JP2006078231A - クロマトカラムの作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリマー系充填剤の膨潤・収縮があっても、カラム容器内に空隙を生ずることなく、且つ、カラム容器の破損を招くこともなく、高い分離性能を安定的に維持することができるクロマトカラムの作製方法を提供すること。
【解決手段】ポリマー系クロマト充填剤のスラリーをカラム容器７に注入して該充填剤の充填層を形成した後、該自然沈降充填層をその高さに対して５〜２０％圧縮してクロマトカラムを作製する。又、前記自然沈降充填層の圧縮を、流体圧駆動のピストン（可動栓）１３をカラム容器７内に挿入することによって行うとともに、圧縮後は流体圧の供給を遮断して前記ピストン１３を固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポリマー系クロマト充填剤のスラリーを充填してクロマトカラムを作製する方法に関する。

分離分析法の一種としての液体クロマトグラフィーが知られているが、このような液体クロマトグラフィーにおいて高い理論段数を実現するためには、カラムに充填される充填剤を均一且つ圧密化された状態とする必要がある。

ところで、充填剤をカラム容器に充填する方法としては、充填剤を適当な溶媒に分散させたスラリーをカラム容器に充填した後、ガス圧やポンプ等を用いて溶媒を更に加圧液送することによって充填剤を圧密化する湿式充填法が知られており、これについての提案が種々なされている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平６−２４２５４３号公報 特開２００４−００４０９３号公報 特開２００４−３４６８３３号公報

ところで、充填剤としてポリマー系の充填剤を用いる場合、ポリマー系充填剤は、使用する溶媒によって膨潤したり収縮したりする性質を有しているため、充填層自体が変化しする。このため、充填剤をカラム容器に隙間なく充填した場合において、充填剤が収縮するとカラム容器内に空隙が生じ、その空隙により試料が拡散したり、偏流を生じたりし、分離性能が低下する。又、逆に充填剤が膨潤するとカラム容器を充填剤が押圧する状態となり、特に耐圧強度の低いガラスカラムやアクリルカラム等にあっては、カラム容器自体が破損する可能性がある。

そこで、通常は充填剤の膨潤を見越してカラム内の上部に多少の空隙を形成した状態で使用するか、或は充填層の膨潤・収縮を引き起こさない溶媒を使用する場合には、充填層を圧縮しないようにして空隙を無くす状態にして使用していた。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ポリマー系充填剤の膨潤・収縮があっても、カラム容器内に空隙を生ずることなく、且つ、カラム容器の破損を招くこともなく、高い分離性能を安定的に維持することができるクロマトカラムの作製方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ポリマー系クロマト充填剤のスラリーをカラム容器に注入して該充填剤の充填層を形成した後、該自然沈降充填層をその高さに対して５〜２０％圧縮してクロマトカラムを作製することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記充填層の圧縮を、流体圧駆動の可動栓をカラム容器内に挿入することによって行うとともに、圧縮後は流体圧の供給を遮断して前記可動栓を固定することを特徴とする。

本発明者の実験によれば、ポリマー系充填剤を水でスラリー化し、この充填剤スラリーをカラムに注入して自然沈降せしめることによって、又はポンプで圧送することによって充填層を形成し、この充填層を可動栓を使って圧縮した結果、通液圧やカラム性能に殆ど影響を与えることなく使用可能な圧縮率領域が存在することが確認された。その圧縮率領域は、充填剤の種類によっても異なるが、充填層の高さに対して０〜２０％程度の領域であった。以後、「圧縮率」を、充填層の高さに対する値（％）として定義する。

因に、圧縮率が２０％を超えると充填剤が圧縮によって変形し、通液圧が上昇するために運転ができなくなってしまう。

又、ポリマー系充填剤の膨潤及び収縮に対してもカラム内に空隙が形成されず、通液圧やカラム性能も殆ど変化しない状態で使用できるように圧縮率を１０％に設定してカラムを作製し、溶媒の種類を変化させて運転したところ、カラム性能及び通液圧共に殆ど変化せず、高性能を安定的に維持することができるクロマトカラムを得ることができた。

而して、最適な圧縮率はポリマー樹脂によって異なるため、樹脂特性をその都度計測して最適な範囲を決定する必要があるが、その範囲は略５〜２０％であろうと推測される。

従って、請求項１記載の発明によれば、通液溶媒の種類や組成に関わらず、ポリマー系充填剤の膨潤・収縮があっても、カラム容器内に空隙を生ずることなく、且つ、カラム容器の破損を招くこともなく、高い分離性能を安定的に維持することができるカラムを作製することができる。

又、流体圧駆動の可動栓をカラム容器内に挿入することによって圧縮を行う可動栓型カラムにおいては、所定の圧縮率（５〜２０％）が維持されるよう可動栓を固定する必要があるが、請求項２記載の発明によれば、流体圧駆動の可動栓への流体圧の供給を遮断することによって可動栓を固定するようにしたため、圧縮率が所定の値（５〜２０％）に維持される。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて自然沈降による充填と、ポンプ圧送による充填との場合について説明する。

先ず、充填剤スラリーをクロマトカラムに注入し、自然沈降による充填層を形成した後、圧縮する場合について述べる。

図１はクロマトカラム充填装置１の側断面図であり、本装置１は大きくはカラム本体２と油圧ユニット３で構成されている。

上記カラム本体２においては、複数の支柱４よって水平に支持された基台５上に油圧ジャッキ６が固設されており、その上方には円筒状のカラム容器７が複数の支柱８によって垂直に支持されている。即ち、カラム容器７は、その下端外周が上下一対のカラム押えフランジ９によって支柱８に脱着可能に取り付けられており、その上端部には蓋体であるトップフランジ１０がクランプ１１によって脱着可能に被着されている。尚、トップフランジ１０の中心部にはカラム出口配管１２が挿通されており、該カラム出口配管１２の一端はカラム容器７内に開口している。

又、カラム容器７内には下方から可動栓としてのピストン１３が摺動自在に嵌入されており、該ピストン１３の軸中心部にはカラム入口配管１４が挿通されており、該カラム入口配管１４の一端はカラム容器７内に開口している。

他方、前記油圧ジャッキ６から上方へ延びるロッド１５の上端には中間ロッド１６がクランプ１７によって接続されており、該中間ロッド１６の上端はクランプ１８によって前記ピストン１３に連結されている。

又、前記油圧ユニット３は、オイルタンク１９内に油圧ポンプ２０を内蔵しており、オイルタンク１９の上面には、前記ピストン１３の上昇／下降動作を切り替えるための上下切替バルブ２１と、同ピストン１３の上昇／下降速度を調整するための速度調整弁２２が設けられている。そして、前記油圧ポンプ２０から延びる２本の油圧配管２３，２４にはストップ弁２５，２６がそれぞれ設けられており、これらの油圧配管２３，２４は、前記油圧ジャッキ６の上下に開口する接続口２７，２８にそれぞれ接続されている。

次に、以上の構成を有するクロマトカラム充填装置１を用いて実施される本発明に係るクロマトカラムの作製方法について説明する。

ポリマー系充填剤をエタノールを溶媒としてスラリー化して得られる充填剤スラリーを、予め内径と高さが既知の不図示の円筒形タンクを投入してこれを半日程度放置し、自然沈降させ、自然沈降体積とスラリー液量を測定する。

次に、カラム本体２のクランプ１１を外してトップフランジ１０をカラム容器７から取り外し、カラム容器７の上端を開放するとともに、ピストン１３を最下端位置まで下げる。そして、この状態で、予め調製された充填剤スラリーを不図示のスラリーポンプによってカラム容器７に上部から投入し、カラム容器７内で充填剤スラリーを自然沈降させて自然沈降充填層を形成する。

その後、カラム容器７の上部にトップフランジ１０をクランプ１１よって取り付け、該トップフランジ１０に取り付けられたカラム出口配管１２から排液できるようにする。

次に、油圧ユニット３の油圧ポンプ２０を駆動し、上下切替バルブ２１を上昇側に倒すとピストン１３は上昇を開始する。即ち、このときストップ弁２５，２６は共に開状態にあり、油圧ポンプ２０からのオイルは油圧配管２４を経て油圧ジャッキ６に下側の接続口２８から供給されてロッド１５を押し上げるため、該ロッド１５に中間ロッド１６を介して連結されたピストン１３がカラム容器７内で上昇を開始する。尚、このピストン１３の上昇に伴い、油圧ジャッキ６からのオイルは上側の接続口２７から油圧配管２３を経て油圧ポンプ２０に戻される。

而して、上述のようにピストン１３がカラム容器７内で上昇すると、カラム容器７内に投入された充填剤スラリーはピストン１３によって圧縮され、カラム容器７内には充填層が形成されるが、このとき、余分なスラリー溶媒はカラム出口配管１２から流出する。

ところで、本発明者の実験によれば、ポリマー系充填剤を溶媒でスラリー化して得られる充填剤スラリーの場合、これをカラム容器内に投入して自然沈降させて形成される充填層を、その高さに対して０〜２０％の範囲で圧縮すれば（つまり、圧縮率が０〜２０％の範囲、好ましくは５〜２０％の範囲であれば）、通液圧やカラム性能に殆ど影響を与えることなく使用可能なクロマトカラムを作製することができることが確認された。

従って、ここでは、例えば圧縮率を１０％とする（つまり、自然沈降層をその高さの１０％圧縮する）場合を考えると、充填剤スラリーの自然沈降体積は前述のように実測されているため、この自然沈降体積をＶ₀とすると、圧縮後のカラム容器７内での充填層の体積Ｖは、
Ｖ＝Ｖ₀ ×０．９ … （１）
となる。

従って、１０％圧縮後の充填層の高さｈは、カラム容器７の断面積Ｓ（既知）を用いて次式にて算出することができる。

ｈ＝Ｖ／Ｓ … （２）
ここで、図１に示すカラム容器７の高さ（カラム押えフランジ９を含む）Ｈとピストン１３の高さｈ’は既知であるため、１０％圧縮後の充填層の高さが（２）式で求められるｈの値になるよう、図１に示す高さΔｈ（ピストン１３の下面とカラム押えフランジ９の下面との間の高さ）を実測し、その値Δｈが
Δｈ＝Ｈ−（ｈ＋ｈ’） … （３）
に達した時点でストップ弁２５，２６を閉じて油圧ジャッキ６へのオイルの供給を遮断し、ピストン１３の上昇を停止するとともに、該ピストン１３をその停止位置に固定する。

すると、その自然沈降高さに対して１０％圧縮された充填層が形成されたクロマトカラムが作製され、このクロマトカラムにカラム入口配管１４から試料（例えば、アセトン）をアップフローにて通液すれば、該試料から分離された物質を含む液がカラム出口配管１２から排出される。

而して、本発明方法によって作製されるクロマトカラムによれば、通液溶媒の種類や組成に関わらず、ポリマー系充填剤の膨潤・収縮があっても、カラム容器７内に空隙を生ずることなく、且つ、カラム容器７の破損を招くこともなく、高い分離性能を安定的に維持することができる。

又、油圧駆動のピストン１３をカラム容器７内に挿入することによって圧縮を行う本実施の形態に係るクロマトカラム充填装置１においては、所定の圧縮率（１０％）が維持されるようピストン１３を固定する必要があるが、本実施の形態では、ストップ弁２５，２６を閉じてオイルの油圧ジャッキ６への供給を遮断することによってピストン１３を固定するようにしたため、圧縮率を所定の値（１０％）に安定して維持することができる。

次に、ポンプ圧送による充填層を形成した後、圧縮する場合について説明する。

図２はクロマトカラム充填装置２−１の側断面図であり、同図において、２−２は円筒状のカラム容器であって、該カラム容器２−２は、その上端外周に取り付けられた上部フランジ２−３が基台２−４上に設置されることによって垂直に支持されている。そして、このカラム容器２−２の下端には下部フランジ２−５が被着されており、該下部フランジ２−５の中心部には、一端がカラム容器２−２内に開口する排液管２−６が挿通しており、該排液管２−６にはバルブ２−７が取り付けられている。

又、カラム容器２−２の上端胴部には、水平な充填パイプ２−８が移動可能に挿通しており、該充填パイプ２−８のカラム容器２−２内に臨む先端部にはバッフル２−９が取り付けられている。そして、この充填パイプ２−８は、スラリー配管２−１０を経てスラリーポンプ２−１１に接続されており、スラリー配管２−１０の途中にはバルブ２−１２が設けられている。又、スラリーポンプ２−１１の吸入側にはスラリー配管２−１３を介してスラリータンク２−１４が接続されている。

他方、カラム容器２−２の上方には、上部フランジ２−３に立設された複数の支持ロッド２−１５によってジャッキベース２−１６が水平に支持されており、このジャッキベース２−１６には油圧ジャッキ２−１７が垂直に取り付けられて支持されている。そして、この油圧ジャッキ２−１７の本体から下方へ延びるロッド２−１８の下端には、可動栓２−１９がクランプ２−２０によって取り付けられおり、可動栓２−１９には送液路２−２１が形成され、この送液路２−２１の可動栓２−１９の下面に開口する部分にはバルブ２−２２が設けられている。

又、上記油圧ジャッキ２−１７の本体の上下に開口する不図示の油圧出入口には、油圧ポンプを含む油圧ユニット２−２３から延びる油圧配管２−２４，２−２５がそれぞれ接続されており、各油圧配管２−２４，２−２５にはストップバルブ２−２６，２−２７がそれぞれ設けられている。

次に、以上の構成を有する充填装置２−１を用いて実施される本発明に係る充填方法を図３〜図８に基づいて説明する。尚、図３〜図８は本発明に係る充填方法をその工程順に示す説明的断面図である。

本発明に係る充填剤の充填方法では、以下に示す１）液張り工程、２）充填工程、３）液抜き工程、４）充填パイプ抜き取り工程及び５）加圧工程を経てカラム容器２に充填剤が充填され、充填剤が充填されたクロマトカラムに６）通液工程において試料を通液することによって試料が各成分に分離される。

以下、各工程について説明する。

１）液張り工程：
液張り工程では、図３に示すように、スラリータンク２−１４内に充填用溶媒を張るが、このとき、油圧ジャッキ２−１７及びスラリーポンプ２−１１は非作動状態にあり、可動栓２−１９はカラム容器２内の上限位置にある。

２）充填工程：
この充填工程では、図４に示すように、前記液張り工程において充填用溶媒が張られたスラリータンク２−１４内に規定量の充填剤を投入し、両者を撹拌機２−２８によって混合して充填剤をスラリー化し、所定濃度の充填剤スラリーを調製する。

次に、バルブ２−１２を開け、スラリーポンプ２−１１を駆動してスラリータンク２−１４内の充填剤スラリーをスラリー配管２−１３，２−１０を経て充填パイプ２−８へと送り、該充填パイプ２−８のカラム容器２−２内に開口する先端部から充填スラリーを吐出してこれをカラム容器２−２内に充填する。このとき、充填パイプ２−２の先端部から流出する充填剤スラリーは、バッフル２−９によって周囲に分散されるため、カラム容器２−２内には均一な充填層が形成され、充填剤スラリーに含まれる溶媒はカラム容器２−２下部の排液管２−６からバルブ２−７を通って外部へと排出される。ここで、充填剤スラリーの充填時のカラム容器２−１に対する通液線流速は、５ｍ／ｈ〜１００ｍ／ｈ、好ましくは５ｍ／ｈ〜５０ｍ／ｈに設定される。

３）液抜き工程：
液抜き工程においては、前記充填工程での充填剤スラリーの充填によってカラム容器２−２内に充填層が形成されると、図５に示すように、そのままの状態を放置し、充填層の上部に溜った溶媒をカラム容器２−２下部の排液管２−６からバルブ２−７を通って外部へと排出する。

４）充填パイプ抜き取り工程：
前記液抜き工程においてカラム容器２−２内の充填層の上部に溜った溶媒が抜き取られると、充填パイプ２−８のカラム容器２−２への固定を解除してこれを横方向にスライドさせてカラム容器２−２から抜き取る（図６参照）。このとき、バルブ７は閉じておく。そして、工程に先立って、充填層の高さを測定しておく。

尚、本実施の形態では、充填パイプ２−８をカラム容器２−２から抜き取るようにしたが、該充填パイプ２−８をカラム容器２−２から完全に抜き取ることなく、可動栓２−１９が下降したときにこれと干渉しない位置に充填パイプ２−８を退避させておくようにしても良い。

５）加圧工程：
前記工程において充填パイプ２−８が抜き取られると、可動栓２−１９のカラム容器２−２内での摺動を阻害するものが無くなるため、油圧ジャッキ２−１７を駆動して可動栓２−１９を図７に示すようにカラム容器２−２内で下動せしめ、充填層を５〜２０％圧縮加圧する。即ち、図２に示す油圧ユニット２−２３の油圧ポンプを駆動してオイルを一方の油圧配管２−２４から油圧ジャッキ２−１７の本体上部に供給してロッド２−１８を押し下げると、このロッド２−１８に連結された可動栓２−１９が下動してカラム容器２−２内の充填層を加圧する。加圧によって充填層が圧密され、充填層内の余分な溶媒は、送液管２−２９の途中に設けられた三方弁２−３０から排出される。尚、ロッド２−１８の押し下げによって油圧ジャッキ２−１７の本体下部から排出されるオイルは、油圧配管２−２５を通って油圧ユニット２−２３へと戻される。

そして、カラム容器２−２内の充填層が可動栓２−１９によって所定量だけ加圧圧縮された時点で、図２に示すストップバルブ２−２６，２−２７を閉じると、油圧ジャッキ２−１７へのオイルの供給が遮断されるため、可動栓２−１９の移動が停止されてその位置に固定され、均一に圧密化された充填層が形成されたクロマトカラムが作製される。

次に、実施例に沿って本発明を更に詳細に説明するが、実施例は本発明を何ら制限する趣旨のものではない。

本実施例では、ポリマー系のイオン交換樹脂を充填剤としてクロマトカラムを作製し、アセトンを標準試料として理論段数の測定を行った。試験条件及び試験結果は以下の通りである。

１．試験条件：
１−１）標準理論段数測定試験条件
１）カラム ：アキシャルコンプレッション型カラム
２）充填剤 ：Toyopearl ＳｕｐｅｒＱ−６５０Ｃ
３）移動相 ：水（純粋）
４）流速 ：ＬＶ＝２，４，６ｍ／ｈ
５）温度 ：室温
６）検出 ：ＵＶ２５４ｎｍ、０．２ｍｍセル、レンジ０．１０
７）試料 ：アセトン１００％
８）繰り返し回数：３回
９）理論段数 ：半値幅法により１ｍ当たりの理論段数を下記計算式にて算出
理論段数＝｛５．５４（Ｔｒ／Ｗ_1/2 ）² ｝／Ｌ
ここに、Ｔｒ：保持時間＝クロマトグラムの試料負荷からピークトップまでの長さ
Ｗ_1/2 ：半値幅
Ｌ：カラムの長さ
１−２）実施手順：１）所定量の充填剤の自然沈降体積を測定
２）スラリー量を自然沈降体積の１．４〜１．６倍にする
３）自然沈降体積をカラム断面積で除してカラム充填長さＬ₀ を算出
４）スラリーをカラムに充填
５）ピストンで充填層をＬ₀ に対して１０〜２０％に圧縮した後ピストンを固定
６）カラム作製終了
７）充填用溶媒を移動相溶媒（純粋）に置換
８）理論段数測定実施
２．試験結果：
上記試験条件にて試験して得られた結果を表１に示す。

本発明は、主に医薬品、ファインケミカル化学品、天然物等の分離精製に使用される液体クロマトカラムの作製に対して有用である。

クロマトカラム充填装置の側断面図である。 クロマトカラム充填装置の側断面図である。 クロマトカラム充填方法（液張り工程）を示す説明的断面図である。 クロマトカラム充填方法（充填工程）を示す説明的断面図である。 クロマトカラム充填方法（液抜き工程）を示す説明的断面図である。 クロマトカラム充填方法（充填パイプ抜き取り）を示す説明的断面図である。 クロマトカラム充填方法（加圧工程）を示す説明的断面図である。

符号の説明

１ クロマトカラム充填装置
２ カラム本体
３ 油圧ユニット
６ 油圧ジャッキ
７ カラム容器
１０ トップフランジ
１２ カラム出口配管
１３ ピストン（可動栓）
１４ カラム出口配管
２０ 油圧ポンプ
２３，２４ 油圧配管
２５，２６ ストップ弁
２−１ クロマトカラム充填装置
２−２ カラム容器
２−３ 上部フランジ
２−５ 下部フランジ
２−６ 排液管
２−８ 充填パイプ
２−９ バッフル
２−１０ スラリー配管
２−１１ スラリーポンプ
２−１３ スラリー配管
２−１４ スラリータンク
２−１７ 油圧ジャッキ
２−１９ 可動栓
２−２１ 送液路
２−２３ 油圧ユニット
２−２８ 撹拌機
２−２９ 送液管
２−３０ 三方弁

Claims (2)

1. ポリマー系クロマト充填剤のスラリーをカラム容器に注入して該充填剤の充填層を形成した後、該自然沈降充填層をその高さに対して５〜２０％圧縮してクロマトカラムを作製することを特徴とするクロマトカラムの作製方法。
2. 前記充填層の圧縮を、流体圧駆動の可動栓をカラム容器内に挿入することによって行うとともに、圧縮後は流体圧の供給を遮断して前記可動栓を固定することを特徴とする請求項１記載のクロマトカラムの作製方法。

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