ／ｍｉｎの低流量であっても、気液混合流体は配管の内面全てを濡らしながら管内を通過する。

　図６は、内径が細い管、太い管の気液混合流体の流れの様子を説明するための図である。
　図６（ａ）に示した内径が比較的細い管３０１は、液体の表面張力により配管内壁全てを濡らすように液体３０３が流れ、気体３０２は気泡となって流れる。
　図６（ｂ），（ｃ）に示した管３１１は内径が比較的太い管である。（ｂ）に示すように流量が大きい場合には、粘度の低い気体３１２は管３１１の中心部を流れ、液体３１３は管３１１の内壁全てを濡らすように流れる。しかし、（ｃ）に示すように流量が小さい場合には、液体３１３は液滴化し、管３１１の内壁の一部しか流れない。

　このため、特許文献１や特許文献４のように内径が比較的太い管を用いた場合には、流量が小さい場合にはサンプルが気液分離器内壁に付着してコンタミネーションの原因となる。また、サンプルを変えた際に、残留している前回のサンプルが溶出してくる現象、いわゆるキャリーオーバーの問題も発生する。

　以上で説明したように、直径１.５ｍｍの内径を持つ管のダイナミックレンジを０.１～１０ｍｌ／ｍｉｎとすれば、これを例えば１５本使用することによりダイナミックレンジが１.５～１５０ｍｌ／ｍｉｎの気液分離器が実現される。

　図７は、気液分離器の他の実施形態を説明するための概略的な断面図である。
　気液分離器１０は例えばフラクションコレクタの上流に設置されるものである。気液分離器１０は、図１に示された入口管２、流路分岐部材３、複数の吐出流路４及び誘液柱５を有する気液分離器を収納するチャンバ６を備えている。気液分離器１０では、チャンバ６内が例えば数気圧程度に加圧されることによってフラクションコレクタに液体を送液する駆動力が得られる。

　気液分離デバイスの誘液柱５の先端部５ａから滴下した液体は、受け口７によって回収され、液体出口８からフラクションコレクタに送液される。気化したＣＯ₂はチャンバ６内に満たされ、ＣＯ₂排出口６ａから排出される。チャンバ６には洗浄のための廃液ポート６ｂも具備されている。気液分離器１０は、例えば図１に示されたＳＦＣにおいて圧力制御バルブ１１０とフラクションコレクタ１１１の間の流路に配置される。

　ここで気液分離器１０の特徴は、従来技術と異なり、気液分離を行うチャンバ６の内壁をサンプル流体が通過しないことである。したがって、チャンバ６の大きさそのものはデッドボリュームとはならない。つまり、多量の気化ＣＯ₂の流れを阻害しないためにチャンバ６を大きくしても、サンプルを含む液体は誘液柱５の外壁のみを伝い通過する。この場合、デッドボリュームは、どの構造体の容積でもなく、誘液柱５を伝う液体の体積になる。したがって、極めて小さなデッドボリュームとなり、前述のクロスコンタミネーションの問題は回避される。また、仮に気体ＣＯ₂に乗じてサンプルが飛散してチャンバ６の内壁に付着しても、付着したサンプルは洗浄の際に廃液ポート６ｂから排出されるだけであり、次回分取時のキャリーオーバーとはならない。

　図８は、実施形態の気液分離器を備えたフラクションコレクタの一例を説明するための概略的な斜視図である。
　フラクションコレクタ４０１は、気液分離器４０２と、Ｘ－Ｙステージ４０３と、捕集瓶保持部４０４を備えている。

　気液分離器４０２は、入口管４０２ａ（導入流路）、複数の吐出流路４０２ｂ、誘液ブロック及び誘液柱４０２ｃ（液体捕集部材）及びカバー４０２ｄを備えている。入口管４０２ａには移動相が導入される。複数の吐出流路４０２ｂは入口管４０２ａに接続されている。吐出流路４０２ｂの吐出口４ａは誘液ブロック及び誘液柱４０２ｃの外壁面に接して配置されている。カバー４０２ｄは吐出流路４０２ｂと誘液ブロック及び誘液柱４０２ｃの周囲に配置されている。

　Ｘ－Ｙステージ４０３は吐出ヘッド４０３ａをＸ－Ｙ方向に移動させる。吐出ヘッド４０３ａには気液分離器４０２と移送管４０５が接続されている。捕集瓶保持部４０４に複数の捕集瓶４０６が配列されている。フラクションコレクタ４０１は、例えば図１に示されたＳＦＣにおいてフラクションコレクタ１１１として用いられる。

　移送管４０５から吐出ヘッド４０３ａを介して気液分離器４０２に送られる移動相は気液分離器４０２で気液分離される。分離された液体は、気液分離器４０２の誘液ブロック及び誘液柱４０２ｃから捕集瓶４０６に滴下される。実施形態の気液分離器は例えば数ｃｍオーダーの小さなサイズで実現可能である。したがって、気液分離器４０２をフラクションコレクタ４０１の吐出ヘッド４０３ａに設置することが可能である。

　図９は、気液分離器の流路分岐部材の構造の一例を説明するための概略的な分解斜視図である。
　流路分岐部材３は、例えば、流体導入部材３１とシール部材３２と分岐部材３３を備えている。

　流体導入部材３１は中央に直径１ｍｍ程度の貫通穴を備えている。シール部材３２は、流体導入部材３１と同様に中央に直径１ｍｍ程度の貫通穴を備えている。シール部材３２の厚みは例えば０.２ｍｍ程度である。分岐部材３３は、天面の中央に設けられた直径１ｍｍ程度の１つの穴と、底面に設けられた複数の穴を備えている。天面の穴と底面の穴は連通している。流体導入部材３１とシール部材３２と分岐部材３３はネジで締結されている。

　流体導入部材３１と分岐部材３３の材質は、耐薬性とシール性の観点から例えばＳＵＳ３１６やＰＥＥＫなどが好ましい。シール部材３２の材質は、流体導入部材３１や分岐部材３３の材質よりもやわらかいもの、例えば超高分子ポリエチレンやカルレッツ（登録商標）などが好ましい。

　図１０は、気液分離器の流路分岐部材の構造の他の例を説明するための概略的な分解斜視図である。
　図１０に示された流路分岐部材３は、図９に示された流路分岐部材３の分岐部材３３に替えて分岐部材３４を備えている。

　分岐部材３４は、分岐部材３３のように穴が斜めに開けられているのではなく、平面方向に形成された溝３４ａと、その溝の端部に設けられた貫通穴によって形成された分岐流路を備えている。分岐部材３４は、分岐部材３３と比較してデッドボリュームが小さい。また、分岐部材３４は吐出流路の配管を鉛直に接続することが可能である。分岐部材３４は、接続される吐出流路の配管の長さを短くでき、さらにデッドボリュームを小さくできる。一方で、分岐部材３４の溝３４ａが均一な深さで形成されて溝３４ａの底面が水平になっている場合には、特に流量が非常に小さいときに、滞留によるクロマトピークの拡大やクロスコンタミネーションが懸念される。

　図１１は、気液分離器の他の実施形態の構造を説明するための概略的な分解斜視図である。
　気液分離器１１は、導入流路（図示は省略）、流路分岐部材３、複数の吐出流路４１及び誘液柱５を備えている。導入流路、流路分岐部材３及び誘液柱５の構造は、図１に示された気液分離器１１のものと同じである。なお、図１１において流路分岐部材３は一体的に図示されているが、例えば、具体的な構造は図９又は図１０に示された構造である。

　気液分離器１１において、流路分岐部材３に複数の吐出流路４１の配管が接続されている。吐出流路４１の吐出口４１ａは誘液柱５の外壁に接している。吐出流路４１の最適な本数は吐出流路４１の内径に依存しては決定される。例えば、図５の実験結果に基づいて、内径が１.５ｍｍの吐出流路４１が１５本接続される。図１１には図示されていないが、流路分岐部材３と複数の吐出流路４１の接続は、例えば、一般的な配管締結に用いられるフェルールとメイルナットによりなされる。

　吐出流路４１の吐出口４１ａの先端から誘液柱５の先端部５ａまでの長さが短すぎると液体が十分に気体流と分離されない。そこで、吐出口４１ａの先端から誘液柱５の先端部５ａまでの長さは５０ｍｍ以上の長さが確保されていることが好ましい。

　また、吐出流路４１の吐出口４１ａの先端について、隣り合う吐出流路４１を近接させすぎると、その隙間を毛管現象によって吐出液体が上側に遡って流れ、クロスコンタミネーションが発生する虞がある。これを回避するために、隣り合う吐出口４１ａの隙間は２ｍｍ程度以上の間隔が確保されることが好ましい。

　図１２は、気液分離器のさらに他の実施形態の構造を説明するための概略的な分解斜視図である。
　気液分離器１２は、導入流路（図示は省略）、流路分岐部材３及び液体捕集部材５１を備えている。導入流路及び流路分岐部材３の構造は、図１０に示された気液分離器１１のものと同じである。

　液体捕集部材５１は例えば円錐形状のブロックで形成されている。液体捕集部材５１の内部に貫通穴からなる吐出流路５１ａが形成されている。吐出流路５１ａの吐出口５１ｂは液体捕集部材５１の側壁面（外壁面）に配置されている。液体捕集部材５１の側壁面には、吐出口５１ｂと先端部５１ｄの間の位置に溝５１ｃが形成されている。吐出流路５１ａの吐出口５１ｂから吐出された液体は、液体捕集部材５１の側壁面に付着して先端部５１ｄ側へ移動し、先端部５１ｄから滴下する。なお、溝５１ｃは必ずしも形成されていなくてもよい。

　液体捕集部材５１を備えた気液分離器１２は、図１１に示された気液分離器１１と比較して部品点数を大幅に削減できる。また、気液分離器１２では、上述の隣り合う吐出口の隙間を考慮する必要がなくなる。したがって、隣り合う吐出口５１ｂの間隔を小さくすることができ、液体捕集部材５１の外径、ひいては気液分離器１２をコンパクトに製作することが可能である。

　また、溝５１ｃは液体の流れの迷流を防止する。溝５１ｃの配置は液体の流量が小さい場合に特に有益である。

　なお、流路分岐部材３と液体捕集部材５１の間をシールするために、図示は省略されているが、超高分子ポリエチレンやカルレッツ（登録商標）のようなシートが流路分岐部材３と液体捕集部材５１の間に挟まれることが好ましい。

　図１３は、図１１に示された機構に基づいて実際に試作した気液分離器を示す画像である。図１４は、図１３の気液分離器を用いて気液分離後の液体回収率を評価した結果を示す図である。図１４において、縦軸は液体回収率を示し、横軸は導入流路における移動相の流量を示している。導入流路及び分岐流路の配管の内径は直径１.５ｍｍである。分岐流路の各配管の吐出口は１０°に切断されている。分岐本数を４本、６本、８本とした場合の流量１０～１５０ｍｌ／ｍｉｎにおける液体回収率を評価した。

　６本以上の分岐本数により、１５０ｍｌ／ｍｉｎの大流量においても気体と液体が分離され、９５％以上の液体回収率が得られた。また、流量４０ｍｌ／ｍｉｎ以下では液体回収率が低下している様子が見られる。これは使用した配管の内面粗さに起因し、気液分離器の本質的な特性ではない。

　図１５は、配管の材質に起因する液体回収率の違いを評価した結果を示す図である。図１５において、縦軸は回収率を示し、横軸は材質を示している。各材質の配管について、配管は１本、流量は２.５ｍｌ／ｍｉｎ（８本では２０ｍｌ／ｍｉｎに相当する）の条件で評価を行った。

　図１５で最も左側に示すＳＵＳ（Ｒａ３.２）と示すものは、図１４の実験で使用した配管であり、８０％と低い回収率を示している。最も右側に示したテフロン（登録商標）チューブを用いた実験では１００％の回収率が得られた。

　一般的なＳＵＳ管とテフロン（登録商標）チューブの違いは、濡れ性と表面粗さである。テフロン（登録商標）は撥水性が良く濡れ性が悪い。ＳＵＳは濡れ性が良い。また、ＳＵＳは表面粗さが粗く、Ｒａ３.２程度である。テフロン（登録商標）の引き抜きチューブはＲａ０.０２程度である。

　濡れ性がよい３Ｍ社製コーティング剤ノベックをＳＵＳ管内面に塗布した実験結果、及び濡れ性がよい塩化ビニルチューブを用いた実験結果では、高い回収率を示した。このことから、ＳＵＳの濡れ性がよいこと自体は問題なく、低流量で回収率が低下する原因ではないと考えられる。また、同じＳＵＳ管の内面を研磨し、Ｒａを０.４、０.１、０.０５と平滑度を高めた結果、有意に液体回収率が向上した。流体が低速である場合、流路内面の粗い構造により液滴が飛び散り、ＣＯ₂とともに飛散して消失しているものと考えられる。

　以上の結果より、図１４において低流量域で液体回収率が低下した原因は管の内面平滑度であると考えられる。また、分岐後の流路内面をＲａ０.０５以下程度の平滑度にすれば、低流量域においても高い液体回収率が得られるものと考えられる。

　図１４の実験結果は、気液分離器直前の移動相の温度を１０℃に保温して得られた結果である。超臨界流体装置では、カラム又は抽出容器を通過する流体を超臨界状態にするために通常４０℃程度以上に移動相が加熱される。
　しかし、移動相の温度が高いと、モディファイアの蒸発による消失により、回収率が低下する。そこで、気液分離器に導入される移動相を低温にすることが好ましい。

　図１６は、超臨界流体装置の他の実施形態を説明するための概略的な構成図である。
　この実施形態の超臨界流体装置は、図２に示された構成と比較して、冷却器１１２と温度検出器１１３とシステムコントローラ１２０（制御部）とモニタ１２１が追加されたものである。温度検出器１１３は冷却器１１２の温度を検出する。

　システムコントローラ１２０はＳＦＣの動作には必須ではないが、各種自動操作を行う上で、通常付属されている。システムコントローラ１２０が行うシステムの準備について図１７のフローチャートを用いて説明する。ここで言うシステムの準備とは、オートサンプラ１０６が分取されるサンプルを注入してよい状態となるまでの動作のことである。

　図１７は、超臨界流体装置のシステム準備動作を説明するためのフローチャートである。

　システムコントローラ１２０は、まずＣＯ₂ポンプ１０３の冷却、カラムオーブン１０７の加熱、冷却器１１２の冷却を行う（ステップＳ１）。

　システムコントローラ１２０は、図示しない温度検出器を用いてＣＯ₂ポンプ１０３の温度が十分に低下したかどうかを判断する（ステップＳ２）。

　システムコントローラ１２０は、ＣＯ₂ポンプ１０３の温度が規定値（例えば５℃）以下になった後、ＣＯ₂ポンプ１０３及びモディファイアポンプ１０４を動作させてＣＯ₂とモディファイアの送液を開始する（ステップＳ３）。

　システムコントローラ１２０は、温度検出器１１３を用いて冷却器１１２の温度をモニタリングし、温度検出器１１３が検出した温度が規定値（例えば５℃）を下回ったか否かを判断する（ステップＳ４）。

　システムコントローラ１２０は、冷却器１１２の温度が規定値を下回ったと判断したとき、オートサンプラ１０６の試料注入動作の開始する（ステップＳ５）。ステップＳ５で、システムコントローラ１２０は、インジェクション動作の開始の他、モニタ１２１に分取操作が可能な状態となった表示させてもよいし、システムコントローラ１２０や冷却器１１２、フラクションコレクタ１１１の表示インジケータを点灯させてもよいし、これらの動作の組み合わせを行ってもよい。

　図１７の超臨界流体装置において、フラクションコレクタ１１１内の気液分離器の温度を検出する温度検出器が設けられていてもよい。また、冷却器１１２とフラクションコレクタ１１１の間の流路に気液分離器が設けられ、その気液分離器の温度を検出する温度検出器が設けられていてもよい。また、気液分離器に導入される直前の移動相の温度を検出する温度検出器が設けられていてもよい。そのような温度検出器は、例えば冷却器１１２と気液分離器の間の流路の温度を検出する位置に配置される。システムコントローラ１２０はこれらの温度検出器が検出した温度をモニタリングした結果が規定値以下になったことを判断してオートサンプラ１０６を動作させる。

　図１８は、移動相の冷却の効果を検証した実験結果を示す図である。図１８において、縦軸は液体回収率を示し、横軸は移動相の温度を示す。この実験結果は、図１３に示した分岐配管系ではなく、流路断面積を簡易的に拡大する内径６ｍｍ、長さ１５ｃｍのチューブを接続して実施した結果である。ただし、温度と液体回収率の関係を示す結果としては差支えない。

　モディファイアであるメタノールを２０％含むＣＯ₂の流量を１０ｍｌ／ｍｉｎ、２０ｍｌ／ｍｉｎ、５０ｍｌ／ｍｉｎ、１００ｍｌ／ｍｉｎ、１５０ｍｌ／ｍｉｎにし、各流量において温度を１０℃～６０℃に設定したときのメタノールの回収率を求めた。

　冷却器１１２の設定温度が１０℃のときは全ての流量条件において１００％のメタノール回収率が得られた。設定温度の上昇に伴って回収率が低下した。流量が大きい場合は、流量が小さい場合に比べて回収率の低下する割合が小さく、冷却器１１２の設定温度から受ける影響は小さいことがわかった。

　ＣＯ₂の流量が大きい場合はＣＯ₂の気化に伴う気化熱と断熱膨張によって流体が積極的に冷却される。したがって、冷却器を用いた場合と同様にメタノールの蒸発が十分に抑制され、回収率が向上したと考えられる。

　以上の結果から、ＣＯ₂の流量が比較的大きい場合（例えば５０ｍｌ／ｍｉｎ～１５０ｍｌ／ｍｉｎ）には、ＣＯ₂の気化熱と断熱膨張による冷却効果によってモディファイアの蒸発を抑制することができ、試料の回収率の向上が図れることが確認された。

　その一方で、ＣＯ₂の流量が比較的小さい場合（例えば５ｍｌ／ｍｉｎ～５０ｍｌ／ｍｉｎ）では、冷却器１１２においてペルチェ素子や低温高温水槽などを用いた強制冷却が有効となる。強制冷却の手段以外にも、オリフィスなどを利用して短い距離で瞬時にＣＯ₂を気化させれば、比較的大きな冷却効果が得られ、強制冷却に替わる冷却器とすることができる。

　図１９は、気液分離器の直前にオリフィスを設置したときと配置しなかったときの液体回収率の温度依存性を評価した結果を示す図である。図１９において、縦軸は液体回収率を示し、横軸は温度を示す。

　メタノールの流量を１ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＯ₂の流量を４ｍｌ／ｍｉｎとし、流出するメタノールの回収率を評価した。冷却器１１２とフラクションコレクタ１１１の間に、何も設置しなかった場合と、内径５０μｍ（マイクロメートル）の開口径を持つオリフィスを設けた場合の、液体回収率の冷却器１１２の設定温度依存性を評価した。

　オリフィスなしの場合では、温度が２０℃のときのメタノール回収率は６３％であったが、設定温度が高くなるにしたがってメタノール回収率は徐々に低下し、設定温度が５０℃のときには１０％の回収率しか得られなかった。その一方、オリフィスありの場合では、回収率が温度に依存せず９０％一定であった。かかる結果から、流体の温度を強制冷却せずともオリフィスを用いて瞬時にＣＯ₂を気化させることによる冷却効果を利用することによってモディファイアの回収率が向上することが確認された。

　オリフィスを用いた冷却器は、例えば図１６における冷却器１１２の位置に配置される。圧力制御バルブ１１０からの配管とフラクションコレクタ１１１へ続く配管との接続部にオリフィスを冷却器として設けるとよい。

　図２０は、オリフィスを有する冷却器の一例を説明するための概略的な断面図である。
　冷却器６１はオリフィス６２ａを有する継手６２を備えている。入口管６３と出口管６４は継手６２を介して接続されている。入口管６３はメイルナット６５及びフェルール６６によって継手６２に接続されている。出口管６４はメイルナット６７及びフェルール６８によって継手６２に接続されている。

　継手６２内において入口管６３の端部と出口管６４の端部の間にオリフィス６２ａが配置されている。オリフィス６２ａの内径は入口管６３の内径及び出口管６４の内径よりも小さい。オリフィス６２ａによって移動相の流路の内径が絞られている。

　入口管６３の継手６２とは反対側の端部は例えば背圧調整器に接続される。出口管６４の継手６２とは反対側の端部は例えば気液分離器に接続される。

　冷却器６１に移動相（例えば超臨界ＣＯ₂＋モディファイア）が流されると、オリフィス６２ａによって短い距離で瞬時にＣＯ₂が気化され、気体のＣＯ₂を含む移動相（気液混合流体）が冷却される。

　以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態における構成、配置、数値等は一例であり、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

１，１０，１１，１２，４０２　気液分離器
２，４０２ａ　入口管（導入流路）
４，４１，５１ａ，４０２ｂ　吐出流路
４ａ，４１ａ，５１ｂ　吐出口
５，４０２ｃ　誘液柱（液体捕集部材）
５１　液体捕集部材
６１，１１２　冷却器
６２ａ　オリフィス
１０３，１０４　ポンプ
１０６　オートサンプラ（試料注入器）
１０８　カラム
１０９　検出器
１１０　圧力制御バルブ（背圧調整器）
１１２　冷却器
１１３　温度検出器
１２０　制御部

Claims

　気体と液体とを含む移動相を気体と液体に分離する気液分離器であって、
　移動相が導入される導入流路と、
　前記導入流路に接続された複数の吐出流路と、を備え、
　前記吐出流路の吐出口から気体及び液体が吐出される気液分離器。
　前記吐出流路の吐出口から吐出された液体が付着して移動する外壁面を有する液体捕集部材をさらに備えている請求項１に記載の気液分離器。
　前記液体捕集部材は円柱形状又は円錐形状である請求項２に記載の気液分離器。
　前記液体捕集部材の内部に前記吐出流路の少なくとも一部分が形成されており、
　前記液体捕集部材の前記外壁面に前記吐出流路の前記吐出口が形成されている請求項２又は３に記載の気液分離器。
　前記吐出流路の内径は２ｍｍ以下である請求項１から４のいずれか一項に記載の気液分離器。
　ポンプと、背圧調整器と、請求項１から５のいずれか一項に記載の気液分離器と、を備え、
　前記ポンプによって液体と超臨界流体又は液化気体を含む移動相が送液され、前記背圧調整器を通過した移動相が前記気液分離器に導入される超臨界流体装置。
　前記背圧調整器と前記気液分離器の間に冷却器が接続されている請求項６に記載の超臨界流体装置。
　前記冷却器はオリフィスを有する請求項７記載の超臨界流体装置。
　前記ポンプと前記背圧調整器の間に接続された試料注入器と、
　前記試料注入器と前記背圧調整器の間に接続されたカラムと、
　前記カラムと前記背圧調整器の間に接続された検出器と、をさらに備えた請求項７又は８に記載の超臨界流体装置。
　前記気液分離器に導入される直前の移動相の温度、前記冷却器の温度又は前記気液分離器の温度を検出するための温度検出器と、
　前記温度検出器が検出した温度をモニタリングした結果が規定値以下になったことを判断して前記試料注入器を動作させる制御部と、をさらに備えている請求項９に記載の超臨界流体装置。