JP4898819B2 - クロマトグラフィーカラムの自動充填装置及び自動充填方法 - Google Patents

Description

本発明は、カラムへの媒体充填システム並びにカラムへの媒体充填方法に関する。具体的には、本発明は、クロマトグラフィーカラムへのクロマトグラフィー媒体の充填を改善する充填装置及び充填方法に関する。

クロマトグラフィーに用いられるカラムは、通例、多孔質媒体を収容した管状本体を備えており、この媒体を通してキャリア液を流し、分離は、キャリア液と、多孔質媒体の固相との間での物質回収によって起こる。通例、多孔質媒体はカラム内に充填ベッドとして収容され、充填ベッドは、通常、離散粒子の懸濁液（スラリーとして知られる。）を大抵はカラムの一端からカラム内にポンプ送入、注入又は吸引して集密化することによって形成される。スラリーの集密化による充填ベッドの形成は、スラリーを重力のみの影響下で沈降させて沈降ベッドを形成したときの体積よりも小さな体積に充填されるように、スラリーを圧縮することによって達成される。後段でのクロマトグラフィー分離効率は、充填ベッドの液体分配及び流体入口と出口の回収システム、並びに充填ベッドの圧縮度に大きく依存する。圧縮ベッドの圧縮が低すぎると、そのベッドでのクロマトグラフィー分離は「テーリング」を起こしてしまう。圧縮ベッドの圧縮が高すぎると、そのベッドでのクロマトグラフィー分離は、「リーディング」を起こしてしまう。圧縮が最適であれば、使用時の分離ピークは、リーディングもテーリングも起こさずに、実質的に対称となる。カラムに必要とされる最適圧縮度は、各カラムサイズ（幅又は直径）、ベッド高さ、ベッド媒体毎に実験的に決定される。

いかなる分離プロセスの実施に当たっても、カラムに導入すべき粒子のスラリーからベッドを前もって形成しておく必要がある。このベッド形成プロセスは「充填」と呼ばれ、ベッドが正しく充填されているか否かは、充填ベッドを収容したカラムの性能に影響する重要な因子である。充填の目標は、最適圧縮量（すなわち最適圧縮因子）で圧縮されたベッドを提供することにある。最適に圧縮されたときのベッド高さは、目標圧縮ベッド高さと呼ばれる。大型カラムは、好ましくは、規定濃度の媒体粒子を含む所定体積のスラリーを、中央スラリーノズルからカラムに導入することによって調製される。所定体積のスラリーをカラムに導入したら、可動アダプターをカラムの長手方向軸に沿ってカラム底部に向かって通常は一定速度（例えば毎分１ｃｍ）で下方に移動させることによって圧縮し得る。この際に生じた余分な液体はカラム出口から除去されるが、粒子は、孔径が小さすぎて粒子が通過できない「ベッドサポート」と呼ばれるフィルター材料で保持される。充填作業は、充填ベッドが最適量圧縮されれば完了する。充填プロセスは、圧縮ベッドで良好かつ着実なクロマトグラフィー性能（ベッドでの滞留時間分布として定量化される）が得られれば成功とみなされる。ただし、そうした最適な圧縮ベッドを製造するのは、実際には容易ではない。ベッド充填は、従前、科学というよりも技能であって、最終的な充填ベッドの質は、カラム充填の際の作業者の操作手腕によって左右されるとみなされてきた。その理由の一つとして、カラムに供給した実際のスラリー濃度が、カラムへのスラリー供給量の計算に用いた規定の濃度と、正確に一致しているのか否かを確認するのが難しいことが挙げられる。実際のスラリー濃度と規定のスラリー濃度との間に差があると、実際のベッド高さは、目標ベッド高さと異なってしまうし、ベッドの実際の圧縮量は、規定の圧縮度と異なってしまう。カラムへの注入及び充填に際して、作業者は、流量、アダプター進行速度及びベッド圧縮度のような充填パラメータを手動で選択・調整し、どの時点でアダプターによるベッドの圧縮を開始するかを判断しなければならない。この時点は、所要圧縮量を得るため、アダプターをあとどれくらい移動しなければならないのかを計算するのに用いられる。これらの充填パラメータのいずれかの選択を誤ると、性能の劣るカラムとなりかねない。ベッドの圧縮が実際に始まる時点を目視で判断するのは特に困難であり、この時点での判断を誤ると、最適圧縮ベッドを得ることはできなくなる。

充填圧縮度を維持するための自動化システムについて既に報告されている。欧州特許出願公開第１６９８８９５号（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ社）には、媒体ベッドでの圧縮度を維持する方法が記載されており、この方法では、ロードセルと圧力センサーの両方を用いて媒体ベッドでの圧縮力を計算し、この値を次いで必要とされる最適圧縮力と比較し、それに応じて、カラム内でのアクチュエータ／アダプターの位置を修正する。

本明細書及び特許請求の範囲で用いる「流体装置」という用語は、セルを通る流れの方向と略垂直なゾーンで液体をセルに導入又は排出する装置を意味する。「セル」という用語は、「容器」及び「カラム」という用語のみならず、固体又は液体交換媒体（充填ベッドとして知られる）との接触によって混合物からの成分の分離及び／又は反応、及び／又は触媒反応及び／又は抽出を行うため分離技術者に利用される構造も包含する。「断面ゾーン」（又は領域又は部分）とは、セルを通る流れの長手方向に対して横断方向（通例、略垂直）のセル横断面で画成されるセル内の領域をいう。「流れの長手方向」とは、セル内で入口から出口へと向かう流れの方向をいう。「長手方向」とは、一貫して、方向を問わず、セルを通る主要な流れの経路をいう。「流れ接続系」とは、流体回路の２箇所を接続するチャネル系又は流路系をいう。いずれの場合も断面ゾーンについて、「分配系」とはセルに導入される流体が通過する構造をいい、「回収系」とはセルから流体を回収するのに用いられる構造をいう。

「沈降ベッド高さ」とは、液体スラリー中のベッド媒体粒子及びカラム内の媒体粒子を、重力のみの影響下で沈降させて媒体粒子のベッドを形成したときに得られるベッド媒体粒子のベッドの高さをいう（かかるベッドは「沈降ベッド」と呼ばれる。）。「集密層の高さ」とは、ベッド粒子に重力及び下方への追加の力（例えば、ベッドを通しての液体のポンプ送液もしくは吸引及び／又は可動アダプターのベッド方向への移動（例えば下降）に起因するベッドを通しての流体の流れ）を加えて液体スラリー中のベッド媒体粒子を沈降させながらカラム内で媒体粒子のベッドを形成したときに得られるベッド媒体粒子のベッドの高さをいう（かかるベッドは、「集密層」と呼ばれる。）。

「圧縮ベッド高さ」とは、例えば可動アダプターとの接触及び移動並びにベッドの集密化に用いられる流速よりも高い高速での流体のポンプ送液などによって、カラム内で集密層を圧縮したときに得られるベッド媒体粒子のベッドの高さをいう（かかるベッドは「圧縮ベッド」と呼ばれる。）。
欧州特許出願公開第１６９８８９５号明細書

本発明の目的は、従来技術の装置の短所が解消されたカラム充填装置並びにカラムへの媒体充填方法を提供することである。

本発明の基本的特徴は、特許請求の範囲の独立項に記載されている。

本発明の各実施形態は、特許請求の範囲の従属項に定義されている。

追加の改良点についても、特許請求の範囲の従属項に記載されている。

本発明の装置及び方法の一つの利点は、最適な圧縮因子で充填されたベッドが得られることである。本発明の装置及び方法の追加の利点は、クロマトグラフィーカラムを再現性をもってしかも制御可能に充填できることである。

図１は、本発明の一実施形態に係る自動カラム充填装置１の概略図であり、本発明と無関係の部品については、本発明の原理の説明を簡単にするため省略した。装置１はカラム３を備えており、カラム３は、円筒形カラム壁７で囲まれた上蓋又はフランジ５ａと下端板５ｂを備えている。カラム３の蓋又はフランジ５ａと下端板５ｂの間には、可動アダプター９（流入する液体をカラム３の断面全体に実質的に均一に分配するための試料分配系（図示せず）、及びベッド粒子が通過できないほど細かいメッシュを備えていてカラムの断面全体に延在するベッドサポート（図示せず）を備えていてもよい。）が配置されており、可動アダプター９は、試料混合物、溶出液、緩衝液などの液体供給系（図示せず）と接続可能なカラム入口１１に接続されている。可動アダプター９は、カラム壁５の上端に配設されたフレーム１４で支持されたアクチュエータ１３（モーター又はピストン／シリンダアクチュエータなど）によってカラムの長手軸方向に移動可能である。一定の高さ（例えば、下端板５ｂの上面）に対する可動アダプターの位置（ｘ）を求めるための可動アダプター位置検出手段１６が設けられていて、この距離ｘに対応した信号が制御ユニット１５に送られる。アクチュエータ１３の動作及びそれに応じた可動アダプター９の上下移動は、自動制御ユニット１５で制御できる。制御ユニット１５は、好ましくは、カラム３の動作を制御するためのハードウェア及びソフトウェアを具備する。制御ユニットは、弁の開閉、可動アダプターの移動速度及び移動量を制御する。制御ユニット１５は圧力センサー１８と接続していて、カラム内部の液体の圧力（以下、便宜上カラムの内圧という。）を測定できる圧力センサー１８からの信号を受信・記録することができる。

下端板５ｂは流体回収系１７を支持しており、流体回収系１７は環状ダクト１９へとつながる。回収系１７はベッドサポート２１と環状ダクト１９の間に位置しており、カラムの断面全体で流体を均一に回収して、環状ダクト１９へと送るためのものである。環状ダクト１９は移動相出口２０とつながっており、移動相出口２０は、さらに処理するため移動相をカラムから運び出す。ベッドサポート２１は、カラム内のベッドの重量を支持するとともに、ベッド媒体がカラムから流出するのを防ぐためのものである。ベッドサポート２１は、例えば、ベッドサポートをベッド媒体が通り抜けることができないような十分に細かい開口をもつメッシュ又はネットとすることができる。下端板５ｂは、可動式ノズルセット２５を装着することのできる中央開口２３をさらに備える。ノズルセット２５は、装置に洗浄液を再循環するため系と管路２９及び遠隔制御式弁３１を介して接続した定置洗浄（ＣＩＰ）用ノズル２７を備える。再循環弁３１は制御ユニット１５で制御できる。ノズル２７は、ベッドサポート２１と液密に係合して中央開口２３を遮蔽する閉位置から、ベッドサポート２１を通り越してベッドサポート２１と可動アダプター９の間に形成されるカラムのキャビティ３５内に突き出た開位置へと展開できる。中央開口２３は環状ダクト１９で囲まれており、環状ダクト１９は媒体ダクト３９に接続され、媒体ダクト３９は管路４３と接続でき、管路４３はスラリー槽弁４５を介してスラリー槽４７と、排液弁４９を介して排液管５１と接続できる。環状ダクト１９は、ノズル２７が開位置にあるときはカラムキャビティ３５と流体連通し、ノズル２７が閉位置に後退するとキャビティ３５との流体連通が遮断される。

カラムにベッド媒体を充填するため、制御ユニットは、媒体に関する情報、例えば、所望の充填ベッド高さ（この高さは、達成される実際の充填ベッド高さと異なることもある。）、カラム内に供給されるスラリーの推定濃度又はスラリー（実際に達成されると推定される規定の粒子濃度を有する）の体積、集密層を形成するためのアダプターの下降速度、及び「圧縮因子」を表す値（最適性能を与えるのに必要とされる集密層の圧縮量）を用いてプログラミングされる。目標圧縮ベッド高さは、目標圧縮ベッド高さ＝アダプターが集密層の圧縮を開始する時点での集密層の高さ÷圧縮因子という式を用いて計算できる。例えば、アダプターによって集密層が圧縮され始める時点での集密層の高さが１ｍで、圧縮因子が１．１５である場合、目標圧縮ベッド高さは１ｍ／１．１５＝８６．９６ｃｍとなる。通例、圧縮因子は１．０１〜２の範囲内にあり、圧縮因子は、特にカラムの寸法、ベッド媒体の種類及び粒径、並びに集密層の高さによって左右される。媒体粒子を含む所定量のスラリーは、例えば、制御ユニット１５の制御下で、スラリー槽弁４５を開放し、ノズル２７を突出した開位置とし、再循環弁３１を閉じて可動アダプター９を上昇させる（これによって、スラリーはスラリー槽４７からスラリー弁４５を介して管路４３、ポート３９及び環状ダクト１９を経てキャビティ３５へと吸引される。）ことによって吸引することによってカラムに導入される。可動アダプター９は、所要量のスラリーをカラム内に吸引するのに必要な距離ｘに達した時点で停止される。

充填モードでは、ノズル２７を後退させ、スラリー槽の弁４５を閉じることによって媒体弁媒体開口３７を閉鎖する。移動相出口２０を開放して、余分な流体をカラムから放出させる。可動アダプター９を一定速度（例えば、毎分０．５〜１０ｃｍ）で下降させていくと、可動アダプター９が集密層と接触し、集密層を軸方向に圧縮し始める。この位置を「ブレイクポイント」という。図２は、アダプターをカラムの端部に向かって一定速度で下降させる装置におけるカラムの内圧を時間に対してプロットしたものである。図２は、アダプターの下降が、カラム内圧が着実に上昇する領域Ａ（ベッドの集密化に相当する。）と、次いでカラム内圧の上昇速度が緩やかになるか一定となる領域Ｂ（内圧の上昇はベッドで集密化が進行していることに対応し、一定圧力となる部分は、そのアダプター速度及びカラム内の流量ではそれ以上集密化が進行しないことに対応する。）と、Ｃでのカラム内圧の急激な低下で特徴付けられることを示している。このカラム内圧の急激な低下が始まる時点のアダプターの位置は、アダプターによる集密層の圧縮の開始に対応しており、「ブレイクポイント」と定義される。内圧の急激な低下に続いてカラム内圧が上昇するが、この上昇は、ベッドの集密化のときよりも高い速度で起こる。制御手段１５は、圧力センサー１８からの信号を記録・監視し、ブレイクポイントに相当する圧力低下が起こり始めるときの可動アダプターの位置を記録する。制御手段１５は、ブレイクポイントから所望のベッド圧縮を達成するために可動アダプターが移動しなければならない距離を計算する。制御手段１５は次いで、目標圧縮ベッド高さ及び所望のベッド圧縮を達成するためのベッドの圧縮に必要な距離だけ下降するように可動アダプター９の移動を制御する。

本発明の自動カラム充填装置の第２の実施形態では、装置には、カラムから流出する液体の流量を測定する流量測定装置が設けられる。かかる装置は、圧力センサー１８に代えて、カラムから流出する液体の流れを正確に測定できる位置（例えば、移動相出口２０）に流量計５３（図１に点線で示す）のような流量測定装置を設けた点以外は、本発明の第１の実施形態で説明した装置と実質的に同一である。この装置は、流量センサー５３からの信号を制御手段１５が記録・監視する点を除けば、本発明の第１の実施形態の装置と同様に作動する。制御手段１５は、流量の急激な低下が起こり始めるときの可動アダプターの位置を記録する。この流量の低下はブレイクポイントで起こる。制御手段１５は、ブレイクポイントから所望のベッド圧縮を達成するために可動アダプターが移動しなければならない距離を計算する。制御手段１５は次いで、所望のベッド圧縮を達成するためのベッドの圧縮に必要な距離だけ下降するように可動アダプター９の移動を制御する。

本発明の第３の実施形態では、自動カラム充填装置には、圧力センサー１８と流量測定装置５３が共に設けられる。この実施形態では、制御手段１５は、カラムの内圧とカラムから流出する液体の流量を共に記録・監視する。通常、ベッドの圧縮の開始によって起こるカラム内圧の低下の始まりと、カラムから流出する液体流量の低下の始まりは同時に起こるはずであり、制御手段はその時点をブレイクポイントとして記録する。ただし、圧力センサーと流量測定装置の一方からの信号に遅れが生じ、圧力低下と流量低下のいずれかが他方よりも早く記録されることも考えられる。そうした場合、最初に検出された低下を示す信号をブレイクポイントに対応する信号として記録するように制御手段をプログラミングすることもできるし、或いは２番目に検出された低下を示す信号をブレイクポイントに対応する信号として記録するように制御手段をプログラミングすることもできる。さらに別の態様として、例えば、低下を示す２つの信号の到達時点の中点をブレイクポイントとするようプログラミングすることもできる。

可動アダプターの移動によってカラム内にスラリーを吸引する実施形態を例にとって本発明を説明してきたが、カラム内にスラリーを直接ポンプ送液することも可能である。さらに、ベッドの集密化及び沈降ベッドの圧縮に際して、アダプターを一定でない速度で移動させることも可能である。例えば、１０ｃｍ／分のアダプター速度でベッドの集密化を開始し、アダプターが推定沈降ベッド高さに近づくにつれてアダプター速度を下げ、例えば０．５ｃｍ／分の低速でアダプターを降下し続けることができる。これらのアダプター速度は例示にすぎず、任意の適当なアダプター速度、例えば０．５ｃｍ／分未満（例えば０．１ｃｍ／分）から１０ｃｍ／分超（例えば１２．５ｃｍ／分）の速度を用いることができる。このようにアダプター速度を下げると、それ自体で、カラムの内圧又は流量の低下を生じる。さらに、ベッドの圧縮は、ベッド方向へのアダプターの移動だけでなく、ベッドに液体をポンプ送液することによっても達成される。ベッドに送液される液体の流量が低下すると、それ自体で、カラムの内圧及び／又は流量の低下を生じる。そこで、アダプター速度の低下に起因する流量及び／又は圧力の予測される連続的低下と、ベッドの圧縮の開始によって生じる流量及び／又は圧力の過渡的な低下（ブレイクポイントを示す）とを識別するようにソフトウェアをプログラミングすべきである。

また、本発明の充填装置に、手動制御装置を取り付けて、充填作業の一部又は全体を通してオペレータがアダプター速度を制御できるようにし、ソフトウェアをアダプターの移動の監視及びブレイクポイントの計算に用いるようにしてもよい。計算ブレイクポイント位置が、適宜、所望の圧縮因子を達成するのに必要なアダプターの計算位置に関する情報と共に、オペレータに提供されれば、オペレータは所望のベッド圧縮に対応する位置に達するまでアダプターを制御することができる。

カラムが一定の直径の円筒形であり、円筒体積とベッド高さとが線形関係にある実施形態を例にとって本発明を説明してきたが、非線形関係にある他のカラム形状に対しても本発明を適用できる。

以上の本発明の教示内容に接した当業者は、本発明に数多くの変更を加えることができるはずである。かかる変更も、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲に属すると解される。

本発明の媒体充填装置の実施形態を示す概略側面図。 一定アダプター速度で媒体ベッドを充填したときのカラムの内圧を時間に対してプロットしたグラフ。

Claims (10)

1. 長手方向軸を有するカラムと、カラムの内圧を検知する圧力センサー及び／又はカラムから流出する液体の量を測定する流量測定装置と、可動アダプターとを備えるカラム充填装置であって、
   上記可動アダプターが、制御ユニットで監視しながら移動させることができ、当該装置が、自動化ソフトウェア及びハードウェアを具備する圧縮手段であって、カラムの長手方向軸に沿って、カラム内のベッド媒体の集密層を圧縮して、所定量まで圧縮された圧縮充填ベッドを形成する圧縮手段を備えており、
   上記制御ユニットが、上記圧力センサー及び／又は流量測定装置からの信号を監視・解析して、可動アダプターでの集密層の圧縮を開始するブレイクポイントを決定するソフトウェアを備えており、該ブレイクポイントが、カラム内の圧力の低下及び／又はカラムから流出する流体の流量の低下が起きた時点で生じたと決定される
   カラム充填装置。
2. 前記ソフトウェアが、前記ブレイクポイントから所定量のベッド圧縮を達成するために可動アダプターが移動しなければならない距離を計算し、該距離に相当する位置への可動アダプターの移動を制御できる、請求項１記載のカラム充填装置。
3. 前記ソフトウェアが、ブレイクポイントの位置に対応するオペレータ読取り可能な信号を生成する、請求項１記載のカラム充填装置。
4. 前記ソフトウェアが、前記ブレイクポイントから所定量のベッド圧縮を達成するために可動アダプターが移動しなければならない距離を計算し、該距離に相当するオペレータ読取り可能な信号を生成できるものである、請求項３記載のカラム充填装置。
5. 前記カラムがクロマトグラフィーカラムであり、前記ベッドがクロマトグラフィー媒体を含む、請求項１記載のカラム充填装置。
6. カラムの充填方法であって、
   自動化ソフトウェア及びハードウェアを具備する自動制御ユニットが設けられたカラム充填装置を用意する段階、
   カラムの内圧を検知して、上記自動制御ユニットで監視可能な圧力信号を生成する圧力センサーを上記カラム充填装置に設ける段階、及び／又は
   カラムから流出する流体の量を測定して、上記自動制御ユニットで監視可能な流量信号を生成し、上記自動制御ユニットを用いて、ベッド媒体の集密層を収容したカラム内での可動アダプターの移動と、カラム内の圧力及びカラムから流出する流体の流量のいずれかとを監視する流量測定装置を上記カラム充填装置に設ける段階、及び
   上記自動制御ユニットを用いて、上記圧力センサーからの圧力信号及び／又は流量測定装置からの流量信号を解析して、可動アダプターでの集密層の圧縮を開始するブレイクポイントを決定する段階であって、上記ブレイクポイントが、上記圧力信号及び／又は上記流量信号の低下が起きた時点で生じたと決定される、段階
   を含んでなる方法。
7. ブレイクポイントを決定した後、前記ソフトウェアを用いて、前記ブレイクポイントから所定量のベッド圧縮を達成するために可動アダプターが移動しなければならない距離を計算し、該距離に相当する位置まで前記可動アダプターを移動させる段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
8. ブレイクポイントの位置に対応するオペレータ読取り可能な信号を生成する段階をさらに含む、請求項６記載の方法。
9. ブレイクポイントを決定した後、上記ソフトウェアを用いて、前記ブレイクポイントから所定量のベッド圧縮を達成するために可動アダプターが移動しなければならない距離を計算し、該距離に相当するオペレータ読取り可能な信号を生成する段階をさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 当該方法が、クロマトグラフィーカラムで実施され、前記ベッドがクロマトグラフィー媒体を含む、請求項６記載の方法。

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