JP2018124143A - クロマトグラフィーカラム送液システム用フィルターユニット - Google Patents

Abstract

【課題】フィルターユニットにおけるクロマトグラフィーカラムに供給する液成分のムラの発生を抑制し、また送液システム内における雑菌繁殖や液成分の不溶化や析出を抑制する。
【解決手段】クロマトグラフィーカラムへの送液システムで用いるフィルターユニットであって、ディスクフィルター４４の径が原水入口４１の径又は濾過水出口４６の径の１〜３倍のディスクフィルターユニット４０であることを特徴とするフィルターユニット。ディスクフィルター４４の厚みは０．５〜５ｍｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、医薬品やファインケミカルや機能性成分などの分離精製工程で用いられるクロマトグラフィーカラムへの送液システムで用いるフィルターユニットに関し、特に、省スペースで効率的なフィルターユニットに関する。

図２，３は、クロマトカラムへの送液システムの一例を示すものである。図２では、送液システム１０において、溶媒１と原液サンプル２とがポンプ３，４で送液され、合流してインラインミキサー５で混合されてラインフィルター６で懸濁成分が除去された後にクロマトカラム１１に供給され、検出器１２の信号を分取制御装置１３が受け取って自動ボール弁１４，１５の開閉を切り替えることによって所定移動相の所定部分をフラクションタンク１６，１７に分取する。

図３は、溶媒１とサンプル２とをそれぞれインラインミキサー５とラインフィルター６とに順次通液した後に合流させる方式である。その他の構成は図２と同一である。溶媒（バッファ）や原液が複数種類の場合は溶媒用のライン７、原液用のライン８に独立して通液する。通液停止中は原液ライン８を溶媒で押出して置換しておく。

図２，３では、溶媒１と原液サンプル２が各１種類であるが、それぞれ複数種類とされることもある。

従来のクロマトカラムへの送液システムでは、ラインフィルター６として、図４に示すような一般工業用途向けのラインフィルターユニット２０が用いられている。このラインフィルターユニット２０は、濾過を施す原液の入口２１と、原液が流入する円筒状の本体２２と、本体２２と同軸状に取り付けられた有孔の円筒状の内筒２７と、内筒２７の孔を覆うように取り付けられた原液を濾過するフィルター２３と、フィルター２３を取り付け、あるいは取り外す際、本体２２を開口／閉口するフランジ２４と、フィルター２３の濾過液を取り出す濾過液出口２５と、内筒２７の濾過液出口２５の反対側から濾過液流路へ原液が流入しないように内筒２７の一端側を閉鎖する蓋２６から成る。

なお、特許文献１には、原液入口を本体の側面に設けたインラインフィルターが記載されている。

ところで、医薬品やファインケミカルや機能性成分などの分離精製工程で用いられるクロマトグラフィーカラムへの送液システムでは、ラインフィルター後段のクロマトグラフィーに供給するプラグフローが拡散により阻害され、液成分のムラが生じて高純度と高回収率で目的成分を精製回収できなくなることがないようすること、及び、送液システム内において雑菌繁殖や液成分の不溶化や析出などの発生がないようにすることが重要な要件である。この観点でシステムを見直したところラインフィルターに改善の余地があることが分かった。

すなわち、従来のフィルターユニット構造では下記のように液滞留が起こる可能性があり、この液滞留が上記問題を引き起こす原因となることが考えられる。

フィルターの処理量は、通液抵抗や濾過面積負荷を考慮して設計処理量（Ｌ／ｍ／本）が決まっているため、処理量の増加に合わせてフィルターユニットに装着するフィルター数を増やす必要がある。フィルター数を増やす場合のフィルター設置方法として、フィルター同士を直列につなぐ方法や、並列に並べる方法や、両方法を組み合わせた方法などがある。

フィルターを直列につなぐ方法では、原液入口付近での流速が速いため、原液入口付近のフィルターについては原液入口の反対側まで十分に原液が展開しにくい。言い換えれば原液入口の反対側に液滞留が発生しやすい。

フィルターを並列に並べる方法では、ユニット内にフィルターを並列に並べた際、隣り合うフィルターとフィルターの間に隙間ができ、このユニットにフィルター面に直角（本体長軸方向）方向に原液を高流速で流入させると、この隙間が液の（渦流発生による）滞留領域となり、フィルター面への速やかな原液展開の妨げとなる。

そこで、送液システムで用いるインラインフィルターとして従来のフィルターに替えて、ディスクフィルターユニットを適用することが考えられる。一般工業用途向けのディスクフィルターユニットは構造が簡単で、メンテネンスも容易であることなどから、送液システムで用いるインラインフィルターとして適用できる可能性がある。

一例として、ディスクフィルターユニット３０の垂直断面斜視図を図５に示す。

このディスクフィルターユニット３０は、濾過を施す原水の入口３１を有する本体アッパー３２と、入口３１から流入した原水がフィルター濾過面に展開する原水流路３３と、原水を濾過するディスクフィルター３４と、ディスクフィルター３４の濾過水を集水する濾過水流路３５と、濾過水を取り出す濾過水出口３６を有する本体ロワー３７と、フィルター３４の取付けや取外しの際、本体アッパー３２と本体ロワー３７を開口／閉口する留め具としてのクランプ３８と、本体アッパー３２と本体ロワー３７との合わせ面をシールするＯリング３９とを有する。

原水の入口３１及び濾過水出口３６の径は、流量から工学計算して通水抵抗が一定以下になるような径が選定されている。即ち、流量が多ければ入口３１及び出口３６の口径は大きく、流量が少なければ入口３１あるいは出口３６の口径は小さくなる。

ディスクフィルターユニットは、一般工業用途では、原水に含まれる一定サイズ以上で比較的高濃度の懸濁成分をディスクフィルターで濾過して、濾過水を得る目的で適用される。この場合、原水に比較的高濃度の懸濁成分が含まれるため、フィルターの濾過面に濾過された成分が付着・堆積し、濾過抵抗が増加し、徐々に単位時間当たりの濾過水量が減少する。単位時間あたり所定の濾過水量を得られなくなった時点で、原水通水を止め、クランプをはずして、本体アッパーと本体ロワーとを分離して、フィルターを取り出して洗浄したり、あるいは、新しいフィルターと交換する。次いで、ディスクフィルターユニットを組み立て、原水の通水を再開する。フィルターの径が小さく、フィルターの濾過面積が小さいと、フィルターの洗浄頻度又は交換頻度が多くなる。そのため、通常、フィルターとしては、フィルター径が原水入口径又は濾過水出口の口径より１０倍〜２０倍程度大きいものが用いられている。

しかし、一般工業用途向けのディスクフィルターユニットではフィルターのうち中心部（原水入口や濾過水出口の近傍）の通水ＬＶが大きくなり、一方、中心部から離れて周部に近づくにつれ通水ＬＶが小さくなり拡散が発生して液滞留が発生しやすいので、このまま一般的なディスクフィルターユニットを使用しても依然として液滞留のリスクは解消されない。

特開２０００−２０５２０８号公報

本発明は、医薬品やファインケミカルや機能性成分などの分離精製工程で用いられるクロマトグラフィーカラムへの送液システム用のフィルターユニットにおいて、クロマトグラフィーカラムに供給する液成分のムラの発生を抑制し、また送液システム内における雑菌繁殖や液成分の不溶化や析出を抑制することができるフィルターユニットを提供することを目的とする。

本発明のフィルターユニットは、クロマトグラフィーカラムへの送液システムで用いるフィルターユニットであって、フィルター径が原水入口径又は濾過水出口径の１〜３倍のディスクフィルターユニットであることを特徴とする。

本発明の一態様では、原水入口径が濾過水出口径以上である。

本発明の一態様では、前記フィルターの厚みが０．５〜５ｍｍである。

本発明の一態様では、送液システムの供給側配管の管径とフィルターユニットの原水入口径を同径とするか、または送液システムの配管径の方を大きくして送液システムの供給配管とフィルターユニットの原水入口の間にテーパ状の絞り管を介在させる。

本発明の一態様では、送液システムの排出側配管の管径とフィルターユニットの濾過水出口径を同径とするか、または送液システムの配管径の方を小さくしてフィルターユニットの濾過水出口と送液システムの排出配管との間にテーパ状の絞り管を介在させる。

医薬品やファインケミカルや機能性成分などの分離精製工程で用いられるクロマトグラフィーカラムへの送液システムで通液する原水（原液サンプル）あるいは純水または無菌水（溶媒）は、前段で固液分離、例えば遠心分離されるため、懸濁成分がほとんど無く、従ってディスクフィルターの濾過面積は一般工業用途のディスクフィルターに比べて少ない面積で足りる。本発明は、かかる知見に基づいて、ディスクフィルターの径を化学工学的に最適化したものである。

本発明のフィルターユニットは、フィルター径を適切に小型化したディスクフィルターを用いることで、フィルターユニット内の原水や濾過水の滞留を防ぎ、速やかな流れを可能にする。これにより、クロマトグラフィーに供給する液成分のムラの発生が抑制され、分離精製の精度が高くなる。また滞留を防ぐことで送液システム内における雑菌繁殖や液成分の不溶化や析出を抑制することが可能となる。

また、医薬品やファインケミカルや機能性成分などの分離精製はクリーンルームで行われるが、クリーンルームは清浄性を確保・維持するため、いたずらに大きくできない。しかし、本発明によりディスクフィルターユニットが小型化されるため、送液システムも小型化されスペースの制限があるクリーンルームへの設置が容易になる。

本発明では、濾過水出口径が原水入口径よりも大径であると、乱流が発生し拡散を誘発しやすくなるので、本発明では、濾過水出口径を原水入口径と同径か又は小径とすることが好ましい。なお、絞り管を介在させるとシール部が増える分だけ汚染リスクが大きくなるので、濾過水出口径と原水入口径を同径とするのが好ましい。

本発明のフィルターユニットでは、ディスクフィルター径が比較的小さいので、フィルター内の液流速が高くなり、通液抵抗が大きくなる。そこで、ディスクフィルターの機械的強度を高めるべくディスクフィルターを高厚化することが考えられるが、フィルターの厚みが大きいと、フィルター内で目的成分の拡散が起き、純度や回収率のよいクロマト精製分離ができない。そこで、本発明では、クロマト精度の観点からディスクフィルターの厚みは小さくするのが好ましく、５ｍｍ以下、特に３ｍｍ以下が望ましい。なお、製造上の理由から、ディスクフィルターの厚みは０．５ｍｍ以上、特に１ｍｍ以上が好ましい。

送液システムの供給側配管の管径とフィルターユニットの原水入口径を同径とするか、又は送液システムの配管径の方を大きくして送液システムの供給配管とフィルターユニットの原水入口の間にテーパ状の絞り管を介在させることにより、フィルターユニットと送液システムの配管の接続部に液滞留の領域ができることを抑制することができる。また、送液システムの排出側配管の管径とフィルターユニットの濾過水出口径を同径とするか、または送液システムの配管径の方を小さくしてフィルターユニットの濾過水出口と送液システムの排出配管との間にテーパ状の絞り管を介在させることにより、フィルターユニットと送液システムの配管の接続部に液滞留の領域ができることを抑制することができる。

実施の形態に係るディスクフィルターユニットの断面図である。 クロマトカラムへの送液システムの構成図である。 クロマトカラムへの送液システムの構成図である。 従来のラインフィルターユニットの断面図である。 従来のディスクフィルターユニットの断面図である。 実施の形態に係るディスクフィルターユニットの断面図である。 実施例の結果を示すクロマトグラムである。 実施例の結果を示すクロマトグラムである。

本発明の一例を図１に示す。ディスクフィルターユニット４０は、濾過を施す原水の入口４１を有する本体アッパー４２と、原水入口４１から流入した原水がフィルター濾過面に展開する原水流路４３と、原水を濾過するディスクフィルター４４と、ディスクフィルター４４の濾過水を集水する濾過水流路４５と、濾過水を取り出す濾過水出口４６を有する本体ロワー４７と、フィルター４４を取り付け、あるいは取り外す際、本体アッパー４２と本体ロワー４７を開口／閉口する留め具としてのクランプ４８と、本体アッパー４２と本体ロワー４７との合わせ面をシールするＯリング４９とを有する。いずれの部材も、これまでの汎用品と同様な操作で使用できるため、適用に当たって使用者に操作の学習や習熟などの負荷を伴わないメリットがある。

一方、流量から工学計算して通水抵抗が一定以下になるように選定された原水の入口あるいは濾過水出口の径に、フィルター径を流体工学的根拠に基づいて最適化することで、原水や濾過水の滞留を防ぎ、速やかな流れを可能にした。この実施の形態では、ディスクフィルター４４の径を原水入口４１の径の１〜３倍、望ましくは１〜２倍とする。

本発明の別の実施の形態では、ディスクフィルター４４の径を濾過水出口４７の径の１〜３倍好ましくは１〜２倍とする。

このようにディスクフィルター４４の径（換言すれば濾過面積）を最適に小径化することで、このディスクフィルターユニット４０を図５のディスクフィルターユニット３０よりも１／３〜１／２０に小型化することができ、送液ユニットの小型化にも貢献することができる。

本発明では、図６に示すように、送液システムの供給側配管５１の管径とフィルターユニット４０の原水入口４１の径を同径とする（図６（ａ））か、または送液システムの配管５３径の方を大きくして送液システムの供給配管５３とフィルターユニット４０の原水入口４１の間にテーパ状の絞り管５４を介在させた構成（図６（ｂ））としてもよい。

また、送液システムの排出側配管５２の管径とフィルターユニット４０の濾過水出口４６径を同径とする（図６（ａ））か、または送液システムの配管５５の径の方を小さくしてフィルターユニット４０の濾過水出口４６と送液システムの排出配管５５との間にテーパ状の絞り管５６を介在させた構成（図６（ｂ））としてもよい。

クロマトグラフフィーカラムへの送液システムで用いるに適したフィルター及びフィルターユニットでは、液だまり（液滞留）や分離精製目的成分の拡散を最小限に抑えることが望ましく、この為には、配管径に比べて、フィルター径を水処理用途向けのように大きくする事なく、適正な径比とすることが重要である他、フィルター厚みも適正化する必要がある。即ち、フィルターの厚みが厚過ぎると、フィルター層で分離精製目的成分の拡散が起き、純度や回収率のよいクロマト精製分離ができない。適正なフィルターの厚みは、流量やフィルターの孔径や材質などにもよるが、５ｍｍ以下が望ましい。

ディスクフィルターの材質として、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、テフロン（ＰＴＦＥ）、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ハステロイなどが用いられる。

本発明ではディスクフィルターユニットを用いるので従来型フィルターのように並列多段に複数のフィルターを用いることができない。そのため、配管径にもよるが、送液システムの配管内の線流速（ＬＶ）が２ｍ／ｓ以下程度となるような比較的中型・小型のクロマトグラフィーカラム用の送液システムに好適に適用される。

前述の通り、クロマトグラフフィーカラムへの送液システムで用いるに適したフィルターユニットは、液だまり（液滞留）や分離精製目的成分の拡散を最小限に抑えることが望ましく、この為には、フィルターユニットの原水入口４１の径と濾過水出口４６の径を同等する他、（送液システムの各配管の径を統一した上で）原水入口４１や濾過水出口４６の口径と送液システムの配管径と同等とする事がより望ましい。

原水入口径と濾過水出口径を同等とし、原水入口あるいは濾過水出口の口径に対して、フィルター径を１倍から１８倍まで変えたディスクユニット構造について、数値力学解析手法により、原水入口からスパイクした色素が出口から出てくる時間変化をシミュレーションした。本解析例では原水入口径をφ７．５ｍｍ、原水流量は７Ｌ／ｍｉｎとした。解析結果例を図７，８に示す。

図７，８の通り、ディスクフィルター径が原水入口径の１倍から２倍程度までは、ディスクフィルターユニット出口での色素流出曲線はシャープな形状をしており、ディスクフィルターユニット内での滞留がなく、フィルター濾過面全体が一律に利用されていることが分かる、一方、ディスクフィルター径が原水入口径の３倍程度になると、色素流出曲線の形状がシャープでなくなり始める、即ちブロードに成り始め、６倍、１８倍では極端にブロードな形状となることから、ディスクフィルターユニット内に顕著な滞留が生じていること、即ち、フィルター濾過面を流体が均一に流れておらず、無駄になっていることが分かる。

３０，４０ ディスクフィルターユニット
３１，４１ 原水入口
３４，４４ ディスクフィルター
３６，４６ 濾過水出口

Claims (5)

1. クロマトグラフィーカラムへの送液システムで用いるフィルターユニットであって、フィルター径が原水入口径又は濾過水出口径の１〜３倍のディスクフィルターユニットであることを特徴とするクロマトグラフィーカラム送液システム用フィルターユニット。
2. 請求項１において、原水入口径が濾過水出口径以上であることを特徴とするクロマトグラフィーカラム送液システム用フィルターユニット。
3. 請求項１又は２において、前記フィルターの厚みが０．５〜５ｍｍであることを特徴とするクロマトグラフィーカラム送液システム用フィルターユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、送液システムの供給側配管の管径とフィルターユニットの原水入口径を同径とするか、または送液システムの配管径の方が大きくして送液システムの供給配管とフィルターユニットの原水入口の間にテーパ状の絞り管を介在させたことを特徴とするクロマトグラフィーカラム送液システム用フィルターユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、送液システムの排出側配管の管径とフィルターユニットの濾過水出口径を同径とするか、または送液システムの配管径の方を小さくしてフィルターユニットの濾過水出口と送液システムの排出配管との間にテーパ状の絞り管を介在させたことを特徴とするクロマトグラフィーカラム送液システム用フィルターユニット。

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