JP3554808B2 - 擬似移動床方式のクロマト分離法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は擬似移動床方式のクロマト分離法に係り、特に、高い分離性能で液体中の成分を分離回収することができる擬似移動床方式のクロマト分離法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体中の成分を分離回収するクロマト分離法は熱などを加えない分離方法であることから薬品や食品の分野等で広く用いられており、グルコ−スとフラクト−スの分離などで知られているように、特に、大規模量の液体中成分の分離には擬似移動床方式のクロマト分離法が適用されている。
【０００３】
クロマト分離法は、装置内に充填した充填剤（以下、吸着剤と呼ぶ）と液体中の各々の成分の吸着性の差を利用して各成分を分離する方法で、固定床方式と移動床方式および擬似移動床方式がある。固定床方式は大量処理できないことから液体の分析などに用いられるに過ぎない。移動床方式は大量処理を目的に発案されたが、固体の吸着剤（充填剤）を移動速度を制御しつつ装置内でスム−ズに動かすことは難しく、そこで、その改良版として擬似移動床方式が提案され、現在のところ、大量処理には擬似移動床方式が多く採用されている。
【０００４】
擬似移動床方式は、吸着剤が充填された幾つかの室からなる充填床があり、この充填床内を液体が一方向に循環できる構造となっている。流れの方向に沿って充填床に脱着液供給口、吸着質液抜出口、原料液供給口、非吸着質液抜出口が配置されている。なお、吸着質とは充填された吸着剤に対しより吸着されやすい吸着性の溶質を言い、吸着質液とはこの溶質を含む液を言う。同様に、非吸着質液とはより吸着されにくい非吸着性の溶質を含む液を言う。脱着液とは吸着剤に吸着された吸着質を吸着剤から分離させる液のことである。脱着液が供給されると吸着質を多く含んだ吸着質液ができあがり、原料液が供給されて吸着剤に吸着質が吸着され非吸着質の割合が多くなることによって非吸着質液ができあがる。
【０００５】
図３に擬似移動床方式が実施される擬似移動床方式クロマト分離装置での液の流れ模型を示す。
【０００６】
図３において、ａ〜ｈは吸着剤を充填した室（充填床）であり、１は脱着液供給口、２は吸着質液抜出口、３は原料液供給口、４は非吸着質液抜出口、５は循環液を示す。１ａ〜４ａはそれぞれ一定時間運転後における次の運転時間での各供給・抜出口１〜４の位置を示す。
【０００７】
液体は室ａから室ｈに向かって循環しており、脱着液供給口１、吸着質液抜出口２、原料液供給口３、非吸着質液抜出口４はそれぞれ室ａ、ｃ、ｅ、ｇの前に設置されている。
【０００８】
この状態で一定時間運転後、脱着液供給口１等は循環流れの方向に沿って次の室の前に移動し、次いでこの状態で一定時間運転を行い、これを繰返す。このように操作することにより、充填床は見掛け上動くことになり、擬似移動床となる。この一定時間運転の期間をステップタイムと呼ぶことにする。即ち、ステップタイム毎に脱着液供給口１等は流れ方向に沿って次の室の前に移動することになる。また、脱着液供給口１等が、流れ方向に動くことから、充填床は循環流れと逆方向に動くことになる。
【０００９】
擬似移動床方式クロマト分離装置は機能の面から四つの帯域、イ）脱着液供給口から吸着質液抜出口までの第１帯域、ロ）吸着質液抜出口から原料液供給口までの第２帯域、ハ）原料液供給口から非吸着質液抜出口までの第３帯域、および、ニ）非吸着質液抜出口から脱着液供給口までの第４帯域とに区分でき、それぞれの帯域では１ないし複数個の室からなっている。
【００１０】
擬似移動床方式クロマト分離装置の分離機構を紹介したものとして『Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｊａｐａｎ Ｖｏｌ．１６ Ｎｏ．５ Ｐ４００−４０６ １９８３』に掲載の橋本等の優れた論文がある。
【００１１】
この論文に示された従来技術では各室の吸着剤の空間率をε、移動速度をｕとし、各室を流れる液の流速をｖ、成分の分配係数をＭとする。室の長さをＬ、ステップタイムをＴとすると、移動速度ｕは、ｕ＝Ｌ／Ｔとなる。
【００１２】
橋本等はβを
β＝（ｖ−εｕ）／（ｕ（１−ε）Ｍ） …式１
と定義し、擬似移動床方式クロマト分離装置が正常に動作するために各帯域でのβの範囲を明らかにした。
【００１３】
このβは、分配係数Ｍが平衡状態での吸着剤中の成分濃度Ｃｓと液中のそれＣｌとの比Ｍ＝Ｃｓ／Ｃｌを示すので、

となる。
【００１４】
吸着剤の移動方向は液のそれと逆方向になるから、成分はβが１より大きい場合は液の流れ方向に移動し、１より小さい場合は逆方向に移動することになる。成分が吸着質の場合の分配係数をＭ１、非吸着質のそれをＭ２とするとＭ１は
Ｍ２より大きいので、βは吸着質の方が小さくなる。
【００１５】
各室を流れる液の流速ｖやステップタイムＴを調節し、第１帯域のβは両成分とも１より大きく、第２帯域と第３帯域では吸着質の場合で１より小さく、非吸着質の場合は１より大きくし、第４帯域では両成分とも１より小さくすることができる。このようにすると、吸着質は吸着質液抜出口に集まり、非吸着質は非吸着質液抜出口に集まることになる。従って、２成分は連続的に分離できるとした。 尚、同様な技術を示すものとして特公平５−９０８０号公報などがある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記論文や上記特許公告公報などに示された従来技術において、各室を流れる液の流速ｖについて見ると、分離を行うには第１帯域のβと第２帯域のβ、及び第３帯域のβと第４帯域のβは異なる値にする必要があるので、各帯域を流れる液の流速ｖは、これらの帯域間で同じ値では分離が困難となる。即ち、上述のように、各帯域間の液の流速ｖを制御することにより２成分が分離することはわかっているが、高い分離性能が得られない欠点があった。これを図４を用いて説明する。例として、吸着成分を分離する場合とする。
【００１７】
図４において、１０は吸着質成分の濃度分布、１１は非吸着質成分の濃度分布を示す。他の引用符号は図３と同じである。
【００１８】
クロマト分離は溶質の液から固体への吸着性を利用するから、クロマト分離装置内では図４のような濃度分布の広がりができる。吸着質成分は吸着質液抜出口２、即ち、図３の場合は室ｂと室ｃの間から連続的に抜き出されるが、抜出口はステップタイムＴの間ではこの位置に留まる。従って、ステップタイムＴの間、循環液５は連続的に流れているので図４の斜線の部分が抜き出され、吸着質成分中に非吸着質成分が含まれることになり、充分な分離性能が得られない。
【００１９】
前記した充填剤が連続的に移動する移動床方式では、室ｂの中の一点から抜き出すことができるので、非吸着質成分割合が小さい吸着質液を抜き出すことができる性能は高くなる。しかし、固体の充填剤をスム−ズに動かすことは非常に難しいため、移動床方式は実用的でない。擬似移動床方式をできるだけ移動床方式に近づけるには室の数を多くすればよいが、装置は大型化し、また、脱着液供給口１、吸着質液抜出口２、原料液供給口３、非吸着質液抜出口４などの移動のために各供給口１、３、抜出口２、４に設けられている図示していない開閉弁の制御系が複雑となり実用的でない。このように、擬似移動床方式は種々な制約があって、分離性能が十分に発揮できず、より高純度の液が得られない問題があった。 それゆえ本発明の目的は、擬似移動床方式クロマト分離装置を大型化することなく、かつ、簡単な制御によって分離性能を向上し、より高純度の液を得ることができる擬似移動床方式のクロマト分離法を提供することにある。
【００２０】
また、本発明の他の目的は、各種の液について擬似移動床方式クロマト分離装置を大型化することなく、かつ、簡単な制御によって分離性能を向上し、より高純度の液を得ることができる擬似移動床方式のクロマト分離法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、擬似移動床方式のクロマト分離法において、各帯域を流れる液の流速は、ステップタイム内のある期間だけ第１帯域と第２帯域あるいは第３帯域と第４帯域とで等しくすることにある。
【００２２】
さらに、原料液の供給、吸着質液の抜出、非吸着質液の抜出をステップタイム内のある期間中に限って行なうことことにある。
【００２３】
従来、第１帯域と第２帯域間、又は第３帯域と第４帯域間での液の流速ｖは、分離を行うためには異なることが必要と見做されていたが、本発明者らはステップタイム期間内において、これらが同じであってもクロマト分離ができること、更に、むしろ分離性能が向上し高純度化するとの考察に至った。
【００２４】
図４を用いて純度の高い吸着質液を得る場合について説明する。
【００２５】
通常の擬似移動床方式クロマト分離装置では、図４の斜線の部での液組成の積分値が抜き出される。斜線部において吸着質成分と非吸着質成分との間では濃度や濃度勾配は異なるので、液の流れ方向に見てこの部分を前半と後半に分けた場合、前半と後半の間で吸着質成分の純度は異なることになる。従って、ステップタイム期間内の前半か後半いずれか純度の高い方を選べば、純度の高い吸着質液を得ることができる。この場合、後半か前半の他方側は液を抜き出さないので、第１帯域と第２帯域の液流速は等しくなる。同様に、純度の高い非吸着質液を得る場合も同じ操作でより高い純度の液を得ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図１に示す実施例に基づいて本発明擬似移動床方式のクロマト分離法を説明する。
【００２７】
実施例１
図１に実施例を示す。図１では第１帯域付近を中心に示している。
【００２８】
図１において、１２はシュ−クロ−ス、１３は塩、１４はベタインの濃度分布（濃度スケ−ルは、一様ではない）を示し、他の記号は図３と同じである。塩は非吸着質であり、ベタインはシュ−クロ−スより吸着性が強い。
【００２９】
固形分基準でシュ−クロ−ス７８％、塩（塩化カリウムと塩化ナトリウムを重量比で３対１含む）１７％、ベタイン５％を含む固形分濃度７０％の液を作成し、高純度のシュ−クロ−スを回収する実験を行った。用いた装置は陽イオン交換樹脂を充填した内径４３ｍｍ長さ９００ｍｍのカラム（室）が８本設置されたもので、室の分割は第１帯域より第４帯域にかけて順に２、２、３、１とした。脱着液に水（イオン交換水）を用い、運転温度は７５℃とした。
【００３０】
装置内の濃度分布を求めた結果、図１に示すようになり、特にベタインはシュ−クロ−スを回収する吸着質液抜出口に混入してきており、そのベタイン濃度は室ａのほうから室ｂに向かって小さくなることが分かった。図中に示すｓ、ｂ、ｚはそれぞれシュ−クロ−ス、ベタイン、塩の濃度で、添字１、２、３は次のステップに切り替わる直前、中間点、切り替わった直後を意味する。即ち、吸着質液抜出口からは添字３→２→１の順で出てくる。ベタインの濃度はｂ１＞ｂ２＞ｂ３であるから、シュ−クロ−スと塩を良く分離する運転条件で、ステップを切り替えた直後から前半のみを抜き出すとシュ−クロ−スの純度は高くなることになる。これを実験で確認した。
【００３１】
上記に示したシュ−クロ−ス混合液を１０ｍｌ／ｍｉｎ、脱着液を５０ｍｌ／ｍｉｎ連続的に投入し、純度を高くしたシュ−クロ−ス液を前半に４０ｍｌ／ｍｉｎ、後半は０ｍｌ／ｍｉｎ、平均２０ｍｌ／ｍｉｎの流量で抜き出した。
【００３２】
この場合、各帯域の流量は次のようにした。
【００３３】
第１帯域：前、後半共１４０．０ｍｌ／ｍｉｎ
第２帯域：前半１００．０ｍｌ／ｍｉｎ、後半１４０．０ｍｌ／ｍｉｎ
第３帯域：前半１１０．０ｍｌ／ｍｉｎ、後半１５０．０ｍｌ／ｍｉｎ
第４帯域：前、後半共９０．０ｍｌ／ｍｉｎ
ステップタイムは３１０秒とし前半および後半それぞれ１５５秒で運転した。
【００３４】
ここで第１、第２両帯域での液の流速を前記橋本等の論文に従った流速ｖ（流量／カラム断面積）でみると、第１帯域で９．６４ｃｍ／ｍｉｎ、第２帯域では前半が６．８９ｃｍ／ｍｉｎおよび後半が９．６４ｃｍ／ｍｉｎとなり、第２帯域の後半は第１帯域と流量が等しいので同じ流速となる。
【００３５】
その結果、本発明においてシュ−クロ−ス純度９０．０％を得た。
【００３６】
比較のため、吸着質液の抜き出しを連続とする従来の擬似移動床方式の場合で、各帯域の流量をそれぞれ１４０．０、１２０．０、１３０．０および９０．０ｍｌ／ｍｉｎで行った結果は、シュ−クロ−ス純度８８．５％であり、本発明によればシュ−クロ−スの純度は大幅に向上できた。
【００３７】
このように、従来、クロマト分離のためには第１帯域の流量と第２帯域の流量は異なることが必要とされてきたが、上記のように流量を同じとする運転で各成分は分離でき、しかも、性能は却って向上することになる。
【００３８】
実施例２
この実施例は、グルコ−ス１．５％、マルト−ス９４．５％、マルトトリオ−ス３．５％、その他を０．５％含む原料液より高純度のマルト−スを得るものである。
【００３９】
用いた装置は、図１と同様に、陽イオン交換樹脂を充填した内径４３ｍｍ、長さ９００ｍｍのカラム（室）が８本ある。室の分割は第１帯域より順に２、２、３、１とした。脱着液に水（イオン交換水）を用い、運転温度は６０℃、原料液は固形分濃度５０％液とした。この系ではマルト−スが吸着質でマルトトリオ−スが非吸着質となる。
【００４０】
脱着液は１３．０ｍｌ／ｍｉｎ、原料液は３．０ｍｌ／ｍｉｎの割で連続的に流し、吸着質の抜き出しはステップタイム期間の前半は止め、後半の半分だけ１２．５ｍｌ／ｍｉｎの流量で抜き出した。従って、平均の抜き出し流量は６．２５ｍｌ／ｍｉｎとなる。第４帯域の流量は６０ｍｌ／ｍｉｎとし、非吸着質液の抜き出しは成り行きとした。これらを整理すると次のようになる。
【００４１】
第１帯域の流量：前、後半共７３．０ｍｌ／ｍｉｎ
第２帯域の流量：前半７３．０ｍｌ／ｍｉｎ、後半６０．５ｍｌ／ｍｉｎ第３帯域の流量：前半７６．０ｍｌ／ｍｉｎ、後半６３．５ｍｌ／ｍｉｎ
第４帯域の流量：前、後半共６０．０ｍｌ／ｍｉｎ
ステップタイムを５９０秒、そして前半、後半はともに２９５秒で運転した結果、マルト−スの純度９９．１％を得た。
【００４２】
比較のため吸着質の抜き出しを連続とする従来方式でそれぞれの帯域の流量を７３．０、６６．８、６９．８、６０．０ｍｌ／ｍｉｎとし同一回収率を狙った結果、マルト−スの純度９８．４％を得た。
【００４３】
本実施例でも、第１帯域の流量と第２帯域の流量とを同じとする運転で充分分離でき、又、性能は却って向上する。
【００４４】
図２に上記の実施例での吸着質液抜き出し付近のマルト−スとマルトトリオ−スの濃度分布を１５、１６で示す。尚、本図では任意スケ−ルで表わしている。
【００４５】
図においてｍはマルト−スの濃度を、ｋはマルトトリオ−スの濃度を示し、添字１、２、３はそれぞれつぎのステップに切り替わる直前、中間点、切り替わった直後を示す。
【００４６】
図示したように、マルト−スはステップタイムの間で一様な濃度に対し、マルトトリオ−スの濃度は液の流れ方向に増加している。この場合、ｍ１＝ｍ２＝ｍ３であるが、ｋ１＜ｋ２＜ｋ３であるので、マルト−スとマルトトリオ−スの分離にはステップタイムの後半に抜き出す方がよいことが明かであり、上記の結果と一致する。
【００４７】
実施例３
実施例２において、原料液の供給をステップタイムの前半のみ行う。
【００４８】
この様に運転すると、図４を参照して説明するに、原料液は図４の室ｅの室ｆに近い側のみに供給されることとなり、吸着質抜出口２と原料液供給口３の間が室ｃ、ｄ、ｅの前半と、この間を長くとれ、吸着質と非吸着質との分離がより十分にできる。
【００４９】
このことは、非吸着質であるマルトトリオ−スの濃度の高い個所に限って原料液を供給し、そのステップタイムの全域に非吸着質分が拡がることを防ぎ、もって、吸着質と非吸着質の分離が良好に行なわれるようにしていることを意味している。
【００５０】
実施例４
実施例１〜３では吸着質液の抜き出し側について示してきた。非吸着質液側の非吸着質成分純度が問題となる場合は、実施例１〜３と同じように見做し、同じような操作をすることにより、より純度の高い非吸着質成分を得ることができることは当然である。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、擬似移動床方式クロマト分離装置を大型化することなく、かつ、簡単な制御によって分離性能を向上し、より高純度の液を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明クロマト分離法の一実施例になる擬似移動床方式の装置の動作状況を説明する図である。
【図２】本発明クロマト分離法の他の一実施例になる擬似移動床方式のクロマト分離装置の動作状況を説明する図である。
【図３】従来のクロマト分離法になる擬似移動床方式クロマト分離装置の動作を説明する図である。
【図４】図３に示した擬似移動床方式のクロマト分離装置内の各成分の濃度分布の例を示す図である。
【符号の説明】
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ……室
１、１ａ……脱着液供給口 ２、２ａ……吸着質液抜出口
３、３ａ……原料液供給口 ４、４ａ……非吸着質液抜出口
５……循環液
１０……非吸着質成分の濃度分布 １１……吸着質成分の濃度分布
１２……シュ−クロ−スの濃度分布 １３……塩の濃度分布
１４……ベタインの濃度分布 １５……マルト−スの濃度分布
１６……マルトトリオ−スの濃度分布

Claims (2)

1. 充填剤が充填されている４ヶ以上の室からなり、前記室間を順に一方向に流体が循環的に流れるように構成されており、前記流体の流れに沿って脱着液供給口、吸着質液抜出口、原料液供給口、非吸着質液抜出口が設けられ、全体は前記脱着液供給口と前記吸着質液抜出口との間からなる第１帯域、前記吸着質液抜出口と前記原料液供給口の間からなる第２帯域、前記原料液供給口と前記非吸着質液抜出口の間からなる第３帯域、前記非吸着質液抜出口と前記脱着液供給口の間からなる第４帯域からなり、各帯域は１ないし複数個の室からなり、前記脱着液供給口、前記吸着質液抜出口、前記原料液供給口、前記非吸着質液抜出口の位置がステップタイム毎に前記流体の流れ方向に順に前記室の１室づつ移動させる擬似移動床方式のクロマト分離法において、
   ステップタイム内のある期間中は、第１帯域と第２帯域間、あるいは第３帯域と第４帯域間で前記流体の流量を等しくすることを特徴とする擬似移動床方式のクロマト分離法。
2. 請求項第１項において、原料液の供給、吸着質液の抜出、非吸着質液の抜出をステップタイム内のある期間中に限って行なうことを特徴とする擬似移動床方式のクロマト分離法。

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