JPS5824308A - 軟質性吸着剤を用いた多段固定床型吸着塔 - 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】 さらに詳しくは、軟質性吸着剤を用いる液相用の多段固
定床型吸着塔に関するものである。

近年、生化学物質の酵素、補酵素、酵素阻害剤、核酸な
どの分離、精製や濃縮、不純物の除去を目的とする軟質
性吸着剤が故多く研究開発され、一部は商品化されて市
場に供されている。

これら軟質性吸着剤には、それら自体に吸着作用を有す
るアガロース系担体、デキストラン＋担体、セルロース
系担体、ポリアクリルアミド系担体、そのほか被処理液
に不溶なビニルポリマー、ナイロン、ポリスチレン、ア
ミノ酸共重合物などの担体、およびそれら担体に化学的
修飾を施した活性化吸着剤、イオン交換用吸着剤、疎水
性吸着剤、アフイニティクロマトグラフイー用吸着剤な
どがある。これら軟質性吸着剤の物理的、流体力学的性
質は、従来から液相用の固定床型吸着塔に充填使用され
ている活性炭、活性アルミナ、シリカゲル、合成樹脂吸
着剤、イオン交換樹脂などのように充填体積が流体圧力
などによって変化しない非圧縮性の硬質吸着剤と異なり
、吸着剤の自重や流体圧力によって圧縮されて充填密度
が大きくなるという圧密性を有している。

軟質性吸着剤を従来の固定床型吸着塔に充填すると、吸
着剤の自重によシ充填層の上層部より下層部が圧密され
、塔高が高くなればなる程下層部の充填密度が大きくな
る。さらに被処理液を通液すると、液体の摩擦抵抗によ
って生ずる流体圧力により充填層全体が経時的に塔の軸
方向、すなわち被処理液の流れ方向にますます圧密現象
が進行して充填層の下層部の密度がより大きくなり、軸
方向における充填密度の分布がより一層不均質となる。

それに伴なって充填層の圧力損失も経時的に増大し、一
定の操作圧力下で吸着塔を運転しているばあいは経時的
に流速が減少し、低圧力操作では通液できなくなること
もあり、安定した吸着操作が困難になっている。

このように通液することＫよシ流れ方向に圧密現象が進
むため、軟質性吸着剤のばあいは流速の増加に伴なって
急速に圧力損失が増大する。

すなわち、流速と圧力損失の関係を表わす第１図に示さ
れているように１軟質性吸着剤■、（ト）、（Ｃ）　（
（Ａ）は繊維状セルロースにタンニンをｆｉｕ化　　　
　”させたもの、＠はアガロース（セファロース４Ｂ、
ファルマシア社の商品名）、（６）はポリアクリルアミ
ドゲルにタンニンを固定化させさらに酵素をＩｌｉ！ｊ
１１させたもの〕はいずれも下に凸のカーブを描き、圧
力損失は指数関数的に増大する。

一方、硬質の吸着剤（Ｄ）（ダイヤイオン５Ｋ−ＩＢ１
三菱化成工業株製）のばあいは擬−次の相関式にしたが
って直線的に圧力損失が増大する。

したがって吸着速度性能が高く、理論的に高い流速で処
理可能な軟質性吸着剤のばあいには、圧密の度合が大き
くなるために硬質の吸着剤に比較してより高い操作圧力
が必要となると共に、充填層の上層部と下層部の充填密
度の差がより一層大きくなり、経済的に不利となる。

このように吸着塔の軸方向に圧密現象が生ずると、境膜
での物質移動速度が律速となる吸着反応を利用するばあ
いの分離精製操作は不安定に々る惧れがある。

また、とくに繊維状の軟質性吸着剤においては、軸方向
のみならず塔の半径方向にも圧密現象が生ずる。すなわ
ち充填層の中央部が凹み、周囲が塔壁から離れてクサビ
形のクレノくスを塔壁との間に生ずる。そのため塔壁内
面に沿った流れが生じて理想的な押出し流れを維持する
ことができず、吸着塔の効率の低下をきたしている。

従来は叙上の問題点を避けるために、複数の吸着塔を並
列に用いきわめて低い流速で操作するか、まえはクロマ
トグラフィー分離のように高い充填層が必要となるとき
はやむをえずきわめて高い圧力で操作を行なっている。

本発明者らは、安定した吸着操作がそれほど高い圧力を
必要とせずに行ないうる吸着法を提供すべく鋭意研究を
重ねた結果、通液時の圧力損失がそれぞれ実質的に一定
になるように軟質性吸着剤が圧密充填された充填層が積
層された多段充填層に被処理液を通液することにより、
低い操作圧力下に大きな流速で理想に近い押出し流れが
形成され、効率の高い安定した吸着処理を行ないうろこ
とを見出し、本発明を完成した。

本発明において「圧密充填」状惑とは、通液時に実質的
に一定の充填密度に維持される充填状態のことであり１
通液前にあらかじめ適当な圧密充填状急に充填してもよ
く、また通液することＫより最適な圧密充填状台になる
ように充填してもよい。

本発明の吸着法において重要なことは、通液流速が一定
のとき各充填層の密度が経時的（初期段階は別として）
に実質的に変化せず、各充填層の圧力損失か経時的に実
質的に一定であることにある。

各充填層の充填密度は、用いる軟質性吸着剤の種類、被
処理液の種類、通液速度、充填層の段数など多くの７ア
クターに経済性を加味して、それぞれのケースで実験的
に決定される。

本発明の吸着法の対象となる軟質性吸着剤としてＩｒ１
ｉｆｆ：Ｊ記の各吸着剤があげられるが、さらに具体的
にはセファロース２Ｂ（ファルマシア社の商品名）、バ
イオゲルＡ（バイオラド社の商品名）、クロマゲルＡ（
和光純薬工栗株式会社の商品名）などのアガロース系担
体、セファデフ　クスＧ　（７７／ｌ／マシア社の商品
名）などのデキストラン系担体、セルロース、Ｐ紙粉末
、アビセル（旭化成工業株式会社の商品名）、セレック
スＮ−１（バイオラド社の商品名）などのセルロースＸ
ｆｆ１体、バイオゲルｐ（パイオクト社の商品名）、ク
ロマゲルＰ（和光純薬工業株式会社の商品名）などのポ
リアクリルアミド系担体、ビニルポリマー、ナイロン、
ポリスチレン、アミノ酸共重合体などの担体やそれらの
担体に化学的修飾を施したＣＨＢｒ−活性化セファロー
ス４Ｂ（ファルマシア社の商品名）、活性化ＣＨ−セフ
ァロース４Ｂ（ファルマシア社の商品名人エポキシ活性
化セファロース６Ｂ（７アルマシア社の商品名）などの
活性化吸着剤、ＤＥＡＥ−セファデックスＡ（ファルマ
シア社の商品名）、ＤＩＡＩ−セルロース（マイルス・
セラバンク社の商品名）、カルボキシメチル架橋デキス
トラン〔たとえば、ＣＭ−セファデックス（ファルマシ
ア社の商品名）〕、カルボキシメチルセルロース（＆ト
ーｔｉＪｌ’、ｃ、ｖ−セルロース（マイルス・セラパ
ック社の商品名）〕などのイオン交換用吸５１１１Ｒ１
％　ｚチルアガ田−ス（マイルス・セラバンク社の商品
名）、ヘキシルアガロース（Ｖイルス・１ツバツタ社の
商品名）などの疎水性吸着剤１アガロース−Ｌ−フェニ
ルアラニン（！イルス壷七ツバツタ社の商品名）、Ｉ）
Ｍム−アガ冒−ｘ（ｐ−ｐ−ｓイオケミ社の商品名）な
どの７フイ工テイク四！トグクフイー用吸着剤などがあ
けられる。

本発明の吸着法を実施するには、 間隔をおいて積層された複数の棚板、 該柵板間に圧密充填せられている軟質性吸着剤充填層、
および 棚板間の間隔を通液時に所定の間隔に保持する手段 を備えてなる多段固定床型吸着塔を用いればよい。

充填層の段数は、たとえばっぎのような方法によって決
定すればよい。

まず、使用する軟質性吸着剤について吸着平衡曲線と任
意に定めた種々の流速における破過曲線を作成し、それ
らのグラフから吸着剤の圧密かない状態の理論充填層高
さを求め、つぎに第１図および第２図に示すごとく実験
的にえた流速と圧力損失の関係および吸着剤の圧縮荷重
と充填密度から、自重と液流れＫよって圧イされたとき
の充填層高さおよび充填密度分布ならびに塔の全圧力損
失を推算する。つぎに同様にして種々の分割段数に対応
する各分割された充填層における圧密され九ときの充填
層高さおよび圧力損失を推算し、塔の全圧力損失を求め
る。

これらのデータと吸着塔の製作やポンプの性能、経済性
を考慮して、塔径、流速および圧力と共に段数を決定す
る。

通液時の棚板間隔は、前記の方法で決定した段数で理論
充填層高さを除して求めた分割層高さΔＨｍａｘと、前
記の推算法または設定流速下に実験的に求めた圧密され
たときの分割層高さΔＨｐ　に操作圧力または流速の運
転時の外乱を考慮し丸係政α（αは１未満の正の欽）を
乗じたΔＨｍｉｎＯ間、すなわちΔＨｍａｘ　〜ΔＨｍ
ｉｎ１好ましくはΔｕｐ　　前後に設定する。

このようＫｍ板間隔を設定することにより、吸着剤の軸
方向の圧密の増加が抑えられ、各分割層における圧力損
失が経時的に実質的に一定になる。さらに１１ｎ剤、と
くに繊維状吸着剤で生ずる塔の半径方向への収縮が防止
され、均一な押出し流れがえられる。

段数および棚板間隔の決定を繊維状セルロースを担体と
する混潤固定化タンニン２４Ｋｇ（見掛は容積５０７）
を用い、塔径５００ｍｍ−の吸着塔について試算してみ
る。

固定化タンニンの理論充填層高さは２５０　ｍｍであり
、それの流速と圧力損失の関係は第１図に示すごとくで
ある。これらのデータから全圧力損失０．２　Ｋｇ／Ｃ
ｍ”に設定するときの段数および該段数に分割したとき
の相対流速（単一層における流速を１としたときの流速
）の関係を求める（９４３図）。

第３図から明らかなように分割段数が増加するにしたが
って流速が大きくなる。しかし、たとえば段数を１０に
したばあい、各分割層の理論充填層高さは２５ｍｍとな
シ、充填が困難となる。充填技術および経済面からみて
、４段が好適と考えられる。そのときの分割層の理論充
填層高さおよび相対流速は、それぞれ６２．５ｍｍおよ
び２である。

また実験的に求めた固定化タンニンにおける圧密され九
ときの充填層高さは約４２．５ｍｍであるから、棚板間
隔は約４２．５ｍｍ前後に設定すればよい。

また全圧密充填層高さは約１７０　ｍｍとなり、塔高を
低くすることができコスト的に有利となる。

なお、分割層高さ、すなわち棚板間隔はそれぞれ等しく
ても異なっていてもよい。さらに用いる軟質性吸着剤も
１種類に限られるものではなく、異種の吸着剤を異なる
段に充填してもよ　　１いし、２種以上の吸着剤を混合
した混合吸＃剤を用いてもよい。

つぎにｖＩ４〜７図に基づいて本発明の吸着塔の実施態
様を説明するが、本発明はかかる実施態様に限定される
ものではない。

第４図は本発明のＩｌｔ塔を用いた吸着装置の一実施態
様である。（１）は軟′に性吸着剤■が圧密充填されて
いる多段固定床型吸着塔であり、該吸着塔（１）の上部
にデストリピユータ０）と連通する液入口■と空気口■
が設けられており、底部には液出口＠）が設けられてい
る。さらに吸着塔α）の下部に固定床支持板のが固定さ
れており、その上部に複数の棚板（８）が棚板間隔保持
手段■を介して積層されている。軟質性吸着剤Ｃ）は棚
板ｅ）間に所定の密度で圧密充填されている。

液入口■は流量制御弁（１０）、供給ポンプα１入切換
え弁（１２）を介して被処理液槽α３）と連通しており
、液出口（６１は切換え弁（１４）を介して処理液槽（
１５）と連通している。また再生液槽α６）も切換え弁
α２）に接続されている。

なお、軟質性吸着剤■の漏出防止用にサラン製ネツ）（
１７１を固定床支持板（７）や棚板（８）に装着しても
−よい。

第５図に棚板間隔保持手段の一実施恵様の要部の概略断
面図を示す。この実施態様では、固定床支持板（７）か
ら＠一定用ボルＨ１８）が垂直に上方に伸びている。軟
質性吸着剤（２）の充填は、まず棚板間隔に等しい長さ
に切断された中空パイプのスペーサ（１９）をボルト（
１８）に挿入し、ついで所定量の軟質性吸着剤（２）を
−電床支持板σ）上に均一に載置する。棚板（８）の周
辺部には孔（２０）が設けられており、該孔（２０）に
ボルト（１８ｊを通して棚板（８）を押下げることによ
シ、第１段圧密充填層を形成する。ついでスペーサ（１
９）をポル）（１ｇ）に挿入シ、吸着剤を均一に載直し
、棚板（８）をその上に押下げて第２段圧密充填層を形
成する。同様にして各段の圧密充填層を形成し、最後に
最上部の棚板をしっかシと押下げ、ナツトにより最上部
の棚板（８）を固定して多段圧密充填層を組立てる。

第６図に棚板間隔保持手段の別の実施魅樺の要部の断面
図を示す。ζ゛１の実施態様は訳質性吠肴剤の充填の簡
略化を目指すものである。

吸着剤漏出防止用のサラン製ネット（１７が；ネツト押
え板（２１）と止めボルト・ナツト８本を用いて棚板（
８）に１ｄ定されている。止めボルト・ナツトのうち４
本は、棚板間隔に等しい長さの円柱部を有する段落ちポ
ル）（２２）であり、棚板間隔保持手段を慎１戊してい
る。また吸着効率の低下を惹起する塔壁面に沿った流れ
を防止するためにシールパツキン（２３）が止めボルト
・ナツトによシ棚板（８）の上面の周辺に固定されてお
り、塔壁とのクリアランスをなくしている。シールパツ
キンとしてはクイルソン型のものが好ましい。このシー
ルパツキンは被処理液のシートパスを防止するだけでな
く、繊維状吸着剤においては塔半径方向の収縮防止の働
きもする。

本発明の吸着塔に用いる棚板は、軟質性吸着剤を支持す
ることができ、かつそれ自身による圧力損失が大きくな
いものであればいかなるものでもよく、九とえば金網、
多孔板などが採用できる。

また繊維状吸着剤では塔径が４００　ｍｍ−以−ヒにな
ると、まれではあるが、充填層の上表面に液切れ収縮に
よると考えられるクランクが生じ、押出し流れを乱す。

そのクラック発生防止のため、棚板（８）の下面に吸着
剤収縮防止用桟′２４）を設ければよい。第６図に収縮
防止用桟り２４）を有する棚板の側断曲図を、第７図に
底面図を示す。クラックの発生防止は、収縮防止用桟（
２（が充填剤中に入り込み、充填層表面を分割すると共
に部分的に圧縮することによシ行なわれるものと考えら
れる。桟の形状は第７図に示すような井形のものが好ま
しいが、充填層表面を適当に分割しかつ部分的に圧縮す
ることができる形状であればいかなるものでもよい。桟
（２４）の高さくｈ）（第６図参照）は約１０〜３０ｍ
ｍが好ましく、充填層表面を約１５０〜３６０　ｍｍ　
角、好ましくは２００〜３００　ｍｍ角に分割する。桟
（２４）の棚板（８）への収りつけは、九とえば済接に
よって行なえばよく、桟の収シつけにより棚板の強度も
増大する。

本発明の吸着法を用いるときには、低い操作圧力下に比
較的高い流速で効率のよい吸着を構造の比較的量率な１
基の吸着塔によって安定して行なうことができる。した
がって吸着プラントの構成が単純化されるのでプラント
建設費が安価となり、しかも運転費用も低減することが
できる。

なお、本発明の装置は軟質性の担体、すなわち圧密性の
担体を用いる酵素反応器としても応用することができる
。

つぎに実施例および比較例をあげて本発明を説明する。

実施例１〜４ ＠６図に示すタイプの本発明の吸着塔につぎに示す軟質
性吸着剤を充填し、５に／１ｌｌｉ液時と５゜Ｋｊ　　
通液時の塔の全圧力損失および流量を測定し喪。

それらの結果を第１表に示す。

実施例１：繊維状セルロースを担体とする湿潤固定化タ
ンニン 実施例２：Ｆ紙パルプ 実施例３：ポリアクリルアミドゲルにタンニンを固定化
させさらに酵素を吸着させ たもの 実施例４：繊維状セルロースで固定されたタンニンにさ
らに酵素が吸着したもの 用いた吸着塔の仕様はっぎのとおりであった。

内　　　径：５００ｍｍｄ 塔　　　高ニア４０ｍｍ 棚　　板：５０メツシユのｆ９ン製ネットが装着された
多孔板 段　　数：４段 棚板間隔：　４０　ｍｍ 第　　１　　表 実施例５ 第５図に示すタイプの本発明の吸着塔を用いて生酒の清
澄化処理を行なった。

吸着塔の仕様はっぎのとおりであった。

内　　　径：５００ｍｍ１ｌ 塔　　　　高ニア４０ｍｍ 棚　　　板：１０メツシユの金網製 段　　数＝４段 棚板間隔（スペーサの長さ）　：　４０　ｍｍ収縮防止
桟：高さ１５　ｍｍの井形 軟質性吸着剤としては、繊維状セルロースを担体とする
湿潤固定化タンニン２４Ｋｇ（見掛は容積５０１）を用
いた。

塔内への軟質性吸着剤の圧密充填は、固定床支持板上に
吸着剤６Ｋｇを均一に載置し、ボルトにスペーサを挿入
し、ついで棚板を載せて収着剤を圧密した。各棚板の上
にも同様にして吸着剤６Ｋｇを圧密充填し、４枚目の棚
板をナツトによってボルトに固定して全圧密充填層高さ
を、１７２　ｍｍとした。

このように組立てた吸着塔に、被処理液としてアルコー
ル濃度２１．０容量％、混濁度４０、成品１０°Ｃ１粘
反３．２　ｃ　Ｐの生酒を下向流で各々ｌｏＫｊ通液し
た。処理量が５Ｋｌとなった時点で流速と圧力損失の関
係を調べた。

それらの結果および処理量の混濁度を第２表に示す。

実施例６ スペーサの長さを４５ｍｍＫ変えたほかは実施例５と同
様に吸着塔を組立て、実施例５と同様にして生酒の清澄
化処理を行なった。

その結果を第２表に示す。

比較例１ 内径５００ｍｍ−１塔高７４０　ｍｍの固定原基に繊維
状セルロースを担体とする湿潤同定化タンニン２４Ｋｇ
（見掛は容積５０１）を充填した。　　　　１なお、固
定化タンニンの半径方向への収縮防止とスペーサの効果
を調べる目的で、実施例１で用いた棚板３枚を充填層を
４等分する位置に固定せずに挿入し、さらに上面に棚板
１枚を載置した。このときの全充填層高さは２４０　ｍ
ｎ＋であった。

６１処理液は実施例５と同じ生酒を用い、実施例５と同
様に流して、処理後の混濁度および５に／　処理時の流
速と圧力損失を調べた。

それらの結果を第２表に示す。

当初２４０ｍｍでめった全充填層高さは経時的に変化し
、５Ｋｌ処理時で１７０ｍｍ　１１０に！　　処理時で
１４”５ｍｍとなり、圧密現象が認められた。

これに伴ない、操作圧力も増加した。

第２表 第２表から明らかなごとく、本発明の吸着塔では通液流
速が約２倍となっても圧力損失は従来の吸着塔に比し半
分以下であり、きわめて安定した操作で行なうことがで
きる。しかも処ｊ！１．後の混濁度も従来の吸着塔に比
して低く、良好な吸着効率を示している。

実施例７ 第６図に示すタイプの本発明の吸着塔を用いて醸造用水
の除鉄処理を行なった。

吸着塔の仕様はつぎのとおりであった。

塔　　　径：５５Ｇｍｍｌｌ 塔　　　　高ニア４０ｍｍ 棚　　　板：サラン製ネット（５０メツシユ）張シの多
孔板（孔径１０　ｍｍ、厚さ ３　ｍｍ　） 段　　　数＝８段 保持ボルト長さ：　４０　ｍｍ 収縮防止機：高さ１５　ｍｍ　の井形 軟質性吸着剤としては、繊維状セルロースを担体とする
銀潤固定化タンニン４８Ｋｇ（見掛け容積１００／）を
用いた。

軟質性吸着剤の充填は、固定支持板上に吸着剤６Ｋｇを
均一に載置し、支持ボルトつきの棚板を載せ、その上に
吸着剤６Ｋｇを載置した。この作業を繰返し、８板目の
最上段の棚板の上には、ガラス玉を載せ、全充填層高さ
を３４４ｍｍＫ設定した。

このように組立てた吸４塔に、被処理水として鉄台１！
ｔ２５〜４５ｐｐｂの水道水をｉ速３．ＯＫｌ／ｂｒ　
（線速度１５．３ｍ／ｈｒ　）で２５日間（１日１０時
間）通液した。その結果、処理水の鉄含量は１〜５　Ｐ
Ｉ）ｂ　　と設計値どおりに減少した。

また塔入口の圧力は、第８図に示すごとく長時間きわめ
て安定していた。

実施例８ 実施例７と同じ仕様の吸着塔に実施例３と同じ軟質性吸
着剤を圧密充填した吸着塔を用い、デンプン糖化液の除
鉄処理を行なった。

被処理液としては、５ｏ０ｃに加温され九デンプン糖化
液（粘度１．７８　ｃＰ　、鉄含量４２５ｐｐｂ）１９
．２に／を用いた。

このデンプン糖化液を流速０．９６　Ｋ／／ｈｒ（線速
度４．９ψｒ）で流したところ、処理液が４．８に／の
ときの鉄含量は３ｐｐｂであり、１９．２に／のときの
鉄含量は２３ｐｐｂとな）、艮好な除鉄結果がえられた
。また塔入口の圧力および塔の圧力損失はそれぞれ０．
９４〜１．０Ｋｇ／ｃｍ”および０．４１〜０．４５Ｋ
ｇ１０ｎとすぐれた安定性を示した。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種吸着剤の流速と圧力損失の関係を示すグラ
フ、第２図は固定化タンニンの圧縮荷重と充填密度の関
係を示すグラフ、４ｔＪ３図は固定化タンニン充填層の
分割段数と相対流速の関係を示すグラフ、第４図は本発
明の吸着塔を用いた吸着装置の一実施急様の概略系統図
、第５〜６図はそれぞれ本発明の吸着塔に用いる棚板間
隔保持手段の実施島様の概略側断面図、第７図は収縮防
止用桟が装着された棚板の底面図、第８図は実施例７に
おける塔入口の圧力の経時変化を示すグツ７である。 （図面の主要符号） （υ　：多段固定床型吸着塔 （２）：軟質性吸着剤 （８）：棚板 （１９）　：スペーサ （２２）二段落ちボルト （２３）　：シールパッキン （２優：収縮防止用桟

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　通液時の圧力損失がそれぞれ実質的に一定となるよ
   うに軟質性吸着剤が圧密充填された充填層が積層された
   多段充填層に被処理液を通液することを特徴とする軟質
   性吸着剤を用いた吸着法。 ２　間隔をおいて積層された複数の棚板、該棚板間に圧
   密充填せられている軟質性吸着剤充填層、および 棚板間の間隔を通液時に所定の間隔に保持する手段 を備えてなる軟質性吸着剤を用いる多段固定床ｆＭｔｊ
   ｌｊ着塔。 ３　前記棚板が塔の半径方向における軟質吸着剤の収縮
   防止用桟を有する特許請求の範囲第２項記載の吸着塔。 ４　前記棚板が塔壁と棚板間のシール手段を何する特許
   請求の範囲第２項を九は第３項＆ｉ械の吸着塔。 ５　前記軟質性吸着剤が繊維状吸着剤である特許請求の
   範囲第２項、第３項または第４項記載の吸着塔。 ６　前記繊維状吸着剤が繊維状セルロースを担体とする
   固定化タンニンである持ｆＦＩＩＩｔ氷の粕囲＠５項紀
   戟の吸着塔。