JP2009057228A - フッ素アパタイトの製造方法、フッ素アパタイトおよび吸着装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】原料に起因する不純物を少なく、もしくは極めて少なくすることにより、耐酸性の改善が図られ、かつ、比表面積を大きくすることにより、より多くのタンパク質を分離し得るフッ素アパタイトを製造し得るフッ素アパタイトの製造方法、耐酸性が高く、かつ比表面積の大きいフッ素アパタイトおよびかかるフッ素アパタイトを備える吸着装置を提供する。
【解決手段】カルシウムを含むカルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸を用いてフッ素アパタイトを製造するフッ素アパタイトの製造方法であり、カルシウム系化合物を含有する第１の液体、フッ化水素を含有する第２の液体およびリン酸を含有する第３の液体をそれぞれ調製する工程と、第１の液体、第２の液体および第３の液体を混合して第１の混合液を得、この第１の混合液中において、カルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸を反応させることによりフッ素アパタイトを得る工程とを有する。
【選択図】なし
【解決手段】カルシウムを含むカルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸を用いてフッ素アパタイトを製造するフッ素アパタイトの製造方法であり、カルシウム系化合物を含有する第１の液体、フッ化水素を含有する第２の液体およびリン酸を含有する第３の液体をそれぞれ調製する工程と、第１の液体、第２の液体および第３の液体を混合して第１の混合液を得、この第１の混合液中において、カルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸を反応させることによりフッ素アパタイトを得る工程とを有する。
【選択図】なし
Description
本発明は、フッ素アパタイトの製造方法、フッ素アパタイトおよび吸着装置に関するものである。
フッ素アパタイトは、ハイドロキシアパタイトとほぼ同一の結晶構造を有しており、このため、ハイドロキシアパタイトとほぼ等しいタンパク質の吸着特性（吸着能）を備えている。
また、フッ素アパタイトは、ハイドロキシアパタイトと比較するとフッ素アパタイトの方がより安定な物質であるため、耐酸性が高いという性質を有する。このため、フッ素アパタイトは、酸性溶液に対する耐久性が高く、酸性溶液中でのタンパク質の分離が可能であるという利点を有する。
このようなフッ素アパタイトは、一般に、ハイドロキシアパタイトを含むスラリー中に、フッ素源としてフッ化水素アンモニウムを添加（混合）することにより合成される（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、かかる方法で合成されたフッ素アパタイトには、アンモニアが不純物として吸着する。アパタイト類は、アンモニアに対する吸着能が高いため、合成されたフッ素アパタイトを含むスラリーを噴霧乾燥（造粒）して粒子を得た場合、得られた粒子中にアンモニアが残留してしまう。すなわち、粒子からアンモニアを除去するのが極めて困難である。
このため、製造される粒子は、ロット毎に、そのアンモニアの残留量が異なり、粒子の特性の均一化を図ることが困難である。
また、フッ素アパタイト中へアンモニアが残留するため、アンモニアがフッ素と水酸基の置換を阻害し置換率が、ある程度までしか上がらず、さらなる耐酸性の向上が期待できないという問題もある。
さらに、フッ素アパタイトは、より多くのタンパク質を分離し得るように、タンパク質の吸着量が大きいものであるのが好ましく、かかる観点から、その比表面積がより大きいものが好適に用いられる。
これらのことから、アンモニア等の不純物が少なく耐酸性に優れ、かつ、比表面積が大きいフッ素アパタイトがタンパク質の分離（特に、酸性溶液中での分離）に好適に用いることができるが、未だ、このようなフッ素アパタイトを製造し得る製造方法を開発するには至っていない。
本発明の目的は、原料に起因するアンモニア等の不純物を少なく、もしくは極めて少なくすることにより、耐酸性の改善が図られ、かつ、比表面積を大きくすることにより、より多くのタンパク質を分離し得るフッ素アパタイトを製造し得るフッ素アパタイトの製造方法、耐酸性が高く、かつ比表面積の大きいフッ素アパタイトおよびかかるフッ素アパタイトを備える吸着装置を提供することにある。
このような目的は、下記（１）〜（１４）の本発明により達成される。
（１） カルシウムを含むカルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸を用いてフッ素アパタイトを製造するフッ素アパタイトの製造方法であって、
前記カルシウム系化合物を含有する第１の液体、前記フッ化水素を含有する第２の液体および前記リン酸を含有する第３の液体を、それぞれ、調製する第１の工程と、
前記第１の液体、前記第２の液体および前記第３の液体を混合して第１の混合液を得、該第１の混合液中において、前記カルシウム系化合物、前記フッ化水素および前記リン酸を反応させることにより、フッ素アパタイトを得る第２の工程とを有することを特徴とするフッ素アパタイトの製造方法。
（１） カルシウムを含むカルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸を用いてフッ素アパタイトを製造するフッ素アパタイトの製造方法であって、
前記カルシウム系化合物を含有する第１の液体、前記フッ化水素を含有する第２の液体および前記リン酸を含有する第３の液体を、それぞれ、調製する第１の工程と、
前記第１の液体、前記第２の液体および前記第３の液体を混合して第１の混合液を得、該第１の混合液中において、前記カルシウム系化合物、前記フッ化水素および前記リン酸を反応させることにより、フッ素アパタイトを得る第２の工程とを有することを特徴とするフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、フッ素源としてフッ化水素を用いるので、不純物の残留がないか、または極めて少ないフッ素アパタイトを得ることができる。かかる点から、結晶性が高く、これに起因して耐酸性に優れたフッ素アパタイトを得ることができる。さらに、得られるフッ素アパタイトの比表面積が大きいことから、より多くのタンパク質を分離し得るフッ素アパタイトを製造することができる。
（２） 前記カルシウム系化合物は、水酸化カルシウムである上記（１）に記載のフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、前記第２の工程で、合成されるフッ素アパタイトにおいてカルシウム源からの不純物の混入を確実に阻止することが出来る。
（３） 前記第２の工程に先立って、前記第２の液体と前記第３の液体とを混合して第２の混合液を得た後、前記第２の工程において、前記第１の液体に前記第２の混合液を混合することにより前記第１の混合液を得る上記（１）ないし（２）のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、第２の液体と第３の液体とを第１の液体に対してより均一に混合することができ、合成されるフッ素アパタイトのフッ素原子の導入率のさらなる均一化を図ることができる。また、第１の混合液中で、フッ化カルシウム等の副生成物が生成するのを的確に防止または抑制することができる。
（４） 前記第１の液体と前記第２の混合液との混合は、前記第１の液体中に前記第２の混合液を滴下することにより行われる上記（３）に記載のフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、比較的簡便に、カルシウム源とフッ化水素とリン酸とを反応させることができる。また、第１の混合液のｐＨをより容易かつ確実に前記範囲に調製することができる。このため、合成されたフッ素アパタイトの分解や、溶解等を防止することができ、高収率で高純度、さらには比表面積の大きいフッ素アパタイト一次粒子を得ることができる。
（５） 前記第２の混合液を滴下する速度は、１〜１００Ｌ／時間である上記（４）に記載のフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、カルシウム源とフッ化水素とリン酸とを、より穏やかな条件で反応させることができる。
（６） 前記第２の混合液中の前記フッ化水素の含有量は、０．５〜６０ｗｔ％である上記（３）ないし（５）のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
フッ化水素の含有量がかかる範囲内であれば、前記第２の工程において、合成されるフッ素アパタイトにおけるフッ素原子の導入率を向上させることができる。また、フッ素アパタイトが合成される際のｐＨの大きさを適切な範囲内に設定することができる。また、第２の混合液のｐＨが極端に低くならず、安全に取り扱うこともできる。
（７） 前記第２の混合液中の前記リン酸の含有量は、１〜９０ｗｔ％である上記（３）ないし（６）のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
リン酸の含有量がかかる範囲内であれば、前記第２の工程において、フッ素アパタイトを効率良く合成することができる。また、第２の混合液のｐＨが極端に低くならず、安全に取り扱うこともできる。
（８） 前記第２の混合液中の前記フッ化水素および前記リン酸の含有量は、モル量で、前記リン酸が前記フッ化水素に対して２．０〜４．５倍である上記（３）ないし（７）のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、フッ素の導入率の高いフッ素アパタイトを効率良く合成することができる。
（９） 前記第１の液体中のカルシウム系化合物の含有量は、１〜２０ｗｔ％である上記（１）ないし（８）のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、前記第２の工程において、より効率よくフッ素アパタイトを合成することができる。また、前記第２の工程において、第１の液体を攪拌してフッ素アパタイトを合成する場合、比較的小さいエネルギーで、第１の液体を十分に撹拌することができ、さらに十分に第１の液体を攪拌できることから、フッ素アパタイト中でのフッ素原子の導入率の均一化を図ることができる。
（１０） 前記第２の工程において、前記カルシウム系化合物と、前記フッ化水素と、前記リン酸とを、５〜５０℃の範囲の温度で反応させる上記（１）ないし（９）のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
これにより、第１の混合液のｐＨを比較的低く調整した場合でも、合成されたフッ素アパタイトの分解や溶解等を防止することができる。また、カルシウム源とフッ化水素とリン酸との反応率を向上させることができる。
（１１） 上記（１）ないし（１０）のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法を用いて製造されたことを特徴とするフッ素アパタイト。
これにより、耐酸性の改善が図られ、かつ比表面積が大きいフッ素アパタイトを得ることができる。
（１２） ハイドロキシアパタイトが有する水酸基の少なくとも一部が、フッ素原子で置換されてなるフッ素アパタイトであって、
当該フッ素アパタイトを用いて造粒した乾燥粒子または焼結粒子の比表面積が３０ｍ２／ｇ以上であることを特徴とするフッ素アパタイト。
当該フッ素アパタイトを用いて造粒した乾燥粒子または焼結粒子の比表面積が３０ｍ２／ｇ以上であることを特徴とするフッ素アパタイト。
このような比表面積を有する乾燥粒子または焼結粒子は、より多くのタンパク質を分離するのに十分な大きさの比表面積を有するものとなる。
（１３） 前記乾燥粒子のうち、その平均粒径４０μｍ±５μｍの大きさのものを分級し、乾燥粒子、または４００℃以下で焼成して得られた焼結粒子を、カラムが備える４ｍｍ×１００ｍｍの充填空間に充填して、ｐＨ５の１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（常温）を通液速度１．０ｍＬ／ｍｉｎで、前記カラムに前記緩衝液を２０ｍＬ通液して、前記カラムを平衡化させた後、さらに前記緩衝液を１０ｍＬ通液した際に流出する流出液１０ｍＬを回収したとき、該流出液中に含まれるＣａ濃度が充填材１ｇ当たり８ｐｐｍ以下である上記（１２）に記載のフッ素アパタイト。
かかるフッ素アパタイトは、耐酸性に優れる。
かかるフッ素アパタイトは、耐酸性に優れる。
（１４） 上記（１１）ないし（１３）に記載のフッ素アパタイトを造粒した乾燥粒子、または、当該乾燥粒子を焼成して得られた焼結粒子を吸着剤として備える吸着装置。
これにより、吸着装置は、耐酸性が高く、かつ、比表面積が大きい吸着剤を備えるものとなる。
本発明によれば、フッ素源としてフッ化水素を用いるので、不純物の残留がないか、または極めて少ないフッ素アパタイトを得ることができる。かかる点から、結晶性の高いフッ素アパタイトを得ることができ、その結果として、合成されたフッ素アパタイトは、耐酸性の高いものとなる。
さらに、本発明によれば、カルシウム系化合物と、フッ化水素と、リン酸とを反応させて、比表面積の大きいフッ素アパタイトを得ることができるので、かかるフッ素アパタイトは、より多くのタンパク質を分離し得るものとなる。
本発明者は、上記問題点に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、フッ素を含むフッ素源としてフッ化水素を用いることにより、形成されるフッ素アパタイトに不純物の残留がないか、または極めて少ないフッ素アパタイトが得られるとの考えに至った。
そして、本発明者は、更なる検討を重ねた結果、カルシウム系化合物を含有する第１の液体と、フッ化水素を含有する第２の液体と、リン酸を含有する第３の液体とを混合して第１の混合物を得、この第１の混合物中において、カルシウム系化合物と、フッ化水素と、リン酸とを反応させることにより、フッ素アパタイトを合成することができ、さらに、かかる方法で合成されたフッ素アパタイトは、その比表面積が大きくなっていることを見出し、本発明を完成するに至った。
以下、本発明のフッ素アパタイトの製造方法、フッ素アパタイトおよび吸着装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
まず、本発明のフッ素アパタイトの製造方法について説明する。
本発明のフッ素アパタイトの製造方法は、本発明で用いる各液体を調製する液体調製工程Ｓ１と、調製した各液体を混合することによりフッ素アパタイトを得るフッ素アパタイト合成工程Ｓ２とを有している。以下、これらの工程について、順次説明する。
本発明のフッ素アパタイトの製造方法は、本発明で用いる各液体を調製する液体調製工程Ｓ１と、調製した各液体を混合することによりフッ素アパタイトを得るフッ素アパタイト合成工程Ｓ２とを有している。以下、これらの工程について、順次説明する。
［Ｓ１］ 液体調製工程（第１の工程）
［Ｓ１−１］ 第１の液体（カルシウム源含有液）調製工程
まず、カルシウムを含むカルシウム源（カルシウム系化合物）を含有する第１の液体を調製する。
［Ｓ１−１］ 第１の液体（カルシウム源含有液）調製工程
まず、カルシウムを含むカルシウム源（カルシウム系化合物）を含有する第１の液体を調製する。
カルシウム源（カルシウム系化合物）としては、特に限定されないが、例えば、水酸化カルシウム、酸化カルシウムおよび硝酸カルシウム等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができるが、中でも、特に、水酸化カルシウムであるのが好ましい。これにより、後述する工程［Ｓ２］で合成されるフッ素アパタイトにおいて不純物の混入が少ないフッ素アパタイトを確実に得ることが出来る。
また、第１の液体としては、前記カルシウム源を含有する溶液および懸濁液等を用いることができるが、カルシウム源が水酸化カルシウムである場合、水酸化カルシウムを水中に懸濁させた水酸化カルシウム懸濁液を用いるのが好ましい。このような懸濁液を用いて、後述する［工程］Ｓ２でフッ素アパタイトを合成すると、微細なフッ素アパタイト一次粒子が形成されるとともに、この一次粒子の凝集体が均一に分散されたフッ素アパタイトを得ることができる。
また、第１の液体中のカルシウム源（カルシウム系化合物）の含有量は、１〜２０ｗｔ％程度であるのが好ましく、５〜１２ｗｔ％程度であるのがより好ましい。これにより、後述する工程［Ｓ２］において、より効率よくフッ素アパタイトを合成することができる。また、後述する工程［Ｓ２］において、比較的小さいエネルギーで、第１の液体（溶液または懸濁液）を十分に撹拌することができ、さらに十分に第１の液体を攪拌できることから、形成されるフッ素アパタイト一次粒子間でのフッ素原子の導入率の均一化を図ることができる。
［Ｓ１−２］ 第２の液体（フッ化水素含有液）調製工程
次に、フッ化水素を含有する第２の液体（フッ化水素含有液）を調製する。
次に、フッ化水素を含有する第２の液体（フッ化水素含有液）を調製する。
フッ化水素を溶解する溶媒は、後述する工程［Ｓ２］における反応を阻害しないものであれば、いかなるものも使用が可能である。
かかる溶媒としては、例えば、水や、メタノール、エタノール等のアルコール類等が挙げられ、これらを混合して用いることもできるが、中でも、特に、水であるのが好ましい。溶媒として水を用いれば、後述する工程［Ｓ２］における反応の阻害をより確実に防止することができる。
［Ｓ１−３］ 第３の液体（リン酸含有液）調製工程
次に、リン酸を含有する第３の液体（リン酸含有液）を調製する。
次に、リン酸を含有する第３の液体（リン酸含有液）を調製する。
リン酸を溶解する溶媒は、後述する工程［Ｓ２］における反応を阻害しないものであれば、いかなるものも使用が可能であり、前記工程［Ｓ１−２］で挙げたフッ化水素を溶解する溶媒と同様のものを用いることができる。
なお、フッ化水素を溶解する溶媒と、リン酸を溶解する溶媒とは、同種または同一のものを用いるのが好ましい。これにより、後述する工程［Ｓ２］において得られる第１の混合液中で、第２の液体と第３の液体とを第１の液体に対して均一に混合することができ、合成されるフッ素アパタイトのフッ素原子の導入率を均一なものとすることができる。
以上のようにして調製した各液体は、後述する工程［Ｓ２］で、カルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸が、これらの液体が混合した第１の混合液中において同時に存在し得る条件であれば、いかなる順序で混合して第１の混合液を得るようにしてもよいが、まず、第２の液体と第３の液体とを混合した第２の混合液を得た後、この第２の混合液を第１の液体に添加して第１の混合液を得るようにするのが好ましい。かかる構成とすることにより、第２の液体と第３の液体とを第１の液体に対してより均一に混合することができ、合成されるフッ素アパタイトのフッ素原子の導入率のさらなる均一化を図ることができる。また、第１の混合液中で、フッ化カルシウム等の副生成物が生成するのを的確に防止または抑制することができる。
なお、上記以外で、第１の混合液を得る方法としては、例えば、第１の液体に対して、第２の液体および第３の液体をほぼ同時に添加する方法、第２の液体に対して、第１の液体および第３の液体をほぼ同時に添加する方法、第３の液体に対して、第１の液体および第２の液体をほぼ同時に添加する方法等が挙げられる。
したがって、以下では、前記第２の混合液を調製した後に、第１の液体に第２の混合液を混合して第１の混合液を得てフッ素アパタイトを合成する場合を代表に説明する。
［Ｓ１−４］ 第２の混合液調製工程
次に、前記工程［Ｓ１−２］および［Ｓ１−３］でそれぞれ調製した、第２の液体および第３の液体を混合して第２の混合液を得る。
次に、前記工程［Ｓ１−２］および［Ｓ１−３］でそれぞれ調製した、第２の液体および第３の液体を混合して第２の混合液を得る。
この第２の混合液中でのフッ化水素の含有量は、０．５〜６０ｗｔ％程度であるのが好ましく、１．０〜１０ｗｔ％程度であるのがより好ましい。フッ化水素の含有量がかかる範囲内であれば、後述する工程［Ｓ２］において、合成されるフッ素アパタイトにおけるフッ素原子の導入率を向上させることができる。また、フッ素アパタイトが合成される際のｐＨの大きさを適切な範囲内に設定することができる。また、第２の混合液のｐＨが極端に低くならず、安全に取り扱うこともできる。
また、第２の混合液中でのリン酸の含有量は、１．０〜９０ｗｔ％程度であるのが好ましく、５．０〜２０ｗｔ％程度であるのがより好ましい。リン酸の含有量がかかる範囲内であれば、後述する工程［Ｓ２］において、フッ素アパタイトを効率良く合成することができる。また、第２の混合液のｐＨが極端に低くならず、安全に取り扱うこともできる。
また、第２の混合液中での、フッ化水素およびリン酸の含有量は、モル量で、リン酸がフッ化水素に対して、２．０〜４．５倍程度となるようにするのが好ましく、２．８〜４．０倍程度となるようにするのがより好ましい。これにより、フッ素の導入率の高いフッ素アパタイトを効率良く合成することができる。
［Ｓ３］ フッ素アパタイト合成工程
次に、前記工程［Ｓ１−１］で調製された第１の液体（カルシウム系化合物含有液）と、前記工程［Ｓ１−４］で得られた第２の混合液とを混合することにより第１の混合液を得、この第１の混合液中において、カルシウム源（カルシウム系化合物）とフッ化水素とリン酸とを反応させることにより、フッ素アパタイト一次粒子を得る。
次に、前記工程［Ｓ１−１］で調製された第１の液体（カルシウム系化合物含有液）と、前記工程［Ｓ１−４］で得られた第２の混合液とを混合することにより第１の混合液を得、この第１の混合液中において、カルシウム源（カルシウム系化合物）とフッ化水素とリン酸とを反応させることにより、フッ素アパタイト一次粒子を得る。
すなわち、カルシウム源として、例えば、水酸化カルシウムを用いた場合、水酸化カルシウムに、フッ化水素とリン酸とを接触させることで、次式（Ｉ）に示すようにして、フッ素アパタイト一次粒子を得る。
１０Ｃａ（ＯＨ）２＋６Ｈ３（ＰＯ４）＋２ＨＦ →
Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２−２ｘＦ２Ｘ
＋ １８Ｈ２Ｏ ＋ ２（Ｈ２Ｏ）Ｘ＋２ＨＦ１−ｘ・・・（Ｉ）
［ただし、式（Ｉ）中、ｘは０＜ｘ≦１である。］
Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２−２ｘＦ２Ｘ
＋ １８Ｈ２Ｏ ＋ ２（Ｈ２Ｏ）Ｘ＋２ＨＦ１−ｘ・・・（Ｉ）
［ただし、式（Ｉ）中、ｘは０＜ｘ≦１である。］
このように、第１の液体と第２の混合液とを混合するという簡単な操作で、カルシウム源（例えば、水酸化カルシウム）にフッ化水素とリン酸とを接触させて、これら同士の反応を進行させることにより、フッ素アパタイト一次粒子を確実に製造することができる。
上記式（Ｉ）のようにして合成されたフッ素アパタイトは、その比表面積が大きいものとなる。
具体的には、かかる方法で得られたフッ素アパタイトの一次粒子を用いて造粒した乾燥粒子、または、この乾燥粒子を焼結することにより得られる焼結粒子の比表面積は、３０．０ｍ２／ｇ以上となっているのが好ましく、４３.０ｍ２／ｇ以上となっているのがより好ましく、４５．０ｍ２／ｇ以上となっているのがさらに好ましい。このような比表面積を有する乾燥粒子または焼結粒子は、より多くのタンパク質を分離するのに十分な大きさの比表面積を有するものとなる。また、焼結粒子は、通常、この焼結粒子を得る際の温度を高くしたり、処理時間を長くすることにより、焼結粒子の比表面積が小さくなる傾向を示すが、上述のように乾燥粒子または焼結粒子の比表面積が大きいと、乾燥粒子から焼結粒子を得る際の温度や処理時間等の処理条件を設定したり、焼結粒子をさらに焼結する焼結する等の処理を施すことにより、所望の比表面積を有する焼結粒子を得ることができるという利点もある。
また、上記式（Ｉ）のようにして合成されたフッ素アパタイトは、ハイドロキシアパタイトの一次粒子が合成されるのとほぼ同時にハイドロキシアパタイトが有する水酸基がフッ素原子により置換されてフッ素アパタイトが合成されると推察される。そのため、得られるフッ素アパタイト一次粒子においてフッ素原子の導入率置換率が特に高くなる。
また、本発明では、フッ素を含むフッ素源として、フッ化水素（ＨＦ）を用いるので、フッ化水素アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）やフッ化カルシウム（ＣａＦ２）等を用いる場合に比較して副反応生成物の生成がないか、あるいは極めて少ない。このため、フッ素アパタイト一次粒子中に混入する不純物の含有量を少なくすることができ、フッ素アパタイト一次粒子の耐酸性を向上させることができる。なお、ここでいう不純物とは、フッ素アパタイトの原料に起因するアンモニア、リチウムや、フッ化カルシウム等を指す。
具体的には、フッ素アパタイト中の不純物濃度は、できる限り低いことが好ましく、３００ｐｐｍ以下であるのが好ましく、１００ｐｐｍ以下であるのがより好ましい。これにより、フッ素アパタイト一次粒子は、不純物濃度が低くなることに起因して、より耐酸性の高いものとなる。
なお、本発明によれば、カルシウム源、フッ化水素およびリン酸の反応条件（例えば、ｐＨ、温度、時間等）を調整することにより、フッ素アパタイト一次粒子中の不純物濃度を前記範囲とすることが可能である。
また、第１の液体と第２の混合液とは、これらを一時（同時）に混合して第１の混合液を得るようにしてもよいが、第１の液体中に第２の混合液を滴下することにより第１の混合液を得るようにするのが好ましい。このように、第１の液体中に第２の混合液を滴下することにより、比較的簡便に、カルシウム源とフッ化水素とリン酸とを反応させることができる。また、第１の混合液のｐＨをより容易かつ確実に適切な範囲に調製することができる。このため、合成されたフッ素アパタイトの分解や、溶解等を防止することができ、高収率で高純度、さらには比表面積の大きいフッ素アパタイト一次粒子を得ることができる。
第２の混合液を滴下する速度は、１〜１００Ｌ／時間程度であるのが好ましく、１０〜１００Ｌ／時間程度であるのがより好ましい。このような滴下速度で第２の混合液を第１の液体中に混合（添加）することにより、カルシウム源とフッ化水素とリン酸とを、より穏やかな条件で反応させることができる。
また、カルシウム源とフッ化水素とリン酸との反応は、第１の混合液を撹拌しつつ行うのが好ましい。撹拌によって、カルシウム源にフッ化水素とリン酸とが均一に接触し、反応を効率よく進行させることができる。また、得られるフッ素アパタイト一次粒子間でのフッ素原子の導入率をより均一なものとすることができ、例えば、かかるフッ素アパタイト一次粒子を用いて、吸着剤（乾燥粒子または焼結粒子）を製造した場合、その特性のバラツキが小さくなり、信頼性の高いものとなる。
この場合、第１の混合液（スラリー）を撹拌する撹拌力は、スラリー１Ｌに対して、０．５〜３Ｗ程度の出力であるのが好ましく、０．９〜１．８Ｗ程度の出力であるのがより好ましい。撹拌力をこのような範囲の値とすることにより、カルシウム源とフッ化水素とリン酸との反応の効率をより向上させることができる。
カルシウム源とフッ化水素とリン酸とを反応させる際の温度は、特に限定されないが、５〜５０℃程度であるのが好ましく、２０〜４０℃程度であるのがより好ましい。このような温度範囲に設定することにより、第１の混合液のｐＨを比較的低く調整した場合でも、合成されたフッ素アパタイトの分解や溶解等を防止することができる。また、カルシウム源とフッ化水素とリン酸との反応率を向上させることができる。
以上のようにして、カルシウム源とフッ化水素とリン酸とが反応してフッ素アパタイトが得られる。
このフッ素アパタイトは、上記式（Ｉ）に示したように、必ずしも純粋なフッ素アパタイト（すなわちハイドロキシアパタイトの水酸基が完全にフッ素原子により置換されたハロゲン化度、式（Ｉ）中のｘが１のもの）に限らず、ハイドロキシアパタイトの水酸基の一部のみがフッ素原子により置換されたものも含まれる。
なお、本発明によれば、ハイドロキシアパタイト一次粒子の表面ばかりでなく、その内部までも、ハイドロキシアパタイトが有する水酸基がフッ素原子で置換されたフッ素アパタイトを製造することが可能である。具体的には、ハイドロキシアパタイトが有する水酸基をフッ素原子により、７５％以上置換することが可能であり、カルシウム源、フッ化水素およびリン酸が反応する際の反応条件（例えば、ｐＨ、温度、時間、ならびに、リン酸およびフッ化水素の混合量等）を適宜調整することにより、ほぼ１００％置換することも可能である。なお、ハイドロキシアパタイトが有する水酸基がフッ素原子で５０％以上置換されたフッ素アパタイトは、耐酸性が特に優れており、好ましい。
また、このようなフッ素アパタイト一次粒子は、不純物が極めて少なく、安定しているため、優れた耐酸性を有している。
この耐酸性の程度は、例えば、以下のようにして規定することができる。
すなわち、フッ素アパタイト一次粒子、この一次粒子を造粒して得られた乾燥粒子を焼成することにより得られた焼結粒子を、酸性溶液に接触させた際に、溶出するＣａの量によって規定することができる。
すなわち、フッ素アパタイト一次粒子、この一次粒子を造粒して得られた乾燥粒子を焼成することにより得られた焼結粒子を、酸性溶液に接触させた際に、溶出するＣａの量によって規定することができる。
例えば、当該フッ素アパタイトを用いて造粒した粒子（乾燥粒子）のうち、その平均粒径が４０μｍ±５μｍの大きさのものを分級し、乾燥粒子、または例えば４００℃以下で焼成して得られた焼結粒子をカラムの充填空間に充填して、ｐＨ５の１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（常温）を通液速度１．０ｍＬ／ｍｉｎで、カラム（４ｍｍ×１００ｍｍ）に２０ｍＬ通液してカラムを平衡化させた後、同緩衝液を１０ｍＬ通液した際に溶出（流出）する溶出液（流出液）を１０ｍＬ回収したとき、この流出液中に含まれるＣａ濃度を測定し、次いで、このＣａ濃度を充填剤１ｇ当たりの溶出濃度に換算することにより規定することができる。
このような条件で、１ｇ当たりの溶出濃度に換算した後のＣａ濃度は、できる限り低く「０ｐｐｍ」により近い方が好ましい。具体的には、前記Ｃａ濃度が８ｐｐｍ以下であるのが好ましく、５ｐｐｍ以下であるのがより好ましい。このように、前記粒子から溶出するＣａ濃度が低いフッ素アパタイト（焼結粒子）は、極めて高い耐酸性を有するものと判断することができる。
なお、リン酸ナトリウム緩衝液以外に用いられる緩衝液としては、リン酸、酢酸、クエン酸、炭酸、コハク酸およびグリシン緩衝液等が挙げられる。
また、緩衝液の塩濃度としては、前記では１０ｍＭとしたが、好ましくは１〜５００ｍＭ程度、より好ましくは５〜１００ｍＭ程度であればよい。
以上のようにして合成されたフッ素アパタイト一次粒子を含む第１の混合液（スラリー）は、乾燥や造粒することにより、乾燥粒子を得、さらに、この乾燥粒子を焼成して焼結粒子とすることができる。
これら乾燥粒子および焼結粒子を吸着剤として用いることができるが、吸着剤としては、機械的強度の点から焼結粒子であることが好ましいが、吸着剤への負荷が比較的少ない場合等には、乾燥粒子も好適に用いることができる。この吸着剤をクロマトグラフィー（吸着装置）の固定相として用いれば、被検体（例えばタンパク質等）の分離条件や吸着条件の選択の幅を広げることが可能である。したがって、かかるクロマトグラフィーは、さらに広い領域（分野）への適用が可能となる。
なお、一次粒子を含むスラリーを乾燥や造粒する方法としては、特に限定されないが、例えば、スラリーをスプレードライヤー等により噴霧乾燥する方法等が挙げられる。
また、乾燥粒子を焼成する際の焼成温度は、２００〜８００℃程度であるのが好ましく、４００〜７００℃程度であるのがより好ましい。かかる範囲内に設定することにより、一次粒子内や一次粒子同士間（凝集体）で形成される間隙（空孔）を残存させつつ、機械的強度にも優れる吸着剤を得ることができる。また、乾燥粒子を焼結する際には、通常、その比表面積が小さくなる傾向を示すが、上記の範囲内で焼結温度を適宜設定することにより、所望の比表面積を有する焼結粒子を得ることができる。
さらに、フッ素アパタイトは、吸着剤への適用のみならず、例えば、前記乾燥粒子を成形した成形体を焼成することにより得られた焼結体を、人工骨や人工歯根等として用いることもできる。
以上、本発明のフッ素アパタイトの製造方法フッ素アパタイトおよび吸着装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、本発明のフッ素アパタイトの製造方法には、任意の目的の工程が１または２以上追加されてもよい。
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．フッ素アパタイトの製造
（実施例）
まず、カルシウム源として水酸化カルシウムを３．５ｋｇ用意し、この水酸化カルシウムを３０Ｌの純水に懸濁させることにより第１の液体を調製した。
１．フッ素アパタイトの製造
（実施例）
まず、カルシウム源として水酸化カルシウムを３．５ｋｇ用意し、この水酸化カルシウムを３０Ｌの純水に懸濁させることにより第１の液体を調製した。
次に、４．２ｗｔ％のフッ化水素水溶液（第２の液体）と、８５ｗｔ％のリン酸水溶液（第３の液体）とを、それぞれ、４．５ｋｇおよび３．２７ｋｇ用意し、これらを１０Ｌの純水に溶解させることにより第２の混合液を調製した。
次に、第１の液体を１Ｗの撹拌力で撹拌した状態で、第２の混合液を、速度５Ｌ／時間で滴下した。
なお、フッ化水素含有液の滴下を終了した時点において、スラリーのｐＨは、３．４であった。
引き続き、このスラリーを、温度３０℃で２４時間、１Ｗの撹拌力で撹拌を行った。これにより、カルシウム源とフッ化水素とリン酸とを反応させ、フッ素アパタイト一次粒子を含むスラリーを得た。
なお、スラリー中の反応生成物がフッ素アパタイトであることを粉末Ｘ線回折法により確認した。また、粉末Ｘ線回折の結果、フッ素アパタイト一次粒子におけるフッ素原子の置換率は、約１００％であった。
また、粉末Ｘ線回折の結果、フッ素アパタイト乾燥粒子中、フッ素アパタイト以外の生成物は、確認できなかった。
次に、フッ素アパタイト一次粒子を含むスラリーを、噴霧乾燥機（大川原化工機社製、「ＯＣ−２０」）を用いて、１５０℃で噴霧乾燥して、球状の乾燥粒子を製造した。
また、乾燥粒子の一部を中心粒径約４０μｍで分級した後、それぞれ、２００℃×４時間、３００℃×４時間、４００℃×４時間、５００℃×４時間、６００℃×４時間、７００℃×４時間および８００℃×４時間の条件で、電気炉を用いて焼成して焼結粒子１〜７とした。
なお、得られたフッ素アパタイト焼結粒子１〜７（吸着剤）の平均粒径は、それぞれ、ともに約４０μｍであった。
（比較例）
まず、水酸化カルシウムを純水に懸濁させ、その中へ、リン酸水溶液を滴下していき、かつ十分に撹拌した。これにより、１０ｗｔ％のハイドロキシアパタイト一次粒子を含むスラリー５００Ｌを得た。
まず、水酸化カルシウムを純水に懸濁させ、その中へ、リン酸水溶液を滴下していき、かつ十分に撹拌した。これにより、１０ｗｔ％のハイドロキシアパタイト一次粒子を含むスラリー５００Ｌを得た。
なお、得られた合成物がハイドロキシアパタイトであることを粉末Ｘ線回折法により確認した。
一方、フッ化水素を、５ｗｔ％となるように純水に溶解して、フッ化水素含有液を調製した。
次に、スラリーを１Ｗの撹拌力で撹拌した状態で、フッ化水素含有液４１．８４Ｌを、速度５Ｌ／時間で滴下した。
なお、フッ化水素含有液の滴下を終了した時点において、スラリーのｐＨは、３．００であった。また、フッ化水素の混合量は、フッ素量がハイドロキシアパタイトが有する水酸基の量に対して約１．０５倍であった。
引き続き、このスラリーを、温度３０℃で２４時間、１Ｗの撹拌力で撹拌を行った。これにより、ハイドロキシアパタイト一次粒子とフッ化水素とを反応させ、フッ素アパタイト一次粒子を含むスラリーを得た。
なお、スラリー中の反応生成物がフッ素アパタイトであることを粉末Ｘ線回折法により確認した。また、粉末Ｘ線回折の結果、フッ素アパタイト一次粒子におけるフッ素原子の置換率は、約１００％であった。
また、粉末Ｘ線回折の結果、フッ素アパタイト乾燥粒子中、フッ素アパタイト以外の生成物は、確認できなかった。
次に、フッ素アパタイト一次粒子を含むスラリーを、噴霧乾燥機（大川原化工機社製、「ＯＣ−２０」）を用いて、１５０℃で噴霧乾燥して、球状の乾燥粒子を製造した。
また、乾燥粒子の一部を中心粒径約４０μｍで分級した後、それぞれ、２００℃×４時間、３００℃×４時間、４００℃×４時間、５００℃×４時間、６００℃×４時間、７００℃×４時間および８００℃×４時間の条件で、電気炉を用いて焼成して焼結粒子１〜７とした。
なお、得られたフッ素アパタイト焼結粒子１〜７（吸着剤）の平均粒径は、それぞれ、ともに約４０μｍであった。
２．比表面積およびＣａ溶出量の測定
２−１．比表面積の測定
実施例および比較例で得られたフッ素アパタイトの乾燥粒子および焼結粒子１〜７について、全自動比表面積計（「Ｍａｃｄｅｌ ｍｏｄｅｌ−１２０１」、マウンテック社製）を用いて比表面積を測定した。
２−１．比表面積の測定
実施例および比較例で得られたフッ素アパタイトの乾燥粒子および焼結粒子１〜７について、全自動比表面積計（「Ｍａｃｄｅｌ ｍｏｄｅｌ−１２０１」、マウンテック社製）を用いて比表面積を測定した。
２−２．Ｃａ溶出量の測定
次に、実施例および比較例で得られたフッ素アパタイトの乾燥粒子および焼結粒子３、６を、それぞれ、カラム（杉山商事社製、「LCI-1116WF -４ｍｍ×１００ｍｍ PL-PEEK」、内径４．０ｍｍ×長さ１００ｍｍ）の充填空間にほぼ満量となるように充填して、実施例および比較例の乾燥粒子および焼結粒子３、６が充填されたカラムを製造した。
次に、実施例および比較例で得られたフッ素アパタイトの乾燥粒子および焼結粒子３、６を、それぞれ、カラム（杉山商事社製、「LCI-1116WF -４ｍｍ×１００ｍｍ PL-PEEK」、内径４．０ｍｍ×長さ１００ｍｍ）の充填空間にほぼ満量となるように充填して、実施例および比較例の乾燥粒子および焼結粒子３、６が充填されたカラムを製造した。
なお、カラムの充填空間の容積は、１．２５６ｍＬであった。
そして、各カラムに、ｐＨ５の１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（２５℃）を通液速度１．０ｍＬ／ｍｉｎで、カラムに２０ｍＬ通液してカラムを平衡化させた後、同緩衝液を１０ｍＬ通液した際に流出する流出液を１０ｍＬ回収した。
そして、各カラムに、ｐＨ５の１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（２５℃）を通液速度１．０ｍＬ／ｍｉｎで、カラムに２０ｍＬ通液してカラムを平衡化させた後、同緩衝液を１０ｍＬ通液した際に流出する流出液を１０ｍＬ回収した。
次に、実施例および比較例の乾燥粒子および焼結粒子３、６が充填されたカラムから回収された流出液中のＣａ濃度を、（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）装置（「ＩＣＰＳ−７５００」、島津製作所社製）を用いて測定し、このＣａ濃度を充填剤１ｇ当たりの溶出濃度に換算した。
３．評価
上記２−１および２−２で測定された、実施例および比較例の比表面積およびＣａ溶出量を表１に示す。
上記２−１および２−２で測定された、実施例および比較例の比表面積およびＣａ溶出量を表１に示す。
まず、表１に示すＣａ濃度の値から明らかなように、実施例および比較例の乾燥粒子および焼結粒子３、６は、ともに、流出液中へのＣａの遊離が好適に抑制されていることが明らかとなった。すなわちフッ素源としてフッ化水素を用いて合成されたフッ素アパタイトは、流出液中へのＣａの遊離が好適に抑制されていることが明らかとなった。
したがって、このことから実施例および比較例の乾燥粒子および焼結粒子は、ともに、優れた耐酸性を示すものと推察される。
また、表１に示す比表面積の値から明らかなように、実施例の乾燥粒子は、比較例の乾燥粒子と比較してその比表面積が３０ｍ２／ｇ程度大きくなっていた。これに対して、実施例の焼結粒子７は、比較例の焼結粒子７とほぼ同程度の大きさになっていた。以上のことから、実施例では、大きい比表面積を有する乾燥粒子が得られるとともに、乾燥粒子を焼結する条件を適宜設定することにより、所望の大きさの比表面積を有する焼結粒子が得られることが明らかとなった。
なお、本実施例の他に、第１の液体、第２の液体および第３の液体とを調製し、これらをほぼ同時に混合して第１の混合液を得て、フッ素アパタイトを合成したが、この場合も前記と同様に、Ｃａの遊離が好適に抑制され、かつ、比表面積が大きなフッ素アパタイトが得られた。
Claims (14)
- カルシウムを含むカルシウム系化合物、フッ化水素およびリン酸を用いてフッ素アパタイトを製造するフッ素アパタイトの製造方法であって、
前記カルシウム系化合物を含有する第１の液体、前記フッ化水素を含有する第２の液体および前記リン酸を含有する第３の液体を、それぞれ、調製する第１の工程と、
前記第１の液体、前記第２の液体および前記第３の液体を混合して第１の混合液を得、該第１の混合液中において、前記カルシウム系化合物、前記フッ化水素および前記リン酸を反応させることにより、フッ素アパタイトを得る第２の工程とを有することを特徴とするフッ素アパタイトの製造方法。 - 前記カルシウム系化合物は、水酸化カルシウムである請求項１に記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第２の工程に先立って、前記第２の液体と前記第３の液体とを混合して第２の混合液を得た後、前記第２の工程において、前記第１の液体に前記第２の混合液を混合することにより前記第１の混合液を得る請求項１ないし２のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第１の液体と前記第２の混合液との混合は、前記第１の液体中に前記第２の混合液を滴下することにより行われる請求項３に記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第２の混合液を滴下する速度は、１〜１００Ｌ／時間である請求項４に記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第２の混合液中の前記フッ化水素の含有量は、０．５〜６０ｗｔ％である請求項３ないし５のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第２の混合液中の前記リン酸の含有量は、１〜９０ｗｔ％である請求項３ないし６のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第２の混合液中の前記フッ化水素および前記リン酸の含有量は、モル量で、前記リン酸が前記フッ化水素に対して２．０〜４．５倍である請求項３ないし７のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第１の液体中のカルシウム系化合物の含有量は、１〜２０ｗｔ％である請求項１ないし８のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 前記第２の工程において、前記カルシウム系化合物と、前記フッ化水素と、前記リン酸とを、５〜５０℃の範囲の温度で反応させる請求項１ないし９のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法。
- 請求項１ないし１０のいずれかに記載のフッ素アパタイトの製造方法を用いて製造されたことを特徴とするフッ素アパタイト。
- ハイドロキシアパタイトが有する水酸基の少なくとも一部が、フッ素原子で置換されてなるフッ素アパタイトであって、
当該フッ素アパタイトを用いて造粒した乾燥粒子または焼結粒子の比表面積が３０ｍ２／ｇ以上であることを特徴とするフッ素アパタイト。 - 前記乾燥粒子のうち、その平均粒径４０μｍ±５μｍの大きさのものを分級し、乾燥粒子、または４００℃以下で焼成して得られた焼結粒子を、カラムが備える４ｍｍ×１００ｍｍの充填空間に充填して、ｐＨ５の１０ｍＭリン酸ナトリウム緩衝液（常温）を通液速度１．０ｍＬ／ｍｉｎで、前記カラムに前記緩衝液を２０ｍＬ通液して、前記カラムを平衡化させた後、さらに前記緩衝液を１０ｍＬ通液した際に流出する流出液１０ｍＬを回収したとき、該流出液中に含まれるＣａ濃度が充填材１ｇ当たり８ｐｐｍ以下である請求項１２に記載のフッ素アパタイト。
- 請求項１１ないし１３に記載のフッ素アパタイトを造粒した乾燥粒子、または、当該乾燥粒子を焼成して得られた焼結粒子を吸着剤として備える吸着装置。
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