JPH088984B2 - セルロース系ゲル濾過充填材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セルロース系ゲル濾過
充填材に関する。更に詳しくは水溶性低分子物質混合物
の分離・分取用ゲル濾過充填材で、分配係数が特定の分
子量範囲で急激に変化する特性を備えたセルロース系ゲ
ル濾過充填材に関する。

【０００２】

【従来の技術】セルロースあるいはその各種誘導体の粒
状物は、近年クロマトグラフィー材料として使用される
ようになっている。

【０００３】クロマトグラフィー用充填剤として用いら
れるセルロース担体は、粒度、担体内部のポアーサイズ
等がその分離目的に応じて設計されている。

【０００４】日本化学会誌１９８４年 No５、７２２〜
７２７頁にはセルロース有機酸エステルからの多孔性セ
ルロース球状粒子の製造とその粒子の性質に関する研究
報告がなされている。

【０００５】また、特開昭５７−３８８０１号公報に
は、同様に、セルロース有機酸エステルからの多孔性セ
ルロース球状粒子の製造法が開示されている。

【０００６】これらのクロマトグラフィー用セルロース
担体は、分子量の比較的大きい蛋白質の分離にその有用
性が示されている。

【０００７】しかしこれらの方法において製造される多
孔性セルロース粒子は、セルロース担体内部のポアーサ
イズが小さくなるとともに、そのポアー量も少なくな
り、分離精度が低下する問題点がある。

【０００８】近年、水溶性低分子物質（分子量数千以
下）の混合物、例えばオリゴ糖の混合物、アミノ酸・ペ
チプドの混合物から特定の分子量範囲の製品を分離・分
取するために、イオン交換樹脂、ゲル濾過材等が用いら
れているが、たとえば、オリゴ糖の３糖以上のような分
子量５００〜１０００の範囲にある物質では、ゲル濾過
によって分離性能よく分画することが困難とされてい
る。

【０００９】日本化学会誌１９８１年 No１２、１８８
３〜１８８９頁にはセルロース球状ゲルの製造とそのゲ
ルクロマトグラフィーに対する性能に関する研究報告が
なされている。

【００１０】この報告では、セルロースへの橋かけ効果
について検討されており、球状セルロースをエピクロル
ヒドリンを用いて架橋反応せしめると、未架橋球状セル
ロースのポアーサイズよりも小さくならないことが事実
として報告されている。同報告には、この現象は架橋反
応によって水素結合が破壊され、かえってセルロースの
網目構造が大きくなり、ポアーサイズが増大するためで
あると考察されている。即ち、従来分子量数千以下のポ
アーサイズの小さいセルロース粒子は、架橋することに
よっても得られ難いと理解されていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、水溶
性低分子物質の混合物を工業的に分離するのに適したセ
ルロース系ゲル濾過充填材を提供することにある。

【００１２】本発明の他の目的は、特定の比較的低分子
量範囲で、分配係数が急激に変化する特性を備えた、工
業的分取用のセルロース系ゲル濾過充填材を提供するこ
とにある。

【００１３】本発明のさらに他の目的および利点は、以
下の説明から明らかになろう。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、本発明
の上記目的および利点は、(a)ＩＩ型セルロース結晶相
とセルロース非晶相から実質的になり、(b)セルロース
非晶相にはセルロース分子鎖間に架橋が存在し、(c)平
均粒子径が５０〜３００μｍである球状粒子から実質的
になり、(d)マルトヘキサオースの分配係数が０.２５以
下であり、マルトースの分配係数とマルトヘキサオース
の分配係数の差が０.２５以上であり、そしてマルトー
スの分配係数とグルコースの分配係数の差が０.１０以
下であり、そして(e)マルトトリオースとマルトテトラ
オースとの分離度が０.３５以上である、ことを特徴と
するセルロース系ゲル濾過充填材によって達成される。

【００１５】本発明のセルロース系ゲル濾過充填材は、
第１にＩＩ型セルロース結晶相とセルロース非晶相とか
ら構成されている。それ故、天然セルロースすなわちＩ
型セルロースからなるセルロース微粒子とは完全に相違
する。

【００１６】ＩＩ型セルロースとＩ型セルロースとは周
知のとおり、Ｘ線回析により区別される。ＩＩ型セルロ
ースのＸ線回析図には、Ｉ型セルロースに明瞭に存在す
る回析角（２θ）１７°の回析ピークが実質的に存在し
ない。

【００１７】前記ＩＩ型セルロースは、セルロースを一
担セルロース誘導体に変換したのち、加水分解などによ
りセルロースを再生させたセルロースのことである。

【００１８】第２にセルロース非晶相にはセルロース分
子鎖間に架橋が存在する。ＩＩ型セルロースの（１０
１）面及び（００２）面に由来するＸ線回析角（２θ）
２０°付近の回析ピークが明瞭に存在するという特徴が
ある。

【００１９】又セルロース非晶相に存在するセルロース
分子間の架橋は、セルロース分子の水酸基同志を架橋剤
分子を介して橋かけする。

【００２０】架橋度は、例えばエピクロルヒドリンを架
橋剤として使用した場合、ＫＢｒ錠剤法による赤外線吸
収スペクトルにおいてアルキレンのＣＨ伸縮振動に帰属
する吸収ピークの吸光度によって特定することができ
る。本発明のセルロース系ゲル濾過充填材は０.０６５
〜０.１５６mg^-1.cm^-2の吸光度を有することが好まし
く、０.０９４〜０.１４０mg^-1.cm^-2の吸光度を有して
いることがより好ましい。

【００２１】第３に、平均粒子径が５０〜３００μｍの
球状粒子から実質的になる。平均分子径が３００μｍを
越えると分離ピークがブロードとなり、目的とする物質
間の分離度が小さくなるため好ましくない。又５０μｍ
未満になると工業用分取カラム、たとえば疑似移動床式
カラムに使用する場合、大量の液を循環するので流動損
圧が大きくなり、設備費の増大を招くばかりでなく、各
分離層により濃度が変化するため、圧損も各層で大きく
異なることになり、各部の流量等の操作条件の設定もむ
つかしくなる。工業用分取カラムとして用いる場合、こ
のように小粒子径のものを使用することには制約が得
り、１００μｍ以上のものがより好ましい。

【００２２】しかし当然のことながら粒子径が、大きく
なると分離ピークがブロードとなり、特定の分子量の２
つの物質間の分離度を大きくするためには、分離ピーク
間の距離が大きくなることを必要とするから、粒子径の
あまり大きいものは好ましくない。粒子径は好ましくは
２００μｍ以下である。

【００２３】第４に、水溶性高分子物質混合物を分離す
る場合、特定の分子量範囲で、分配係数が急激に変化す
るという特徴を有している。たとえばマルトオリゴ糖の
混合物を各々のピークに分離した場合、以下の特徴を有
している。即ち、マルトヘキサオースの分配係数が０.
２５以下であり、マルトースの分配係数とマルトヘキオ
ースの分配係数の差が０.２５以上であり、そしてマル
トースの分配係数とグルコースの分配係数の差が０.１
０以下であり、さらにマルトトリオースとマルトテトラ
オースとの分離度が０.３５以上である特徴を有してい
る。

【００２４】マルトヘキサオースの分配係数が０.２５
を越えると、比較的分子量の高い物質（数千以上）が排
除され難くなるため、たとえば、分子量が数百から数万
に至る広い範囲の混合物から、特定の分子量である数百
〜数千の物質を分離しようとする場合、必要なゲルベッ
ド層が長くなりすぎるため望ましくない。換言すれば工
業用分取カラムとして適用する時、カラム長が長くなり
装置が大きくなること、また繰り返し分取を行なう場
合、１サイクル当りの時間が長くなり、生産性が低下す
ること等の不都合があり好ましくない。

【００２５】またマルトースの分配係数とマルトヘキサ
オースの分配係数の差が０.２５未満になると、特定の
分子量範囲である数百〜数千の物質の分離ピーク間の距
離が狭くなり、分離が悪くなるため好ましくない。

【００２６】さらにマルトースの分配係数とグルコース
の分配係数の差が０.１０を越えると、特定の分子量範
囲である数百〜数千以外の低分子量域での必要なゲルベ
ット層が長くなるため、これもカラム長が大きくなり、
繰り返し分取を行なう場合、１サイクル当りの時間が長
くなり、生産性が低下すること等で好ましくない。

【００２７】本発明のセルロース系ゲル濾過充填剤は例
えば以下の如き製造法により製造することができる。そ
の製造法について説明する。

【００２８】本発明のセルロース系ゲル濾過充填剤は、
ポリエチレングリコールによる排除限界分子量が約１,
０００〜約１０,０００の範囲にある微小非架橋セルロ
ース粒子を塩基性化合物を含む水性媒体中で膨潤処理
し、水洗、乾燥せしめ、次いで親水性非プロトン性有機
溶媒中で塩基性化合物の存在下、架橋反応せしめること
によって得られる。

【００２９】前記排除限界分子量が約１,０００〜約１
０,０００の範囲にある微小非架橋セルロース粒子とし
ては、たとえば特開昭６３−９０５０１号公報および特
開昭５７−３８８０１号公報に記載された製造法によっ
て得られるものが使用できる。

【００３０】このような微小非架橋セルロース粒子は、
例えば苛性ソーダ水溶液の如き塩基性化合物を含む水性
媒体中での膨潤処理に付される。この膨潤処理によっ
て、非架橋セルロース粒子の内部に粒子形成時に発生し
た歪みを除去することができ、次いで行われる架橋反応
を円滑に且つ制御容易とすることが可能となる。

【００３１】上記のとおり、従来、このような微小非架
橋セルロース粒子は、架橋によって排除限界分子量とし
て表わされるところのポアーサイズが小さくならず、か
えって網目構造が大きくなるとされていた。

【００３２】上記の如く、架橋反応を実施する前に、膨
潤処理を実施して架橋反応時のセルロース粒子の膨潤性
を調節することによって、セルロース粒子の網目構造を
大きくすることを防止できることを、本発明の一部の発
明者において明らかにした。

【００３３】また、次いで実施される架橋反応は、親水
性非プロトン性有機溶媒例えばジメチルスルホキシド、
ジメチルホルムアミド中、塩基性化合物例えば苛性ソー
ダ、苛性カリの存在下に、架橋剤例えばエピクロルヒド
リンを、膨潤処理された非架橋セルロース粒子に反応せ
しめることにより行われる。

【００３４】このようにして得られた本発明のセルロー
ス系ゲル濾過材は、上記のとおり、排除限界分子量が小
さく、分配係数が特定の分子量数百〜数千の範囲で、急
激に変化する（即ち分配係数の差が大きい）ため、オリ
ゴ糖等の水溶性低分子物質の混合物の分離・分取用とし
て高性能を示すことになる。

【００３５】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳述する。な
お、その前に本明細書における種々の特性値の測定法を
記述する。

【００３６】粒子径測定法 試料を約０.１g 採取し、純水２５ml中に投入して攪拌
分散せしめ、光透過式粒度分布測定器にて測定する。平
均粒子径は体積基準にて算出した。

【００３７】ＣＨ伸縮吸収帯の吸光度 微小セルロース粒子１〜３mgを精秤し、赤外線吸収スペ
クトル測定用臭化カリウム粉末（ＫＢｒと略）約２００
mgを精秤し、両者をめのう乳鉢中でよく混練粉砕する。
次いでこのセルロース粒子と混練粉砕したＫＢｒ粉末を
かき集め、錠剤成型機にて、赤外線吸収スペクトル測定
用のＫＢｒ錠剤とし、透過法赤外吸収スペクトルを測定
する。得られた赤外スペクトルに於いて２８００〜３０
００cm^-1にピークを持つＣＨ伸縮吸収帯の吸光度を求
め、セルロース１mg当りの吸光度に換算する。

【００３８】即ち ｗ ；微小セルロース粒子採取量(mg)、 Ｍ ；ＫＢｒ粉末採取量（mg）、 ｍ ；ＫＢｒ錠剤重量（mg）、 Ａ ；ＣＨ伸縮吸収帯の吸光度、 Ｔ（ｐ）；ＣＨ伸縮吸収帯ピークトップに於ける透過率
（％）、 Ｔ（ｂ）；ＣＨ伸縮吸収帯ピーク波数に於けるベースラ
インの透過率（％）。但しベースラインは２０００〜４
０００cm^-1の範囲に於いてＯＨ伸縮吸収帯とＣＨ伸縮吸
収帯の両方のピークすそ野を接点ですくい取るように引
く。 Ａｏ ；微小セルロース粒子１mg当りのＣＨ伸縮吸収
帯の吸光度、 とするとき、

【００３９】

【式１】

【００４０】で表わされる。

【００４１】分配係数 １６mmφ×３５cmのジャケット付樹脂カラムに、水を充
填液として流速３ml／minで６０分間かけて、ゲルを充
填する。カラム内温度を６０℃に維持し、カラムが安定
した後、分子量が既知のマルトオリゴ糖を用いて各々の
溶出容量を求め、下記式で定義される分配係数Ｋｎを算
出した。

【００４２】

【式２】

【００４３】Ｖｎ：マルトオリゴ糖の溶出容量（ml）、 Ｖｏ：ブルーデキストラン（分子量２００万）の溶出容
量（ml）、 Ｖｔ：カラム内容量（ml）。

【００４４】分析条件は次の通りである。

【００４５】 １ サンプルサイズ １００mg／ml、 ２μl、 ２ 溶離液 純水、 ３ 温度 ６０℃、 ４ 流量 ０.５ ml/min、 ５ 検出器 ＲＩ検出器、 ６ ポンプ （株）島津製作所製ＬＣ−６Ａ
型。

【００４６】分離度 前記分配係数を求めた方法と同一条件でマルトトリオー
スとマルトテトラオースの分離度Ｒを下記式より算出し
た。

【００４７】

【式３】

【００４８】Ｖ₃、Ｖ₄は試料注入時からピークの最大値
を得るまでの溶出容量を表わす。 Ｖ₃：マルトトリオースの溶出容量（ml）、 Ｖ₄：マルトテトラオースの溶出容量（ml）、 又 Ｗ₃、Ｗ₄はピークのベースライン上での幅を示す、 Ｗ₃：マルトトリオース ピーク幅の溶出容量（ml）、 Ｗ₄：マルトテトラオース ピーク幅の溶出容量（m
l）。

【００４９】実施例１ （１）．針葉樹からなるパルプ５００gを２０℃、１８
重量％の苛性ソーダ溶液２０ｌに１時間浸漬し、２.８
倍に圧搾した。２５℃から５０℃まで昇温しながら１時
間粉砕し、老成し、次いでセルロースに対して３５重量
％の二硫化炭素（１７５g）を添加して、２５℃で１時
間硫化しセルロースザンテートとした。該ザンテートを
苛性ソーダ水溶液で溶解して、ビスコースを得た。該ビ
スコースはセルロース濃度９.３重量％、苛性ソーダ濃
度５.９重量％、粘度６２００センチポイズであった。

【００５０】（２）．５ｌのポリ容器に１０.８％のポ
リアクリル酸ソーダ水溶液（分子量５万）３２００gお
よび炭酸カルシウム４０gを入れてホモミキサーで攪拌
した。分散後、液温２５℃のもとで、上記ビスコース液
８００gを入れ、ラボスターラーにて２５０rpmの攪拌を
１０分間行った。ビスコースの微粒子を生成せしめた
後、引き続き攪拌しながら液温を２５℃から７５℃まで
２５分間で昇温し、７５℃で１５分間維持してビスコー
ス微粒子を凝固せしめた。凝固ビスコース粒子をＧ４型
ガラスフィルターによって母液から分離した後、５重量
％塩酸で中和しセルロース粒子として、大過剰の水で洗
浄した後１０５℃の通風乾燥機にて２時間乾燥した。得
られたセルロース粒子は、ポリエチレングリコールによ
る排除限界分子量が８２００であった。

【００５１】（３）．次いで、該セルロース粒子２００
gを１５℃の１０重量％の苛性ソーダ水溶液中で膨潤し
た後、ガラスフィルターによって母液から分離した後、
水洗乾燥せしめた。

【００５２】（４）．次いで、該セルロース粒子１００
g、ジメチルスルホキシド１０００gおよびエピクロルヒ
ドリン２００gを２ｌのフラスコに入れ、攪拌下で十分
にセルロース粒子を膨潤させた後、苛性ソーダ１５gを
溶解した苛性ソーダ水溶液３１５gを少量ずつ徐々に添
加した。苛性ソーダ水溶液の添加は、液温を２０℃に調
節しながら１時間かけて実施した。

【００５３】ついで液温を１時間で５０℃まで昇温し以
後５０℃に調節しながら架橋反応を完結させた。生成し
た微小架橋セルロース粒子は、ガラスフィルターによつ
て、母液から分離し、次いで１重量％の塩酸で中和し、
大過剰の水で洗浄した。

【００５４】得られた架橋セルロース粒子は平均粒子径
１３０μｍ、ＫＢｒ錠剤法による赤外線吸収スペクトル
においてアルキレンのＣＨ伸縮振動に帰属する吸収ピー
クの吸光度は０.０１２mg^-1.cm^-2であった。

【００５５】この架橋セルロース粒子を内径１６mm、長
さ３５cmのカラムに充填し、マルトオリゴ糖を分離し
た。

【００５６】マルトオリゴ糖のの分配係数、分配係数の
差およびマルトトリオースとマルトテトラオースの分離
度を表１に示した。

【００５７】

【表１】

【００５８】前記架橋セルロース粒子を内径１６mm、長
さ９５cmのカラム６本（直列に連結）に充填し、下記の
条件Ａでマルトオリゴ糖中の四糖成分を分取した結果、
純度７０％のものの回収率は６１％であった。

【００５９】又、内径２０mm、長さ６０cmのカラムでの
線流速と圧損を測定したところ、線速度２０、４０、８
０ml/hr.cm²に対して各々０.０２、０.０５、０.１２kg
/cm²の圧損であった。

【００６０】条件Ａ マルトオリゴ糖組成（％）：表２に示したとおり。

【００６１】

【表２】

【００６２】充填容積 １１４５.７cm³（１.６cmφ
×９５cm×６本）、 温度 ６０℃、 流量 ２.０ml／min、 溶離液 純水、 原料濃度 ６１０mg／ml、 原料負荷量 ４５ml。

【００６３】比較例１ 実施例１で架橋反応条件を変更して、マルトースの分配
係数とマルトヘキサオースの分配係数の差が０.２７、
マルトトリオースとマルトテトラオースとの分離度が
０.２８の架橋セルロース粒子を得た。

【００６４】この粒子を用いて実施例１の条件Ａにてマ
ルトオリゴ糖中の四糖成分を分取した結果、純度７０％
のものの回収率は３３％であった。

【００６５】比較例２ マルトヘキサオースの分配係数が０.０５、マルトース
とグルコースの分配係数の差が０.０７、マルトースの
分配係数とマルトヘキサオースの分配係数の差が０.２
０、マルトトリオースとマルトテトラオースとの分離度
が０.２４の市販のゲル濾過材を用いて実施例１条件Ａ
にて、マルトオリゴ糖中の四糖成分を分取した結果、純
度７０％のものの回収率は２６％であった。

【００６６】実施例２および３、比較例３ マルトヘキサオースの分配係数が０.３９の市販のゲル
濾過材および本発明の分配係数の小さい架橋セルロース
粒子を用いて、マルトース、マルトヘキサオース及び排
除分子量を示すデキストランの混合物を、内径１６mm、
長さ３５cmのカラムにて、温度６０℃、流速０.５ml／m
inの条件で３種のピークの溶出時間を求めた。結果を表
３に示した。

【００６７】

【表３】

【００６８】結果から明らかなように工業用規模で分取
する場合、マルトヘキサオースの分配係数が大きくなる
と（比較例３）、１サイクル当りの時間が長くなり、生
産性の低下とさらにカラム長さも長くなるため設備費の
増加につながることがわかる。

【００６９】比較例４ 粒子形成条件を変更して実施例１と同様にして平均粒子
径が２０μｍ、４０μｍの架橋セルロース粒子を得た。
この粒子を実施例１と同様にして、内径２２mm、長さ６
０cmのカラムに充填して、圧力損失を調べたところ、４
０μｍの粒子では線速度８０ml／hr.cm²のところで圧損
１kg／cm²を越え、また２０μｍの粒子では線速度４０m
l／hr.cm²のところで圧損１kg／cm²を越えた。

【００７０】工業用分取装置の方式によって、たとえば
疑似移動床用途への適用には、カラム径、長さ等の諸因
子によって、圧損の低い粒子径のものを選ぶ必要がある
ことは云うまでもない。

【００７１】

【発明の効果】本発明のセルロース系ゲル濾過材は、分
配係数が特定の分子量範囲で急激に変化するため、特に
分子量が数千以下の水溶性物質であるオリゴ糖をゲル濾
過法で分離・分取する用途に用いた場合、高性能の分離
を達成する。また本発明のゲル濾過材は安全性および化
学的安定性に優れているため、食品、医薬品分野での分
取用分離材として広範囲に使用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊東 速水 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石技術研究所内 (72)発明者 林谷 正雄 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石技術研究所内 (72)発明者 梶畠 賀敬 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工業 株式会社明石技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (a)ＩＩ型セルロース結晶相とセルロー
   ス非晶相から実質的になり、(b)セルロース非晶相には
   セルロース分子鎖間に架橋が存在し、(c)平均粒子径が
   ５０〜３００μｍである球状粒子から実質的になり、
   (d)マルトヘキサオースの分配係数が０.２５以下であ
   り、マルトースの分配係数とマルトヘキサオースの分配
   係数の差が０.２５以上であり、そしてマルトースの分
   配係数とグルコースの分配係数の差が０.１０以下であ
   り、そして(e)マルトトリオースとマルトテトラオース
   との分離度が０.３５以上である、ことを特徴とするセ
   ルロース系ゲル濾過充填材。