JPH0226652A - 微粒子分離方法 - 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】

【産業上の利用分野１ 本発明は、微粒子懸濁液中の微粒子を、その粒子径の差
に基づいて分離する方法に関するものである。 【従来の技術１ 例えば、高速液体クロマトグラフにおいては。 充填剤の粒子径を揃えると、液体の分離能が良好となる
ことは、従来から知られている。また、コールタカウン
タの標準試料としては、粒子径の揃ったものを用いる必
要かある等、粒子径の揃った微粒子に対する需要は多い
。 そこで、微粒子を懸濁させた液体から一定の粒子径を壱
する微粒子を分離する方法としては、液体サイクロン法
が従来から知られ°Ｃいる。この液体サイクロン法は、
微粒子を懸濁させた液体を円錐状の管の内部に高圧で注
入することによりこの管内に旋回流を形成させて、微粒
子に遠心力を与えることによって、管の中心部分から粒
子径の小さな粒子を取り出すようにしたものである。 ［発明が解決しようとする問題点］ ところで、かかる液体サイクロン法による微粒子分離方
法にあっては、前述した旋回流の流速制御が困難である
ために、分離精度及び分離すべき粒子径の制御等を厳格
に行うことができず、また特定の粒子径の微粒子を選択
的に取り出すことができない等、微粒子の荒分けを行う
場合には有効ではあるものの、粒子径の揃った微粒子を
高精度に分離する方法として用いることができない等の
難点がある。このために、通常は微粒子の製造段階にお
いてその粒子径を揃えるようにしていたか、必ずしも狭
い粒径分布幅のものを得ることかできず、高精度な微粒
子分離方法の開発が望まれているのが現状である。 本発明は叙りの点に鑑みてなされたものであって、その
目的とすることろは、粒子径に基づく分離を連続的に、
しかも高精度に行うことができる微粒子分離方法を提供
することにある。 Ｅ問題点を解決するための手段】 前述した目的を達成するために、本発明は、基本的には
沈降分離法に基づき、静水中における粒子の落下速度の
違いを利用して微粒子懸濁液から微粒子を、その粒子径
に応じて分離するようにしたものである。 具体的には、両端が開口した円筒状の回転液管を所宇角
度傾斜した状態に配設し、該回転液管内にその下方から
上方に向けて−・定流速をもった微粒イ懸濁液の液流を
形成すると共に、前記回転液管を一定の回転周期で回転
させることによって、小さい粒子径の微粒子を前記回転
液管の上方から、また大きい粒子径の微粒子を該回転液
管の下方から分離して取り出すようにしたことをその特
徴とするものである。 ここで、静水中における粒子の落下速度をＶ。 とじたときに、 ■。＝２ａ２（ρ−ρ′）ｇ／９η・・・式ｌ（ただし
、ａは粒子半径、ρは粒子の密度、ρ′は液体の密度、
ηは液体の粘度をそれぞれ示す）となる。このように、
粒子の液中における落下速度は粒子半径ａの２乗及びそ
の密度ρと液密度ρ′との差に比例することになり、密
度かほぼ同じ粒子である場合においては、粒子の半径ａ
に基づいて落下速度が決まるという点に本発明者等は着
目した。 そこで、例えば液管な用い、この液管を垂直に立てた状
態にしてその下部から上方に向けて層流状態の液流を形
成すると１粒子の落下速度Ｖ。と液の」二昇流の流速と
比較して、落ド速度Ｖ。の方が大きいものは下方に沈降
し、Ｌ昇流より落下速度Ｖ。が低い粒子はこの液流に搬
送されて、液管のＬ方から取り出すことができるように
なる。 従って、この液の移動速度を厳格に制御すれば、理論上
においては粒子径に基づく分離が可能となる。ところか
、この液管内を流れる液体はボアズイユの流速分布とし
て知られているように、その管軸方向における流速は一
様ではなく、第１図に示した如く、管壁部分に３ける管
軸方向の流速はＯで、その中心部分が最大となる流速分
布が形成されることになる。従って、管壁及びこれに近
い位置の粒子と中心及びこれに近い位置の粒子とでは、
その粒子に作用するＥ昇流の流速が異なることになるた
めに、単に液管内に液流を形成したたけては、粒子を１
確に分離することはできない。また、このボアズイユ流
による流速の不均一による影響を避けるためには、液管
の直径を大きくすればよいが、このようにすると、液管
の上端から浴出する液体の流れによって管内の流速分布
が乱れることになり、粒径が大きい場合には、かかる方
法によるのもある程度可能ではあるが、例えば１０＃Ｌ
ｍ以下というように極めて粒径の小さな微粒子の分離を
行うことはできない。 ところで、第２図に示したように、角度θをもって傾斜
させて設けた細長い液管中に粒子を懸濁させだ液体を充
填して、この液管を一定の角速度ω。をもって回転させ
たときに、一定の時間が経過した後に液管内の液が剛体
的に回転するようになる。そして、このときにおける管
軸に垂直な面に投影された微粒子の軌跡を考えると、粒
子は。 Ｖｏ　’　＝Ｖ、ｃｏｓθとしたときにおいて、第３図
（ａ）に示したように、（Ｖ、、’／ω０．０）を中心
としてほぼ円形の軌跡をもった運動軌跡を示すことにな
る。ただし、Ｖ□’／ω。が液管の半径Ａより大きい場
合には、第３図（ｂ）に示したように、液管の壁面に静
止した状態となる。従って、液管の傾斜角θと回転角速
度ω。を、一定にすれば、粒子の運動軌跡の中心は粒子
の管軸に垂直な方向への落下速度■。′によって決まる
ことになる。なお、ここで、液管な回転させたときには
、粒子には遠心力が作用することになるが、分離ずべき
粒子の粒径か極めて小さいものであれば、分離に必要と
なる液管の回転速度を遅くすることかできるようになる
ので、この遠心力をほぼ無視することができる。 而して、ｖｏ’／ω。が液管の半径Ａより小さい粒子で
あっても、それが安定した状態で運動する軌跡は、第３
図（ａ）に実線で示したように、管壁面に接触する場合
と、同図に点線で示したように、管壁面と非接触な軌跡
を取る場合とがある。即ち、同じ粒径の微粒子てあって
も、その初期位置の違いによって異なる軌道半径を取る
ことになる。そこで、以下にこの点について説明する。 液体が剛体的に回転するようになったときにおいて、管
軸に垂直な面に投影したときの微粒子の初期位置は任意
ではあるが、ある一定の時間が経過すると、必ずＸ座標
を横切ることになる。従って、その初期位置としては、
一般に、（ｆＡ。 ０）、（−１≦ｆ≦１）とすることができる。そこで、
回転半径を壁面接触の場合にはＲｃ、非接触の場合には
Ｒｎｃとしたときに、回転半径は次のようになる。 ・・・式２ 次に、管軸方向への移動について説明するに、前記の状
態において、管軸の下方から上方に液体の流れを形成す
ると、管軸方向の流れは、所謂ボアズイユ流となり、「
を中心からの距離、Ｔを平均流速としたときに、 Ｕ（ｒ）＝２Ｕ＋　　（１−ｒ”　／Ａ”）・・・式３
このときにおいて、先に説明した液体の回転の丁で、微
粒子が壁面と非接触の円軌道を取るときには、式ｌと第
４図とによって、 ＋２　＜ｖｎ　　′／ω。）　Ｒ，ｃｏｓωｏｔ＋Ｒｎ
ｃとなる。これを式３に代入して、１回転当りの平均を
とると、液体の流れによる微粒子の上昇速度の平均値を
求めたことになり、 ・・・式５ ％式％ 同様にして、壁面と接触する円軌道をとる場合における
粒子の平均上昇速度剪は、前述の式２・・・式４ となる。ここで、Ｔは回転周期であって、Ｔ＝２π／ω
。である。傾斜管内の粒子は、この上昇流とは別にＶ。 ｓｉｎθの速度で管軸のｒ方に向けて重力落下するの°
乙この式からＶ。ｓｉｎ　Ｏを差し引けば、全体として
の微粒子の上昇速度が得られる。これをＣ′とおくと、
前述の式ｌから、 ・・・弐６ となる。 而して、同じＶ。の粒子に対してはｆの値のいかんに拘
らず、“σ；′≧−であることに着目し１粒子の上昇す
る条件であるＵ、＞Ｏを解くと、弐６から、 ・・・式７ が得られる。この条件を満たす粒子は、初期位置に関す
るパラメータｆの値の゛いかんに拘らず上昇することに
なる。 次に、ｆの値のいかんに拘らず、下降する条件を求める
。 同じＶ。に対して最大の上昇速度をもつｆを求めると、 これを式５に代入したものをＬ″とおくと。 従って、璽″く０の条件を解くと、 Ｖ　Ｏ’　＝Ｖ　ｎ　ＣｏＳθ ＞Ａ（１）、　　（１−（Ａｃａｏ　ｔａｎθ／４１）
２−Ａ（＋）。ｔＸ１ｎθ／４「）・・・式８従って、
弐８を満たずものは、初期位置のパラメータｆの値にか
かわらず液管を下降することになる。なお、この式８は
Ｖ。′≦Ａω０を前提として導いたものであるが、■。 ′≧Ａ（１）。のときには、壁面を伝って下降するので
、この場合も弐８に一含めることができる。 即ち、液管な傾斜させた状態で回転させることによって
、微粒子の沈降速度Ｖ。を、円軌道を描かせる成分（Ｖ
ｏｃｏｓＯの作用による）と、Ｖｏｓｉｎθによる管軸
のｆ方への落下する成分との２つの成分を有することを
利用して、その円軌道が液管の中心に近いときには、速
い管内流により上昇せしめられ、また管壁に近い小さな
円軌道をとるか、管壁にＩＦよる場合には、ボアズイユ
流の特性から遅い管内流の作用を受けるので、重力落下
の方か勝って、液管内を下降することになる。この結果
、微粒子をその粒径に基づいて分離することができるよ
うになる。 なお、ここで式７と弐８との間の領域は、初期位置、即
ちｆの値によって、粒子のうちのあるものは上昇し、あ
るものは下降する遷移領域となるが、鱈を十分に大きな
領域で動作させるようにすれば、（Ａωｎｔａｎθ／４
Ｕ１）２〜０の近似をとることかできる。従って、粒子
のＬ昇移動と下降移動との境界の落下速度Ｖ、は式７か
ら、従って１分離しようとする微粒子の平均粒径をａｌ
としたときにおいて、 Ｖ、＝２ａ、２（ρ−ｐ’）ｇ／９η であるから、回転角速度ω。及び液の平均上昇速度「を
適宜設定することによって、粒径差に基づいて微粒子の
分離を行うことができることになる。 而して、［を一定とし、しかも十分に大さく設定して、
回転液管の周期をＴとしたときに、となり、主に回転液
管の回転角速度ω。によって、この境界落下速度Ｖ、が
変化する。 即ち、■。くｖ、、の微粒子は液管内を螺旋状に回転し
ならが上昇し、Ｖ　ｏ　＞　Ｖ−の微粒子のうち、ｖｌ
、Ｉくｖ。くＡω。のものは小さな半径で、壁面の近く
で螺旋状に回転しながら下降し、Ｖｏ　＞Ａω０のもの
は壁面を伝って下降することになる。 ・・・弐８ となるように設定することにすれば、Ｖｏ＜Ｖ−の微粒
子は液管内を螺旋状に回転しならかに、Ｈし、これ以外
の微粒子は液管な下降することになり、略球形の微粒子
に対してれ径の差による分離を行うことができることに
なる。 ここで、粒径の揃った微粒子を取り出すためには、まず
一定の回転周期で回転する回転液管内において微粒子の
第一段の分離を行う。そして、この第一段の液管の上方
から取り出された小さな粒子の懸濁液を再び回転液管内
に導入して、前述より大きな回転周期で回転させて、第
二段の分離を行い、この第二段の液管における下方の微
粒子懸濁液を回収すればよい。そして、前述した第一段
と第二段の分離との間における回転周期の差を小さくす
れば、分離した微粒子の粒径分布幅を狭くすることがで
きる。

【実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。 まず、第５図に本発明の方法を実施するための装置構成
の一例を示す。 図中において、■は回転液管を示し、該回転液管ｌは所
定の角度θをもって傾斜した状態に配設されており、そ
の下端開口部１ａは軸受２を介して液槽３に挿入されて
いる。そして、この回転液管１はモータ４ａ及び伝達ベ
ルト４ｂ等を備えた回転駆動手段４により回転駆動させ
ることかできるようになっている。 前記回転液管１内において、その下端開口部１ａからＬ
端開口部１ｂに向けて液流を形成するために、液槽３に
は、所定の圧力で微粒子を均一に分散させた微粒子懸濁
液を供給するための懸濁液供給チューブ５か回転液管１
内に臨むようにして接続されており、この懸濁液供給チ
ューブ５の他端は微粒子懸濁液タンクＧ゛に接続されて
いる。この微粒子懸濁液タンク６内に微粒子懸濁液を供
給するために、液貯留タンク７と、微粒子タンク８とか
設けられており、液貯留タンク７から微粒子懸濁液タン
ク６に溶液を供給するために、供給配管９か接続されて
いる。そして、該供給配管９には・定の圧力をもって溶
液を供給するためのマイクロチューブポンプｌＯが装着
されている。 一方、微粒子タンク８は、微粒子懸濁液タンク５の上方
位置に設けられており、その１方からマイクチューブポ
ンプ１１を介して腋供給配管１２から供給される溶液に
よって、その下部に形成した微粒子流出部８ａから液流
に搬送させて流出させるようにしている。そして、この
微粒子流出部８ａは、供給配管９の途中位置に接続され
ており、該供給配管９におけるこの微粒子流出部８ａの
接続位置の下流側の部分は、微粒子が沈殿することがな
いようにするために鉛直な状態となった鉛直管部９ａと
なっている。 而して、前述した供給配管９における微粒子流出部８ａ
の接続位置において、溶液と微粒子とが混合されて、そ
の鉛直管部９ａから微粒子懸濁液タンク６内に導かれた
ときに、微粒子を均一に分散させるために、微粒子懸濁
液タンク６内には攪拌翼１３が装着されており、この攪
拌ｉ１３はモータ１４で回転駆動されるようになってい
る。 なお、図中において、」５は液槽３内において、回転液
管１からド降した粒子を取り出すための排出配管で、こ
の排出配管１５の途中には、開閉弁１６が設けられてい
る。また、懸濁液供給チューブ５内において微粒子が沈
殿したりする場合には、この懸濁液供給チューブ５を適
宜の手段によって、回転液管ｌ内の液流を乱さない程度
において、回転駆動させるようにすればよい。 ここで、微粒子の供給方式としては、第６図に示したよ
うに、微粒子タンク８′の微粒子流出部８ａ′を回転液
管ｌの上端開口部１ｂ側から挿通させるようになし、こ
の回転液管１の」二方から供給するようにしてもよい、
そして、この場合には、液貯留タンク７に接続された供
給配管９′は液槽３に接続するようになし、微粒子懸濁
液タンク６及び懸濁液供給チューブ５は設ける必要はな
い。また１回転液管１における下方部分には攪拌ブレー
ド１７を装着するのが好ましい。前述以外の構成につい
ては、第５図に示したものと同様であるので、これと同
一または均等な構成要素については、同一の符号を付し
てその説明を省略するものとする。 次に、前述の装置を用いて、溶液として９９．５％ノエ
タノール（液密度ｐ　　＝＝　０．７９５ｇ／ｃｍ３．
粘度η＝ＯＪ１１　ｘｌＯ−２ｐ　（２０℃））を用い
、試料として、・高速液体クロマトグラフ用充填剤ワコ
ゲールＬＣ−１０Ｋ　（球状、モ均直径１０ＩＬｍ　）
　　（和光純薬製）を用いて試料における微粒子の分離
を行った。なお、この粒子の平均密度ρは２．１５ｇ／
ｃ■３であった。ここで、回転液管１の管長を４８０■
腸、管内径な：１．４ｍｍとし、またその傾斜角度０を
４０°とした。 そこで、給液チューブ５から回転液管ｌ内に平均ＬＣ−
１０Ｋを供給し、この回転液管ｌの平均ＪＪｆ流を２．
０ｃｍ／ｗｉｎに調節した。そして、回転液管ｌの回転
周期Ｔを１２６ｓとなし、７ＩＬ−以下の粒子を懸濁液
の状態で、また回転周期Ｔを２２４５としたときに、６
ＩＬｍ以下の粒子が回転液管ｌの上方から連続的に分離
して取り出すことができた。 このように、回転液管ｌの回転周期Ｔ、即ち回転角速度
ω。を変化させることによって、回転液管１の上方から
取り出す粒子の粒子径を極めて厳格に制御することがで
きるようになる。 而して、前述の実施例においては、微粒子を粒径の大き
いものと、小さいものとの２種類に分けるようにするも
のとして説明したが、微粒子懸濁液から一定の粒径分布
幅を有する微粒子を分離するには、−・度回転液管ｌの
上方から取り出した懸濁液を再び回転液管１内に導入し
て、この回転液管１を前回の操作時より低速で回転させ
るようにずればよい。 また、これを１回の操作にょっ”Ｃ行うには、第７図に
示したような装置を用いればよい。同図において、前述
した第５図の装置構成と同一または均等な部材を同一の
符号を付してその説明を省略するものとする。而して、
回転液管１の上端開口部１ｂに狭窄部１ｃを延設し、こ
の狭窄部１ｃを第２の液槽２０に軸受２１を介して接続
する。 そして、この第２の液槽２０には、上段回転液管２２を
軸受２３を介して回転自在に接続し、該上段回転液管２
２の回転駆動手段２４を下段回転液管ｌの回転駆動手段
４とは別個に設け、この上段回転液管２２の方を下段回
転液管１より低速で回転駆動するようになし、第２の液
槽２０に開閉弁２５を備えた微粒子取り出し配管２６を
接続する。 下段回転液管１の下端開口部１ａから第８図に示した粒
径分布を有する微粒子懸濁液、即ち前述した第１の実施
例におけると同様の高速原体クロマトタラフ用充填剤ワ
コゲール！、Ｃ−１０Ｋ　（球状、平均直径１０ｇｍ　
）　　（和光紬薬製）を導入すると、該下段回転液管１
における上昇流に搬送される微粒子の粒径分布は、第９
図において、曲線Ａで示したようになる。そして、この
微粒子懸濁液が上段回転液管２２に移行したときに、該
−Ｅ段回転液管２２の回転によって、同図に曲線Ｂで示
した粒径の微粒子か該上段回転液管の上方に、曲線Ｃで
示した粒径の微粒子か下方に分離されることになる。従
って、上下の回転液管【、２２の間の回転周期の差を小
さくすれば、粒径分布幅の狭い微粒子を内回転液管ｌ、
２２間の接続部分における取り出し配管２６から取り出
すことができる。 【発明の効果】 以ヒ説明したように、本発明は、回転液管を傾斜した状
態に設け、この回転管を所定の角速度で回転させる間に
、該回転液管の下方から一上方に向かう微粒子懸濁液の
上昇液流を形成するようにしたので１ｗＩ粒子をその粒
子径に基づいて精度良く分離することができるようなる
。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は管内流の
流速分布図、第２図は傾斜液管内に微粒子懸濁液を充填
した状態を示す説明図、第３図（ａ）、（ｂ）はそれぞ
れ異なる粒子径の粒子を液体中に混入させた状態の回転
液管内の粒子の運動軌跡を示す説明図、第４図は回転液
管中において、その壁面と接触した状態ての粒子の運動
状態を示す説明図、第５図、ｉ５図及び第７図は本発明
の方法を実施するためのそれぞれ異なる形式の装置構成
を示す説明図、第８図は回転液管内に供給する微粒子懸
濁液の微粒子の粒径分布を示す線図、第９図はＦ段回転
液管からの上昇流中に含まれる微粒子、上段回転液管の
上下から取り出される微粒子の粒径分布を示す線図であ
る。 １．２２：回転液管、ｌａ：下端開口部、■ｂ：上端開
ロ部、３：液槽、４二回転駆動手段、５　：懸濁液供給
チューブ、６：微粒子懸濁液タンク、７：液貯留タンク
、８．８′：微粒子タフ、９，９′：供給配管、２（１
：第２液槽、２２：上段回転液管、２４：回転駆動手段
、２５：開閉弁、２６：取り出し配管。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）両端が開口した円筒状の回転液管を所定角度傾斜
   した状態に配設し、該回転液管内にその下方から上方に
   向けて一定流速をもった微粒子懸濁液の液流を形成する
   と共に、前記回転液管を一定の回転周期で回転させるこ
   とによって、小さい粒子径の微粒子を前記回転液管の上
   方から、また大きい粒子径の微粒子を該回転液管の下方
   から分離して取り出すようにしたことを特徴とする微粒
   子分離方法。
2. （２）密度ρの微粒子を密度ρ′で粘度ηの液体中に分
   散させてなる微粒子懸濁液において、微粒子半径ａ＿ｍ
   を分離境界として微粒子の分離を行うために、粒子の静
   水中の粒子の落下速度 Ｖ＿ｍ＝２ａ＿ｍ＾２（ρ−ρ′）ｇ／９ηに基づいて
   、前記回転液管の回転周期Ｔを、Ｔ〜２πＡ／Ｖ＿ｍｃ
   ｏｓθ［１−（Ｖ＿ｍｓｉｎθ／４＠Ｕ＿１＠）］ （但し、Ａは回転液管の半径、θは回転液管の傾斜角度
   、＠Ｕ＿１＠は回転液管内の液体の上昇流の平均速度を
   それぞれ示す。）に設定するようにしたことを特徴とす
   る請求項（１）の微粒子分離方法。
3. （３）それぞれ独立して回転せしめられる２個の回転液
   管を接続し、その下側回転液管と上側回転液管とを連通
   させるように設け、該上側回転液管の方を前記下側回転
   液管より低速で回転させるようになし、これら両回転液
   管間の接続部から所定の粒子径分布幅を有する微粒子を
   取り出すようにしたことを特徴とする請求項（１）の微
   粒子分離方法。