JPH02243958A - 液体クロマトグラフィー用可動栓カラムの充填方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、物質の分類・特製に供する液体クロマトグラ
フィーにおけるカラムへの充填剤の充填方法に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来の液体クロマトグラフィー装置において、その主要
構成部分である分離・精製用のカラムの作製は、充填し
た粗密度な充填剤を、液の流れによって高密度に充填さ
せる方法が一般に用いられている。

この液流れにより充填剤を高密度に充填させる方法は通
液加圧充填法（スラリー充填法）と呼ばれ、一般に第４
図のように操作される。すなわち、下面を閉塞する下部
フランジ２がセットされたカラム本体１の上端にリザー
バー４を接続し、上方より所定量・所定濃度の充填剤分
散スラリー５を投入する（第４図（ａ）参照）。

次ぎにリザーバー４の上端に上部フランジ３゛を組付け
て外気から封止した状態にセットし、自然沈降と、高圧
ポンプを用いた加圧通液により、カラム本体１内に高密
度な充填剤充填層６を形成させる（第４図（ｂ）参照）
。加圧通液終了後、リザーバー４内の上澄み液７をポン
プ等を用いて排出しく第４図（Ｃ）参照）、リザーバー
４をカラム本体１から取り外す。リザーバー４が取り外
されたカラム本体１上部には、充填剤充填層６が山盛り
に形成されており（第４図（ｄ）参照）、この山盛りに
形成された充填剤を除いた後、上部フランジ３をカラム
本体１上部にセット固定して充填作業を終了する（第４
図（ｅ）参照）。

この通液加圧充填法は、安定した高密度な充填剤充填層
が得られ、かつカラムの性能を著しく高めることのでき
る優れた方法の１つとして、現在カラム充填法の主流と
なっている。

しかし通液による充填剤充填層の形成段階では、リザー
バー取り外し時の充填剤充填層の盛り上がりを考慮した
力を必要とするので、通液流速は分離操作時の３〜ｌＯ
倍の加圧力が不可欠となり、このことはりザーバーを含
めたカラムの耐圧強度が分ｌ！！ｌｉ操作時の３〜１０
倍のものを必要とすることを意味し、カラムの重量が重
くなるとともに高圧充填設備が必要になるため、操作及
び経済的な面での欠点となっていた。

またリザーバー取り外し段階では圧縮された充填剤充填
層の盛り上がりが生じるが、この盛り上がり状態は充填
操作毎に異なり、人為的に制御することは困難である。

また、リザーバー取り外し段階からフランジ装着段階ま
での間の操作を時間的に管理することも容易ではない。

これらのことは結果的に充填後においてカラムに充填さ
れている充填剤の量に影響するものであり、カラム性能
及び再現性のよし悪しの原因となる。さらに、上部のフ
ランジをセットする直前の盛り上がった充填剤の取り除
き処理如何もカラム性能及び再現性に大きく影響するも
のであるが、このために作業者には高度な熟練が要求さ
れるという問題がある。

これらの問題を解決するため、カラムの一端或は両端を
可動な構造としたいわゆる可動栓カラムが提案され実施
されている。この可動栓カラムにおける充填操作の手順
は第５図により図解的に示され、以下の順序（Ａ）〜（
Ｅ）で行われる。

（Ａ）リザーバーを装着したカラムへの充填剤スラリー
の投入 （Ｂ）自然沈降による充填剤充填層の初期形成（Ｃ）上
澄み液を抜きリザーバの取り外しくＤ）可動栓の装着 （Ｅ）可動栓の移動、充填剤充填層の押下この方法は、
充填剤充填層を空気圧、油圧あるいはその他機械的駆動
機構で加圧圧縮して高密度化するものであるため機械的
加圧充填法とも称される。

第６図はこの機械的加圧充填法による従来の一例（特公
昭５１３−２ＣＩ２８４）を示したものであり、可動栓
９を有するピストンの形をした滑動体８が、カラム本体
１０内に液密的にかつ上下動可能に嵌合され、その行程
の下死点にある状態で、カラム本体１０内に吸着剤分散
スラリー１１を投入し、この後、液分散板１６及びカバ
ー１２をカラム本体の上側の固定フランジ１４に固定さ
せる。ここで１３は集液板を表しており、上記可動栓の
上端に取付けられている。

この状態で油圧ジヤツキを利用し、伝達用の軸１５を介
して滑動体８を上方に移動させると、粗密度な状態の吸
着剤分散スラリー１１に圧力が加わり高密度な充填剤充
填層が形成される。

この機械的加圧充填法では投入した充填剤がそのままカ
ラム内に保持されるため、予め投入量を計量しておくこ
とにより量的に正確な管理ができる。また、操作を通じ
て経験的手法が要求されないため、従来の通液加圧充填
法での通液停止後の盛り上がり充填剤充填層部の処理に
起因するカラム性能及びその再現性の不足という問題は
解消される。

［本発明が解決しようとする課題］ しかし、可動栓の移動、圧縮により強固な充填剤充填層
を形成、固定することは、局部的な充填剤充填層の抑圧
による充填密度分布の形成を生じ、充填剤充填層全体に
及び安定化が行われないため、液体クロマトグラフィー
用カラムとしての分離性能及び耐久性能は未だ改善の余
地がある。

更に充填剤充填層を圧縮するための大きな荷重をもたら
す特別な機構が要求される。これらの要求を満たすため
には、必然的に空気圧または油圧あるいはその他機成約
な駆動機構は大掛りなものとなってしまう。

本発明は、これらの問題点を解決しようとするものであ
る。

すなわち、本発明は上記のような従来の問題点を解決し
、加圧充填法で用いられている可動栓型カラムの構造上
の特徴を利用して、通液充填法により迅速な高密度充填
操作を実現することを目的とする。

また本発明の別の目的は、従来の固定型カラムを用いて
行っていた通液充填法と比べた場合にも、低圧での通液
充填によって、より優れた分離性能が得られる充填剤充
填法を提供するところにある。

また更に本発明の別の目的は、低圧での通液加圧充填に
より、カラムの耐圧強度の低下、通液設備の負担軽減を
実現することかできる充填法を提供するところにある。

［課題を解決する手段及び作用］ 本発明よりなる液体クロマトグラフィー用可動栓カラム
の充填方法の特徴は、機械的加圧充填法で用いられてい
る可動栓型カラムの構造上の特徴と通液加圧充填法の併
用により、優れた性能のカラムを再現性よく得ることが
できることにある。すなわち、端部の隔離部材により筒
内部が外気から封止可能でかつ上方の隔離部材が下方に
移動可能な可動栓をなしているカラム内に、ｆｆ１ｉ！
２−度な状態の充填剤充填層を形成した後、カラムを外
気から封止してこのカラムに液を下方向に貫流させるこ
とにより高密度な充填剤充填層を形成させる操作と、上
記可動栓を充填剤充填層の降下した上面位置まで下動さ
せて充填剤充填層を固定する操作とを行なうところにあ
る。

上記操作において、高密度な充填剤充填層の形成に伴う
層上面の降下に追随させた可動栓の可動は、層形成と同
時に行わせてもよいし、層形成の操作が終了した時点で
通液を継続しながら可動栓の下動を行わせてもよい。

上記において、スラリー状態の初期的な充填剤充填層の
形成は、一般的にはカラムの上にリザーバーを取付けて
自然沈降させることにより行なう場合が通常である。

また本発明のもう一つの特徴は、上記通液による高密度
な充填剤充填層の形成を、従来の固定型カラムを用いて
行っていた高圧ポンプによる通液加圧充填法と比べた場
合よりもより低い通液圧力で行うことにある。

、従来の通液加圧充填法における通液圧力の具体的な値
は、カラムの寸法、充填剤の種類、大きさ等々により一
律には決まらないが、一般的には液体クロマトグラフィ
ー分離操作時の通液上限圧力の３〜１０倍、好ましくは
同４〜８倍とされることが適当である場合が多い。

本発明の方法は、従来の固定型カラムにおいて行ってい
た通液加圧充填法と同様に充填剤充填層の形成を通液に
より行うものであるが、通液状態下で、形成された充填
剤充填層上面まで可動栓を移動して、通液停止後の充填
剤充填層の盛り上がりを防ぎ層を固定するものであるた
め、通液圧力は、実使用範囲の通液圧力の１〜３倍程度
で足りる。そしてこのために従来の可動栓型カラムにお
いて行っていた機械的加圧充填法では期待できなかった
、高性能でかつ安定なカラムを作製できるだけでなく、
従来の固定型カラムでの通液加圧充填法により得られる
カラムに比べても同等あるいはそれ以上の優れた分離性
能でしかも性能面で再現性のよいカラムが作製できる。

しかも本発明方法は、固定型カラムにおいて必要であっ
た高圧下での通液加圧充填操作が不要になるので、カラ
ムの耐圧強度を低く設計でき、充填設備も低圧仕様のも
のが使用できる。

［実　施　例］ 以下、図面を参照しつつ、本発明の詳細な説明する。な
お説明の便宜上、−具体例を示すが無論装置の構造及び
操作方法はこれに限定されるわけではない。

まず第１図により操作手順の概要を説明する。

充填操作においては、先ずあらかじめ濃度調整された充
填剤分散スラリー２０を、第１図（ａ）の状態にセット
した充填用リザーバー２１及びカラム本体２２内に導入
し、充填剤が自然沈降して所定の粗密度な状態となるま
で放置する。

放置後リザーバー２１内の上澄み液を抜き、リザーバー
２１を取り外す（第１図（ｂ）　、　（ｃ）参照）。

なお使用されるリザーバー２１の長さは、設定された充
填剤スラリー濃度、必要とされる充填剤層高さの組合せ
により決まるものであり、したがって場合によってはり
ザーバ−２１を用いないで直接カラム本体２２内に充填
剤スラリー２０を導入して自然沈降させた後、成るいは
直ちに通液加圧充填の操作を開始してもよい。

次に充填された粗密度な充填剤充填層２６°に対して充
填状態を高密度化する通液加圧充填法による充填剤充填
層の形成を行なう。

すなわち第１図（Ｃ）の状態で自然沈降した粗密度な充
填剤充填層２６゛に対し可動栓２４をカラム本体２２内
に挿入し、上部フランジ２５をカラム上部に固定セット
して通液加圧充填の準備状態とする（第１図（ｄ）参照
）。

次に、定流量ポンプを用いてカラム内に液を貫流通液す
ることで、高密度な充填剤充填層２６の形成（以下これ
を「層形成」という）操作を行なう。すなわち第１図（
ｅ）に示しているように上方からカラム本体２２内を貫
通して所定の通液圧で通液加圧を行うと、粗密度な充填
剤充填層２６゛は漸次高密度化して高密度な充填剤充填
層２６を形成し、層上面は初期の位置から若干降下する
（第１図（ｅ）参照）。

そしてこの通液加圧による高密度化の操作に次いて通液
を行いながら可動栓の下動を行わせ、充填剤層を固定し
、充填剤操作を終了する（第１図（ｆ）参照）。

透明な構造材料でカラム本体を作製しである場合などの
他は、降下する充填剤充填層上面に対して可動栓の位置
を逐次的に追随させることは容易でなく、充填剤充填層
形成操作の終了後に可動栓を下動させることが作業上か
らは一般的である。

第２図は本発明の方法の実施に用いられる具体的なカラ
ム本体２２の構成を断面図で示したものである。同図（
ａ）は可動栓２４がカラム本体２２内に挿入される前、
同図（ｂ）は可動栓２４が挿入された後をそれぞれ示し
ている。なお本例装置における全ての接液部は耐薬品性
等を考慮して５Ｏ５３１Ｂを使用して構成するのが好ま
しいが、使用される液の性質により、もちろんこれに限
定されるものではない。

この装置を説明するとカラム本体２２内は、充填剤充填
層２６と、液流れが下方流である場合はこの層２６の上
端に位置する液分散板２７、及び下端に位置する集液板
２８とにより構成される。なお液流れを上方流とした場
合は上記液分散板及び集液板はそれぞれ逆の役割関係と
なる。これらは充填剤のカラム内からの漏えいを防ぐ役
割も兼ねている。

上記液分散板２７及び集液板２８には一般に多孔質のス
テンレス焼結板などが用いられ、本例では、これらを保
持する保持体２９．３ｏと共に、その一方を可動栓２４
下部に、また他方を下部フランジ４４の上面に装着させ
ている。なお保持体２９．３０には金網等が用いられる
が、液の流れを整える整流手段としての作用を持ち合わ
せていることが望ましい。

３１はシールリングであり、可動栓２４の外周溝に組付
けられて、カラム内液及び圧力バランス室３２内液の澗
えい防止に作用する。３３は同様のシールリングであり
、可動栓ロッド３４の摺動時に圧力バランス室３２内の
液がカラム外に潴えいすることを防止するのに作用する
。これらのシールリングにはポリテトラフロロエチレン
（ＰＴＦＥ）等のＶ−パツキンリングが好ましく用いら
れる。

上部フランジ３５は可動栓２４とともにカラム本体２２
に対し取り外し可能であり、可動栓２４をカラム本体２
２内に挿入装着した時には、ボルトナツト３６でカラム
上部フランジ３７に締結固定される。なお、可動栓ロッ
ド３４の上端に締結した可動栓駆動板３８と、カラム上
部フランジ３７とは、層形成操作の終了後、ボルトナツ
ト３９で固定され、これにより液体クロマトグラフィー
操作時には、可動栓２４が上方に′８！ａすることは阻
止される。

なお４０はカラム下部フランジ、４４は下部フランジで
あり、締結ボルトナツト４１で固定される。

、以上の構成の可動栓型カラムにおいて、管路４２から
４５に貫通される液の流れにより高密度な層形成がなさ
れる。

そして通液操作による充填剤充填層２６の形成が終了し
た段階で、通液を継続して層の盛り上がりを防止しつつ
送液管路４３から圧力バランス室３２内へ圧液を供給し
、可動栓２４を下動させる。

本例の場合上記圧力バランス室３２に供給する液圧の程
度は、可動栓２４に対して作用する下方への液圧力（つ
まり圧力バランス室からの液圧力）と、上方への液圧力
（充填剤層での通液圧力）との関係により木来決められ
るべきものである。この両液圧力の供給は２台のポンプ
を用いて個別に行うことができる。管路４２からの液流
れにより充填剤充填層２６の層形成を行うと、充填剤充
填層上面の降下により可動栓２４に作用する上方への押
し上げ反力は減少する。この反力減少分（すなわち充填
剤充填層上面降下分）だけ可動栓２４を下動させるわけ
であるが、この反力は充填操作時において経時的に変化
するため、これに追従して圧力バランス室への供給液圧
（すなわち可動栓２４の下動速度）をコントロールする
ことは容易ではない。

これに対して、充填剤充填層の形成のために通液する液
の供給源を共用して圧力バランス室３２に通液（液圧供
給）すると、管路４２と４３への総送液量に等しい量の
液が常に管路４５より排出され、すなわち−走通液量に
よる充填が可能となる。

更には、必要装置類の削減、全体の小型化、低コスト化
等の観点からも好ましい。

可動栓２４の移動終了後は、ボルトナツト３９により可
動栓駆動板３８をカラム本体２２のカラム上部フランジ
３７に固定し、以後液体クロマトグラフィーの処理に供
される。

第３図は以上述べた充填剤充填層形成時の通液系の概要
を簡略して図示したものである。この図において定流量
ポンプ５０からの充填液は途中分岐され、充填剤充填層
２６の形成、可動栓２４の下方移動の目的のために、カ
ラム通液用のノ＼ルブ５１及び圧力バランス室５１への
液供給用Ｒルブ５２を通じてそれぞれ通液される。カラ
ム本体２２からの充填液の排出は排出バルブ５３より行
われる。また予めバルブ５２を開いて圧力バランス室５
１内を排気し、排気バルブ５４を閉じて可動栓２４の下
動に備える。

このように、定流量ポンプを使用するだけで（しかも定
流量ポンプは液体クロマトグラフィーにそのまま使用で
きる）、特別な駆動機構を使用することなく液流れによ
って高性能なカラムを形成する通液加圧充填法が実行で
き、また可動栓型カラムの特徴による再現性のよい充填
操作が可能となる。

第２図の装置を用い、極性の違いを利用した分配・吸着
に基いて分離を行う逆相クロマトグラフィー用充填剤　
（ＴＳＫｇｅｌ　００Ｓ−８０Ｔｙ　、東ソー株式会社
製）を充填剤として、本発明の可動栓カラムによる通液
加圧充填法、従来の固定型カラムにおける通液加圧充填
法、及び可動栓カラムにおける機械的加圧充填法により
それぞれ充填剤充填層の形成を行い、そのカラムの分離
性能を試験し、その結果を実施例、比較例として以下に
説明する。

なお比較例における機械的加圧充填法は、第２図で示し
た可動栓ロッド３４に具備された油圧機構の機能を強化
し、その駆動機構を利用して可動栓を移動することで充
填剤充填層を圧縮する方式で行った。

実施例１ 本発明方法（第１図の手順）に従って内径５．３ｃｍ、
最大有効充填剤層高３０ｃｍ、可動栓の可動圧ｍ１Ｊ５
ｃｒｎの一端可動式の可動栓型カラムに、リザーバーを
取付は充填剤７００ｍｆｔをアセトンでスラリー化した
ものを投入し、自然沈降による初期充填剤充填層の形成
後、上澄み液を排出、リザーバーを取外し、可動栓をカ
ラムに取付け、液流速２００ｍλ／ｍｉｎの流速で下記
表１の圧力で充填を行った。通液時のカラム出入り口で
の通液圧力差（圧力損失）は２０ｋｇｆ／ｃｍ２であっ
た。

そして通液開始から３０分後、通液を維持したまま可動
栓を下動させて充填剤充填層を固定し操作を終了した。

この充填カラムの分離性能を、サンプルとして０．２％
ベンゼン４．７ｍ１Ｌｓ溶離液としてＭｅＯＨ／ｌ−１
＊０＝　７　／　３　（体積比）を用い、流速４０ｍ１
２７ｍ１ｎで通液して成分の溶出時間ｔＲ及び溶出ピー
ク幅Ｗを測定し、下記式でカラム理論段数Ｎにより評価
した。

Ｎ＝１［１（ｔＲ／Ｗ）’ 比較例 同じ可動栓型カラム及び充填剤を用いて従来の通液加圧
充填法、及び機械的加圧充填法を実施し、同様に分離性
能を測定してその結果を下記表１に併せて示した。

なお機械的加圧充填法においては、充填剤７００ａｌを
アセトンでスラリー化したものをカラムに投入し、自然
沈降による初期充填剤充填層の形成後、可動栓を移動さ
せて充填剤充填層を１　ｃｍ押し込んだ。

また通液充填法においては、その通液速度を５００＋ｎ
ｊ２　／ｍｉｎ、通液圧力を７０ｋｇｆ／ａｍ’として
行った。

最終的にカラム内に充填された充填剤の量は、それぞれ
表１に示したとおりである。

表１の結果から分かるように、本発明の充填法により得
られたカラムの分離性能は、従来の通液加圧充填法によ
り作製した固定型カラムの分離性能と同等乃至それ以上
の優れた理論段数を示し、しかもその再現性も極めてよ
いことが分かる。

また充填時の通液圧力は、従来の通液加圧充填法の場合
の１　／３．５であり、カラム耐圧、通液設備とも高圧
仕様を必要としなかった。

以上の実施例（通液圧力２０ｋｇｆ／ｃｍ２）と通液加
圧充填法（通液圧カフ０ｋｇｆ／ｃｍ２）の比較例にお
いての低圧充填が行えることによる効果を対比して下記
表２に示した。

表　　　　　　　２ 上記表２から分かるように、充填圧力が３．５倍必要で
あることにより、カラム重量が４割増しとなる。使用す
るポンプについても２倍の設備費が必要となる。これら
はカラム径サイズが大きくなるほど大きくなる傾向があ
る。

また高いカラム性能を得る目的で、より小さな充填剤を
使用することが考えられるが、通液圧力は一般に充填剤
径の２乗に比例して増加するので、低圧条件での充填が
可能となることは、経済的にも操作条件的にもその有用
性は極めて高い。

［発明の効果］ 本発明の充填法によれば、従来のｍ成約加圧充填法で用
いられている可動栓型カラムの構造上の特徴を利用して
、通液加圧充填法による充填剤充填層の形成が実現でき
、しかもその操作に作業者の熟練性も要求されないとい
う効果がある。

また従来の機械的加圧充填法に比べては勿論のこと、一
般に優れた分離性能が得られる通液加圧充填法に比べて
も、同等乃至それ以上の優れた性能のカラムを再現性よ
く得ることができるという効果がある。

また更に低圧での通液加圧充填を可能とすることにより
、カラムの耐圧強度の低下、通液設備の負担軽減を実現
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明の可動栓型カラムにおけ
る通液加圧充填の操作を説明するための図、第２図（ａ
）　、　（ｂ）は本発明方法の実施に用いる可動栓型カ
ラムの一例を示した図、第３図は通液時の液の流れを説
明するための図である。 第４図（ａ）〜（ｅ）は、従来の固定型カラムに２５・
・・上部フランジ　　２６．２８°・・・充填剤充填層
２７・・・液分散板　　　　２８・・・集液板２９、３
０・・・保持体　　　３１・・・シールリング３２・・
・圧力バランス室　３３・・・シールリング３４・・・
可動栓ロッド　　３５・・・上部フランジ３６・・・ボ
ルトナツト ３７・・・カラム上部フランジ ３８・・・可動栓駆動板　　３９・・・ボルトナツト４
０・・・カラム下部フランジ ４１・・・締結ボルトナツト ４２、４３・・・管路　　　　４４・・・下部フランジ
４５・・・管路　　　　　　５０・・・定流量ポンプ５
１〜５３・・・バルブ　　　５４・・・排気バルブ圧充
填の手順を説明する図、猶６図は従来の機械的加圧充填
を行うための可動栓型カラムの一例を示した図である。 ２！・・・リザーバー　　　２２・・・カラム本体２４
・・・可動栓 他３名 （ａ） 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、端部の隔離部材により筒内部が外気から封止可能で
   かつ上方の隔離部材が下方に移動可能なカラム内に、粗
   密度な状態の充填剤層を形成した後、カラムを外気から
   封止してこのカラムに液を下方向に貫流通液させること
   により高密度な充填剤充填層を形成させる操作と、上記
   移動可能の隔離部材をこの充填剤充填層の降下した上面
   位置まで下動させてこの充填剤充填層を固定する操作と
   を行なうことを特徴とする液体クロマトグラフィー用可
   動栓カラムの充填方法。 ２、請求項１において、充填剤充填層形成のためにカラ
   ムに貫流通液する液の通液圧力が、このカラムの実際の
   分離操作使用時における通液上限圧力の１〜３倍である
   ことを特徴とする液体クロマトグラフィー用可動栓カラ
   ムの充填方法。