JP2018024679A

JP2018024679A - バリンの連続分離のための装置及びそれを用いたバリンの連続分離方法

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Publication number: JP2018024679A
Application number: JP2017160995A
Authority: JP
Inventors: ホリーチョング; Chong Ho Lee; フーンカングセウング; Seung Hoon Kang; フンユジャエ; Jae Hun Yu; シンキムユ; Yu Shin Kim; ヨングムンスング; Sung Yong Mun; ゲウンナムヘエ; Hee Geun Nam; フンパークチャン; Chan Hun Park
Original assignee: Industry University Cooperation Foundation IUCF HYU; CJ CheilJedang Corp
Current assignee: Industry University Cooperation Foundation IUCF HYU; CJ CheilJedang Corp
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2018-02-15
Also published as: KR101449808B1; JP2015506958A; BR112014019488A2; EP2812309B1; KR20130090738A; EP2812309A4; US20130204040A1; ES2882617T3; WO2013119034A1; EP2812309A1; CN104203903A; BR112014019488B1; CN104203903B; MY171770A; IN2014MN01764A; HUE055656T2

Abstract

【課題】バリンを連続して分離する装置及びそれを用いたバリンの連続分離方法の提供。【解決手段】脱着剤ポートＤ、フィードポートＦ、ラフィネートポートＲ、抽出物ポートＥ、前記ポート連結される複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)と、複数のクロマトグラフィーゾーン(４０、５０、６０)とを含み、複数の連結ポート(１０ａ−１、１０ａ−２、１０ｂ、１０ｃ)、(２０ａ、２０ｂ−１、２０ｂ−２、２０ｃ)、(３０ａ、３０ｂ、３０ｃ−１、３０ｃ−２)を備え、複数のロータリーバルブが回転することにより、複数の連結ポートのいずれか１つのみ開放され、それに応じてポート(Ｄ、Ｆ、Ｒ、Ｅ)の夫々に選択的に連結されるいずれか１つのロータリーバルブが切り替えらえるバリンの連続分離装置。ロイシンやイソロイシン等のアミノ酸を含む混合物から高い純度と収率でバリンを連続して分離することができる、パリンの連続分離方法。【選択図】図４ａ

Description

本発明は、バリンの連続分離のための装置及びそれを用いたバリンの連続分離方法に関
し、より具体的には、ロイシンやイソロイシンなどのアミノ酸を含む混合物からバリンを
連続して分離するための装置及びそれを用いたバリンの連続分離方法に関する。

バリン(valine)は、ＨＯ_２ＣＣＨ(ＮＨ_２)ＣＨ(ＣＨ_３)_２の化学式を有するL−アミノ
酸であり、医薬品や化粧品の主要原料の１つとして用いられる。また、動物飼料に利用さ
れる重要な成分の一つでもある。これらの理由から、バリンの利用に注目した産業的市場
における関心は日増しに大きくなっている。

バリン生産過程は主にコリネバクテリウム(Corynebacterium)の発酵により行われる。
これに関して注目すべきは、発酵過程中にバリンだけでなく他の不純物なども共に得られ
るということである。これらの不純物は、塩、アラニン、ロイシン、イソロイシンなどで
あり、これらの不純物は全てバリンから分離しなければならない。

従来の技術で用いられるバリンの分離方法としては、イオン排除クロマトグラフィー(
特許文献１)、沈殿剤を用いた結晶化方法(特許文献２、３及び４)、化学反応法(特許文献
５)などがある。しかし、前記分離方法のうち、イオン排除クロマトグラフィー方法は、
ロイシン、イソロイシンなどのアミノ酸の分離が難しく、廃水発生量が多く、結晶化など
の後処理工程がさらに必要であるという欠点がある。また、沈殿剤を用いた結晶化方法は
、沈殿剤を除去するための工程を必要とするので工程が複雑であり、精製のための後処理
工程がさらに必要であるという欠点がある。また、化学反応法は、ロイシンとイソロイシ
ンを全て分離することができるが、濃縮及び加水分解工程を必要とするので工程が複雑で
あり、溶媒を多量に用いるのでそれを回収する後処理工程に多くの設備を必要とすること
から精製工程のコストが上昇する。

一方、クロマトグラフィー分離工程は、吸着剤に基づく分離工程であり、多数のバイオ
製品の分離精製段階に広範囲に用いられており、その運用方式によって大きくバッチ(bat
ch)クロマトグラフィー工程と連続疑似移動床(simulated moving bed, SMB)クロマトグラ
フィー工程に区分される。前記ＳＭＢ工程は、１９６１年に米国のＵＯＰ社が石油化学製
品の分離のために最初に開発した工程であり、その性能と分離効率はバッチ工程に比べて
はるかに優れることが報告されている。このようなＳＭＢ工程の優位性により、単に石油
化学製品の分離精製だけでなく、糖物質、キラル化合物、バイオ製品、医薬品などの高付
加製品の分離精製にまで広く用いられている。

従来のほとんどのＳＭＢ工程(４-ゾーンSMB)は、図１に示すように、４つのゾーン(カ
ラム)と４つのポートが配置された構成となっており、４つのポートのうちフィードポー
トと脱着剤ポートから分離対象混合物と溶媒(脱着剤)がそれぞれ注入される。また、ラフ
ィネート(Raffinate)ポートと抽出物(Extract)ポートから吸着力の弱い物質と強い物質が
分離して得られる。このような一連の分離対象混合物と溶媒の注入、そして両成分の回収
が連続して行われるようにするために、４つのポートは所定時間間隔で溶媒が流れる方向
に応じて動くようになっている。

しかし、前記４-ゾーンＳＭＢ工程は、少なくとも４つのカラムを必要とする。一般に
、各カラム毎のバルブと吸着剤はいずれも高価であるため、カラムの数を最小限にするこ
とが好ましい。

よって、図２に示すように、３つのクロマトグラフィーゾーンを有するＳＭＢ(３-ゾー
ンＳＭＢ)工程が導入されている。図２に示すように、３つのゾーンを用いるので、最小
カラム数を４つから３つに減らすことができる。また、４つのポートは、従来の４つのク
ロマトグラフィーゾーンを有するＳＭＢ構造と同様に配置される。

しかし、前記３-ゾーンＳＭＢ工程において、バリンのように吸着力が弱いために速く
移動する低親和性成分は、図２のラフィネートポートから回収されるが、図２のようなラ
フィネートの濃縮ゾーン(enrichment zone)がないので、過度な希釈が避けられない。す
なわち、回収されたバリンの濃度が分離対象混合物中のバリン濃度に比べて低くなると、
ＳＭＢ分離工程の後続の後処理工程の運用コストが上昇するという副作用が発生する。よ
って、このような副作用を克服する新たな構造を有する３-ゾーンＳＭＢ工程の適用が必
要とされる。

そこで、本発明者は、上記に鑑みて研究を重ねるなかで、擬似移動層クロマトグラフィ
ー工程を行う装置により、ロイシンやイソロイシンなどのアミノ酸を含む混合物から効率
的にバリンを連続的且つ効果的に分離できることを確認し、本発明を完成するに至った。

特開昭６２−２５５４５３号公報特開１９９６−３３３３１２号公報特開１９９８−２３７０３０号公報米国特許第６０７２０８３号明細書米国特許第４２６３４５０号明細書

Kang, S.H. et al., Process Biochem., 2010, 45, 1468-1476 Lee, K.B. et al., AIChE J., 2008, 54, 2852-2871 Nam, H.G. et al., Process Biochem., 2011, 46, 2044-2053 Chung, S. F. et al., AIChE J., 1968, 14, 857-866 Wilson, E. J. et al., Ind. Eng. Chem. Fundam., 1966, 5, 9-14 Wilke, C.R. et al., AIChE J.. 1955, 1, 264-270

本発明は、ロイシンやイソロイシンなどのアミノ酸を含む混合物からバリンを連続して
分離する装置及びそれを用いたバリンの連続分離方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、図４ａ〜図４ｃに示すように、本発明において、バリンの
分離のために用いる装置は、脱着剤ポートＤと、フィードポートＦと、ラフィネートポー
トＲと、抽出物ポートＥと、３つのロータリーバルブ(１０、２０、３０)と、各ロータリ
ーバルブ(１０、２０、３０)に連結される３つのクロマトグラフィーゾーン(４０、５０
、６０)とを含む。

３つのロータリーバルブ(１０、２０、３０)は、それぞれ３つの連結ポート(１０ａ、
１０ｂ、１０ｃ)、(２０ａ、２０ｂ、２０ｃ)、(３０ａ、３０ｂ、３０ｃ)を備え、ロー
タリーバルブ(１０、２０、３０)の回転に応じて各ロータリーバルブ(１０、２０、３０)
のいずれか１つの連結ポートのみ開放されることにより、脱着剤ポートＤ、フィードポー
トＦ、ラフィネートポートＲ、抽出物ポートＥに連通する。

すなわち、脱着剤ポートＤ、フィードポートＦ、ラフィネートポートＲ、抽出物ポート
Ｅに連結される各流路は３つに分岐されるように分岐点を有し、３つのロータリーバルブ
(１０、２０、３０)に全て連結されており、いずれかの連結ポートが開放された後に特定
のロータリーバルブに連結される。

以下、具体的な作動方式について説明する。

図３は本発明で用いる３つのクロマトグラフィーゾーンを有する擬似移動層(３-ゾーン
SMB)工程の構造を示す概略図である。図３に示すように、ポートの移動が脱着剤ポート
、フィードポート、ラフィネートポート、抽出物ポートの順になっており、それぞれラフ
ィネート濃度の希釈を防止する濃縮ゾーンを運用することができる。よって、従来の３-
ゾーンＳＭＢの問題であるラフィネート濃度の低下を予防できるという利点を有する。ま
た、脱着剤ポートとフィードポートが１つのカラムで連結されている構造であるので、溶
媒の使用量を低減することができるという利点もある。

また、本発明においては、図４に示す工程が連続して行われる装置を提供する。図４ａ
は第１位置における装置を示す図であり、図４ｂは第２位置における装置を示す図であり
、図４ｃは第３位置における装置を示す図である。第１、第２、第３位置は連続して循環
する。すなわち、本発明による装置は、第１位置、第２位置、第３位置の順に作動し、そ
の後再び第１位置に回帰する方式である。

特定位置への設定は、ロータリーバルブ(１０、２０、３０)の回転により行われる。す
なわち、ロータリーバルブ(１０、２０、３０)の第１連結ポート(１０ａ、２０ａ、３０
ａ)が開放されることによって第１位置に設定され、さらにロータリーバルブ(１０、２０
、３０)が回転することにより第２連結ポート(１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ)が開放され、そ
れにより第２位置に設定され、再びロータリーバルブ(１０、２０、３０)が回転すること
により第３連結ポート(１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ)が開放され、第３位置に設定される。ロ
ータリーバルブ(１０、２０、３０)がさらに回転すると再び第１位置に設定される。

一方、以下では本発明のより良き理解のため一部の連結ポート(１０a、２０b、３０c)
は流入ポート(１０a−１、２０b−１、３０c−１)と流出ポート(１０a−２、２０b−２、
３０c−２)に分けて図示し、説明する。

図４ａに示す第１位置では、ロータリーバルブ(１０、２０、３０)の第１連結ポート(
１０ａ、２０ａ、３０ａ)のみ開放され、第２連結ポート(１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ)及び
第３連結ポート(１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ)は閉鎖される。

第１位置において、脱着剤ポートＤは第１ロータリーバルブ１０に連結され、フィード
ポートＦは第２ロータリーバルブ２０に連結され、ラフィネートポートＲは第３ロータリ
ーバルブ３０に連結され、抽出物ポートＥは第１ロータリーバルブ１０に連結される。

よって、脱着剤ポートＤから流入する脱着剤は、第１ロータリーバルブ１０及び第１ク
ロマトグラフィーゾーン４０を通過し、その後第２ロータリーバルブ２０に流入する。

フィードポートＦから流入する分離対象混合物は、第１クロマトグラフィーゾーン４０
を通過した脱着剤と共に第２ロータリーバルブ２０に流入し、第２クロマトグラフィーゾ
ーン５０を通過する。

本発明において、分離対象混合物はバリンを含んでおり、さらに不純物として塩、アラ
ニン、ロイシン、イソロイシンなどを含んでいる。第２クロマトグラフィーゾーン５０を
通過した後、流動速度の差による分離対象混合物の成分の分離が行われる。バリンは他の
不純物に比べて吸着力が弱い低親和性(ｌｏｗ−ａｆｆｉｎｉｔｙ)成分であるので、より
速く移動する。よって、その後分離対象混合物はバリンとその他の物質に分離され、そ
れぞれ時間差をおいて第３ロータリーバルブ３０に流入する。

分離しようとするバリンはラフィネートポートＲから流出するが、その他の物質は第３
クロマトグラフィーゾーン６０を通過して再び第１ロータリーバルブ１０を通過すること
により抽出物ポートＥに流出する。

所定時間(すなわち、ロータリーバルブの回転時間間隔)が経過すると、ロータリーバル
ブ(１０、２０、３０)が回転して図４ｂに示されるように第２位置に切り替えられる。所
定時間の基準については後述する。

図４ｂに示す第２位置では、ロータリーバルブ(１０、２０、３０)の第２連結ポート(
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ)のみ開放され、第１連結ポート(１０ａ、２０ａ、３０ａ)及び
第３連結ポート(１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ)は閉鎖される。

第１位置と比較すると、第２位置では、ポート(Ｄ、Ｆ、Ｒ、Ｅ)に連結されるロータリ
ーバルブ(１０、２０、３０)が１つずつ移動する。

すなわち、第２位置では、脱着剤ポートＤは第２ロータリーバルブ２０に連結され、フ
ィードポートＦは第３ロータリーバルブ３０に連結され、ラフィネートポートＲは第１ロ
ータリーバルブ４０に連結され、抽出物ポートＥは第２ロータリーバルブ２０に連結され
る。

よって、脱着剤ポートＤから流入する脱着剤は、第２ロータリーバルブ２０及び第２ク
ロマトグラフィーゾーン５０を通過し、その後第３ロータリーバルブ３０に流入する。

フィードポートＦから流入する分離対象混合物は、第２クロマトグラフィーゾーン５０
を通過した脱着剤と共に第３ロータリーバルブ３０に流入し、第３クロマトグラフィーゾ
ーン６０を通過する。

しかし、この場合、図４ａに示す第１位置から流入した分離対象混合物のうちその他の
物質は流動速度の差により第３ロータリーバルブ３０にまだ流入していない。これを行う
ため、前述したロータリーバルブの回転時間間隔が調整される。

よって、第２位置で第３ロータリーバルブ３０に流入した分離対象混合物は第３クロマ
トグラフィーゾーン６０を通過し、その後流動速度の差により分離対象混合物の分離が行
われてバリンとその他の物質に分離されるが、分離しようとするバリンは第１ロータリー
バルブ１０とラフィネートポートＲを通じて流出するのに対して、残りの物質は第１位置
で分離されたものの第３ロータリーバルブ３０にまだ流入していないその他の物質と合わ
せられてより効果的に第２ロータリーバルブ２０を通過し、その後抽出物ポートＥに流入
する。

所定時間が経過すると、ロータリーバルブ(１０、２０、３０)が回転して図４ｃに示す
第３位置に切り替えられる。

図４ｃに示す第３位置では、ロータリーバルブ(１０、２０、３０)の第３連結ポート(
１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ)のみ開放され、第１連結ポート(１０ａ、２０ａ、３０ａ)及び
第２連結ポート(１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ)は閉鎖される。

第２位置と比較すると、第３位置では、ポート(Ｄ、Ｆ、Ｒ、Ｅ)に連結されるロータリ
ーバルブ(１０、２０、３０)が１つずつ移動する。

第１、第２位置の説明と同様に、分離対象混合物はフィードポートＦから流入し、第３
クロマトグラフィーゾーン６０を通過した脱着剤と共に第１ロータリーバルブ１０に流入
し、第１クロマトグラフィーゾーン４０を通過するが、この時、図４ｂに示す第２位置で
流入した分離対象混合物のうち残りの物質が流動速度の差により第２ロータリーバルブ２
０にまだ流入していない時点であるので、同様に共に合わせられて第３ロータリーバルブ
３０を通過し、その後抽出物ポートＥに流入する。

分離対象混合物のうち分離しようとするバリンは、第２ロータリーバルブ２０を通過し
、その後ラフィネートポートＲに分離される。

所定時間が経過すると、ロータリーバルブ(１０、２０、３０)が回転して再び図４ａに
示す第１位置に切り替えられ、上記過程が連続して行われる。

本発明において、前記第１、第２及び第３クロマトグラフィーゾーンに用いられる吸着
剤としては、多孔性ポリマーレジンを用いることができ、不溶性ポリスチレンジビニルベ
ンゼンポリマー(insoluble polystyrene divinylbenzene polymer)物質からなるレジンを
用いることが好ましい。前記レジンは、表面積が大きく、固有の細孔径分布及び細孔容積
分布(pore size and volume distribution)を有し、様々な物質、特に薬学的化合物の精
製に有用である。具体的には、ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１(Rohm & haas)又はＣｈ
ｒｏｍａｌｉｔｅＰＣＧＳｅｒｉｅｓ(Purolite)などを用いることができる。商業的に
用いられる前記レジンの粒径は１０〜３００μｍであり、表面積は７００〜９００ｍ^２／
ｇであり、気孔の大きさは１００〜２００Åであり、細孔容積分布は０．７〜１．５ｍｌ
／ｇであり、均等係数(uniformity coefficient)は２未満である。

前記分離対象混合物は、バリン、及びバリンと共に分枝鎖アミノ酸に含まれるイソロイ
シン又はロイシンを含む混合物であり、微生物発酵により得られたバリン発酵液であるこ
とが好ましい。本発明の具体的な実施例においては、精製されたバリン、イソロイシン及
びロイシンを人為的に混合した混合液、及び微生物発酵により得られたバリン発酵液を用
いた。これは、微生物発酵の際にバリンのみ生産されることはほとんどなく、多くはイソ
ロイシン及びロイシンが共に生産されるからである。

本発明によるバリンの連続分離装置によれば、分離対象混合物のうち分離しようとする
バリンはラフィネートポートＲから流出し、その他の物質は流動速度の差だけでなく、ロ
ータリーバルブ(１０、２０、３０)の回転により効果的に分離されて抽出物ポートＥから
流出し、バリンを連続して分離することができる。

また、本発明のバリンの連続分離装置の制御において、脱着剤ポートＤ、フィードポー
トＦ及びラフィネートポートＲの流量を調節し、それと共にロータリーバルブの回転速度
を調節することにより制御することができる。前記各ポートの流量は、カラムのｉｎｔｒ
ｉｎｓｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒ(吸着係数、物質伝達係数、空隙率、物質環境など)を考
慮して調節することができる。

また、本発明は前記バリンの連続的分離装置を用いることよってバリンを連続分離する
方法において、前記脱着剤ポートを用いて脱着剤を流入し、前記フィードポートにバリン
を流入させ、前記ラフィネートポートからバリンを回収する工程を含むことを特徴とする
バリンの連続分離法を提供する。前記脱着剤は水であることが好ましい。また、前記方法
で回収されたバリンの純度は９０％〜９９％であることを特徴とする。

さらに、本発明の一実施例によれば、本発明によるバリンの連続分離装置により、バ
リン、ロイシン及びイソロイシンを含む分離対象混合物を分離した結果、回収されたバリ
ンの収率は約９８％以上、純度は約９８％以上であったので、混合物からバリンを効果的
に分離できることが確認された。

（発明の有益な効果）
本発明は、擬似移動層クロマトグラフィー工程を行う装置により、ロイシンやイソロイ
シンなどのアミノ酸を含む混合物から高純度及び高収率でバリンを連続して分離すること
ができる。

従来の４つのクロマトグラフィーゾーンを有する擬似移動層(４-ゾーンＳＭＢ)クロマトグラフィー工程の構造を示す概略図である。従来の３つのクロマトグラフィーゾーンを有するＳＭＢ(３-ゾーンＳＭＢ)工程の構造を示す概略図である。本発明で用いる３つのクロマトグラフィーゾーンを有する擬似移動層(３-ゾーンＳＭＢ)工程の構造を示す概略図であり、従来の３-ゾーンＳＭＢと差別化されたポート配置方式に基づいて開発された工程の構造を示すものである。本発明で用いる３-ゾーンＳＭＢ工程のための装置の模式図であり、ロータリーバルブの回転に応じた各ゾーンの連結を示すものである。本発明で用いる３-ゾーンＳＭＢ工程のための装置の模式図であり、ロータリーバルブの回転に応じた各ゾーンの連結を示すものである。本発明で用いる３-ゾーンＳＭＢ工程のための装置の模式図であり、ロータリーバルブの回転に応じた各ゾーンの連結を示すものである。吸着剤選定のためのパルステストの結果を示す図である。ここで、(ａ)はＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ、(ｂ)はＡｍｂｅｒｌｉｔｅＣＧ７１Ｃ、(ｃ)はＤＩＡＩＯＮＳＫ１Ｂ、ＤはＡｍｂｅｒｌｉｔｅＸＡＤ−７ＨＰの結果である。ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ吸着剤に対する階段式フロンタルテストの結果を示す図である。ここで、(ａ)はイソロイシン、(ｂ)はロイシン、(ｃ)はバリンの結果である。ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ吸着剤における吸着平衡データ(q vs. C)を示す図である。ここで、(ａ)はバリン、(ｂ)はロイシン、(ｃ)はイソロイシンのデータである。混合物フロンタルテストのデータとシミュレーション結果を比較した図である。ここで、(ａ)はロイシン、(ｂ)はイソロイシン、(ｃ)はバリンの結果である。ＳＭＢ実験の結果であり、ＳＭＢ脱着剤ポートから流出する流出溶液に対するＨＰＬＣ濃度分析の結果を示す図である。ここで、(ａ)はラフィネート濃度分析の結果であり、(ｂ)は抽出物濃度分析の結果である。ＳＭＢ実験により得られたサンプルに対するＨＰＬＣの生データ(raw data)クロマトグラムである。ここで、(ａ)は分離対象混合物、(ｂ)はラフィネート、(ｃ)は抽出物のクロマトグラムである。ＳＭＢ実験の結果であり、カラムプロフィール(６０.５ステップ)を示す図である。ここで、黒色の実線はバリンのシミュレーション結果、灰色の実線はイソロイシンのシミュレーション結果、黒色の点線はロイシンのシミュレーション結果、円形はバリンの実験結果、四角形はイソロイシンの実験結果、菱形はロイシンの実験結果である。ＣｈｒｏｍａｌｉｔｅＰＣＧ−６００吸着剤に基づいて行ったＳＭＢ実験の結果であり、ラフィネートポートから流出する流出溶液に対するＨＰＬＣ濃度分析の結果を示す図である。ＣｈｒｏｍａｌｉｔｅＰＣＧ−６００吸着剤に基づいて行ったＳＭＢ実験の結果であり、抽出物ポートから流出する流出溶液に対するＨＰＬＣ濃度分析の結果を示す図である。ＣｈｒｏｍａｌｉｔｅＰＣＧ−６００吸着剤を用いて行ったＳＭＢ実験の結果であり、カラムプロフィール(44.5ステップ)を示す図である。ここで、黒色の実線はバリンのシミュレーション結果、灰色の実線はロイシンのシミュレーション結果、円形はバリンの実験結果、赤色の三角形はロイシンの実験結果である。

以下、実施例を挙げて本発明の構成及び効果についてより具体的に説明するが、これら
の実施例は本発明を例示するものであり、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されるも
のではない。

アプローチ方法：バリン精製のクロマトグラフィー適用のための探索
１)モデルベースデザインアプローチ
新たな分離システムにおける連続工程を開発する上で最優先で考慮すべき事項が２つあ
る。まず、開発期間中に要する費用と期間の最小化である。次に、開発される工程の最適
状態が維持され、最大の生産性と最大の分離効率が得られる条件でなければならない。こ
れら２つの条件をどちらも満たすためには、詳細モデル(detailed model)に基づく吸着及
び物質伝達現象を正確に把握しなければならず、また、関連する様々なパラメータ値を得
なければならない。このような詳細モデル及びパラメータに基づく工程設計のアプローチ
方法をモデルベースデザインアプローチ(model-based design approach)という。本発明
においても、このようなアプローチ方法によりバリンの連続分離を行うＳＭＢ工程を開発
した。

２)コンピュータシミュレーション
モデルベースデザインアプローチの核心となる段階の１つがコンピュータシミュレーシ
ョンである。これは、カラム内の各成分の吸着及び物質伝達現象に対する詳細モデル式を
数値解析的方法で解いてその解を得る過程をいう。このような数値解析的方法は膨大な計
算量を要するので、コンピュータを用いて行う。

シミュレーションに用いられるカラムモデル式には多くの種類があるが、そのうち正確
性と効率性を考慮して集中質量移動モデル(lumped mass-transfer model)(非特許文献１)
を本発明のシミュレーションモデルとした。集中質量移動モデルに基づくコンピュータシ
ミュレーションは、各アミノ酸成分の基礎パラメータの測定と検証だけでなく、ＳＭＢ工
程の分離効率の検証にも活用された。さらに、このモデル式はＳＭＢ最適化ツールの製作
にも用いた。

３)ＳＭＢ最適化ツール
モデルベースデザインアプローチにおいてコンピュータシミュレーションと共に核心的
な役割を果たすものとしてＳＭＢ最適化ツールがある。このツールは、開発されるＳＭＢ
工程の最適運転条件を得るために用いられる。この最適化ツールの製作のために優先的に
必要なのが最適化アルゴリズムである。現在まで、ＳＭＢなどの複雑な形態の工程最適化
においては、統計学的理論に立脚した遺伝子アルゴリズムが最も効率的であることが知ら
れている(非特許文献２)。

本発明においても、バリンの連続分離工程の最適化のために、遺伝子アルゴリズムに基
づくＳＭＢ最適化コンピュータプログラムを構築した。遺伝子アルゴリズム自体もこれま
で発展を繰り返してきたが、本発明の最適化ツール製作段階においては、最新の遺伝子ア
ルゴリズムといえるＮＳＧＡ−ＩＩ−ＪＧアルゴリズム(非特許文献２)を基本アルゴリズ
ムとして採用した。

ＳＭＢ最適化ツールの製作方法は、マイクロソフト・エクセルのソフトウェアのＶＢＡ
(visual basic application)言語を用いて最適化アルゴリズムをコード化(coding)するこ
とにより、ＮＳＧＡ−ＩＩ−ＪＧアルゴリズムと詳細モデル式の計算が同時に行われるよ
うにした。

実験の準備
１)材料
分離対象混合物を構成する３つのアミノ酸成分のうち、バリンとロイシンはＦｌｕｋａ
から購入し、イソロイシンはＳｉｇｍａから購入した。アミノ酸を溶解するために用いた
水は３次脱イオン蒸留水(Distilled Deionized Water, DDW)であり、Ｍｉｌｌｉ−Ｑｓ
ｙｓｔｅｍ(Millipore)により得た。実験に用いた吸着剤は、ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ
１６１Ｃ(Rohm & haas)、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＣＧ７１Ｃ(Sigma Aldrich)、ＤＩＡＩＯ
ＮＳＫ１Ｂ(Mitsubishi Chemical)、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＸＡＤ−７ＨＰ(Sigma Aldric
h)である。ＨＰＬＣ濃度分析に用いたメタノールは、Ｂｕｒｄｉｃｋ＆Ｊａｃｋｓｏｎ
Ｃｏ．(Muskegon, MI)から購入した。

吸着剤の選定実験及び各物質の基礎パラメータの測定実験に用いたガラス材質のオムニ
フィットガラスカラム(Omnifit Glass Column)は、ＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＦｌｕｉｄ
ｉｃｓＣｏ．(Boonton, NJ)から購入し、前者の実験には長さ１１．６ｃｍ、直径１．５
ｃｍのカラムを用い、後者の実験には長さ２１．７ｃｍ、直径２．５ｃｍのカラムを用い
た。

２)装置
シングルカラム実験装置
吸着剤の選定実験には、Ｙｏｕｎｇ−ＬｉｎＳＰ９３０ＤポンプとＹｏｕｎｇ−Ｌｉ
ｎＵＶ７３０Ｄ検出器を用いた。この２つの装置の制御及びデータ処理は、Ａｕｔｏｃ
ｈｒｏ−３０００ソフトウェアにより行った。各吸着剤で充填されたカラム内にアミノ酸
パルスを注入する際に用いたインジェクターはＲｈｅｏｄｙｎｅ７７２５ｉインジェク
ターであり、注入量は１００μｌとした。

吸着剤の選定の完了後に行う各アミノ酸の基礎パラメータの測定実験においては、ＦＰ
ＬＣＰ−９２０ポンプ及びＷａｔｅｒｓ４８６ＵＶ検出器、並びにＡｍｅｒｓｈａｍ
ＦＰＬＣｃｏｌｌｅｃｔｏｒ(Frac-900)を用いた。各詳細装置の制御とデータ収集は、
Ｕｎｉｃｏｒｎ５．１ソフトウェアにより行った。

バリンの連続分離のための３-ゾーンＳＭＢ装置
図４に示す装置を自主的に組み立てて用いた。完成したＳＭＢ実験装置における脱着剤
の流量速度と分離対象混合物の流量速度はＹｏｕｎｇ−ＬｉｎＳＰ９３０Ｄポンプを用
いてそれぞれ制御し、ラフィネート流量速度はＩｓｍａｔｅｃＭＣＰ−ＣＰＦＩＳＭ
９１９ポンプを用いて制御した。４つのポートが周期的に移動する効果を得るために、Ｓ
ＴＶａｌｃｏロータリーバルブ(VICI, Houston, TX)を用いた。図４ａ〜図４ｃは前記
ＳＴｖａｌｖｅの作動模式図である。実験に用いたＶａｌｃｏロータリーバルブはＬａ
ｂｖｉｅｗ８．０ソフトウェアにより自動制御した。

ＨＰＬＣ濃度分析装置
ＳＭＢ実験により回収された物質の濃度測定のためにＨＰＬＣ濃度分析装置を用いた。
分析用カラムとしては、ＷａｔｅｒｓＳｙｍｍｅｔｒｙＣ−１８カラム(２５０×4.6m
mID, particle size 5μm)を用いた。ＨＰＬＣ濃度分析に関する全てのデータの収集は、
ＷａｔｅｒｓＭｉｌｌｅｎｎｉｕｍソフトウェアを用いて処理した。Ｗａｔｅｒｓ５１
５ＨＰＬＣポンプを用いて移動相の流量速度を制御した。濃度分析のためのサンプルは
、Ｒｈｅｏｄｙｎｅ９７２５ｉインジェクターを用いて分析用カラム内に注入し、注入
量は２０μｌとした。試料の検出はＷａｔｅｒｓ９９６ＰＤＡ検出器を用いた。

バリンのフロンタルテストにより得られたサンプルの濃度分析は、Ｙｏｕｎｇ−Ｌｉｎ
ＳＰ９３０ＤポンプとＹｏｕｎｇ−ＬｉｎＵＶ７３０Ｄ検出器を用いた。Ｙｏｕｎｇ−
Ｌｉｎポンプと検出器の制御及びデータ処理は、Ａｕｔｏｃｈｒｏ−３０００ソフトウェ
アにより行った。実験により得られたサンプルは、Ｒｈｅｏｄｙｎｅ７７２５ｉインジ
ェクターを用いて分析用カラム内に注入し、注入量は２０μｌとした。

バリンの分離に適した吸着剤の選定
１)実験方法
バリンからロイシンとイソロイシンを分離する可能性のある４種類の通常の吸着剤、例
えば、ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ(Rohm & haas)、ＡｍｂｅｒｌｉｔｅＣＧ７
１Ｃ(Sigma Aldrich)、ＤＩＡＩＯＮＳＫ１Ｂ(Mitsubishi Chemical)、Ａｍｂｅｒｌｉ
ｔｅＸＡＤ−７ＨＰ(Sigma Aldrich)を用いて、最も適する吸着剤を選定するための実験
を一連のパルステスト方式で行った。

前記パルステストの条件は次の通りである。３つのアミノ酸の各濃度は２ｇ／Ｌとし、
注入量は１００μｌとした。移動相の流量は２ｍｌ／分とした。

２)実験結果
上記結果を図５に示す。図５に示すように、ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ吸着
剤を除く他の吸着剤は、バリンの選択的分離が難しいことが確認された。上記結果から、
バリンを分離するためのＳＭＢ工程の構築には、ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ吸
着剤が最も適することが確認された。

ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃカラムの空隙率の測定
１)実験方法
前記実施例１で選定したＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍ−ＣＧ１６１Ｃ吸着剤の空隙率を測定し
た。まず、前記吸着剤をカラムに充填し、その後粒子間空隙率(inter-particle porosity
)(ｅ_ｂ)を測定する実験を行った。実施例１と同様の方式で行ったが、実施例１とは異な
り、分離しようとする分離対象物質の代わりに粒子間空隙率の測定に適したトレーサー分
子をカラム内に注入した。用いたトレーサー分子はブルーデキストランであり、注入濃度
は１ｇ／Ｌとし、流量は４ｍｌ／分とし、注入量は５００μｌとした。

２)実験結果
上記実験の結果、カラムの粒子間空隙率の値は０．３９１であった。重要な情報の一つ
である粒子内空隙率は文献に報告されている値を用いたが、この値は０．７３７である(
非特許文献３)。

ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ相におけるバリン、ロイシン、イソロイシンの基
礎パラメータの測定
吸着係数の測定
１)実験方法
分離対象混合物の各成分に該当するバリン、ロイシン、イソロイシンの基礎パラメータ
の測定のために階段式フロンタルテスト(multiple frontal test)を行った。階段式フロ
ンタルテストは、分離しようとする各物質の吸着平衡データを得て、そのデータに基づい
て吸着モデル式を作成すると共に関連吸着パラメータを決定するために行われる実験であ
る。

具体的には、階段式フロンタルテストにおいて、２台のポンプを用い、一方のポンプに
はＤＤＷ、他方のポンプにはバリン、ロイシン又はイソロイシン溶液を満たした。その後
、カラム内の吸着剤相と移動相間の平衡が得られるまで、バリン、ロイシン又はイソロイ
シン溶液をカラム内部に注入し続けた。平衡状態では吸着剤粒子間の濃度と吸着剤内部の
濃度がどちらもカラム内に注入されるバリン、ロイシン又はイソロイシン溶液の濃度と同
じ濃度に維持されるので、簡単な物質収支式を立てると吸着剤相における吸着濃度が直ち
に得られる。カラム内部の濃度が平衡をなすと、分離対象混合物溶液の比率を前段階より
高くし、新たに平衡状態を維持するようにした。再度、この平衡状態に対して物質収支式
を立て、吸着剤相における吸着濃度を計算した。このような階段式フロンタルテストを行
うことにより、各アミノ酸成分に対するステップタイムをパルステストの結果から得られ
た滞留時間の２〜３倍に決定した。

また、各アミノ酸成分に対する階段式フロンタルテストは全５段階とし、ステップタイ
ムとしてバリンは４０分、ロイシンは７０分、イソロイシンは７０分に設定した。また、
全ての試料の濃度は５ｇ／Ｌ、流量は４ｍｌ／分で一定に維持した。ロイシンとイソロイ
シンはＵＶ検出器において２０５ｎｍ、２１８ｎｍの波長で実験を行った。それに対して
、バリンの場合は、ロイシンやイソロイシンの実験におけるオンライン・モニタリング方
式とは異なり、ダイレクトＨＰＬＣ分析方式(カラム流出液を逐一採取してその濃度をＨ
ＰＬＣ装置で分析する方式)を採用した。ＨＰＬＣ分析条件は、１０％メタノール水溶液
を移動相として用い、注入量を２０μｌとし、流量を０．５ｍｌ／分とした。分析前に標
準溶液を用いて自主的に検量線(calibration curve)を決定した。その結果を図６に示し
、それに基づいて吸着平衡データを算出し、その結果を図７に示す。

２)実験結果
図７に示すように、バリン、ロイシン、イソロイシンの全てがＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍ
ＣＧ１６１Ｃ相で線形吸着関係を示す。よって、各アミノ酸成分を線形吸着モデル式にフ
ィッティングし、そこから線形吸着係数を決定した。決定した吸着係数の値を下記表１に
示す。

物質伝達係数の決定
１)実験方法
吸着係数と共にもう一つの重要な基礎パラメータといえる物質伝達係数を下記の方法で
決定した。

まず、軸方向分散係数(axial dispersion coefficient)と境膜物質移動係数(film mass
-transfer coefficient)は、Ｃｈｕｎｇ＆Ｗｅｎｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ(非特許文献
４)とＷｉｌｓｏｎ＆Ｇｅａｎｋｏｐｏｌｉｓｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ(非特許文献５)
を用いてそれぞれ予測し、分子拡散係数(molecular diffusivity)は、Ｗｉｌｋｅ＆Ｃ
ｈａｎｇｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ(非特許文献６)を用いて計算した。また、粒子内拡散
係数(intra-particle diffusivity)は、フロンタル実験のデータと集中質量移動モデルに
基づくシミュレーション結果を互いにフィッテイングして決定した。

２)実験結果
前述したように決定された分子拡散率と粒子内拡散率の値を下記表１に示す。

前述したように決定された吸着係数及び物質伝達係数の値の適正性を確認するために、
この値を代入したモデルシミュレーション結果とフロンタル実験結果を比較して図６に示
す。

図６に示すように、シミュレーション結果と実験データが一致することが確認された。
よって、前述したように決定された基礎パラメータの値は、後続して行われるＳＭＢ工程
の最適化に十分に活用することができる。

混合物フロンタル実験による基礎パラメータの検証
１)実験方法
前記実施例３で決定された基礎パラメータ値の検証のために、混合物フロンタル実験を
行った。この実験においては、実施例３とは異なり、３つのアミノ酸を全て含む混合物溶
液を分離対象混合物として用いてフロンタル実験を行った。

また、実施例３で決定された基礎パラメータ値と混合物フロンタル実験条件に基づいて
モデルシミュレーションを行った。さらに、そのシミュレーション結果を混合物フロンタ
ル実験データと比較した。その結果を図８に示す。

２)実験結果
図８に示すように、実験データとシミュレーション結果が一致することが確認された。
これは、実施例３で決定された基礎パラメータ値は、純粋な成分のときだけでなく、混合
物状態においても、各アミノ酸のカラム内の挙動を説明することができることを意味する
。また、各アミノ酸間の相互作用がほとんどないことを意味する。

バリンの連続分離のための工程の最適化
最適化過程で重点を置いたのは、目標分離対象物質であるバリンの高純度と高収率を保
持しつつバリンの生産性を最大化することである。ここで、バリンの生産性は下記式のよ
うに定義される。

(式１)
バリンの生産性(Productivity)＝Ｑ_ｒａｆ×Ｃ_{ｒａｆ，ｖａｌｉｎｅ}
(上記式において、Ｑ_ｒａｆはラフィネートポートにおける流量速度を意味し、Ｃ_ｒａ
_{ｆ,ｖａｌｉｎｅ}はラフィネートポートにおけるバリンの濃度を意味する。)

バリンの生産性を目的関数(objective function)に設定し、バリンの純度と収率を
制約条件(constraint)に設定して最適化過程を行った。具体的な最適化過程を要約すると
次の通りである。

ＭａｘＪ＝Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ［Ｑ_ｆｅｅｄ，Ｑ_ｒａｆ，ｔ_ｓｗ］
ＳｕｂｊｅｃｔｔｏＶａｌｉｎｅｐｕｒｉｔｙ＝９８％
Ｖａｌｉｎｅｙｉｅｌｄ＝９８％
ＦｉｘｅｄｖａｒｉａｂｌｅｓＱ_ｄｅｓ＝５ｍＬ／分
Ｃ_ｆｅｅｄｆｏｒｅａｃｈｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＝５ｇ／Ｌ
ＬＣ＝２１．７ｃｍ，ｄ_Ｃ＝２．５ｃｍ
(上記式において、Ｑ_ｆｅｅｄとＱ_ｄｅｓは分離対象混合物の流量速度と脱着剤の流量
速度をそれぞれ意味し、ｔ_ｓｗはスイッチングタイムを意味する。)

上記式に従って、本発明の３-ゾーンＳＭＢ装置を用いたバリン分離工程を最適化する
ために、ＮＳＧＡ−ＩＩ−ＪＧアルゴリズムに基づく最適化コンピュータプログラムを自
主的にコード化し、前記コンピュータプログラムをＡｓｐｅｎシミュレーターに接続して
該当工程を最適化した。その結果を下記表２に示す。

ＳＭＢ実験
こうして得られたデータを用いて、本発明によるバリンの連続分離装置でバリンを分離
し、その収率と純度を次のように測定した。

１)実験方法
図４に示す装置と、前記実施例５で得られた最適化条件を用いてＳＭＢ実験を行った。
カラムはＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃを用いた。

まず、実験を始める前に、カラムの連結から行った。ここで、脱着剤(水)の流量速度を
２ｍｌ／分に維持し、他のポンプの作動を中止した。それぞれのバルブとカラムを連結し
た。ここで、カラム内部に空気が入らないように注意した。カラムの全ての連結を終え、
その後脱着剤の流量速度を目標値まで増加させた。ＳＭＢ実験は分離対象混合物溶液が注
入される時点から始まるので、分離対象混合物ポンプを作動させると同時にＬａｂｖｉｅ
ｗ８．０ソフトウェアを実行した。Ｌａｂｖｉｅｗ８．０によりバルブのスイッチング
とスイッチングタイムを同時に制御した。

ＳＭＢ実験は周期的定常状態(cyclic steady state)に達するまで行った。２５番目の
ステップ以降は定常状態に達することが確認された。よって、ＳＭＢ実験は、それよりは
るかに多いステップである６０番目のステップまで行った。ＳＭＢ実験が行われている間
、ステップ毎に各排出ポートから溶出する溶液の濃度をＨＰＬＣ装置を用いて分析した。
また、カラムプロフィールの決定のために、最後のステップで関連サンプルを採取した。
このために、ＳＭＢ実験が６０．５ステップに達したときに、駆動している全てのポンプ
を同時に停止した。そして、バルブに連結されたカラムの下部を開けてカラムから出てく
る溶液を回収し、その濃度を分析した。ＨＰＬＣ分析条件は、１０％メタノール水溶液を
移動相として用い、注入量を２０μｌとし、流量を０．５ｍｌ／分とした。分析前に標準
溶液を用いて自主的に検量線を決定した。その結果を図９に示す。図９において(ａ)はラ
フィネート濃度分析の結果であり、(ｂ)は抽出物濃度分析の結果である。

２)実験結果
図９の(ａ)に示すように、ラフィネート溶液内のほとんどの成分がバリンであり、不純
物に該当するロイシンとイソロイシンはほとんど存在しないことが確認された。これは、
バリンの純度が非常に高く維持されていることを意味する。また、図９の(ｂ)に示すよう
に、抽出物濃度分析の結果においてほとんどの成分がロイシンとイソロイシンであり、検
出されたバリンの量は無視できるほど少ないことが確認された。これは、抽出物ポートに
おけるバリンの損失が非常に少ないことを意味する。

また、前記ＳＭＢ実験を行うと共に該当ＳＭＢ工程に対するコンピュータシミュレーシ
ョンを同時に行い、その結果をラフィネートと抽出物のＨＰＬＣ濃度分析データと直接比
較した。図９に示すように、シミュレーション結果とＳＭＢ実験データが一致することが
分かる。

このようなＳＭＢ実験により分離されたバリンの最終純度と収率の定量的測定のために
、最後の６つのステップで得られた流出溶液を同じ割合で混合し、その後その溶液につい
てＨＰＬＣ濃度分析を行った。分析された濃度データに基づいてバリンの純度と収率を計
算し、その結果を下記表３に示す。

前記表３と図９の結果から、本発明のＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃを用いたＳ
ＭＢ工程は、バリンの連続分離と高純度及び高収率の保持において非常に優れることが確
認された。これに関する実験による実証データとして、図１０にＨＰＬＣ濃度分析の生ク
ロマトグラム(HPLＣの生データ)を示す。

まず、分離対象混合物溶液に対するＨＰＬＣの生データ(図１０のａ)においては、３つ
のアミノ酸成分の全てが大きいサイズのピークを示している。バリンの生産ポートに該当
するラフィネートポートの流出液に対するＨＰＬＣの生データ(図１０の(ｂ))においては
、バリン成分のみ大きいサイズのピークを明確に示しているのに対して、イソロイシンの
ピークは非常に小さいサイズを示しており、ロイシンのピークはほとんど見出されなかっ
た。不純物のみ得られるように設定された抽出物ポートの流出液に対するＨＰＬＣの生デ
ータ(図１０の(ｃ))においては、バリン成分のピークはほぼ無視できるのに対して、他の
２つのアミノ酸成分は大きいサイズのピークを示している。このような一連のＨＰＬＣの
生データにより、本発明におけるバリンの連続分離ＳＭＢ実験が成功したことが再度確認
された。

前述したラフィネートと抽出物における濃度グラフ以他に、カラムプロフィールデータ
も重要なＳＭＢ実験データの１つである。このような理由から、カラムプロフィールデー
タの確保に必要なサンプルを最終スイッチング周期の中間時間、すなわち６０．５ステッ
プで採取した。そのサンプル濃度を分析し、その結果を図１２に示す。図１１に示すよう
に、カラムプロフィールデータもシミュレーション結果と一致することが確認された。こ
れはカラムプロフィールデータもＳＭＢ実験が成功したことを証明するものである。すな
わち、ＳＭＢカラム内の各アミノ酸成分のｓｏｌｕｔｅｗａｖｅがバリンの高純度及び
高収率分離に最大限有利に分布していることが実験的に検証されたものであるといえる。

よって、前述した全てのＳＭＢ実験データ(出口ポートにおける濃度グラフ，カラムプ
ロフィール)により、本発明のＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃを用いたＳＭＢ工程が
産業的規模のバリン連続分離過程に十分に適用できることが分かった。

前述したＳＭＢ工程は、ＡｍｂｅｒｃｈｒｏｍＣＧ１６１Ｃ吸着剤に基づいて最適化
され、実験的に検証された。この吸着剤以他に、バリン分離に効果が検証されているＣｈ
ｒｏｍａｌｉｔｅＰＣＧ−６００に基づくＳＭＢ工程も最適化を行い、それに対する実
験も行った。その結果、ＣｈｒｏｍａｌｉｔｅＰＣＧ−６００吸着剤も、ＳＭＢ工程に
適用するとバリンの連続分離に十分に活用できることが確認された。

実際の発酵混合物における実験
上記実験と同様の方法で実際の発酵混合物を用いて実験を行った。

実際の発酵混合物内のバリン及びロイシン成分の基礎パラメータ(吸着係数及び物質伝
達係数)を測定するために、発酵混合物溶液をＣｈｒｏｍａｌｉｔｅＰＣＧ６００Ｃｒ
ｅｓｉｎが充填されたシングルカラム内に注入し、カラム流出物の各時間の濃度を測定す
る混合物フロンタル実験を行った。

上記実験で得られた濃度プロフィールデータとインバース法(inverse method) を用い
てバリンとロイシンの基礎パラメータを決定し、その結果を表４に示す。

表４に示す基礎パラメータに基づいて、実際の発酵混合物からバリンとロイシンを連続
して分離するＰＣＧ６００Ｃ−ＳＭＢ工程を最適設計した。このＳＭＢ工程も、本発明の
新たなポート配置順序に基づくものであり、カラムの構成は図３に示すように３-ゾーン
構造を採用した。

このようなＰＣＧ６００Ｃ−ＳＭＢ工程の最適化過程で重点を置いたのは、バリンの高
収率とロイシンの高除去率を保持しつつバリンの生産性を最大化することである。このよ
うな最適化目標を達成するために、バリンの生産性を目的関数に設定し、バリンの収率と
ロイシンの除去率を制約条件に設定して最適化過程を行った。具体的な最適化過程を要約
すると次の通りである。Ｑ_ｄｅｓはバリンの純度及び収率を増加させることのできる範囲
内で調節された値である。

ＭａｘＪ＝Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ［Ｑ_ｆｅｅｄ，Ｑ_ｒａｆ，ｔ_ｓｗ］
ＳｕｂｊｅｃｔｔｏＶａｌｉｎｅｙｉｅｌｄ＝９７％
Ｌｅｕｃｉｎｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ＝９０％
ＦｉｘｅｄｖａｒｉａｂｌｅｓＱ_ｄｅｓ＝６ｍＬ／分
ＬＣ＝２１．７ｃｍ，ｄ_Ｃ＝２．５ｃｍ
Ｃｏｌｕｍｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ＝１−１−２
(上記式において、Ｑ_ｆｅｅｄとＱ_ｄｅｓは分離対象混合物の流量速度と脱着剤の流量
速度をそれぞれ意味し、ｔ_ｓｗはスイッチングタイムを意味する。)

上記式によるＰＣＧ６００Ｃ−ＳＭＢ工程を最適化するために、ＮＳＧＡ−ＩＩ−ＪＧ
アルゴリズムに基づく最適化コンピュータプログラムを自主的にコード化し、前記コンピ
ュータプログラムをＡｓｐｅｎシミュレーターに接続して該当工程を最適化した。最適化
結果を表５に示す。

表５の最適化結果を実験的に検証するために、ＰＣＧ６００Ｃ−ＳＭＢ工程装置を自主
的に組み立てた。組み立てた工程装置の模式図を図４に示す。

表２の最適化結果と図４の工程装置を用いて、実際の発酵混合物を対象とするバリン分
離ＳＭＢ実験を行った。この実験に用いた実際の発酵混合物内のバリンとロイシンの濃度
は、それぞれ７１．８ｇ／Ｌと０．７４２ｇ／Ｌであった。

実際の発酵混合物を対象とするバリン分離ＳＭＢ実験の結果を図１２〜図１４に示す。
図１２のラフィネートの結果に示すように、バリンの高濃度回収がシミュレーションで予
測したレベルで行われており、ロイシンの流出濃度レベルは無視できるほど低い。図１３
の抽出物の結果に示すように、ロイシンがシミュレーションで予測したレベルで好適に除
去されていることが確認された。また、抽出物ポートにおけるバリンの損失は非常に少な
いことが確認された。これらの実験結果は、ＰＣＧ６００Ｃ−ＳＭＢ工程によるバリンと
ロイシンの連続分離において、バリンの高収率とロイシンの高除去率が十分に保持される
ことを意味するものである。

図１２及び図１３の結果と共に、図１４のカラムプロフィール結果も、バリンとロイシ
ンの連続分離が成功したことを示すものである。図１４に示すように、各カラム内のバリ
ンとロイシンの濃度分布は、バリンの高収率回収とロイシンの高除去率保持に非常に有利
であることが確認された。これらの結果から、実際の発酵混合物内のバリンの９９．７％
をラフィネートポートにより回収することができ、それと同時にロイシンの９８．０％を
抽出物ポートにより除去することができることが分かる。

Ｄ：脱着剤ポート
Ｆ：フィードポート
Ｒ：ラフィネートポート
Ｆ：抽出物ポート
１０，２０，３０：ロータリーバルブ
４０，５０，６０：クロマトグラフィーゾーン
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ：連結ポ
ート

Claims

脱着剤ポートＤと、
フィードポートＦと、
ラフィネートポートＲと、
抽出物ポートＥと、
前記ポート(Ｄ、Ｆ、Ｒ、Ｅ)とそれぞれ選択的に連結される複数のロータリーバルブ(
１０、２０、３０)と、
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)毎にそれぞれ備えられた複数のクロマ
トグラフィーゾーン(４０、５０、６０)とを含み、
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)は互いに連結され、
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)は、それぞれ複数の連結ポート(１０
ａ、１０ｂ、１０ｃ)、(２０ａ、２０ｂ、２０ｃ)、(３０ａ、３０ｂ、３０ｃ)を備え、
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)が回転することにより、前記複数の連
結ポート(１０ａ、１０ｂ、１０ｃ)、(２０ａ、２０ｂ、２０ｃ)、(３０ａ、３０ｂ、３
０ｃ)のいずれか１つのみ開放され、それに応じて前記ポート(Ｄ、Ｆ、Ｒ、Ｅ)のそれぞ
れに選択的に連結されるいずれか１つのロータリーバルブ(１０、２０、３０)が切り替え
らえることを特徴とするバリンの連続分離装置。
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)は、所定時間が経過すると回転し、
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)の回転により、前記ポート(Ｄ、Ｆ、
Ｒ、Ｅ)に連結されるロータリーバルブ(１０、２０、３０)が切り替えられることを特徴
とする請求項１に記載のバリンの連続分離装置。
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)は、前記所定時間後の回転により第１
、第２及び第３位置を循環するように連続して切り替えられ、
前記第１位置では、第１連結ポート(１０ａ、２０ａ、３０ａ)が開放され、
前記第２位置では、第２連結ポート(１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ)が開放され、
前記第３位置では、第３連結ポート(１０ｃ、２０ｃ、３０ｃ)が開放されることを特徴
とする請求項２に記載のバリンの連続分離装置。
前記第１位置では、
前記脱着剤ポート脱着剤ポートＤが第１ロータリーバルブ１０の第１連結ポート１０ａ
を通過して第１クロマトグラフィーゾーン４０に連通し、
前記フィードポートＦが第２ロータリーバルブ２０の第２連結ポート２０ａを通過して
第２クロマトグラフィーゾーン５０に連通し、
前記ラフィネートポートＲが第３ロータリーバルブ３０の第３連結ポート３０ａを通過
して第３クロマトグラフィーゾーン６０に連通し、
前記抽出物ポートＥが第１ロータリーバルブ１０の第１連結ポート１０ａを通過するこ
とを特徴とする請求項３に記載のバリンの連続分離装置。
前記第１位置で前記フィードポートＦから流入した分離対象混合物は、前記第２クロマ
トグラフィーゾーン５０を通過することによりバリンとその他の物質に分離され、
前記第１位置で分離された前記バリンは、前記第３ロータリーバルブ３０に流入して前
記ラフィネートポートＲから流出し、
前記第１位置で分離された前記その他の物質は、前記第１ロータリーバルブ１０に流入
して前記抽出物ポートＥから流出することを特徴とする請求項４に記載のバリンの連続分
離装置。
前記所定時間は、前記分離対象混合物から分離された前記バリンが前記第３ロータリー
バルブ３０に流入し、前記その他の物質が前記第３ロータリーバルブ３０に流入しない時
間であることを特徴とする請求項５に記載のバリンの連続分離装置。
前記ロータリーバルブ(１０、２０、３０)が前記第１位置から前記第２位置に回転する
と、前記フィードポートＦから流入した分離対象混合物は、前記第３クロマトグラフィー
ゾーン６０を通過することによりバリンとその他の物質に分離され、
前記第２位置で分離された前記バリンは、前記第１ロータリーバルブ１０に流入して前
記ラフィネートポートＲから流出し、
前記第２位置で分離された前記その他の物質は、前記第１位置で分離されたその他の物
質と共に前記第２ロータリーバルブ１０に流入し、前記抽出物ポートＥから流出すること
を特徴とする請求項６に記載のバリンの連続分離装置。
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)は、連続して回転することにより第１
、第２及び第３位置に交互に切り替えられ、
前記第１、第２及び第３位置で前記ポート(Ｄ、Ｆ、Ｒ、Ｅ)が連結される前記ロータリ
ーバルブはそれぞれ異なることを特徴とする請求項１に記載のバリンの連続分離装置。
前記フィードポートＦから流入した分離対象混合物は、バリンとその他の物質に分離さ
れ、
前記複数のロータリーバルブ(１０、２０、３０)が位置を切り替える回転間隔が、前記
バリンはいずれか１つのロータリーバルブから他のロータリーバルブに移動し、前記その
他の物質は移動していない時間であることを特徴とする請求項８に記載のバリンの連続分
離装置。
請求項１〜９のいずれか一項に記載のバリンの連続分離装置を用いてバリンを連続分
離する方法において、
前記脱着剤ポートに脱着剤を注入し、前記フィードポートにバリンを含む混合物を流
入して前記フラフィネートポートからバリンを回収する工程を含むことを特徴とするバリ
ンの連続分離方法。
前記脱着剤が水であることを特徴とする請求項１０に記載のバリンの連続分離方法。
前記回収されたバリンの純度が９０％〜９９％であることを特徴とするバリンの連続分
離方法。