JP2012526985A - クロマトグラフィーカラム内のフィルターホルダー - Google Patents

Abstract

クロマトグラフィーカラムに使用されるフィルターホルダーが提供される。前記フィルターホルダーは、本質的にプレートの形態である、カラムのフィルターに面するフィルター締付け部品（３５６）と、フィルターホルダーとフィルター（２０４）との間でのカラムの吸着床スペース（２０９）からの粒状媒体の漏れを防ぐため、フィルター締付け部品（３５６）をフィルター（２０４）に対して締め付けるように適合された締付け手段（３５４）とを備える。本発明によれば、前記フィルター締付け部品（３５６）は、フィルター締付け部品（３５６）を通してフィルター締付け部品（３５６）のフィルター（２０４）に面する面からフィルター締付け部品（３５６）の吸着床スペース（２０９）に面する面への流体接続を提供する、１つ以上のチャネル（３３８）を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明はクロマトグラフィーカラムに関する。特に、本発明は、カラム内の流体分配に使用される粒子保持フィルター（particle retaining filters）の固定に関する。

クロマトグラフィーは、化学物質及び生物学的物質を分離するための確実で有益な技術であり、研究及び産業において広く使用され、化合物の調製、精製及び分析における多くの用途が見出されている。クロマトグラフィーには様々な形態があり、液体クロマトグラフィーは、製薬及び生物学の業界における、タンパク質、ペプチド及び核酸の調製、精製、並びに分析において特に重要である。

一般的な液体クロマトグラフィー装置は、直立したハウジングを有し、その中で、通常は本質的に粒状であって多孔質媒体から成る充填材料の吸着床が、浸透性の保持層に接して位置する。液体移動相は、例えばカラムの頂部にある入口を通って、通常は多孔質の有孔フィルター、メッシュ又はフリットを通って入り、充填材料の吸着床を通って移動し、出口を介して、一般的には第２のフィルター、メッシュ又はフリットを通して除去される。

液体クロマトグラフィーに使用されるカラムは、一般的に、キャリア液体又は移動相がそこを貫流する多孔質のクロマトグラフィー媒体を封入する管状体を備え、物質又は検体の分離は、多孔質媒体の移動相と固相との間で行われる。一般的に、多孔質媒体は充填層としてカラムに封入されるが、この充填層は一般に、通常はカラムの一端に位置する中央ボア又はノズルから、カラム内へと圧送、注入又は吸引されるスラリーとして知られる、個々の粒子の懸濁液を凝固することによって形成される。安定した均等な吸着床の生産は、最終的な分離プロセスにとって重大であり、１つ以上のカラム末端部を通って中央に位置付けられるボアを使用して、最適な結果が見出される。

特にクロマトグラフィーカラムの断面が増大するので、物質の分離における別の重大な特徴は流体分配システムである。クロマトグラフ分離の効率は、充填層の流体入口及び出口における液体分配並びに回収システムに依存する。

理想的には、キャリア液体は、充填物の頂部における表面全体を通して均一に導入され、充填物の断面全体を通して同じ速度で充填物を貫流し、充填層の底部によって画定される面において均一に除去される。

液体クロマトグラフィーに使用される従来の分配システムは、カラムの分離効率に悪影響をもつ多数の固有の問題に対処しなければならない。これらの問題の中には、充填層の頂部における不均一な初期流体分配（initial fluid distribution）がある。不均一な初期流体分配の問題とは、一般に、充填層の断面積全体に同時にサンプル体積を適用することの問題を指す。この問題は、システム全体にわたって流体とともに輸送されるトレーサー物質の対流滞留時間分布（convective residence time distribution）を拡張することによって、クロマトグラフィーシステム内での分散が増加することにつながる。液体分配システムによって発生する分散は、拡散及び混合効果を用いてクロマトグラフィーの充填層自体によって導入される分散量に関連して制御しなければならない。吸着床の頂部によって画定される面内で流体を同時に導入することなしに、充填層及びカラムそれぞれを通ってサンプルが均一且つ明確に移動し、結果として均一な滞留時間分布をもたらす、いわゆるプラグ流れ挙動（plug-flow behaviour）を達成することは事実上不可能である。

標準的な流体分配システムは、移動相用の１つの中央入口と、充填層の入口及び出口の頂面と底面を限定する粒子保持フィルター（メッシュ、織布ネット又は焼結物）に隣接した薄い分配チャネル（ギャップ）との組み合わせから成る。理論上、且つ経験から、かかるシステムは、カラムの直径が増大するにつれて性能が劣化することが知られている。これは、入口からカラム外壁へと移行する流体要素と、フィルター又はネット及び入口ポートの下方にある充填層領域に直接入ることができる流体要素との間の滞留時間差に起因する。この滞留時間の差は、カラム直径に伴って大きくなるとともに、クロマトグラフィーバンドの拡大に結び付き、これは小さな粒子の場合に最も深刻になる。この問題は不均一な初期流体分配に対応する。

充填層の表面にわたる不均一な流体分配は、充填層表面と接触するフィルター面積の低減によっても生じる。例えば、媒体をカラムに導入するための、ここではノズルとも呼ばれる媒体入口を設けた場合、そのノズルは、分配システム及びフィルターを通して末端ユニットの１つの中央でカラム内へと突出し、フィルター面積の中央部分を媒体入口が占めるので、ここでは移動相をカラムに正確に付加できないことは明白である。したがって、大きなフィルター面積を維持し、それによってフローパターンの歪みを可能な限り最小限に抑えるため、この媒体入口のサイズを可能な限り低減することが望ましい。実際上、充填層にわたって流体分配するためにアクセス可能な面積の低減を引き起こすのは、ノズルのサイズだけではなく、ノズル周辺の封止手段も同様である。移動相内への樹脂（粒状媒体）の漏れを回避するため、ノズル周辺の緊密なシールが必要とされる。更に、フィルターがノズル周辺の適所で保たれるように、十分な機械的支持を設けなければならない。これを行う１つの手法は、フィルターをいわゆるノズル保持装置（nozzle retainer）に対して溶接するというものである。しかし、溶接にはコストが掛かるので、他の方法が好ましいことがある。別の可能性としては、フィルターホルダーをフィルターの下方及びノズルの一部の周辺に設けて、漏れを防ぐというものである。フィルターホルダーは、ここでは例えばノズルの最下部を取り囲むように適合されたねじ山付きシリンダである円筒状部品の形態である１つの締付け手段（squeezing means）と、例えばノズルを受け入れるように適合された中央穴を有するプレートの形態である１つのフィルター締付け部品（filter squeezing part）とを備える。前記フィルター締付け部品は、ノズルが貫通できるようにして円筒状部品に取り付けられる。フィルター締付け部品は、フィルター締付け部品とフィルターとの間で移動相へと樹脂が漏れるのを防ぐため、カラムの末端部にある対応する要素に対してフィルターを締め付けるように適合される。信頼性の高い漏れ保護を得るため、フィルター締付け部品の面積は、媒体入口（ノズル）を通すためにフィルターに設けられる媒体入口通路よりもわずかに大きくする必要がある。これによって、カラム中心線における面積が大きくなって、充填層に向かう液体のフローが阻止され、上述したような充填層全体の不均一な初期流体分配の問題が大きくなる。

小型のカラムの場合、カラムの合計断面積と比べたフィルター締付け部品のこの面積は比較的大きく、このフィルターホルダー面積の下側には移動相は適用されないので、移動相分配は最適ではなく、カラムを動作させたときのカラム効率が低減されることになる。更に、充填層の殺菌中、殺菌剤が効率的に充填層の全体積に達することが重要であり、これは、大型のフィルターホルダーが阻止する充填層表面の面積が大きすぎるときには損なわれる。

米国特許第６１３９７３２号明細書

本発明の１つの目的は、従来技術のシステムの欠点を克服するフィルターホルダーを提供することである。

これは、請求項１記載のフィルターホルダーで達成される。フィルターの締付けによってコスト効率の良い設計が可能になり、一方、液体が充填層表面のより広い面積にわたって分配されるので、フィルターホルダーに適用される流体接続チャネルによって、より均一な初期液体分配が可能になる。更に、カラムの殺菌中、カラムの断面積全体にわたって殺菌剤をより効率的に供給することができる。

本発明の実施形態は従属請求項に定義される。

従来技術によって知られているクロマトグラフィーカラムの横断面図を示す三次元概略図である。 本発明によるフィルターホルダーを備えるクロマトグラフィーカラムのエンドプレートの拡大概略断面図である。 図３ａ及び３ｂは、本発明によるフィルターホルダーを２つの側面から示す概略図である。

従来技術（例えば、米国特許出願公開第２００８００１７５８０号を参照）によって知られているカラムの概略断面図が図１に示される。カラム２０１は、管状ハウジング２１１と、第１のエンドユニット２１２（部分的に図示される）及び第２のエンドユニット２１３とを備え、それらは互いに固定されて、ヘッド２１６を有するテンションロッド２１４によって液密シールを形成する。第１のフィルター２０４及び第２のフィルター２０６はそれぞれ、第１のエンドユニット２１２及び第２のエンドユニット２１３に隣接している。これらのフィルター２０４、２０６は、側壁２１１と併せて、粒状媒体の吸着床を含有する吸着床スペース２０９を画定する。

ハウジング２１１及びエンドユニット２１２、２１３は、一般的に、ステンレス鋼又はポリプロピレンなどの高強度プラスチック材料で構成される。好ましい一実施形態では、カラムが生物活性物質の分離に使用されるものである場合、材料は生物学的に不活性なので、米国薬局方（ＵＳＰ）＜８８＞クラスＶＩに準拠したヒトの免疫反応を誘発しない。テンションロッド２１４は、ヘッド２１６を用いてエンドユニット２１２、２１３をハウジング２１１に固定して、高い運転圧に耐えることができる液密の吸着床スペース２０９を形成する。

カラムには、バルブ手段２２０の形態の媒体入口２１９を通して、スラリーの形態の粒状媒体を充填することができ、バルブ手段２２０は中央ボア２２１及びノズル２２４を備える。図１では、ノズル２２４はその格納位置で示されるが、カラムの充填を容易にする吸着床スペース２０９内の位置へと移動させることができることが理解されるであろう（図２を参照）。吸着床スペース内でのスラリーの分配及び均等な充填を容易にする、広範囲のノズルを使用することができる。充填バルブ及びノズルそれぞれにおける開閉の機能性を実現するための１つの代替例は、吸着床スペース内で固定され（それによって格納式でない）、且つノズルの位置に応じてノズルを開閉するノズルの内部若しくは外部にある可動の要素又はスリーブに隣接して位置するノズルを有するというものである。フィルター２０４、２０６はそれぞれ、エンドユニット２１２、２１３の内面上に位置付けられ、側壁２１１とともに作用して吸着床スペース２０９を画定するとともに、吸着床スペース２０９からの粒状媒体の漏れを防ぐ。媒体入口２１９は、第１のエンドユニット２１２及び第１のフィルター２０４を貫通する。

分配チャネルは、第１のエンドユニット２１２の面を横断して適切に設けられ、第１のフィルター２０４と流体連通している。流体分配チャネルは、液体の径方向の分配を容易にするように作用する。従来技術によって知られている異なるタイプの分配チャネルを適用することができる。

移動相、つまりカラム上で分離するための１つ若しくは複数の検体又は物質を含有する液体は、第１のポート２３３を介して添加される。次に、液体は、第１のフィルター２０４を通過して、粒状媒体（図示なし）で充填された吸着床スペース２０９に入る。粒状媒体上に導入されている検体（１つ又は複数）のクロマトグラフ分離は、このように、移動相を導入し、移動相によって溶離することによってもたらされる。移動相は、最終的に、第２のフィルター２０６を通してカラムを出て、通路２４２を介して第２のポート２４０に至る。その結果、異なる検体を含有する移動相の、結果として得られる分画を回収することができる。

カラムは、上述したような「ダウンフロー」モード又は移動相のフローの方向がカラムを上方へと移動するように反転される「アップフロー」モードのいずれかで操作されてもよいことが、当業者には理解されるであろう。アップフローモードでは、移動相は第２のポート２４０を介してカラムに入り、粒状媒体の吸着床を通って上方へと移動し、第１のポート２３３を介してカラムを出て回収される。

フィルターホルダー２５２は、漏れを防ぐため、第１のフィルター２０４の下方及び媒体入口２１９の一部の周辺に設けられる。フィルターホルダー２５２は、ここでは適切には媒体入口２１９の最下部（図１の向きを指す）を取り囲むように適合されたねじ山付きシリンダである円筒状部品２５４の形態である１つの締付け手段２５４と、この実施形態では、媒体入口２１９のノズル２２４を受け入れるように適合された中央穴を有するプレートの形態である１つのフィルター締付け部品２５６とを備える。前記フィルター締付け部品２５６は、フィルターに面する面では本質的に平らである必要がある。しかし、他方の面は、平らである代わりに、例えば丸み付けることができる。前記フィルター締付け部品は、円形、正方形、五角形、六角形であることができ又は任意の数の面を有することができる。例えばレンチなどのツールを使用して、フィルターホルダーをねじ留めできるようにするため、非円形の形態が好ましいことがある。前記フィルター締付け部品２５６は、ノズル２２４が貫通できるようにして円筒状部品２５４に取り付けられる。締付け手段２５４は、フィルター締付け部品２５６がフィルターに対して締め付けられるように、それに対して力を供給するように適合される。この実施形態では、この力は、ねじ山付きシリンダが締められると供給される。これによって、フィルター２０４とフィルターホルダーとの間で移動相へと樹脂が漏れるのを防ぐため、フィルター締付け部品２５６は、第１のフィルター２０４をエンドユニット２１２に対して締め付ける。このフィルター締付け部品２５６は、漏れを防ぐためにフィルター２０４を十分に締め付けることができるように、特定の直径のものである必要がある。これは、分配チャネルによってカラムの面積全体にわたって分配されている移動相又は液体が、このフィルターホルダー２５２の下方に直接分配されなくなるということを意味する。通常、より小型のカラムに対しても同じサイズのフィルターホルダーが使用されるので、移動相又は液体がフィルターホルダーの下方に分配されなくなる相対面積は、より小型のカラムの場合により大きくなる。

一般的には０．１〜２０００リットルに及ぶ、広範囲のカラム容量が可能であることが理解されるであろう。使い捨てカラムとしてカラムを使用するときの好ましい容量は、０．１〜５０リットルの範囲である。

図２は、本発明によるクロマトグラフィーカラムのエンドプレートの拡大横断面図である。フィルターホルダーを除くすべての部品は、図１を参照して記載した部品に相当し、それら部品は対応して番号付けされている。図から分かるように、ノズル２２４は、吸着床スペース２０９をスラリーの形態の粒状媒体で充填できるように、吸着床スペース２０９へと下に下げられている。カラムが粒状媒体で充填されると、カラムに対する何らかのクロマトグラフ分離を行う前に、ノズル２２４は中央ボア２２１の本体内に格納されることが理解されるであろう。充填された粒状媒体の吸着床は、当該技術で良く知られている従来の手段によって、例えばエンドユニットの１つを移動させて吸着床を圧縮することによって得られる。

ここではねじ山付きの円筒状部品である締付け手段３５４と、フィルター締付け部品３５６とを備えるフィルターホルダー３５２が設けられる。本発明によれば、フィルター締付け部品３５６は、第１のフィルター２０４及び吸着床スペース２０９と流体接触している、１つ以上の、好ましくは複数のチャネル３３８を備える。この図では、２つのチャネル３３８を見ることができるが、任意の数のチャネルが可能であろう。適切には、これらのチャネル３３８は、本発明によれば内側に向いており、即ち、カラムの内部に面する面にある開口部が、フィルター２０４に面する面にある対応する開口部よりもカラムの中心に近い。これによって、移動相がフィルターホルダーの直下にある吸着床スペースの領域にも分配される。これによって、吸着床スペースにわたる流体の分配がより均一になり、カラムの分離特性がより良好になる。図２に示される実施形態では、吸着床スペースの側からチャネル３３８に入る媒体粒子はフィルター２０４によって止められる。チャネルの傾きは、液体のフローをカラムの中心により近付けるとともに、分配チャネル内への粒子の漏れに対する堅牢なシールを依然として提供する。

図３ａでは、本発明の一実施形態によるフィルターホルダーが、上述のものとは別個の構成要素として（即ち、フィルターに最も近付くフィルターホルダーの面から）示される。この実施形態では、６つのチャネルが設けられる。この図では、第１のチャネル開口部４０１ａを見ることができる。しかし、チャネルの数は６よりも多数又は少数であることができ、ただし３つ以上が好ましい。図３ｂでは、同じフィルターホルダーが底面から、即ちカラム内部に面することになるフィルターホルダーの面から示される。ここでは、６つの第２のチャネル開口部４０１ｂが見られる。第１のチャネル開口部４０１ａはそれぞれ、当然ながら、チャネル３３８を通して第２のチャネル開口部４０１ｂの１つに接続されることになる。これら第２のチャネル開口部４０１ｂは、上述したチャネル３３８の傾きによって、第１のチャネル開口部４０１ａよりもフィルターホルダーの中心に近いことが分かる。

２０１ カラム
２０４ 第１のフィルター
２０６ 第２のフィルター
２０９ 吸着床スペース
２１１ 管状ハウジング
２１１ 側壁
２１２ 第１のエンドユニット
２１３ 第２のエンドユニット
２１４ テンションロッド
２１６ ヘッド
２１９ 媒体入口
２２０ バルブ手段
２２１ 中央ボア
２２４ ノズル
２３３ 第１のポート
２４０ 第２のポート
２４２ 通路
２５２ フィルターホルダー
２５４ 締付け手段
２５４ 円筒状部品
２５６ フィルター締付け部品
３３８ チャネル
３５２ フィルターホルダー
３５４ 締付け手段
３５６ フィルター締付け部品
４０１ａ 第１のチャネル開口部
４０１ｂ 第２のチャネル開口部

Claims (5)

1. 粒状媒体をカラム内に供給するとともに、エンドユニット（２１２）及び第１のフィルター（２０４）を通して前記カラムの封入された吸着床スペース（２０９）に入る媒体入口（２１９）を備える、クロマトグラフィーカラムに使用されるフィルターホルダーであって、前記フィルターホルダーが、
   前記封入された吸着床スペース（２０９）に面する前記フィルター（２０４）の面において前記フィルター（２０４）に隣接して設けられるように適合されたフィルター締付け部品（３５６）であって、本質的に前記媒体入口を受け入れる中央穴を有するプレートの形態である、前記フィルター（２０４）に面するフィルター締付け部品（３５６）と、
   前記フィルターホルダーと前記フィルター（２０４）との間での前記吸着床スペース（２０９）からの粒状媒体の漏れを防ぐため、前記フィルター締付け部品（３５６）を前記フィルター（２０４）に対して締め付けるように適合された締付け手段（３５４）とを備え、
   前記フィルター締付け部品（３５６）が、前記フィルター締付け部品（３５６）を通して前記フィルター締付け部品（３５６）の前記フィルター（２０４）に面する面から前記フィルター締付け部品（３５６）の前記吸着床スペース（２０９）に面する面への流体接続を提供する、１つ以上のチャネル（３３８）を備えることを特徴とする、フィルターホルダー。
2. 前記チャネル（３３８）が、前記吸着床スペース（２０９）に面する第２のチャネル開口部（４０１ｂ）が前記フィルター（２０４）に面する第１のチャネル開口部（４０１ａ）よりも前記フィルター締付け部品（３５６）の中心に近くなるように傾けられ、前記第１のチャネル開口部（４０１ａ）が前記第２のチャネル開口部（４０１ｂ）と流体接続している、請求項１記載のフィルターホルダー。
3. 前記チャネル（３３８）の数が３つ以上である、請求項１又は請求項２記載のフィルターホルダー。
4. 前記締付け手段（３５４）が前記媒体入口（２１９）の一部を取り囲むように適合されたねじ山付きシリンダである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のフィルターホルダー。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のフィルターホルダーを備えるクロマトグラフィーカラム。

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