JP2016531584A

JP2016531584A - 陽イオン交換樹脂の配合物を使用する糖のクロマトグラフィー分離

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Publication number: JP2016531584A
Application number: JP2016540894A
Authority: JP
Inventors: ステファン・ピース; ゴンウェイ・プゥ
Original assignee: Rohm and Haas Co
Current assignee: Rohm and Haas Co
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2016-10-13
Also published as: CN105452490A; US20160194727A1; US9441280B2; CN105452490B; EP3041961B1; TW201517965A; WO2015034643A1; EP3041961A1; KR20160048847A

Abstract

糖含有液体供給混合物を、スルホン酸基で官能化した架橋コポリマーマトリックスを含む陽イオン交換樹脂の層と接触させることと、第１の生成物流を、液体供給混合物中に存在するよりも高い純度の糖を有する層から回収することと、によって糖を液体供給混合物から分離するためのクロマトグラフィー方法。本方法は、ｉ）アルカリ性土類対イオンを含む少なくとも８０重量％の陽イオン交換樹脂と、ｉｉ）アルカリ土類対イオンを含む少なくとも５重量％の陽イオン交換樹脂と、を含む、陽イオン交換樹脂の層を特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、イオン交換培地を使用する糖のクロマトグラフィー分離に関する。

イオン交換樹脂は、糖含有液体供給混合物中の糖をクロマトグラフィーにより分離するために一般的に使用される。例えば、米国第５１７６８３２号、米国第５２２１４７８号、及び旧ソビエト連邦第１５０７７９９号を参照されたい。より商業的に重要な分離のうちの１つは、フルクトースをフルクトース／グルコース混合物から分離して、フルクトース濃度を、例えば、５０重量％未満の純度から９０重量％を超える純度まで増加させることを伴う。従来、カルシウム形態にある、ゲル型で強酸の陽イオン交換樹脂がそのような分離において使用されている。

本発明は、糖含有液体供給混合物を、スルホン酸基で官能化した架橋コポリマーマトリックスを含む陽イオン交換樹脂の層と接触させることと、第１の生成物流を、液体供給混合物中に存在するよりも高い純度の糖を有する層から回収することと、によって第１の糖を液体供給混合物から分離するためのクロマトグラフィー方法を含む。本方法は、ｉ）アルカリ性土類対イオンを含む少なくとも８０重量％の陽イオン交換樹脂と、ｉｉ）アルカリ土類対イオンを含む少なくとも５重量％の陽イオン交換樹脂と、を含む、陽イオン交換樹脂の層を特徴とする。好ましい一実施形態において、液体供給混合物は、アルカリ性土類またはアルカリ土類対イオンのいずれかを含む陽イオン交換樹脂の層と比較される場合よりも高い程度（例えば、少なくとも１０％の改善）の糖の分解を有する、独立した生成物流に分離される複数の糖を含む。

糖（グルコース−フルクトース）分解を、本方法において使用される、カルシウム形態陽イオン交換樹脂と組み合わせたナトリウム形態陽イオン交換樹脂の重量％の関数として示す、実施例からのデータのプロットである。

本発明は、第１の糖を糖含有液体供給混合物から分離するためのクロマトグラフィー方法を含み、本方法は、その供給混合物を、陽イオン交換樹脂の層と接触させるステップと、供給混合物よりも高い純度の第１の糖を有する第１の生成物流を回収するステップと、を含む。比較的より高い純度の二次成分（例えば、異なる糖）を含む、追加の生成物流もまた回収され得る。二次成分は、以下の化合物、すなわち、第１の糖成分とは異なる第２の糖成分、ならびに無機塩、アミノ酸、アルコール、有機酸、及び有機酸の塩などの非糖成分のうちの１つ以上から選択され得る。好ましい実施形態において、液体供給混合物は少なくとも２つの糖成分を含む。特に対象となる糖には、グルコース、フルクトース、ラクトース、スクロース、マルトース、グルコース、ガラクトース、ソルボース、キシロース、マノース、イソマルトース、スタキオース、アラビノース、タガトース、ラフィノース、及びオリゴ糖が含まれる。特に対象となるのは、フルクトース及びグルコースを含む液体混合物である。

非糖成分は、液体供給混合物中の糖または糖類含有物の分離に実質的に干渉しない化合物である。

好適な無機塩は液体混合物中に可溶性である無機塩であり、好ましくはアルカリ金属またはハロゲン化アルカリ性土類金属から選択される。好適な無機塩の例は、塩化カリウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カリウム、及び炭酸ナトリウムである。

好適なアミノ酸は、液体混合物中に可溶性である炭素含有化合物であり、少なくとも１つのアミノ基（−ＮＨ２）及び１つのカルボキシル基（ＣＯＯＨ）を有する。好適なアミノ酸の例は、グリシン、アラニン、グルタミン、リジン、及びフェニルアラニンである。好ましいアミノ酸は、１０個以下、及びより好ましくは７個以下の炭素原子含量を有するアミノ酸である。好適なアルコールは、性質において一価または多価アルコールであり、好ましくは１０個以下の炭素原子を有し得る。好ましいアルコールは、１〜約７個の炭素を有する。好適なアルコールの例は、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソ−プロパノール、ｎ−ブタノール、ｔ−ブタノール、ｎ−ペンタノール、ｎ−ヘキサノール、シクロヘキサノール、及びｎ−オクタノールである。特に好ましいアルコールにはポリオールが含まれる。

好適な有機酸は、少なくとも１つのカルボキシル基を有し、１０個以下の炭素原子含量を有する。好ましい有機酸は、１〜７個の炭素を有する。好適な有機酸の例は、安息香酸、クエン酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、酪酸、及びそのような酸の塩である。酸がその塩形態にある場合、対イオンは、好ましくはナトリウム、カリウム、またはカルシウムなどのアルカリまたはアルカリ性土類金属イオンである。

本方法において使用される陽イオン交換樹脂は、好ましくはビーズ形で提供される。適用可能な樹脂は、例えば、他の任意のモノビニリデンモノマー、ジビニルベンゼンを含む架橋モノマー、フリーラジカル開始剤、及び任意の相分離希釈剤とともにスチレンを含む細かく分割された有機相の懸濁重合による、スチレンなどのモノビニリデンモノマーを含むモノマー混合物及びジビニルベンゼンなどの架橋剤の重合化から得られる架橋コポリマーマトリックスを含む。架橋コポリマーはマクロ多孔性またはゲル型であり得る一方で、ゲル型コポリマーが好ましい。用語「ゲル型」及び「マクロ多孔性」は当該技術分野において既知であり、一般的にコポリマービーズの多孔度の性質を説明する。当該技術分野において使用される、用語「マクロ多孔性」は、コポリマーがマクロ細孔及びメソ細孔の両方を有することを意味する。用語「マクロ多孔性」、「ゲルラー（ｇｅｌｌｕａｒ）」、「ゲル」、及び「ゲル型」は、約２０オングストロームÅ未満の細孔径を有するコポリマービーズを説明する同義語であり、一方マクロ多孔性コポリマービーズは、約２０Å〜約５００Åのメソ細孔及び約５００Åを超えるマクロ細孔の両方を有する。ゲル型及びマクロ多孔性コポリマービーズ、ならびにそれらの調製物は、米国第４，２５６，８４０号及び米国第５，２４４，９２６号において更に説明され、これらの内容全体が本明細書に参照によって組み込まれる。架橋コポリマー樹脂ビーズは、好ましくは１００〜１０００ミクロンの中央ビーズ直径値を有する。ビーズはガウス粒子径分布を有し得るが、好ましくは比較的均一な粒子径分布を有する、すなわち「単分散する」、つまり少なくとも９０体積％のビーズが体積平均粒子直径の約０．９〜約１．１倍の粒子直径を有する。

コポリマービーズは、当該技術分野において既知である技術を使用してスルホン化陽イオン交換樹脂に転換され得る。例えば、スルホン化樹脂は、例えば、米国特許番号第３２６６００７号、同第２５００１４９号、同第２６３１１２７号、同第２６６４８０１号、及び同第２７６４５６４号に説明される方法を使用して架橋コポリマービーズから調製され得、これらに関連する技術は本明細書に参照によって組み込まれる。一般的に、スルホン化陽イオン交換樹脂は、架橋コポリマービーズを、濃硫酸（総重量に基づいて少なくとも約９５重量％の硫酸を有する酸）、発煙硫酸、クロロスルホン酸、または三酸化硫黄などのスルホン化剤と、ある温度で所望の程度のスルホン化を得るために十分な時間反応させることによって調製される。好ましいスルホン化剤は濃硫酸である。濃硫酸の量は、反応中に適切な混合を提供するために十分であるべきであり、一般的に約６：１〜約２０：１の酸対ビーズの重量比で十分である。典型的に、酸及びコポリマービーズは、１グラム当たり少なくとも約０．５ミリ当量（ｍｅｑ／ｇ）の乾燥重量容量を有する樹脂を得るために十分な時間、約０℃〜約２００℃の温度で維持される。コポリマーの特定の領域のみが官能化される樹脂もまた、本発明において用いられ得る。そのような樹脂の例は、欧州特許出願第ＥＰ−Ａ−０３６１６８５号において説明されるもののように、外部部分つまりシェルのみが官能化される樹脂である。

スルホン化の後、樹脂は、水で洗浄することによって加水分解され、アルカリまたはアルカリ性金属塩に転換され得る。樹脂は、好ましくは、一連の硫酸水溶液でまず洗浄され、そのそれぞれが、先行する酸洗浄において使用された硫酸溶液と比較して連続的により希釈されており、最後に水で洗浄される。その後、洗浄された樹脂は、所望の金属対イオンを有する水溶性金属塩または塩基の飽和水溶液との接触によって所望の塩形態に転換され得る。例えば、樹脂は、塩化カルシウムまたは水酸化カルシウム溶液との接触によってそのカルシウム形態に転換され得る。樹脂は、所望の金属の好適な水溶性塩を使用して、同様の様式で他の形態に転換され得る。

適用可能な陽イオン交換樹脂を作製するための方法は、米国第５１７６８３２号及び米国第５２２１４７８号において説明され、これらの両方は、その全体が本明細書に組み込まれる。

本発明において使用される陽イオン交換樹脂の層は、好ましくはｉ）アルカリ性土類対イオン（好ましくはカルシウム、ストロンチウム、及びバリウムから選択される少なくとも１つであるが、組み合わせでもある）を含む少なくとも７５重量％（及びより好ましくは８０重量％）の陽イオン交換樹脂と、ｉｉ）アルカリ土類対イオン（好ましくはリチウム、ナトリウム、及びカリウムから選択される少なくとも１つであるが、組み合わせでもある）を含む少なくとも５重量％の陽イオン交換樹脂と、を含む。より好ましい一実施形態において、陽イオン交換樹脂の層は、ｉ）アルカリ性土類対イオンを含む少なくとも８０〜９５重量％の陽イオン交換樹脂と、ｉｉ）アルカリ土類対イオンを含む少なくとも５〜２０重量％の陽イオン交換樹脂と、を含む。アルカリ性金属形態及びアルカリ土類金属形態の両方の陽イオン交換樹脂の組み合わせは、特にグルコース及びフルクトースなどの糖の、液体供給混合物中の構成物間の改善された分解を提供する。適用可能な商業的に入手可能な陽イオン交換樹脂は、ＤＯＷＥＸＭＯＮＯＳＨＥＲＥ９９Ｃａ３１０とともにそのナトリウム転換対応樹脂を含む。アルカリ性及びアルカリ金属形態樹脂は、好ましくは層を形成する前に配合され、洗浄され、その後に対イオンが平衡分布に達する。

処理される糖含有液体供給混合物は、層を通した第１の糖成分の通過が、液体混合物の二次成分（例えば、第２の糖成分）の速度とは異なる速度で進むような条件下で、陽イオン交換樹脂の層に接触させられる。有利には、層は、所望の成分の分離に至るために十分な量の樹脂が充填された、クロマトグラフィーカラムなどの容器内に提供される樹脂のカラムまたは床である。液体供給混合物が層と接触させられた後、それは、混合物の成分のための溶媒を使用して、既知の様式で溶出される。この様式において、層から溶出された生成物は、第１の糖成分に富む第１の回収可能な生成物流、及び第１の糖成分を欠く少なくとも１つの第２の回収可能な生成物流を含む。好ましくは、このプロセスは、そのそれぞれが、他の回収可能な生成物流と比較して所与の糖または非糖成分において比較的純粋である、少なくとも２つの回収可能な生成物流を生成する。イオン交換樹脂を使用するクロマトグラフィー分離のためのプロセスは既知であり、例えば、Ｗａｎｋａｔ，Ｌａｒｇｅ−ＳｃａｌｅＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎａｎｄＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，ＣＲＣＰｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．，ＢｏｃａＲａｔｏｎ，Ｆｌａ．（１９８６）及び米国特許番号第５１７６８３２号、同第５２２１４７８号、同第４１８２６３３号、及び同第２９８５５８９号によって説明され、これらの教示は本明細書に参照によって組み込まれる。

分離の条件は、大部分が分離される特定の液体混合物に依存する。一般的に、分離が実行される温度は、凝固点、沸点、分離される液体混合物の粘度、及び糖成分、非糖成分、または樹脂自体が分解し始める温度によって制限される。２０℃〜１００℃の温度が一般的に好ましい。

液体混合物中のすべての糖及び非糖成分の濃度は、混合物の総重量に基づいて有利に約１％〜約９５重量％の範囲である。大量の溶媒を生成物流から除去することを避けるために、可能な限り高い濃度の糖及び非糖成分として使用することが好ましい。高濃度の糖溶液はより低い温度で高粘度である傾向があるため、供給濃度もまた、いくらか温度に依存する。非糖成分が液体混合物中に存在する場合、それらが、混合物中のすべての糖及び非糖成分の重量に基づいて約６０重量％未満、及びより好ましくは約３０重量％未満の量で存在することが好ましい。

液体混合物の流量は幅広く変動し得、分離される特定の混合物に部分的に依存する。ほとんどの分離において、１時間当たり約０．１〜約２０床体積、好ましくは約０．２５〜約５床体積、より好ましくは、約０．４〜約２床体積（用語「床体積」は、樹脂床の体積に等しい流体の体積を指す）の流量が使用され得る。

使用される脱離溶媒、すなわち溶出剤の体積は幅広く変動し得、特に重大な意味をもたない。一般的に、より小さい量の脱離溶媒が生成物流から除去されるべきであるように、脱離溶媒の使用を最小化することが好ましい。例えば、連続的プロセスにおいて、供給混合物の体積の約０．１〜約２０倍、好ましくは約１〜約８倍、より好ましくは約１〜約４倍が使用され得る。バッチまたはパルス様式のプロセスにおいて、最大約５０床体積が有利に使用される。

好ましいフルクトース／グルコース分離において、異性化プロセスから得られるものなどのフルクトース及びグルコースの混合物を含有する水溶液は、より高い相対純度のフルクトースを含有する生成物混合物が得られるように、樹脂床を通過し、水とともに溶出する。生成物混合物は、少なくとも約５０重量％のフルクトース、好ましくは少なくとも約５５重量％のフルクトース、より好ましくは少なくとも約５５〜約９９重量％のフルクトースを有利に含有する。分離は、糖を実質的に劣化させずに粘度及び微生物繁殖を最小化するために、好ましくは約２０℃〜８０℃、より好ましくは約４０℃〜７０℃、最も好ましくは約５０℃〜６０℃の温度で実行される。供給物中の糖成分の濃度は、有利に液体混合物の約３０〜約７５重量％、より好ましくは約４５〜約６５重量％、最も好ましくは約５０〜約６０重量％である。流量は、有利に１時間当たり約０．１〜約２０床体積、好ましくは約０．２５〜約２．５床体積、及びより好ましくは約０．４〜約１．５床体積である。溶出剤の体積は、有利に供給体積の約０．１〜約２０倍、好ましくは約１〜約８倍、より好ましくは約２〜約４倍である。

直線溶出プロセスが使用され得るものの、再利用流もしくは対向流、擬似対向流、または偽移動床（擬似移動床）プロセスの使用によってより大きい効率及びより良好な分離が商業的に得られる。そのようなプロセスは、例えば、Ｗａｎｋａｔ，ｓｕｐｒａ，ＦｏｏｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｊｕｌｙ１９７９，ｐｐ．７４−７５、ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊａｎ．２４，１９８３，ｐｐ．５０−５２、及びＢｉｅｓｅｒａｎｄｄｅＲｏｓｓｅｔ，“ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｏｕｎｔｅｒｃｕｒｒｅｎｔＳｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＳａｃｃｈａｒｉｄｅｓｗｉｔｈＩｎｏｒｇａｎｉｃＡｄｓｏｒｂｅｎｔｓ”，ＤｉｅＳｔａａｒｋｅ，Ｊａｈｒｇ．１９７７，Ｎｏ．１１，ｐｐ．３９２−３９７に説明され、すべてが本明細書に参照によって組み込まれる。

いくつかの異なる配合のカルシウム及びナトリウム形態のＤＯＷＥＸＭＯＮＯＳＰＨＥＲＥ９９Ｃａ３１０^＊を調製し、２．５ｃｍの内径及び１ｍの高さを有するガラスカラムを使用して試験した。カラムに、約９５ｃｍの高さを有する樹脂の層を充填した。各試験において使用される液体供給混合物は、１５Ｂｒｉｘ（１５％の固体含量、フルクトース純度は４２％、グルコース純度は５８％）を含んだ。パルス（供給）体積は１０ｍｌであり、溶出は６０℃で２０ｍｌ／分の流量の純水を使用して実行された。１０ｍｌのパルス供給注入の後、溶出剤水を２０ｍｌ／分で保持した。試料を画分化し、連続的に収集した。試料のグルコース／フルクトース純度を、ＨＰＬＣを通して測定した。分離分解を、以下のようにバンド幅及びピーク位置によって評価した。
Ｒ＝２^＊（Ｖｆ−Ｖｇ）／（Ｗｆ＋Ｗｇ）

式中、Ｖｆ及びＶｇは、それぞれフルクトース及びグルコース（グルコースはカラム内でフルクトースよりも速く溶出した）のピーク値の溶出時間であり、Ｗｆ及びＷｇは、それぞれフルクトースピーク及びグルコースピークの幅である。ピークの幅は、ピークのいずれかの側の屈曲点へと引かれる接線によって区切られる、ピーク底部の区域の幅であった（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＵｎｉｏｎｏｆＰｕｒｅａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙＩＵＰＡＣ．ＣｏｍｐｅｎｄｉｕｍｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ，２ｎｄｅｄ．（ｔｈｅ“ＧｏｌｄＢｏｏｋ”），ＣｏｍｐｉｌｅｄｂｙＡ．Ｄ．ＭｃＮａｕｇｈｔａｎｄＡ．Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ．ＢｌａｃｋｗｅｌｌＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｏｘｆｏｒｄ（１９９７）の方法に従う）。分解能の値を計算して図１にプロットした。陽イオン交換樹脂の約９０重量％のカルシウム形態及び１０重量％のナトリウム形態を含む配合が、最も高い分解、すなわち、樹脂のカルシウム形態を単独で含む樹脂床の分解よりも約１０％高い分解を提供した。

＊ＤＯＷＥＸＭＯＮＯＳＰＨＥＲＥ９９Ｃａ３１０は、ＴｈｅＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙから商業的に入手可能な、３１０μｍの平均粒子径を有するスチレン−ジビニルベンゼン架橋ゲル型樹脂である。２０床体積の１Ｍ塩化ナトリウムを、樹脂を通して流すことによって、カルシウム形態樹脂をナトリウム形態に転換した。

Claims

糖含有液体供給混合物を、スルホン酸基で官能化した架橋コポリマーマトリックスを含む陽イオン交換樹脂の層と接触させることと、
第１の生成物流を、前記液体供給混合物中に存在するよりも高い純度の前記第１の糖を有する前記層から回収することと、によって前記第１の糖を前記液体供給混合物から分離するためのクロマトグラフィー方法であって、
ｉ）アルカリ性土類対イオンを含む少なくとも７５重量％の陽イオン交換樹脂と、
ｉｉ）アルカリ土類対イオンを含む少なくとも５重量％の陽イオン交換樹脂と、を含む、前記陽イオン交換樹脂の層を特徴とする、クロマトグラフィー方法。
前記アルカリ性土類対イオンが、カルシウム、ストロンチウム、及びバリウムのうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の前記方法。
前記アルカリ土類対イオンが、リチウム、ナトリウム、及びカリウムのうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の前記方法。
前記架橋コポリマーマトリックスが、スチレン及びジビニルベンゼンを含むモノマー混合物から得られる、請求項１に記載の前記方法。
前記陽イオン交換樹脂が、１００〜１０００μｍの粒子径を有するビーズ形態で提供される、請求項１に記載の前記方法。
前記陽イオン交換樹脂の層が、
ｉ）アルカリ性土類対イオンを含む８０〜９５重量％の陽イオン交換樹脂と、
ｉｉ）アルカリ土類対イオンを含む５〜２０重量％の陽イオン交換樹脂と、を含む、請求項１に記載の前記方法。
前記糖含有液体供給混合物が、少なくとも２つの異なる型の糖を含み、前記第１の糖が、第１の生成物流中に回収され、前記方法が、第２の生成物流を回収するステップを更に含み、
ｉ）前記第１の生成物流が、前記第２の生成物流よりも高い純度の前記第１の糖を有し、
ｉｉ）前記第２の生成物流が、前記第１の生成物流よりも高い純度の前記第２の糖を有する、請求項１に記載の前記方法。
前記第１及び第２の糖が、グルコース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ラクトース、スクロース、マルトース、グルコース、ガラクトース、ソルボース、キシロース、マンノース、イソマルトース、スタキオース、アラビノース、タガトース、及びラフィノースから選択される、請求項７に記載の前記方法。