JPS6021761B2 - 大規模クロマトグラフ分離方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イオン交換樹脂上における有機及び無機物質のクロマト
グラフ分離及び分別は広範に文献で論述されている。

多くの場合に発表されている方法は、小さな実験室用カ
ラムを使用して行われる分折方法がある。分析方法が商
業用用途のために述べられている場合においても、論述
の基をなす実験の多くは小さな寸法のカラムを使用して
行われている。クロマトグラフ分離の理論的面は、例え
ば、ジョン・ワィリーから最近発行されたシナイダー及
びキルクランド共著“イントロダクション・ッー・モダ
ンリクィドクロマトグラフィー”に発表されている。

上記テキスト中に示される理論は大部分が小規模の実験
室用カラムを使用した実験に基づく。実験室で得られた
結果を商業的規模にスケールアップすることは一般に困
難であると認められているが、理論的モデルが充分に解
明されていないクロマトグラフ法では特に困難である。

すなわち、クロマトグラフ法の分野において、実験室実
験から得られた知識に基づいて商業的装置の建設をする
には重大な問題があることが知られている。したがって
、当業者によれば、大規模な樹脂用カラム、例えば直径
がｌｍ以上、そして高さが約２．８ｈ以上のカラムの使
用は望ましくないとされている。その理由は、このよう
に大きなカラムでは貧弱な分離効率しか得られず、溶離
された成分が過度に希釈されるためであり、これらの両
要因が相まってその方法の経済性を損なうからである。
液体が上記カラムの頂部に均等に導入された後、カラム
中へ鯵透し移動する該液体の前端（ｆｒｏｎｔ）の一部
分が他の部分の移動速度と異なる速度で下方に移動した
り、該液体の前端がカラムの横断面に対して傾斜した状
態で流れたりすると、カラムにテイリング（胸ｌｉｎｇ
）及びフィンガー形成（Ｆｉｎ群ｒＦｏｎｎａｔｉｏｎ
）が発生する。これらの難問を回避するため、上記カラ
ムの頂部に供給されるそれぞれの液体または溶雛剤の前
端もしくは先導端は等速で下方に移動し、そして前端は
水平面に横たわる狭いバンド内に実質的に残っているこ
とが望ましい。これらの先行技術の難問は、例えば米国
特許第３２５００略号明細書にバドゥル（母ｄｄｏｕｒ
）により論述されている。

良好な分離は薄層実験室用カラムを使用すると達成され
るが、直径５．０８瓜またはそれ以上のカラムを使用し
て技術的もしくは商業的規模で分離を繰返し行うと、該
カラム内でティリング及びフィンガー形成が起こること
が見出され、そのどちらもが希釈及び貧弱な分離結果の
原因となる。バドウルは上記カラムを貫流する液体の横
流を引き起こすために上記カラム内にトランスバース（
Ｑａ船ｖｅ笹ｅ）型じやま板の設置を採用して上記の難
問を克服しようと試みた。更にバドウルは上記トランバ
ース型じやま板をラテラル（ｌａにｒａｌ）型じやま板
と一緒に使用する必要のあることを見出した。大規模カ
ラムにおける強制垂直流れの考えは、更にラウェルらに
より米国特許第３５３９５０５号明細書にて展開され、
彼はドイツ公開公報第２０３６５２５号に記載のように
、カラムの中にラジアル混合用ユニットを導入するか、
またはカラムを数個の短いカラムに分割した。

上記難問に対するもう１つの提案はドイツ公開公報第２
２２４７９４号及び椿開昭４８一服７５２号公報に発表
され、それによれば、カラムは分離される溶液で飽和さ
れる。上記飽和カラム及び逆流により、カラム内の密度
勾配により起こされる故障が回避される。上記のむしろ
複雑化された方法が、大規模クロマトグラフ分離方法を
商業的基準で実施することを可能とする。

しかし、これらの方法は商業的規模で達成することが困
難である複雑化されたカラム構造及び方法となる。カラ
ムの内部に作りつけの構造物が存在すると、樹脂が逆洗
される場合、または樹脂のイオン型を変えることが必要
となつた場合に、重大な問題が生ころ。分離すべき供Ｖ
給液または溶機剤からの機械的不純物が樹脂床上に蓄積
するもので、カラムの性能が徐々にその効率を低下する
から、何回かのサイクルの後には、上記方法には逆洗が
必要である。樹脂のイオン型を変更する場合、樹脂粒子
の容積は普通変化し、それが樹脂床の膨溜または収縮を
起こす。カラム内の作りつけ構造物がこのような事態に
おいては邪魔物であることは明らかである。飽和樹脂床
及び逆流の考えもまたドイツ公開公報第２２２４７９４
号に記載のように構造物を複雑にするか、または該系の
操作方法を複雑化する。１９７４王２月１日付公告のフ
ランス特許第２１９０９１８号は、直径３ｈ、高さ７ｍ
のカラムが、イオン分離（ｉｏｎｓｅｐａｒａｔｉｏｎ
）によって糖みつから糖を得る方法に使用されたことを
開示しているが、この特許ではじやま板が使用されたか
どうかは明らかにされてない。

しかしながらこのフランス特許に記載されている方法は
、イオン排除分離方法（ｉｏｎｅｘｃｌ船ｉｏｎｓｅｐ
−ａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ）に関するものであり
、本発明のクロマトグラフ分離法とは異なる。今回、ク
ロマトグラフ分離が、じやま板のない円筒容器、上記容
器の底部と側面とによってだけ支持された床を形成する
ため上記容器を少くとも１部分充てんしたイオン交換手
段（ｍｅａｎｓ）、上記床の頂部に均等に溶液を供給す
るための手段及び上記床の底部で溶液を浦集するための
手段から成るクロマトグラフ用カラムを設立した場合に
も、先行技術の作りつけの構造物を有せず、そして先行
技術の飽和システムを使用することなく、大規模カラム
で達成される方法が見出された。

イオン交換手段は実質的に同一の直径と使用状態での永
久変形を防止するのに充分な圧縮強度を有する均質等方
法、球状イオン交換べレットまたはビードから成る。本
発明のじやま板を使用しない単糖類またはポリオール類
の大規模カラムクロマトグラフ分離法は、下記ａないし
ｄ：ａ 平均粒蓬約０．５〜０．２０側の範囲にあり、
かつ樹脂粒子の９５％以上が平均粒径の±２５％の粒径
を有する、ジビニルベンゼンでクロス・カップルしたス
ルホン化ポリスチレンよりなる粒状のイオン交換樹脂を
使用して、カラムの透過係数ｋを約１×１び。

〜４×１び。（１／枕）に調整するために上記粒状のイ
オン交換樹脂を選択してカラムに充填し、ｂ 該カラム
に水を満して逆洗することにより樹脂の充てん状態を均
一化し、ｃ 成分を分離すべき液体を臨界速度の０．５
〜２倍の一定流速で上記カラム中に均−に通過せしめ、
ｄ 水で溶離してカラムの底から流出する液を分画して
回収すること、の工程によって達成される。

上記円筒状容器はｌｍ以上であり、そして所望の交換カ
ラム高さより多少高い。上記床の頂部に均等に溶液を供
給するのに適当な手段は米国特許第３８１４２５３号明
細書に記載される。本発明の方法によれば、クロマトグ
ラフ法で分離すべき液体及び該液体に続〈溶離剤を、重
力による下降流として通過させる簡単な方法が提供され
た。

均等流れは均等にサイズされた樹脂粒子を使用すること
により、樹脂粒子の混合物において均一性を確保するこ
とにより、分離される物質の分配係数を考慮に入れて流
れに対し最小の抵抗を与える平均粒径を有する樹脂を選
択することにより、上記カラムの頂部全面に均等で乱流
のない重力流を供給することにより、そして上記カラム
の底部から重力により均等で乱流のない溶液を回収する
ことにより達成される。更に、上記システム内の液体の
流速は供給溶液、溶雛液ともに臨界速度の０．５〜２倍
でなければならない。本発明の方法が目的とする大規模
カラムは、直径約ｌｍ以上、及び高さ約３ｈ以上を有す
るカラムである。

上記寸法及びより大きなカラムは商業的基準により本発
明方法を有用とするに充分な能力を有する方法を提供す
るのに望ましい。本発明におけるカラムの直径の大きさ
は特に限定されないが、好ましくは３ｈである。

本発明の方法により使用されるイオン交側聞脂は、イオ
ン交≠灘樹脂床で有機及び無機物質をクロマトグラフ法
で分離するため先行技術で普通に使用された樹脂はどれ
でもよいが、適当な樹脂はジービニルベンゼンとクロス
ーカツブルしたポリスチレンスルホネート陽イオン交換
樹脂のアルカリ金属及びアルカリ士類金属塩を包含する
。

これらの樹脂は一般に製造業者により一定の品種及び粒
径で供給される。上記床における樹脂粒子の粒径に大き
なバラッキがある場合には、液体の適当な均等流れを得
るのが困難となることを見出した。従って、本発明によ
れば、実際上可能な一様性に近い粒径を有する樹脂を得
るため、多くの樹脂を更に分別することが必要である。
樹脂の９５％以上が平均粒径の土２５％の範囲内であれ
ば、成分の良好な分離を含む最良の結果が得られること
を見出した。平均樹脂粒径の望ましい範囲は、約０．５
肌と約０．２肋との範囲内である。均等流れを得るため
に重要であることが見出された他の要因は、床内におけ
る樹脂粒子の均一性である。

この技術の分野においてよく知られているように、微粒
子状物質から成るカラムにおいて、寸法の異なる粒子と
してはカラムの別々の層に分類、例えばそれぞれ集中す
る鏡向がある。本発明によれば、カラム内部の層形成は
最小限にされること、及び樹脂粒子はその粒径に従って
カラムのあちらこちらに、そしてその長さの方向にくま
なく均質に分布されることが重要である。この結果は均
等充てんと呼ばれる。本発明によりこのことを達成する
１つの方法は樹脂床を完全にそして激しく逆洗すること
である。更に考慮すべきもう１つの要因は使用される樹
脂の機械的強度である。

ある弱い性質の樹脂が長いカラムに使用されると、カラ
ム中身の重量がカラム内の粒子を変形させ、それがこん
どは流れに障害を与えるから重大である。ポリスチレン
樹脂が使用されると、該樹脂の強度はその樹脂のジービ
ニルベンゼン舎量に依存する。糠類の良好なクロマトグ
ラフ分離は、樹脂床深さ約３．５ｈの場合、２〜６％ジ
ーピニルベンゼンを含有する樹脂を使用して達成される
。均等流れの確立におけるいま１つの要因は、適当な平
均樹脂粒径を選択することである。

カラムの最適性能は、流速、溢度および供聯合液の乾燥
物含量等の条件を、カラム内で粘度勾配および濃度勾配
が発生してティリングやフィンガー形成をひき起したり
せず、各分画間の境界が安定するように選択することに
よって得られる。これらの条件は、分離される液体中の
成分の分配係数により変化することが見出された。平均
粒径は、カラムの流れに対する抵抗をできるだけ小さく
し、かつ樹脂粒子の内部および外部への拡散速度が分離
方法の律遠にならないようにするため、分離すべき成分
の分配係数にしたがって決定する。上記係数が大きけれ
ば、粗粒樹脂を使用してもよい。粘性流体の均等流れに
関する上記要因のほかに、最適カラム透過性を使用する
こと及び溶液を系のほぼ臨界速度に近い速度で流すこと
が重要である。クロマトグラフ分離において、分離すべ
き成分間の分離度はカラム中の流れの直線速度により変
化し、そして一般に速度が増加すると減少する。上記系
の透過性は樹脂の粒径が増大するにつれて増加する。商
業的に実施し得る生産速度を得るためには、できるだけ
高い透過性を得ることが望ましい。反対に、流速は溶液
中の成分の合理的分割または分離を確保するため充分に
低くなくてはならない。良好な分離度を保つうえで、透
過性および流速には上限が規定される。本発明に使用さ
れるカラムの透過性は透過係数から定義され、そしてそ
れぞれの系に対し実験的に見出されなくてはならない。
透過性係数は次式：‘１’ｋ＝△ｏ ムレＬ 式中、 △ｐ＝樹脂床における圧力損失（Ｎ／〆）し＝溶液の流
れの線速度（ｍ／ｓ） Ｌ＝樹脂床の高さ（ｍ） ｒ＝溶液の粘度（Ｎｓ／〆） ｋ＝透過係数（１／〆） で定義される。

式１はしイノルズ数が１以下である多孔性媒質中におけ
る流れに対する所謂ダルシ−の法則の変形である。さら
に本発明者等は、完全に均一に充てんした樹脂層を用い
た場合でも溶液の密度差および粘度差のために発生しが
ちなフィンガー形成やティリングも、流速を臨界速度（
Ｖｃ）または系の条件因子に応じて臨界速度の０．５一
２．０倍に規定することによって避け得るかあるいは最
４・限度に止めることができることを見出した。

臨界速度はクロマトグラフ系に対し実験的に見出さねば
ならず、そして溶液中の粘度−及び密度−差に依存する
。

ェス・ヒル（Ｓ・Ｈｉｌｌ）はＣｈｅｍ・Ｅｎｇ．Ｓｃ
ｉ、第１巻、第２４刀頁（１９５２）で充てんカラムに
対する臨界速度を論及している。臨界速度は次式２：■
ＶＣ＝器芸）式中、 Ｖｃ：臨界速度（ｍ／ｓ） Ｓ＝比重（ｋｇ／〆） 山＝粘度（Ｎｓ／で） ｋ＝床の透過係数（１／〆） ｇ＝重力定数（９．８１ｍ／ｓ２） で表わされる。

最初に粘度ｒ２、密度Ｓ２の液を、続いて粘度ｒ，、密
度Ｓ，の液を下降法で流すものと仮定すれば、式２中の
指数１および２は、それぞれ上部流体層および下部流体
層を指示する。

糟類及びポリオール類の大規模分離に使用される濃度範
囲においては、密度及び粘度は、濃度にほとんど一次的
に相関する。

かくて、次の式を得る：‘３｝ Ｓ＝Ｓｏ十Ｑｃ ■山＝ムｏ＋８Ｃ 式中、Ｑ及び８は実験常数であり、そしてｃは重量％で
表わされる溶液の濃度であり、Ｓｏは水の密度であり、
そしてｒｏは水の粘度である。

式３及び４を式２中に代入すると、臨界速度の式を与え
る：【５｝ＶＣ＝器 出願人は、アルカリ士類の形で粒径０．２５〜０．５０
肋を有するポリスチレンジビニルベンゼンを充てんした
直径ｌｍ以上、そして高さ３ｍ以上のカラムで糠類及び
ポリオール類を大規模クロマトグラフ法で分離するため
には、透過係数ｋは１×１び０１／〆〜４×１び０１／
〆 の範囲内にあることを見出した。

透過係数は樹脂床の横断面並に高さ、樹脂の粒径、樹脂
の粒度分布及び樹脂の型から成る系パラメーターに依存
する。

更に、単糖類またはポリオール類を５０ｑｏで分離する
場合、常数Ｑ及び８はＱ＝４（ｋ９／従） ８＝１．３×１０‐５（Ｎｓ／〆） であることを見出した。

かくて、下記実施例２及び３に記載の分離に対する臨界
速度は次のように計算される。Ｖｃ２＝０．５ｍ／ｈＶ
ｃ３＝０．３ｈ／ｈ。

カラム内の圧力損失△ｐ／Ｌは床における樹脂ごｌｍ当
り２０００Ｎ／〆であった。

上記臨界速度及び透過係数は安定化クロマトグラフ系に
あてはまるものである。

したがって、逆洗操作の後に、カラムは安定化させねば
ならない。それには、床が安定状態に達するまで、カラ
ムに水を流すことにより達成される。分離すべき液の供
給間隔はできるだけ小さく選ばれるが、分別された成分
が前の液の供給から次の液の供給まで重ならないように
する。

供給液中の乾燥物質含量は、分離能力及び品質並びに濃
縮コスト及び作業コストを考慮して最適条件が得られる
ように選ばれる。本発明の方法は、小規模実験室用カラ
ムで得られると同程度に良好な分離効率で大規模クロマ
トグラフ分離を実施することを可能にする。

このことは、樹脂を充てんすることがより容易であり、
逆洗することもより容易であり、かつ流れに小さな抵抗
しか加えない簡単で比較的安価な構造物を使用して達成
される。その上、分離サイクル中または再生中、樹脂の
膨欄または収縮を伴う重大な難問には出会わない。同一
能力を提供する小さなカラムの絹（畑ｔｔｅひ）と比較
して、本発明の方法の実施に使用された装置は、建設及
び維持するのに費用がより安く、補助設備、例えば配管
、弁及びポンプの必要量を減少し、そして著しく減少さ
れた維持コストを有する。本発明の方法は、分離すべき
溶液及び熔離剤がカラムの頂部に連続的に供給される簡
単な重力による下降式クロマトグラフ法として実施され
る。

次の実施例は更に大規模カラムの性能を例示する。各例
において、ただ１つの分離サイクルを記載する。しかし
、実際の作業において、分離工程に使用される溶離剤に
次いで次の送り溶液が続き、そしてこんどは再び溶離剤
が続くことが可能である。実施例１において、分離工程
は１２０分続き、その後で、次の送り溶液がカラムの頂
部に添加される。実施例２及び３においては、各分離工
程は１６０分である。次の実施例はそれぞれ米国特許第
３８１４２５３号明細書に示され、そして特許請求され
たように、液体供給調整装置が取付けられたカラム中で
実施されたので、その説明を参考のために本発明書に組
入れる。樹脂のカラムはカラムの底部で均等に穴のあい
た多孔板で支持された細かいメッシュスクリーンで支持
されている。上記多孔板の下部は力ラムを通過した溶液
を橘収するための障害物の無い空間を有する。カラム底
部にはさらに、重力により上記溶液を乱流しないように
回収するための追加の手段が設置されている。実施例
１ 有機（糖類）及び無機（非糖類）成分を、次の装置及び
条件下にクロマトグラフ法によりカバ材水解物から分離
した：カラム：直径２６比の、樹脂床高さ３５０狐樹
脂：３．５％ジ・ベニルベンゼンを有するスルホン化ポ
リスチレン強力腸イオン交換剤：平均樹脂粒径０．４３
側： Ｎａ＋−型：樹脂粒子の９５％が上記平均粒径の±２５
％の範囲内にある。

液の供給条件 速度：ｌｍ／ｈ（供給溶液と溶離液の速度：以下同じ）
温度：十５０ｑ○供給液：１８％水溶液として５４０ｋ
９乾燥物質；送りは乾燥重量で糠類５９％を含有。

透過係数：ｋ＝１．６×１び。

臨界速度：ｖｃ＝０．７ｍ／ｈ 上記カラムに樹脂を３５０肌の高さまで充てんし、そし
て樹脂はカラム中の樹脂粒径をくまなく均一にするため
完全に逆洗した。

平均樹脂粒径０．４３側は樹脂粒径の範囲につき検討し
た結果選ばれたもので、カバ材水解物供給溶液の流れに
対し最低の抵抗を示した。供給溶液および溶離剤（水）
は両方とも、米国特許第３８１４２５３号明細書に記載
の液体供給調整装置を使用し、そして樹脂床の上に藤た
わる液体を通す板組立の上に細かい頃霧をスプレーして
カラムの頂部に供給した。

均等流れはカラム中くまなく確立され、そして全作業中
絶持された。流出した分画は均等流れを混乱させること
なく、カラムの底部から回収された。カラムは水で溶離
し、そして成分は次のように分離された：上記分離方法
とドイツ公開公報第２２２４７処号に記載の実験室用カ
ラムによる同様の分離との比較は、本例方法の大規模カ
ラムの性能が先行技術の小規模カラムの性能と同様また
はより良好であることを示す。

実施例 ２ グルコースとフルクトースとを、その両方を含有する水
溶液から、次の装置及び条件でクロマトグラフ方法によ
り分離した：カラム：直径２６０仇、樹脂床高さ３５０
瓜樹 脂：３．５％ジ・ビニルベンゼンを有するスルホ
ン化ポリスチレン強力腸イオン交換剤；平均粒径０．斑
肋：ＣａＨ型；樹脂粒子の９５％は上記平均粒径の±２
５％範囲内にあつた。

液の供給条件速 度：０．４２ｈ／ｈ 温 度：十５５００ 供給液：３７．５％水溶液として７５０ｋｇ乾燥物質。

乾燥重量でフルクトース６０．５％及びグリコース３９
．５％を含有した。透過係数：ｋ＝２．２×１びｏｌ／
〆 臨界速度：ｖｃ＝０．８ｈ／ｈ。

カラムに樹脂を３５０伽の高さまで充てんし、そして樹
脂はカラム中くまなく樹脂粒径の均質性を確保するため
完全に逆洗した。

平均樹脂粒蓬０．総肋は平均粒径の範囲の評価後に選択
した。上記選ばれた樹脂粒径は供給溶液の流れに対し最
小の抵抗を与えた。供給溶液と溶離剤（水）とを両方と
もに、米国特許第斑１４２５３号明細書に記載の液体調
整装置を使用し、そして樹脂床の上に横わる液体を通す
板組立の上に細かい贋霧としてスプレーしてカラムの頂
部に供給した。

均等流れはカラム全体に亘り確立され、そして全操作中
絶持された。流出した分画は均等流れを混乱させること
なく、カラムの底部から回収した。カラムは水で溶離し
、そして糖類は次のように分離された：米国特許第３０
４４９０４号明細書に記載の直径９．５３肌のカラムを
使用した実験室実験と比較して、回収は同様に良好か、
またはより良好であり、そしてスケールははるかに大き
い。

実施例 ３ ポリオール類の混合物を含有する水溶液から、実施例１
及び２に記載の装置を使用して個々のポリオールを分離
した。

使用条件は次の通りである：カラム：実施例１及び２と
同様、 透過係数：ｋ＝２．６×１び０１／〆 臨界速度：ｖｃ＝０．３ｈ／ｈ 樹 脂：３．５％ジ・ビニルベンゼンを含有するスルホ
ン化ポリスチレン陽イオン交換剤：平均樹脂粒径０．２
７肋；ＳｒＨ型；樹脂粒子のうち９５％は平均粒径の±
２５％の範囲内であった。

液の供給条件 速度：０．５ｍｈ／ｈ 温度：十５５００ 供給液：２８％水溶液として４５０ｋ９乾燥物質：組成
：アラビニトール４．５％、キシリトール７７．９％、
マンニトール３．７％、ガラクチトール３．６％、ソル
ビトール８．１％、その他２．２％。

カラムに高さ３５比ネまで樹脂を充てんし、そして該樹
脂はカラム全体に亘り樹脂粒蓬の均質性を確保するため
完全に逆洗した。

平均樹脂粒径０．２７肋は、平均粒径の範囲の評価後に
選択された。上記選択された粒径の樹脂は供給溶液の流
れに対し最小の抵抗を与えることが測定された。供給溶
液及び溶酸剤（水）はともに米国特許第総１４２５３号
明細書に記載の液体調整装置を使用し、そして上記樹脂
床の上に横たわる液体を通す板組立上に細かい噂落とし
てスブレーして、カラムの頂部に供給された。

均等流れはカラム全体に亘り確立され、そして全操作中
絶持された。流出した分画は上記均等流れを混乱させる
ことなく、カラムの底部から回収された。カラムは水で
溶離され、そして成分は次のように分離された：大規模
カラムで得られた上記結果は、直径２２．５ｃのを有す
る小さな寸法の実験室用カラムで得られた結果と同様に
良好であるか、またはそれよりより良好である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記ａないしｄ： ａ 平均粒径が約０．５〜０．２０ｍｍの範囲にあり、
   かつ樹脂粒子の９５％以上が平均粒径の±２５％の粒径
   を有するジピニルベンゼンでクロス・カツプルしたスル
   ホン化ポリスチレンよりなる粒状のイオン交換樹脂を使
   用して、カラムの透過係数ｋを約１×１０＾１＾０〜４
   ×１０＾１＾０（１／ｍ＾２）に調製するために上記粒
   状のイオン交換樹脂を選択してカラムに充填し、ｂ 該
   カラムに水を満して逆洗することにより樹脂の充てん状
   態を均一化し、ｃ 成分を分離すべき液体を臨界速度の
   ０．５〜２倍の一定流速で上記カラム中に均一に通過せ
   しめ、ｄ 水で溶離してカラムの底から流出する液を分
   画して回収すること、の工程を行なうことにより、じや
   ま板を使用することなく、直径約１ｍ以上、高さ約２．
   ５〜６ｍの円筒カラムで単糖類またはポリオール類のイ
   オン交換クロマトグラフ分離を行なう方法。