JP2006521912A - 使用済み水性二相系からのポリエチレングリコール（ｐｅｇ）の分離および回収方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、使用済み水性二相系（ＡＴＰＳ）からのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の分離および回収方法に関する。本発明は、より詳細には、マイクロ波エネルギーを適用することによる使用済み（ＳＰＥＮＴ）水性二相系からのＰＥＧの回収に関する。

Description

本発明は、使用済み水性二相系（ＡＴＰＳ）からのポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の分離および回収方法に関する。より詳細には、本発明はマイクロ波エネルギーを適用することによる使用済み（ＳＰＥＮＴ）水性二相系からのＰＥＧの回収に関する。

水性二相系（ＡＴＰＳ）を用いる抽出は、生物学的製品、例えばタンパク質／酵素、ウイルス、細胞および発酵培養液や細胞培養培地からの他の生態材料の分離、濃縮、および精製に広く適用することが見出されている。ＡＴＰＳの利用は水量負荷を低減し、細胞残屑、多糖、核酸などを除去し、かつその後に続く処理工程の数を減少させる。工業的規模でのＡＴＰＳの広範囲な適用に対する主な障害は、相形成ポリマーのコストが高いことと、生体分子抽出後の相形成ポリマーの廃棄により生じる環境問題である。よって、生体分子抽出後のＡＴＰＳからのポリマーの分離と回収が必要である。現在のところ、ポリマー相の再利用は、この処理の経済性を改善するため、生体分子の抽出後に行われている。しかしながら、この方法では、予めポリマー相に存在する汚染物質が、生体分子から分離する代わりに相系内に入り込む可能性がある。これは大規模操作での生体分子の望ましい純度レベルを低下させる。蒸発、真空乾燥単独のような一般的な方法は、高エネルギーを要求し、望ましい真空を作り出して維持するのに特別な装置を必要とすることから、ＡＴＰＳからのポリマーの回収には経済的に利用不可能である。また、これらの方法は、ポリマーと共に存在する多量の水のため、ＰＥＧを完全に回収するのにかなりの長時間がかかる。よって、生体分子の抽出後の使用済み二相系からＰＥＧを完全に回収するための経済的に発展可能な方法が必要とされている。さらに、最小限のエネルギーの使用でより速い速度で使用済みＡＴＰＳからＰＥＧを分離し完全に回収するため、外部場、例えば一般的な熱風乾燥と組み合わせたマイクロ波電界の適用が必要である。

乾燥形態でＰＥＧを回収する方法として、冷却して再結晶させるか、エーテルで沈殿させることにより達成する方法（HarriesおよびYalpani, 1985, Polymer-ligands used in affinity partitioning and there synthesis. “Partitioning of aqueous two-phase system” Eds. Walterら, pp 589-626, Academic Press, New York）が参照される。回収したポリマーは生体分子の抽出に再利用することから、この方法では化学物質、例えばエーテルを使用することは好ましくなく、むしろ有害である。さらに、エーテルを除去するため付加処理工程が必須である。また、乾燥ＰＥＧを得る他の方法は、１１０〜１２０℃の温度で真空に維持することによる。この方法では、ＰＥＧの回収に長時間かかり、かつ真空の使用は大規模操作では経済的に発展的ではない。

酵母バルクタンパク質、ピルビン酸キナーゼおよびフメラーゼ（fumerase）の回収のための２段階水性二相系におけるポリマーに富んだ相の再利用（PalomaresおよびLyddiatt, 1996, J. Chrom. B, 680, 81-89）が参照される。しかしながら、この方法では、ポリマーは生体分子と共に部分的に再利用され、また、ポリマーを再利用する場合、再利用されるポリマー相の汚染物質の存在により、タンパク質の到達した純度レベルが低い。

エチレンオキサイドとプロピレンオキサイドのコポリマーが、相系を形成するのに用いられること（Johansson, 1994, Methods in Enzymology, Vol. 228, pp 571）が参照される。これらのポリマーは温度上昇により回収される。しかしながら、この方法では、ポリマーは両方のポリマーの混合物として回収された。ここで参照したこれらすべての方法は、沈殿、再結晶または真空引きによりポリマーを回収するまたはポリマーを戻して再利用するあるいは２種類のポリマーの混合物の形態で回収する方法に言及していることに気づくであろう。これらの方法は、ＡＴＰＳの形成による生体分子のその後に続く分離、抽出および精製に用いられる。この方法は熱硬化性ポリマーのみの回収により適していて、ＰＥＧの分離と回収には適していない。

外部場、例えばマイクロ波電界の適用を用いるＡＴＰＳからの乾燥ＰＥＧの回収についての可能な文献は報告されていない。
HarriesおよびYalpani, 1985, Polymer-ligands used in affinity partitioning and there synthesis. "Partitioning of aqueous two-phase system" Eds. Walterら, pp 589-626, Academic Press, New York PalomaresおよびLyddiatt, 1996, J. Chrom. B, 680, 81-89 Johansson, 1994, Methods in Enzymology, Vol. 228, pp 571

本発明の主たる目的は、使用済みＡＴＰＳからのＰＥＧの分離および回収方法を提供する。

本発明の他の目的は、ＡＴＰＳからのＰＥＧの回収のため、熱風乾燥と組み合わせたマイクロ波電界の適用の利用である。

本発明の他の目的は、ＡＴＰＳからＰＥＧを完全に分離し回収するための高速で経済的な方法を提供する。

本発明の他の目的は、工業的に重要な生体分子の容易な分離の促進である。

したがって、本発明は（図１に示したように）、
ａ）使用済みＡＴＰＳからのＰＥＧに富んだ上相の分離、
ｂ）分離したＰＥＧに富んだ相に、マイクロ波オーブン（４）中で９００〜２４５０MHｚの周波数および１７５〜８００ワットの出力からなるマイクロ波電界を印加する、
ｃ）ＰＥＧに富んだ相にマイクロ波電界を１．５〜３分の範囲の時間または分散体が水を除外して二相を形成して下相とＰＥＧに富んだ上相を呈するまで照射する、
ｄ）ＰＥＧに富んだ上相を分離した後、熱風オーブン中で４５〜６０分の時間、１００〜１０５℃の温度で乾燥させて、乾燥粉末ＰＥＧを９４〜９５％の回収率で得ること
を含む、使用済み水性二相系からのＰＥＧの分離および回収方法を提供する。

本発明の他の実施形態では、上記方法による分離と回収に、１５００〜２０，０００の範囲の分子量のＰＥＧを用いることができる。

実験用セットアップの概略図を表す添付した図の図１を参照して、本発明を説明する。図１では、ＰＥＧに富んだ相（１）に対して特定の周波数と出力をマグネトロン（５）からマイクロ波電界で伝搬するマイクロ波オーブン（４）の内部のスタンド（３）に設置した分離じょうご（２）に、塩または他のポリマーに富んだ相から分離したＰＥＧに富んだ相（１）を取る。マイクロ波電界の照射後、ＰＥＧに富んだ上相は二相を形成し、そして上部のＰＥＧに富んだ相のみをペトリ皿に分離採取し、１０５℃の温度の熱風オーブン（６）中で乾燥して、乾燥ＰＥＧを得る。

本発明の方法は、（図１に示したように）、
ａ）使用済みＡＴＰＳからＰＥＧに富んだ上相を分離する工程；
ｂ）分離したＰＥＧに富んだ相にマイクロ波オーブン（４）中で９００〜２４５０MHｚの周波数および１７５〜８００ワットの出力からなるマイクロ波電界を印加する工程；
ｃ）ＰＥＧに富んだ相にマイクロ波電界を１．５〜３分の範囲の時間または分散体が水を除外して二相を形成して下相とＰＥＧに富んだ上相を呈するまで照射する工程；
ｄ）ＰＥＧに富んだ上相を分離した後、熱風オーブン中で４５〜６０分の時間、１００〜１０５℃の温度で乾燥させて、乾燥粉末ＰＥＧを９４〜９５％の回収率で得る工程
を含む、使用済み水性二相系からのＰＥＧの分離および回収方法を含む。

上記方法による分離と回収に、１５００〜２０，０００の範囲の分子量のＰＥＧを用いることができる。

本発明では、分離した上部ＰＥＧに富んだ相を、マイクロ波オーブンの内部のスタンドに設置した分離じょうごに取る。マイクロ波電界を、ＰＥＧに富んだ相に激しい変動が観察されるまで、マグネトロンから印加する。マイクロ波電界を停止し、ＰＥＧに富んだ上相を室温に冷却する。冷却の際にＰＥＧに富んだ相は、二つの別個の相に分離し、次いでそれらを分離し、まず計量する。分離した上相と下相を次いで１０５℃の熱風オーブン中で乾燥して、残留水分を除去する。乾燥した上相と底部の重量を計り、乾燥前の初期重量と比較して、ＰＥＧの回収率を計算する。さらに、物理的性質、例えば密度、粘度、回収したＰＥＧの水分含有量を表１に評価した。また、新しいＰＥＧと回収したＰＥＧから製造した相系から、実施した分配試験では、分配係数は影響を受けないままであった。

一般的な方法では、ＰＥＧと共に存在する水を、１００〜１２０℃の温度で真空乾燥するあるいは化学物質、例えばエーテルで沈殿させて除去する。さらに、真空乾燥は時間がかかり、また大規模に行うのは難しく、要求される真空を作り出して維持するのに高価な装置を必要とする。換言すれば、ＰＥＧの回収それ自身は、ＰＥＧと共に存在する水が多量であるために、かなり遅い。

本発明の新規性は、マイクロ波電界の適用の結果、ＰＥＧと共に存在する遊離の水分子の双極子の回転を生じ、関連して温度が上昇することである。この上昇はＰＥＧをさらに疎水性にし、ＰＥＧに富んだ相から水を追い出す。これはＰＥＧに富んだ相から除去された少量の塩と共に分離した下相を形成する。ＰＥＧに富んだ相から水を除去することで、熱風乾燥によるＰＥＧの回収を、より少ないエネルギー消費で比較的短い時間でより高速化できる。

以下の実施例は本発明を例証するものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

［実施例１］
１６．０７％ＰＥＧと８４％の水からなるＡＴＰＳ（１）から分離したＰＥＧに富んだ上相３０ｇを、マイクロ波オーブンの内部のスタンド（３）に設置した分離じょうご（２）に取った。分離したＰＥＧに富んだ上相にマグネトロン（５）から発生したマイクロ波電界を照射した。これはマグネトロンを実験中１１０℃の温度で２４５０ＭＨｚの周波数を維持したマイクロモードにセットして行った。分散体が二相を形成するまで実験を続けた（１．５分間）。上相と下相を分離して別個に１０５℃の温度に維持した熱風オーブンで乾燥した。その結果、得られた製品は９４％のＰＥＧ回収率と計算された。

［実施例２］
１６．０７％ＰＥＧと８４％の水からなるＡＴＰＳ（１）から分離したＰＥＧに富んだ上相３０ｇを、マイクロ波オーブンの内部のスタンド（３）に設置した分離じょうご（２）に取った。分離したＰＥＧに富んだ上相にマグネトロン（５）から発生したマイクロ波電界を照射した。これはマグネトロンを実験中１２０℃の温度で２４５０ＭＨｚの周波数を維持したコンビモードにセットして行った。分散体が二相を形成するまで実験を続けた。上相と下相を分離して別個に１０５℃の温度に維持した熱風オーブンで乾燥した。その結果、得られた製品は９５％のＰＥＧ回収率と計算された。

本発明の主な利点は、以下のとおりである。
１．ＡＴＰＳからのＰＥＧの簡便で効率的な回収に重大な寄与を及ぼす。
２．ＰＥＧの廃棄を含む環境破壊を克服できる。
３．ポリマー回収の一般的な方法よりも高効率、高速でＰＥＧの回収をできる。
４．沈殿剤の使用を除外することで、ＰＥＧの工業的な回収方法の最大の妨げを克服できる。

本発明により、これらの利点は沈殿剤を使用しないのと同時に水を除去することにより達成することができ、ＰＥＧ回収の費用を徹底的に削減し、かつ化学物質（例えば塩と沈殿剤）の存在しないＰＥＧが得られる。

本発明の実験セットの概略図である。

符号の説明

１ ＰＥＧに富んだ相
２ 分離じょうご
３ スタンド
４ マイクロ波オーブン

Claims (5)

1. ａ）使用済み水性二相系（ＡＴＰＳ）からポリエチレングリコール（ＰＥＧ）に富んだ上相を分離する工程；
   ｂ）分離したＰＥＧに富んだ相にマイクロ波電界を印加する工程；
   ｃ）前記ＰＥＧに富んだ相にマイクロ波電界を１．５〜３分の範囲の時間または分散体が水を除外して二相を形成して下相とＰＥＧに富んだ上相を呈するまで照射する工程；
   ｄ）前記ＰＥＧに富んだ上相を分離し乾燥して、乾燥粉末ＰＥＧを９４〜９５％の回収率で得る工程
   を含む、使用済み水性二相系からのポリエチレングリコールの分離および回収方法。
2. 前記工程（ｂ）で、マイクロ波電界が９００〜２４５０MHｚの範囲の周波数および１７５〜８００ワットの出力である請求項１記載の方法。
3. 前記工程（ｂ）が、マイクロ波オーブンにおいて実施される請求項１記載の方法。
4. 前記工程（ｃ）の乾燥が、４５〜６０分の範囲の時間、１００〜１０５℃の範囲の温度で熱風オーブンで実施される請求項１記載の方法。
5. 前記ポリエチレングリコールの分子量が１５００〜２０，０００の範囲である請求項１記載の方法。

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