JP4614795B2

JP4614795B2 - 金属イオンの除去方法、吸着剤の再生方法および吸着装置の再生方法

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Publication number: JP4614795B2
Application number: JP2005062993A
Authority: JP
Inventors: 伸太郎小林; 朋彦吉武
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP2006242921A

Description

本発明は、金属イオンの除去方法、吸着剤の再生方法および吸着装置の再生方法に関するものである。

リン酸カルシウム系化合物は、生体親和性に優れることから、従来から、タンパク質等を吸着・分離する液体クロマトグラフィー用カラム（吸着装置）に使用する吸着剤として広く利用されている（例えば、特許文献１参照。）。

ところが、リン酸カルシウム系化合物が有するＣａは、比較的容易に金属イオンと置換する。その結果、タンパク質等の吸着・分離特性が大きく変化してしまうという問題があった。

特開平９−１９２４８０号公報

本発明の目的は、リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した金属イオンを効率よく除去し得る金属イオンの除去方法、および、かかる金属イオンの除去方法を適用した吸着剤および吸着装置の再生方法を提供することにある。

このような目的は、下記の（１）〜（４）の本発明により達成される。
（１）リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した金属イオンを除去する金属イオンの除去方法であって、
前記リン酸カルシウム系化合物と、少なくとも２つのＮを含むヘテロ環化合物およびその誘導体のうちの少なくとも１種を除去剤として含む除去液とを接触させる接触工程と、
前記リン酸カルシウム系化合物に接触させた後の前記除去液を除去する除去工程とを有することを特徴とする金属イオンの除去方法。

これにより、リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した金属イオンを、効率よく除去することができる。

（２）前記接触工程と前記除去工程とが連続して行われる上記（１）に記載の金属イオンの除去方法。
これにより、金属イオンの除去操作を極めて簡便に行うことができる。

（３）少なくとも表面付近がリン酸カルシウム系化合物を主材料として構成された吸着剤と、金属イオンを含む被処理液とを接触させた後、前記リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した前記金属イオンを、上記（１）または（２）に記載の金属イオンの除去方法により除去して前記吸着剤を再生させることを特徴とする吸着剤の再生方法。
これにより、吸着剤を容易かつ迅速に再生させることができる。

（４）少なくとも表面付近がリン酸カルシウム系化合物を主材料として構成された吸着剤を、カラムの吸着剤充填空間の少なくとも一部に充填してなる吸着装置を用いて、金属イオンを含む被処理液の処理を行った後、前記リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した前記金属イオンを、上記（２）に記載の金属イオンの除去方法により除去して前記吸着装置を再生させることを特徴とする吸着装置の再生方法。
これにより、吸着装置を容易かつ迅速に再生させることができる。

本発明の金属イオンの除去方法によれば、リン酸カルシウム系化合物自体にダメージを与えることを防止または抑制しつつ、Ｃａに置換した金属イオンを効率よく除去することができる。

また、除去剤の種類を適宜選択することにより、金属イオンの除去効率をより向上させることができる。

このような金属イオンの除去方法を、本発明の吸着剤の再生方法および吸着装置の再生方法に適用することにより、吸着剤および吸着装置を容易かつ迅速に再生させることができる。

以下、本発明の金属イオンの除去方法、吸着剤の再生方法および吸着装置の再生方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

なお、以下では、本発明の金属イオンの除去方法を、吸着剤の再生方法（特に、吸着装置の再生方法）に適用した場合を代表に説明する。

図１は、本発明の吸着装置の再生方法が適用される吸着装置の構成を示す縦断面図である。

なお、以下の説明では、図１中の上側を「流入側」、下側を「流出側」と言う。

ここで、流入側とは、処理する被処理液を吸着装置に供給する側のことを言い、一方、流出側とは、前記流入側と反対側、すなわち、被処理液が吸着装置から流出する側のことを言う。

図１に示す吸着装置１は、カラム２と、粒状の吸着剤３と、２枚のフィルタ部材４、５とを有している。

カラム２は、カラム本体２１と、このカラム本体２１の流入側端部および流出側端部に、それぞれ装着されるキャップ（蓋体）２２、２３とで構成されている。

カラム本体２１は、例えば円筒状の部材で構成されている。カラム本体２１を含めカラム２を構成する各部（各部材）の構成材料としては、例えば、各種ガラス材料、各種樹脂材料、各種金属材料、各種セラミックス材料等が挙げられる。

カラム本体２１には、その流入側開口および流出側開口を、それぞれ塞ぐようにフィルタ部材４、５を配置した状態で、その流入側端部および流出側端部に、それぞれキャップ２２、２３が螺合により装着される。

このような構成のカラム２では、カラム本体２１と各フィルタ部材４、５とにより、吸着剤充填空間２０が画成されている。そして、この吸着剤充填空間２０の少なくとも一部に（本実施形態では、ほぼ満量で）、吸着剤３が充填されている。

また、カラム本体２１に各キャップ２２、２３を装着した状態で、これらの間の液密性が確保されるように構成されている。

各キャップ２２、２３のほぼ中央には、それぞれ、流入管２４および流出管２５が液密に固着（固定）されている。この流入管２４およびフィルタ部材４を介して吸着剤３に、例えば試料、溶出液等の被処理液が供給される。また、吸着剤３に供給された被処理液は、吸着剤３同士の間（間隙）を通過して、フィルタ部材５および流出管２５を介して、カラム２外へ流出する。このとき、被処理液中に含まれる各成分（化合物）のうち、吸着剤３に対する吸着性が高い成分は、吸着剤３に吸着（担持）され、他の成分と相互に分離される。

各フィルタ部材４、５は、それぞれ、吸着剤充填空間２０から吸着剤３が流出するのを防止する機能を有するものである。これらのフィルタ部材４、５は、それぞれ、例えば、ポリウレタン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエーテルポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等の合成樹脂からなる不織布、発泡体（連通孔を有するスポンジ状多孔質体）、織布、メッシュ等で構成されている。

吸着剤３は、その少なくとも表面付近がリン酸カルシウム系化合物を主材料として構成されている。

このような吸着剤３は、リン酸カルシウム系化合物が各種アミノ酸、ペプチド、タンパク質等の生体試料に対して、高い吸着能を有することから、例えば、生体試料の分離・精製等に好適に使用される。

ここで、リン酸カルシウム系化合物としては、例えば、ハイドロキシアパタイト、フッ素アパタイト、炭酸アパタイト等のアパタイト類、リン酸二カルシウム、リン酸三カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム等またはこれらの任意の２種以上の混合物が挙げられる。これらの中でも、リン酸カルシウム系化合物としては、ハイドロキシアパタイトおよびフッ素アパタイトの少なくとも一方を主成分とするものであるのが好ましい。これらのものは、特に、前述したように生体試料に対する吸着能に優れる。

なお、リン酸カルシウム系化合物中には、例えば、その合成の際の原料（未反応物）や、二次反応性物等が含まれていてもよい。

吸着剤３の形態（形状）は、図１に示すように、粒状（顆粒状）のものであるのが好ましいが、その他、例えばペレット状（小塊状）、ブロック状（例えば、隣接する空孔同士が互いに連通する多孔質体、ハニカム形状）等とすることもできる。

吸着剤３を粒状とすることにより、その表面積を増大させることができ、吸着剤３の吸着能を向上させることができる。

粒状の吸着剤３の平均粒径は、特に限定されないが、０．５〜１５０μｍ程度であるのが好ましく、１〜４０μｍ程度であるのがより好ましい。このような平均粒径の吸着剤３を用いることにより、前記フィルタ部材５の目詰まりを確実に防止しつつ、吸着剤３の表面積を十分に確保することができる。

なお、吸着剤３は、その全体がリン酸カルシウム系化合物で構成されたものであってもよく、粒状基材の表面をリン酸カルシウム系化合物で被覆した構成のものであってもよい。

また、図示の構成のように、吸着剤３を吸着剤充填空間２０にほぼ満量充填する場合には、吸着剤３は、吸着剤充填空間２０の各部において、ほぼ同一の組成をなしているのが好ましい。これにより、吸着装置１の被処理液の処理能をより向上させることができる。

なお、吸着剤充填空間２０の一部（例えば流入管２４側の一部）に吸着剤３を充填し、その他の部分には他の種類の吸着剤を充填して構成することもできる。

このような吸着装置１を用いて、被処理液を処理する際に、被処理液が金属イオンを含有すると、金属イオンの種類等にもよるが、吸着剤３を構成するリン酸カルシウム系化合物が有するＣａと比較的容易に置換してしまう。

かかる現象は、リン酸カルシウム系化合物の中でも、ハイドロキシアパタイトおよびフッ素アパタイトに、特に顕著である。

このため、かかる金属イオンを含有する被処理液を、吸着装置１で繰り返し処理すると、リン酸カルシウム系化合物が有するＣａの多くが金属イオンで置換されてしまうことになる。

このような吸着剤３には、Ｃａに置換した金属に対して高い親和性を有する各種化合物が特異的に吸着するようになり、本来吸着させたい化合物（目的とする化合物）が吸着し難くなる。すなわち、吸着剤３の吸着・分離特性が大きく変化し、その結果、吸着装置１の分離・精製能が変化しまう。

そこで、本発明者は、かかる問題点を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、特定の除去剤を用いることにより、吸着剤３を構成するリン酸カルシウム系化合物自体にダメージを与えることを防止または抑制しつつ、リン酸カルシウム系化合物が有するＣａと置換した金属イオンを効率よく除去し得ることを見い出し、本発明を完成するに至った。

これにより、吸着剤３に対して本来の吸着能を回復させること、すなわち、吸着装置１（吸着剤３）を再生させることができる。

以下、図１に示す吸着装置１の再生方法（本発明の吸着剤および吸着装置の再生方法）について説明する。

本実施形態の吸着装置（吸着剤）の再生方法では、特定の除去剤を含む除去液を用いて、この除去液を流入管２４からカラム本体（管体）２１の吸着剤充填空間（内腔部）２０内に供給し、吸着剤充填空間２０内を通過させ、流出管２５から排出させることにより行われる。

除去液は、吸着剤充填空間２０内を通過する際に吸着剤３と接触する（接触工程）。このとき、除去液中の除去剤は、リン酸カルシウム系化合物のＣａに置換した金属イオンを引き抜き（捕捉し）、保持する。そして、このリン酸カルシウム系化合物から引き抜かれた金属イオンは、除去剤に保持された状態で、除去剤とともに、流出管２５からカラム２外へ排出される（除去工程）。

このような吸着装置の再生方法では、接触工程と除去工程とが連続して行われるため、その操作を極めて簡便に行うことができる。

本発明では、除去剤として、少なくとも２つのＮを含むヘテロ環化合物およびその誘導体のうちの少なくとも１種を主成分とするものが用いられる。

本発明者の検討の結果、少なくとも２つのＮを含むヘテロ環化合物およびその誘導体は、いずれも、各種金属イオンを比較的容易に捕捉するものの、Ｃａイオンの捕捉能が極めて低いことを見い出した。

このため、このような除去剤を用いることにより、リン酸カルシウム系化合物からＣａイオンが実質的に除去されることなく、Ｃａに置換した金属イオンが選択的に除去することができる。

なお、除去剤として、一般に広く用いられるＥＤＴＡ（エチレンジアミン四酢酸）等のキレート剤を用いると、リン酸カルシウム系化合物からＣａイオンも引き抜かれ、吸着剤３に大きなダメージ（崩壊等）が生じる。

ここで、少なくとも２つのＮを含むヘテロ環化合物としては、例えば、イミダゾール、ピリミジン、プリン等が挙げられる。

また、それらの誘導体としては、例えば、ヒスチジン、ヒスタミンのようなイミダゾール誘導体、フェノバルビタール、ネムブタール、セコナール、チアミンのようなピリミジン誘導体、尿酸、カフェイン、テオブロミンのようなプリン誘導体等が挙げられる。

これらの中でも、除去剤としては、イミダゾールおよびその誘導体のうちの少なくとも１種を主成分とするものが好ましく、イミダゾールを主成分とするものがより好ましい。かかる除去剤を用いることにより、リン酸カルシウム系化合物が有するＣａと置換した金属イオンを特に効率よく除去することができる。

除去液中の除去剤の濃度（含有量）は、特に限定されないが、１０〜７００ｍｍｏｌ／Ｌ（ｍＭ）程度であるのが好ましく、１００〜４００ｍｍｏｌ／Ｌ（ｍＭ）程度であるのがより好ましい。除去剤の濃度が低過ぎると、除去剤の種類等によっては、金属イオンの除去が効率よくなされず、除去液の使用量が増大するおそれがあり、一方、除去剤の濃度を前記上限値を超えて高くしても、それ以上の除去率の増大が見込めない。

除去液の通液速度は、０．１〜５ｍＬ／ｍｉｎ程度であるのが好ましく、０．５〜２．５ｍＬ／ｍｉｎ程度であるのがより好ましい。通液速度が遅過ぎると、金属イオンの除去に要する時間が必要以上に長くなり、一方、通液速度が速過ぎると、除去剤と金属イオン（吸着剤３）との接触時間が短くなり、金属イオンの除去率が低下するおそれがある。

また、除去液の温度は、常温程度であればよく、特に限定されないが、０〜５０℃程度であるのが好ましく、１０〜３０℃程度であるのがより好ましい。除去液の温度が低過ぎると、除去剤の種類等によっては、金属イオンを効率よく除去できないおそれがあり、一方、除去液の温度を前記範囲を超えて高くしても、それ以上の除去率の増大が期待できない。

なお、除去液の通液方向は、任意である。すなわち、例えば、所定量の除去液を流入側から流出側に向かって吸着剤充填空間２０に通液した後、通液方向を変更し、所定量の除去液を吸着剤充填空間２０に通液することができる。

本発明において、除去すべき金属イオンとしては、例えば、Ｎａ^＋、Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋、Ｃｕ^２＋、Ｍｎ^２＋、Ｚｎ^２＋、Ｆｅ^３＋、Ｃｒ^３＋、Ｐｂ^２＋、Ｎｉ^２＋等が挙げられる。前述したように、吸着装置１は、生体試料を含む被処理液の処理に適するが、生体試料中には、これらの金属イオンが比較的多く存在する。

これらの金属イオンの中でも、Ｍｇ^２＋、Ｃｕ^２＋、Ｍｎ^２＋、Ｚｎ^２＋のような２価の金属イオンを主に除去し得るのが好ましい。生体試料中には、他の価数の金属イオンに比較して、２価の金属イオンが特に多く含まれるからである。なお、本発明で用いられる除去剤は、特に２価の金属イオンの捕捉能が高い。

以上、本発明の金属イオンの除去方法、吸着剤の再生方法および吸着装置の再生方法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。

前記実施形態では、本発明の金属イオンの除去方法を、吸着装置の再生方法に適用した場合を代表に説明したが、これに限定されるものではなく、本発明の金属イオンの除去方法は、例えば、少なくとも表面付近がリン酸カルシウム系化合物を主材料として構成された各種吸着剤（例えば、フィルター等）と、金属イオンを含む液体とを接触させた後、前記吸着剤から金属イオンを除去する場合に適用することもできる。

この場合、例えば、容器内に貯留された除去液に、前記吸着剤を浸漬させた後、所定時間経過後、容器内から除去液を排出するか、または、容器内から前記吸着剤を取り出すことにより、金属イオンの除去を行うことができる。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．吸着装置の製造
以下に示すサンプルＮｏ．１〜Ｎｏ．４の吸着装置を、それぞれ７個ずつ製造した。

（サンプルＮｏ．１）
公知の湿式合成法によりハイドロキシアパタイトを合成し、ハイドロキシアパタイトスラリーを得た。

このハイドロキシアパタイトスラリーを噴霧乾燥して、平均粒径４０μｍの粉体を得た。その後、この粉体を、大気中、７００℃×４時間で焼成した。

次に、このハイドロキシアパタイト粉体を、１０ｍＭのＭｎＣｌ_２溶液に添加して、３０分間、攪拌した。これにより、ハイドロキシアパタイト粉体が有するＣａをＭｎで置換した。

なお、元素分析装置（島津製作所社製、「イオンクロマトＨＩＣ−ＳＰ」）を用いた元素分析法により、ハイドロキシアパタイト粉体中のＭｎの含有量を測定した結果、０．１１ｗｔ％であった。

次に、この置換後のハイドロキシアパタイト粉体を、１０ｍＭリン酸緩衝液に懸濁させ、カラム（内径４ｍｍ×長さ１００ｍｍ）の吸着剤充填空間に約１ｇを充填した。これにより、吸着装置を製造した。

（サンプルＮｏ．２）
１０ｍＭのＭｎＣｌ_２溶液に代えて、１０ｍＭのＣｕＣｌ_２溶液と１０ｍＭのＭｇＣｌ_２溶液とを容積比で７５：２５で混合した混合液を用いた以外は、前記サンプルＮｏ．１と同様にして吸着装置を製造した。
なお、ハイドロキシアパタイト粉体の充填量は、約１ｇであった。

前記と同様の元素分析装置を用いた元素分析法により、ハイドロキシアパタイト粉体中のＣｕおよびＭｇの含有量を測定した結果、０．１３ｗｔ％（Ｃｕ：Ｍｇ＝７０：３０）であった。

（サンプルＮｏ．３）
公知の湿式合成法によりフッ素アパタイトを合成し、フッ素アパタイトスラリーを得た。

このフッ素アパタイトスラリーを噴霧乾燥して、平均粒径４０μｍの粉体を得た。その後、この粉体を、大気中、７００℃×４時間で焼成した。

次に、このフッ素アパタイト粉体を、１０ｍＭのＺｎＣｌ_２溶液に添加して、３０分間、攪拌した。これにより、フッ素アパタイト粉体が有するＣａをＺｎで置換した。

前記と同様の元素分析装置を用いた元素分析法により、フッ素アパタイト粉体中のＺｎの含有量を測定した結果、０．０９ｗｔ％であった。

このフッ素アパタイト粉体を用いて、前記サンプルＮｏ．１と同様にして、吸着装置を製造した。
なお、フッ素アパタイト粉体の充填量は、約０．７ｇであった。

（サンプルＮｏ．４）
前記サンプルＮｏ．１と同様のハイドロキシアパタイトスラリーと、サンプルＮｏ．３と同様のフッ素アパタイトスラリーとを容積比で、６０：４０となるように混合して混合アパタイトスラリーを得た。

この混合アパタイトスラリーを噴霧乾燥して、平均粒径４０μｍの粉体を得た。その後、この粉体を、大気中、７００℃×４時間で焼成した。

次に、この混合アパタイト粉体を、１０ｍＭのＭｎＣｌ_２溶液に添加して、３０分間、攪拌した。これにより、混合アパタイト粉体が有するＣａをＭｎで置換した。

前記と同様の元素分析装置を用いた元素分析法により、混合アパタイト粉体中のＭｎの含有量を測定した結果、０．１２ｗｔ％であった。

この混合アパタイト粉体を用いて、前記サンプルＮｏ．１と同様にして、吸着装置を製造した。
なお、混合アパタイト粉体の充填量は、約０．９ｇであった。

２．吸着装置の再生
なお、以下において、各緩衝液の調製には、１０ｍＭのリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）を用いた。

（実施例１）
２００ｍＭのイミダゾール緩衝液を調製した。

このイミダゾール緩衝液（２５℃）を、各サンプルＮｏ．の吸着装置に、１ｍＬ／ｍｉｎで１０ｍＬ通液した。

（実施例２）
１５０ｍＭのヒスチジン緩衝液を調製した。

このヒスチジン緩衝液（２５℃）を、各サンプルＮｏ．の吸着装置に、１．５ｍＬ／ｍｉｎで１０ｍＬ通液した。

（実施例３）
１５０ｍＭのイミダゾール緩衝液と５０ｍＭのヒスタミン緩衝液とを混合して、これらの混合緩衝液を調製した。

この混合緩衝液（２５℃）を、各サンプルＮｏ．の吸着装置に、２ｍＬ／ｍｉｎで７．５ｍＬ通液した。

（実施例４）
２００ｍＭのピリミジン緩衝液を調製した。

このピリミジン緩衝液（２５℃）を、各サンプルＮｏ．の吸着装置に、０．５ｍＬ／ｍｉｎで２０ｍＬ通液した。

（実施例５）
２５０ｍＭのプリン緩衝液を調製した。

このプリン緩衝液（２５℃）を、各サンプルＮｏ．の吸着装置に、１ｍＬ／ｍｉｎで２０ｍＬ通液した。

（実施例６）
１００ｍＭのイミダゾール緩衝液と２００ｍＭのピリミジン緩衝液とを混合して、これらの混合緩衝液を調製した。

この混合緩衝液（２５℃）を、各サンプルＮｏの吸着装置に、３ｍＬ／ｍｉｎで５ｍＬ通液した。

（比較例）
１０ｍＭのリン酸緩衝液（ｐＨ６．８）を、各サンプルＮｏ．の吸着装置に、１ｍＬ／ｍｉｎで１０ｍＬ通液した。

［評価］
各実施例および比較例で緩衝液を通液した後に、前記と同様の元素分析装置を用いた元素分析法により、各吸着装置において、それぞれ、アパタイト粉体中の金属イオンの含有量を測定した。
その結果を、表１に示す。

表１に示すように、各実施例（本発明）では、各アパタイト粉体中には、殆んど金属イオンが確認されないか、もしくは、確認されても極めて少量であった。

これに対して、比較例では、各アパタイト粉体中の金属イオンの含有量は、通液前と殆ど変化がなかった。

なお、各実施例および比較例において、溶出液中のＣａ濃度を測定した結果、いずれも、１２０ｐｐｍ以下であり、各アパタイト粉体からのＣａの溶出は、極めて低く、かつ、各実施例および比較例において、ほぼ同等であった。

このようなことから、本発明によれば、リン酸カルシウム系化合物のＣａに置換した金属イオンを、選択的かつ効率よく除去することができることがわかった。

本発明の吸着装置の再生方法が適用される吸着装置の構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１吸着装置
２カラム
２０吸着剤充填空間
２１カラム本体
２２、２３キャップ
２４流入管
２５流出管
３吸着剤
４、５フィルタ部材

Claims

リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した金属イオンを除去する金属イオンの除去方法であって、
前記リン酸カルシウム系化合物と、少なくとも２つのＮを含むヘテロ環化合物およびその誘導体のうちの少なくとも１種を除去剤として含む除去液とを接触させる接触工程と、
前記リン酸カルシウム系化合物に接触させた後の前記除去液を除去する除去工程とを有することを特徴とする金属イオンの除去方法。
前記接触工程と前記除去工程とが連続して行われる請求項１に記載の金属イオンの除去方法。
少なくとも表面付近がリン酸カルシウム系化合物を主材料として構成された吸着剤と、金属イオンを含む被処理液とを接触させた後、前記リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した前記金属イオンを、請求項１または２に記載の金属イオンの除去方法により除去して前記吸着剤を再生させることを特徴とする吸着剤の再生方法。
少なくとも表面付近がリン酸カルシウム系化合物を主材料として構成された吸着剤を、カラムの吸着剤充填空間の少なくとも一部に充填してなる吸着装置を用いて、金属イオンを含む被処理液の処理を行った後、前記リン酸カルシウム系化合物が有するＣａに置換した前記金属イオンを、請求項２に記載の金属イオンの除去方法により除去して前記吸着装置を再生させることを特徴とする吸着装置の再生方法。