JP3626774B2 - 高密度大表面積吸着剤 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は高密度大表面積吸着剤に関する。
【0002】
背景
流動層吸着は、医薬品産業界において、醗酵ブイヨンから細胞外生成物を単離するための、全ブイヨン溶媒抽出法に代わるものとして注目されている。全ブイヨン溶媒抽出法は、非混和性溶媒で直接抽出し、次に、遠心分離機を用いた層分離を行うことを含んでいる。全ブイヨン溶媒抽出法に関連したいくつかの不利益がある。すなわち、該方法には高価な遠心分離装置が必要であり、また、大容量の溶媒を、容量の大きなタンク及び溶媒回収加工に関係する装置と共に使用する必要がある。
【0003】
流動層吸着法では、生成物又は副生物が、醗酵ブイヨンから逆流の流動層中の吸着剤上へ直接抽出され、その後該吸着剤粒子から溶離することができる。流動層吸着は、全ブイヨン抽出法が有する高価な装置及び大容量の溶媒の使用という問題を解消する。
【0004】
醗酵ブイヨンからの生成物の流動層吸着に使用する吸着剤は、ブイヨン固形物よりも速い末端沈降速度(terminal settling velocity)、ここで、末端沈降速度とは、粒子が塔中に残存しない逆流速度を意味する、を有していなければならず、したがって、吸着剤粒子は塔中に残存する。また、吸着剤粒子は十分に高い固有吸着能力(すなわち、吸着剤1gに吸着された生成物のグラム)を、流動層中、動的条件下で分離する生成物に関して示す必要があり、これにより、加工コストを費用効果的に優れたものにする。
【0005】
さらに、醗酵生成物は医薬品用途に使用されているため、粒子が生成物を汚染する可能性のある加工の間、いかなる不純物も放出しないことが非常に望ましい。
例えば、スチレン−ジビニルベンゼンコポリマーの臭素化によって製造される臭素化ビニル芳香族吸着剤は、日本国特開昭第59−89311号に開示されている。該吸着剤は、少なくとも200m2 /gの比表面積を有し、3〜20重量%の臭素含量を有している。臭素化スチレン−ジビニルベンゼンコポリマーは、醗酵ブイヨンからインミュノマイシン(immunomycin)を分離するため使用されている(Gaillot,F.T.,Gleason,C.,Wilson,J.J. 及びZwark,J.,”Fluidized Bed Adsorption for Whole Broth Extraction”,Biotechol.Prog.6, 370〜375 (1990)。
【0006】
発明の概要
粒子吸着剤を開示する。該吸着剤は、約1.01g/cm3 以上の密度を得るために有効な量の臭素化ビニル芳香族モノマー;及び架橋モノマーであって、1分子につき2以上のエチレン性(ethylenically) 不飽和部位を含む架橋モノマー;の架橋重合生成物であり、約10m2 /g以上の表面積を示す。
【0007】
好ましい態様では、臭素化芳香族モノマーは、ブロモスチレン、ジブロモスチレン、トリブロモスチレン、トリブロモフェニルマレインイミド、(ペンタブロモフェニル)メチル2−プロペノエート及びこれらの混合物からなる群から選ばれる。
【0008】
好ましい態様では、架橋モノマーは、ジビニルベンゼン、ジビニルエチルベンゼン、トリビニルベンゼン及びこれらの混合物から選ばれる。
【0009】
発明の詳細な説明
本発明の吸着剤粒子は、2以上の不飽和コモノマーの架橋されたランダム重合生成物であり、第1のコモノマー単位は、それぞれ臭素化芳香族モノマーから誘導され、第2のコモノマー単位は、それぞれ多エチレン性(polyethylenically) 不飽和架橋モノマーから誘導される。
【0010】
臭素化芳香族モノマーとして適当な化合物は、1分子につき少なくとも1つの芳香族部を含むものであって、該芳香族部上に1以上の置換臭素原子を有し、さらに、1分子につき少なくとも1つの不飽和部位を含むもので、例えば、ブロモスチレン、ジブロモスチレン、トリブロモスチレン、トリブロモフェニルマレインイミド、(ペンタブロモフェニル)メチル2−プロペノエート及びこれらの混合物が挙げられる。
【0011】
好ましい態様では、臭素化芳香族モノマーとしては、1分子につき1つのエチレン性不飽和部位及び1分子につき2以上の臭素原子を含むもの、例えば、ジブロモスチレン、トリブロモスチレン、トリブロモフェニルマレインイミド、(ペンタブロモフェニル)メチル2−プロペノエート及びこれらの混合物が挙げられる。
【0012】
特に好ましい態様では、臭素化芳香族モノマーとしてトリブロモスチレンを含む。臭素化モノマーとしてトリブロモスチレンを使用して製造される本発明の吸着剤粒子が、臭素化モノマーとしてジブロモベンゼンを用いた同様の条件下で製造され、同じ臭素含有量を有する本発明の粒子よりも、高い密度と大きな表面積を示すことを見いだした。
【0013】
架橋モノマーとして適当な化合物としては、多エチレン性不飽和の、すなわち1分子につき2以上のエチレン性不飽和部位を有する芳香族炭化水素、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルエチルベンゼン、トリビニルベンゼン、ジビニルアントラセン、ジビニルナフタセン及びこれらの混合物、並びに、多エチレン性不飽和脂肪族化合物、例えば、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ポリ(エチレングリコール)ジメタクリレート、アリルメタクリレートが挙げられる。
【0014】
さらに、該コポリマーは、非臭素化モノエチレン性不飽和の、すなわち、1分子につき単一のエチレン性不飽和部位を有するモノマー、例えば、エチルビニルベンゼン、スチレン、アルキルアクリレート、アルキルメタクリレート及びこれらの混合物から誘導される第3のコモノマー単位を含んでいてもよい。
【0015】
本発明の粒子は、平均表面積約10m2 /g以上を示し、約1.01g/cm3 以上の密度を有する吸着剤を得るために有効な臭素含有量を有している。ここで、密度は、比重瓶による密度である。
【0016】
好ましい態様においては、吸着剤粒子は、約1.05g/cm3 〜約1.6g/cm3 の密度を示す。より好ましい態様においては、吸着剤粒子は、約1.10g/cm3 〜約1.55g/cm3 の密度を示す。最も好ましくは、吸着剤粒子は、約1.12g/cm3 〜約1.5g/cm3 の密度を示す。
【0017】
吸着剤粒子は、所望の密度を得るために有効な量の置換臭素原子を含む。好ましい態様では、該吸着剤粒子は、約10重量%以上の臭素を含む。より好ましくは、該吸着剤粒子は、約20重量%〜約55重量%の臭素を含む。
【0018】
本発明の粒子は、市販の臭素化モノマーを重合することによって製造される。本発明の吸着剤粒子の臭素成分は、コポリマーの各芳香族炭素原子にそれぞれ結合されている臭素原子の形態で全て存在し、該粒子は透明ないし白色に見える。
【0019】
ポリマー粒子の後臭素化(post−bromination) は、危険物すなわち元素臭素の取扱い及び使用が要求される。後臭素化された吸着剤粒子は、ランダムに臭素化されている。すなわち、該臭素成分は、非芳香族炭素原子、例えばポリマー主鎖の炭素原子に結合された臭素原子の形態で、また、芳香族炭素原子に結合された臭素原子の形態で存在し、茶色に見える。後臭素化されたコポリマーの非芳香族炭素原子に結合されている臭素原子は、芳香族炭素原子に結合されたものよりも熱力学的安定性が劣っており、後臭素化されたポリマー吸着剤粒子は、相対的に不安定な臭素原子を除去するため、更なる工程、例えば、苛性アルカリ洗浄が必要である。
【0020】
好ましい態様では、コポリマー中、約10重量%〜約90重量%のコモノマー単位が、臭素化芳香族モノマーから誘導され、コポリマー中、約10重量%〜約90重量%のコモノマー単位が芳香族架橋モノマーから誘導され、約30重量%以下のコモノマー単位が非臭素化モノエチレン性不飽和モノマーから誘導される。
【0021】
他の好ましい態様では、コポリマー中、約20重量%〜約80重量%のコモノマー単位が、臭素化芳香族モノマーから誘導され、コポリマー中、約20重量%〜約80重量%のコモノマー単位が芳香族架橋モノマーから誘導され、約20重量%以下のコモノマー単位が非臭素化モノエチレン性不飽和モノマーから誘導される。
【0022】
他の好ましい態様では、コポリマー中、約30重量%〜約65重量%のコモノマー単位が、臭素化芳香族モノマーから誘導され、コポリマー中、約30重量%〜約65重量%のコモノマー単位が芳香族架橋モノマーから誘導され、約5〜約15重量%以下のコモノマー単位が非臭素化モノエチレン性不飽和モノマーから誘導される。
【0023】
好ましい態様において、吸着剤粒子は、約40m2 /g〜約900m2 /gの表面積を示す。ここで使用される用語”粒子表面積”は、Brunauer、Emmett及びTellerの方法によって測定された吸着剤粒子の表面積、すなわち、該粒子の”BET”表面積を意味する。より好ましい態様においては、該吸着剤粒子は、約100m2 /g〜約700m2 /gの表面積を示す。最も好ましくは、該吸着剤粒子は、約200m2 /g〜約700m2 /gの表面積を示す。
【0024】
好ましい態様において、該粒子は、約0.1μm〜約5000μmの平均粒径を示す。より好ましい態様では、該粒子は、約35μm〜約2000μmの平均粒径を示す。最も好ましくは、該粒子は、約300μm〜約800μmの平均粒径を示す。
【0025】
本発明の多孔吸着剤粒子は、公知の重合技術、例えば、沈殿重合、懸濁重合、エマルション重合によって製造される。好ましい態様では、該吸着剤は、臭素化芳香族モノマーと芳香族架橋モノマーの混合物のフリーラジカル開始水性懸濁重合によって製造される。
【0026】
該方法の好ましい態様では、不活性孔形成化用化合物、例えば、o−キシレン、トルエン、メチルイソブチルカルビノールが重合中の有機相中に含まれ、引き続き、重合された粒子から除去され粒子中にマクロポアを形成する。ここで使用される用語”マクロポア”とは、約20オングストロームより大きな平均径を有する孔を意味する。
【0027】
本発明の高密度吸着剤は、例えば、向流の流動層吸着剤層中で、例えば水性液のような液体を接触させることにより液体を処理し、該液体から、該液体に溶解された例えば有機化合物のような化合物を分離するために有用である。
【0028】
本発明の吸着剤は、特に、ブイヨンを吸着剤と接触させて醗酵ブインヨンを処理し、該ブイヨンから醗酵生成物又は副生物を分離するために有用である。
【0029】
また、本発明の吸着剤は、充填吸着塔の用途に有用であり、粒子の高密度により速い沈降速度と塔中の均一に充填された吸着層が得られる。
【0030】
本発明の粒子は、例えば、公知のスルホン化若しくはクロロメチル化技術によって、コーティングし、後官能化することができ、また、コーティング及び後官能化して、例えばイオン交換樹脂として有用な高密度有機官能性粒子を得ることができる。
【0031】
実施例1
本発明の高密度大表面積吸着剤は、懸濁重合によって製造される。
硼酸(1.13g)、分散剤(0.86g Culminal CMMC−2000)及び0.97gの50%水酸化ナトリウムを、2リットルの丸底フラスコ中の脱イオン水(570g)に溶解した。
【0032】
有機相を調製した。モノマーとして80%のジビニルベンゼン((DVB),57g)及びジブロモスチレン((DBS),115g)を混合容器中に充填した。この80%のジビニルベンゼン(ダウケミカル社製)は、市販の約80重量%のジビニルベンゼンと約20重量%のエチルビニルベンゼンの混合物であった。孔形成化溶剤としてo−キシレン(266g)及び開始剤(97%ベンゾイルペルオキシド,3.42g)を攪拌しながら容器に充填した。混合物を窒素スパージ下で30分間攪拌した。
【0033】
有機相を、572.96gの水性相に窒素をスイープ(sweep)下、排除して攪拌しながら添加した。混合物を79℃に加熱し、12時間かかる温度を保持して、球形のコポリマー粒子を生成した。生成混合物を35℃に冷却し、脱イオン水でバッチを洗浄して分散剤を除去した。該バッチを85℃に加熱し、次に、乾燥蒸気でヘッドスペースをスイープして更に加熱することによって、孔形成剤(porogen)を除去した。このストリッピングを孔形成剤の除去後2時間続行し、バッチを35℃に冷却して、1回の洗浄につき1層分の脱イオン水で3回洗浄した。この工程により、下記表2に示される特性を有する白色の球形粒子を得た。
【0034】
実施例2
粒子を上記実施例1で説明した方法により製造した。但し、有機相は、57.4gの80%DVB、151gのトリブロモスチレン(TBS)、343gのo−キシレン及び1.14gのt−ブチルペルオクトエート(t−BPO)から構成し;有機相は、572.97gの水性相に添加し;及び重合反応は72℃で12時間行なった。
【0035】
実施例3〜7
水性相原液を、19.821kgの水、0.03kgの分散剤(CMMC−2000)、0.079kgの硼酸及び0.070kgの水酸化ナトリウムの50%水溶液を混合することによって調製した。
【0036】
有機相を下記のように調製した。各実施例で使用した反応体の量を下記表1に示す。固形トリブロモスチレンをポリテトラフルオロエチレン製のボトル中に検量して入れた。o−キシレンを検量し、トリブロモスチレンと共に該ボトルに入れた。高純度のジビニルベンゼン(表示では80%のDVB,ダウケミカル社製)を検量して、電磁攪拌しながら該有機混合物に添加し、攪拌してトリブロモスチレンを溶解した(〜15分)。
【0037】
水溶液を、二枚羽根スターラ(double−bladed stirrer) が装着された丸底フラスコに移し、30分間窒素でスパージした。次に、このフラスコを、引き続き窒素でスイープした。重合開始剤(t−BPO,純度80%)を有機相に添加し、有機相をフラスコ中の攪拌水性相に添加した。混合物を加熱しないで5分間攪拌した。攪拌混合物の温度は、1℃/分の速度で、周囲温度(〜25℃)から72℃まで上昇した。72℃で12時間保持してポリマー粒子を生成した。
【0038】
重合した後、母液を除去して、脱イオン水と置換し、次に、該混同物を100℃に加熱して、2時間、有機留出物が観察されなくなるまでこの温度を維持することによってポリマー粒子から有機溶剤をストリッピングした。次に、該粒子をブフナー漏斗で液相から分離した。
【0039】
【表1】
【0040】
実施例8
ポリマー粒子を上記実施例3〜7で説明した方法により製造した。但し、臭素化モノマーをジブロモスチレンからトリブロモスチレンへ置換した。有機相は、57.0gの80%DVB、115.0gのDBS、266.0gのo−キシレン及び1.14gのt−BPOを含んでいた。
【0041】
実施例9
ポリマー粒子を実施例3〜7の方法により製造した。但し、o−オキシレンは使用せず、トリブロモベンゼンモノマーをブロモベンゼン(BB)とペンタブロモベンジルアクリレート((PBBA,純度98%,Broomchemie, Terneuzen) との混合物と置換した。有機相は、102.44gの80%DVB、570gのBB、97.54gのPBBA及び1.82gのt−BPOを含んでいた。
【0042】
実施例10
ポリマー粒子を実施例3〜7の方法により製造した。但し、トリブロモベンゼンモノマーをトリブロモフェニルマレインイミド((TBBM),純度99.6%,Bromine Compounds, Ltd., Beer−Sheva, Israel)と置換した。有機相は、97.38gの80%DVB、102.65gのTBBM、381.2gのo−キシレン及び1.67gのt−BPOを含んでいた。
【0043】
実施例11
粒子の粒径をE−2500センサー付きのHIAC粒径分析器を用いて測定した。
粒子のBET表面積を窒素ポロシメトリー(porosimetry)によって測定した。
粒子の真湿潤密度(true wet density)を比重びんを用いた水置換によって測定した。
【0044】
実施例1〜9の吸着剤組成物のセファロスポリンCを吸着する能力を、動的条件下で測定し、従来の吸着剤の能力と比較した。
【0045】
吸着剤粒子を、メタノール中に2時間該粒子を浸漬することにより前処理した。次に、吸着剤粒子を塔に充填して粒子の層を形成し、10層分の体積のメタノールを1時間につき2層分の体積の流速で該ベッドを通過させた。次に、10層分の体積の純水により、1時間につき10層分の体積の流速ですすいだ。
【0046】
10,450ppmの抗生物質化合物(セファロスポリンC)の溶液を、11.0000gの95%純セファロスポリンC (Sigma−Aldrich)を硫酸でpH2.5に調整されている1リットルの3.5%NaCl水溶液中に溶解することによって調製し、溶液を得た。150mlの該セファロスポリンC溶液を250mlのビーカーに充填し、オーバーヘッドスターラにより300rpmで攪拌した。次に、前処理された吸着剤(6.4ml)を該攪拌溶液に添加した。
【0047】
該攪拌溶液の1mlのアリコートを、吸着剤の添加後2分で取り出した。アリコートを硫酸でpH2.5に調整されている3.5%NaCl水溶液20mlで希釈した。希釈した試料を、該試料の吸光度と、既知のセファロスポリンC含有量の試料を用いた検量線とを259nmのところで比較することによって、分光光度分析した。次に、該吸着剤によって吸着されたセファロスポリンCの量を、溶液の当初のセファロスポリンCの含有量から試料のアリコート中のセファロスポリンC含有量を除去することによって計算した。
【0048】
攪拌溶液のアリコートを吸着剤の添加5分後及びその後5分間隔で採取し、上記説明と同様に分析した。
【0049】
粒径(μm)、表面積(m2 /g)、孔容量(ml/ml)、真湿潤密度(g/ml)及び1cm3 の吸着剤に30分で吸着されたセファロスポリンCのミリグラムで示されるセファロスポリン動的吸着能力(mg/cm3 )を、実施例1〜9の組成物に関し、下記表2に示す。
【0050】
【表2】
【0051】
実施例C1
DVB80重量%/EVB20重量%のコポリマーを実質的に実施例1で説明した方法にしたがって調製した。但し、実施例1で使用したDBSモノマーはDVB80%に変えた。すなわち、DVB80%は実施例C1の粒子を製造するために使用した唯一のモノマーであった。該DVB/EVB粒子(10g)を自然乾燥してメタノールで再度湿潤させ、脱イオン水ですすいだ。脱イオン水をすすいだ粒子に添加し、60gの水中に該粒子のスラリーを形成した。スラリーを200mlの丸底フラスコ中で混合し、7.5gの臭素を添加用漏斗から冷却せずにスラリー温度を40℃未満に維持できるような速度で滴下した。次に、該スラリーを、周囲温度で1時間攪拌し、30分以内で70℃に加熱し、さらに70℃で3時間保持した。該スラリーを冷却して、生成された茶色の粒子を液相から分離し、脱イオン水ですすいだ。
【0052】
実施例12
高いpHでの本発明の吸着剤の安定性を調べ、実施例C1の後臭素化した粒子の安定性と比較した。
【0053】
実施例2の吸着剤の試料を、ガラスブフナー漏斗でろ過し、蒸留水で数回すすいだ。湿潤したフィルターケークの一部(20g)を、水酸化ナトリウムの5%水溶液350mlに添加し、2週間40℃で攪拌した。該吸着剤の試料を該溶液から定期的に取り出した。各試料を水で、次にメタノールですすぎ、乾燥し、臭素含有量を測定するため分析した。
【0054】
安定性試験は実施例10及びC1の吸着剤に関して繰り返し行なった。
安定性試験の結果を、いくつかの処理時間(hr)における臭素含有量(%)として表3に示す。
【0055】
【表3】
【0056】
本発明の粒子吸着剤は、高い密度、大きな表面積及び高い動的吸収能力を示すと共に、外観は透明ないし白色である。本発明の粒子吸着剤の臭素含有量は、加水分解条件下で安定しており、しかも、該粒子吸着剤は、市販の臭素化モノマーを使用して製造することができ、元素臭素を取り扱う必要がない。
Claims (8)
- 約1.01g/cm3以上の密度を示す吸着剤を得るために有効な量の臭素化ビニル芳香族モノマー;及び架橋モノマーであって、1分子につき2以上のエチレン性不飽和部位を含む架橋モノマー;の架橋重合生成物を含み、表面積が約10m2/g以上である粒子吸着剤。
- 前記吸着剤が、臭素化芳香族モノマーから誘導される約30重量%〜約65重量%のモノマー単位、芳香族架橋モノマーから誘導される約30重量%〜約65重量%のモノマー単位を含み、さらに、非臭素化モノエチレン性不飽和モノマーから誘導される約5重量%〜約15重量%のモノマー単位を含む請求項1記載の吸着剤。
- 前記コポリマーが約10重量%以上の臭素原子を含む請求項1記載の吸着剤。
- 前記吸着剤粒子が約200m2/g〜約700m2/gの比表面積を有する請求項1記載の吸着剤。
- 前記吸着剤粒子が約1.12g/cm3〜約1.5g/cm3の密度を有する請求項1記載の吸着剤。
- 前記吸着剤粒子が平均粒径約0.1ミクロン〜約5000ミクロンである請求項1記載の吸着剤。
- 前記吸着剤粒子の外観が透明ないし白色である請求項1記載の吸着剤。
- 水性液を請求項1記載の粒子と接触させることを含む、該液中に溶解された有機溶質を除去するための水性液の処理方法。
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