(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画分の抜き出し口が同一の流路に接続される、並列に並べられた３以上のカラムユニットおよび前記並列に並べられたカラムユニットの下流側に接続される、目的物の分離精製に必要な分離能を有するカラムユニットを含む、試料から目的成分のみを分離・精製するための調製クロマトグラフィ装置であって、
前記並列に並べられたカラムユニットに接続される、移動相を導入するためのバルブ、
前記並列に並べられたカラムユニットに接続される、試料を注入するためのバルブ、および
前記並列に並べられたカラムユニットに接続される、洗浄用移動相を導入するためのバルブ
を具備し、前記各バルブはそれぞれ相互に独立して作動することができ、
前記並列に並べられたカラムユニットのいずれかに、それぞれ同時に接続され得る、前記試料を注入するためのバルブを介する試料を注入するポンプ、前記移動相を導入するためのバルブを介する移動相を送るポンプ、および前記洗浄用移動相を導入するためのバルブを介して前記画分の抜き出し口に接続される洗浄用移動相を送るポンプ
を具備することを特徴とする、調製クロマトグラフィ装置。
【請求項２】
並列に並べられた各カラムユニットの下流側に接続されるカラムユニットが、互いに直列に連結した３以上のカラムユニットであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
互いに直列に連結したカラムユニットが、１０以上のカラムユニットからなることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
並列に並べられた各カラムユニットの各注入口が、同一の供給流路に接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
並列に並べられた各カラムユニットに互いに時間間隔を開けて試料を注入すべく、前記供給流路にバルブが設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
並列に並べられた各カラムユニットから取り出された画分を、前記下流側に接続されるカラムユニットに順次導入せしめるためのバルブおよびポンプとをさらに含むことを特徴とする、請求項２〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
並列に並べられた各カラムユニットから取り出された画分を、前記下流側に接続されるカラムユニットに順次導入せしめるためのバルブおよびポンプが、該下流側に接続されるカラムユニットにおいて精製される目的成分のピークと不純物のピークとが重ならないような時間間隔を保って前記導入を行うことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
目的成分を精製する直列に連結されたカラムユニットのカラムの間に、分離された不純物を除去するための流路系および除去された移動相の容量に対応する純移動相を導入するための流路系とを有するバルブおよびポンプとを含むことを特徴とする、請求項２〜７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
試料の注入、バルブ流路の切り替え、ならびにポンプの運転および停止の１または２以上を自動管理するコンピュータシステムを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
生理活性物質を含む混合物から、該生理活性物質を分離・精製するために用いられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
混合物から目的物のみを分離・精製するための方法であって、並列に並べられた３以上のカラムユニットおよび該カラムユニットの下流側に接続されるカラムユニットとを含む装置における、前記並列に並べられたカラムユニットに異なるタイミングで略同一成分からなる試料を供給し、溶出した画分を取り出した後に、該画分を前記下流側に接続されるカラムユニットに順次導入することによって、さらなる分離・精製を行うとともに、前記並列に並べられた３以上のカラムユニットを、画分の抜き出し口に接続されるポンプから洗浄用移動相を送ることによって順次洗浄し、洗浄された前記並列に並べられたカラムユニットのそれぞれに前記試料をさらに順次供給し、前記３以上の並列に並べられたカラムユニットの全てを試料の分離に常時関係せしめ、
前記並列に並べられたカラムユニットに接続される、移動相を導入するためのバルブ、
前記並列に並べられたカラムユニットに接続される、試料を注入するためのバルブ、および
前記並列に並べられたカラムユニットに接続される、洗浄用移動相を導入するためのバルブ
を具備し、前記各バルブはそれぞれ相互に独立して作動することができ、
前記並列に並べられたカラムユニットのいずれかに、それぞれ同時に接続され得る、前記試料を注入するためのバルブを介する試料を注入するポンプ、前記移動相を導入するためのバルブを介する移動相を送るポンプ、および前記洗浄用移動相を導入するためのバルブを介して前記画分の抜き出し口に接続される洗浄用移動相を送るポンプ
を具備することを特徴とする、前記方法。
【請求項１２】
並列に並べられたカラムユニットから溶出した画分の前記下流側に接続されるカラムユニットへの導入が、調製される目的成分のピークと不純物のピークが、該下流側に接続されるカラムユニットにおいて重ならないような時間間隔を保って行われることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
下流側に接続されるカラムユニットが直列に連結されたカラムユニットであり、該直列に連結されたカラムユニットのカラムの間において分離された不純物を除去し、さらに除去された移動相の容量に対応する純移動相を導入することによって、目的成分のピーク間に不純物の分離を行わせしめることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
並列に並べられたカラムユニットとして４以上のカラムユニットを具備し、前記４以上のカラムユニットのうち１つが下流側に接続されるカラムユニットへの試料の導入を行っているときに、他のカラムユニットの少なくとも１つが、試料の分離として
（ａ）試料の展開、
（ｂ）洗浄、および
（ｃ）溶離液との平衡
のいずれかを行う、請求項１１〜１３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クロマトグラフィ装置、およびそれを用いて混合物から目的物を分離・精製するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微量成分の分離分析には各種のクロマトグラフィが日常広く用いられており、特に溶媒に溶ける試料全てを対象とする液体クロマトグラフィの技術は殆ど全ての化合物に対して確立しているといえる。その結果、液体クロマトグラフィを分析レベルの微量試料に対してだけでなく、さらに大量の試料にも適用しようとする試みが、分析技術の延長線上でさまざまに試みられている。
しかし、調製、さらには生産を目的とする分離法としては現在も技術開発の途上にある。
【０００３】
調製を目的とする従来の方法には大きく分けて次のような三つの手法がある。一つは分析を目的とするカラムの大きさを大きくして一度に大量の試料を分離しようとするものである。これは極めて判りやすいが、通常分析で処理している試料量が数十マイクログラム以下であることから、例えば数グラムを分離する場合でも十万倍となる。したがって、仮に容積としてｍｌ単位(充填剤の重量としてg単位)の大きさの分析用カラムを考えた場合、必要な容積は数百リットル、充填剤重量として数百ｋｇのものになるので必ずしも現実的ではない。
【０００４】
勿論、分析の場合には、検出器が目的試料を検知できれば試料量は少ない方が分離能に余裕が出来るので、検出器の感度が許す限りにおいて極力少ない試料を分離する。しかし、充填剤の表面積全てを試料が覆ってしまうと、それ以上は試料が表面に吸着しないのは明らかで、これは通常の低分子ではおおよそ３０ｍｇ／１００ｍ２とされている。通常は表面積の１０分の一が覆われる程度がクロマト的分離が行われる限界と推測されている。表面積の大きい多孔性シリカゲル充填剤の表面積は、普通４００ｍ２／ｇ前後であるから、試料量の限界は１２mg／g  前後と考えられる。この場合でも試料と必要な充填剤の重量比は少なくとも約１００倍である。従って、スケールアップをする場合でも、分離操作中は常に、カラムのどの部分においても、試料対充填剤の比率はこの値以下を保つ必要がある。
【０００５】
液体クロマトグラフィで試料に比して、大量の充填剤が必要なもう一つの理由は、分離操作中のクロマトグラフィのカラムにおいては、実際に分離が行われているのは、目的成分のあるカラムの部分に限られることである。すなわち、目的成分の通り過ぎてしまったあとのカラム部分、あるいは目的成分が通過する前のカラム部分は、分離という目的から見ると、単に空間的な場所を占有するばかりでなく、流れる移動相に逆らう分離には貢献しない、無意味な圧力を付け加えているというマイナスの効果があるということになる。しかし、僅かな分布係数の差しかない成分間で分離を行うためには、理論段数の大きいカラム、つまり充分な長さを持つカラムを必要とし、高い分離能を必要とする場合には、特定の時点では分離効果に関与しない目的成分の前後のカラム部分が、必然的に相対的に大きくなるという欠点から免れることは出来ない。
【０００６】
カラムクロマトグラフィを大量分取に適用する場合のもう一つの問題は、目的分取量の数百倍の充填剤をどのような形態のカラムにして用いるか、ということ、および充填剤の必要量が決まったとしても、どのような粒径の充填剤を用いるべきかという二つの点である。
周知のように、クロマトグラフィはカラムの長さ方向で分離が行われるので、混合物から必要な純度で目的成分を分離するためには、一定の最小限必要な長さを有することが必要となる。この長さは、理論段数により表される、必要とされる分離能を得るために要求される理論段数に対応する長さである。必要な分離能に長さが対応する一方で、処理量はカラム断面積に対応することになる。もし通常の分析カラムで言われているように、吸着剤１ｇに対して０．５ｍｇ程度の試料の負荷が可能であるとすると、分析で通常用いられている代表的なカラムである径４．６ｍｍで長さ１５cmのカラム中には約１．２ｇの充填剤が詰まるので、径４．６ｍｍに対して０．６ｍｇの試料が負荷可能であると推測される。従って、計算上ではあるが、１ｇの試料を負荷するには径１８８ｍｍ長さ１５ｃｍのカラムが必要となる。
【０００７】
従って、スケールアップする場合計算上は、以下のように考えられる。
すなわち、１５ｃｍで1万段とすると、１σは出口付近で１００段、最高濃度は１２ｍｇ/ｇであるから、０．３６ｍｇが計算上の処理可能量である。計算値が０．５ｍｇになるのは約５０００段の時であるから、普通に言われていることは計算上からもほぼ正しいことになる。仮に１万段とすると、あくまで計算上ではあるが、１ｇの処理に必要なカラムの径は２４２ｍｍになる。すなわち、長さ１５ｃｍ、直径約２４ｃｍのカラムを用いればよいことになる。同様に、試料４ｇでは直径４８ｃｍ、長さ１５ｃｍ、さらに試料１６ｇでは直径約１ｍ（９６ｃｍ）、長さ１５ｃｍのカラムが必要なことになる。
【０００８】
例えば、長さ１５ｃｍ、直径約２４ｃｍの例では、カラム長さを長くするために、通常用いられている５μｍの粒子でなく２０μｍの粒子を用い充填剤の量は変えないとすると、長さは６０ｃｍ、直径は１２ｃｍになる。更に８０μｍの粒子では、長さを4倍の約２．４ｍにすると直径は６ｃｍになる。直径６ｃｍ長さ２．４ｍというのはかなり現実的なカラムサイズになる。この場合、移動相のreduced線流速を一定にすると、線流速は５μｍから８０μｍで16分の一、カラム長さが16倍になることから、時間は256倍かかることになる。しかし、reduced線流速を70〜80倍にしてもreduced plate height （ｈ）は3倍くらいにしかならないので、結局分析に要する時間は９倍程度にしかならないことになる。従ってカラム上に９個の試料を並べて展開させることが出来れば、一試料当たりの処理時間を変えずに分離を行うことができることになる。
【０００９】
更に、ｈが３倍になることによってカラム長さを３倍にすることになり、充填剤の量も３倍になるので、一回の処理量は３倍になる。しかし、長さが３倍になるため、時間も３倍かかることになる。したがって、結局、多数の３ｇの試料を連続して分離させれば、各３ｇの試料を０．５ｍｇ程度の試料の分析と同様な時間の３倍の間に、同じような分離度で分離精製できることになる。
【００１０】
通常クロマトグラフィのカラムは移動相進行方向の長さの方が径よりも長いのが一般的であり、技術もそれに沿って発展している。そのため、長さよりも径の大きいカラムにおいて断面積に均一に試料を分散して負荷したり、移動相を各断面に均一に流す技術は完成しているとはいえない。
従って、調製を目的とする場合は、分析に比して大きい粒子径の充填剤を用い、既に良く利用されて技術的に問題のない程度の内径を有し、長さの長いカラムを用いるのが望ましい。
【００１１】
クロマトグラフィの制限を越えて大量を分離する第二の方法は、いわゆるオーバーロード条件で分離を行う方法である。オーバーロード条件とは、少なくとも充填剤表面積の１０％以上、場合によっては１００％以上が被吸着物質で覆われるような高濃度の溶液を用いる条件での分離である。
したがって、この方法はクロマトグラフィにおける前提条件である分離系内での固相と液相間での試料の分布比率一定という条件を意図的に崩す方法であり、オーバーロード条件ではもはやクロマトグラフ的論理は成立しないことを予定している。したがって、仮にクロマトグラフ的な結果が得られたとしても、それはクロマトグラフ的な論理が成立していないときに、クロマトグラフ的分離に類似した結果が結果として出ていることを意味し、二重の意味で論理が否定されていることになり、クロマトグラフ的論理は成立しないことを証明していることとなる。従って、オーバーロード条件下で分離を行うことは再現性を前提としている科学的な論理を予定していない技術であり、全く試行錯誤の域を出るものではない。
【００１２】
オーバーロード条件での分離がこのように理論とは関係の無い試行錯誤的なものであることは広く認識されており、その結果当然ではあるが、試料の量と充填剤の量の比率、共存する混在成分の種類と量などあらゆる条件を同一にしないと、再現性も保証されないことは言うまでもない。つまりオーバーロード条件でカラムを用いて分離を行うことは、一般化されたクロマトグラフィの合理的論理を適用していないという意味で科学的であるとはいえない。また、試行錯誤的であることに伴い、クロマトグラフィで蓄えられた分離のための多くの知識を利用出来ないことになる。すなわち、該方法は、クロマトグラフィで用いるカラムを使用していること以外は、クロマトグラフィとは異なる既存の知識の多くを利用出来ない操作であるといえる。
【００１３】
第３の方法はいわゆる擬似移動床（Simulating Moving Bed）である。これは混合物を特定の分布係数を境にして二つの部分に連続的に分離する方法であり、クロマトグラフィのように、多数の成分よりなる混合物を個々の成分に分離する方法とは基本的に目的が異なる。しかし、光学活性体を各対掌体に分離する場合のように、もともと２成分しかないものを各成分に分離するには極めて有効な方法であると考えられている。
【００１４】
この方法は、二つの混合しない液相を用いる向流分別抽出法と同じような効果を固相と液相の間で行おうとするものである。２液相の場合は両方の液体を流して向流状態を作るのは可能であるが、一方が固体の場合には、一般にはその固体を流すことは出来ない。そこで固体を流した場合と結果的に類似の効果を出すために擬似移動床が考案された。
しかし、これはもともと向流状態を作るためのものであるので、上記の通り混合物を２成分に分けることが目的とするものであり、当該方法によって、混合物から１成分を取り出すことは出来ない。従って、多成分系から１成分を効率よく分離するクロマトグラフィとは異なる技術と考えるべきである。
【００１５】
また、分析を目的とするものではあるが、複数のカラムを切り替える技術に関連して、カラムスイッチングによるハートカット法と呼ばれるものがある。これは、前処理カラムを用いて不要な画分が分析カラム系に入らないようにすることによって、分析カラムの汚染を防ぐ技術である。例えば、分析目的成分以外の混在物が分析用のカラムに流入すると分析カラムが汚染される場合は勿論、分析終了後なかなか溶出させることができない、分析対象物より強く充填剤に吸着される成分が混在する場合に、カラムの洗浄、および次の分析のためのカラムの再生に要する多大な時間を短縮する目的において用いられるものである。中間の必要な画分のみを取り出して分析カラムに注入することから、ハートカットと呼ばれて広く用いられている技術である。
【００１６】
これは分離に必要なカラム全体を二つに分け、一部を切り離して、必要な画分のみを取り出す前処理技術として捉えられている。この技術には、後半の分析カラム中に複数の試料を入れて効率化を図る考えは無く、むしろ後半のカラムでの分離時間中に前半のカラムを洗浄再生して効率化を図ることに主眼があり、分析カラムによる分析の終了とともに前半の前処理カラムが再生されているので、直ちに次の分析のための試料の注入が行われるという点、および分析カラムの混在成分による不必要な汚染が避けられる点が長所として認識されている。しかし、複数の前処理カラムを用いて、同一の高性能カラムを複数の分析のために利用するという視点は無い。従って、この技術においても、クロマトグラフィの無駄の一つである前述した操作中の特定の時点における分離に関与していない充填剤、すなわち特定の時点で試料が存在していない充填剤部分を可及的に減らし、系内の出来るだけ多くの充填剤を試料の分離に常時関係させようと言う視点には欠けている。
【００１７】
ハートカット法における上記のような立場は、分析を目的とする立場ではむしろ普通である。その理由は分析では試料が少ないので必要な充填剤量を出来るだけ少なくし、必然的に移動相溶媒も少なくして微量の分析対象物が薄まらないようにすることが濃度計測のために必要でであるとともに、必要充填剤量がもともと少ないので高価な場合でも必要ならば使用可能な量であるからである。
以上のように、現在までに種々の調製を目的としたクロマトグラフィによる分離・精製のための装置および方法が作成され試みられているが、いずれも規模、コストまたは効率性能の面で問題をかかえている。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、従来の分離・精製装置が有する欠点がない、小規模かつ低コストで、効率的な分離・精製のための調整用クロマトグラフィ装置、およびそれを用いた分離・精製方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、上記課題に鑑み鋭意研究を進める中で、調製の目的は対象成分の量と純度が重要であり、調製を目的とした分取においては、混合物中の多数の成分を高い純度で取り出す場合より、混合物中の特定の１成分あるいは少数の成分を高純度で取り出すのを目的とする場合が多いと思われることに着目した。そして、本発明の発明者は、混合物を前処理的に精製した複数の画分を得た後、必要に応じて、該複数の画分を異なるタイミングによって同一のカラムによるさらなる分離・精製に付することによって、主として１成分を高性能クロマトグラフィのような純度、あるいはこれを上回る純度で分離することが可能であることを見出した。また、分離された成分のピークを出来るだけ短い間隔でカラムより溶出させることにより、時間当たりの処理量を増加させる手段をも見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２０】
すなわち、本発明は、画分の抜き出し口が同一の流路に接続される、並列に並べられた３以上のカラムユニットを含むことを特徴とする、クロマトグラフィ装置に関する。
また、本発明は、並列に並べられた各カラムユニットの下流側に接続される、目的物の分離精製に必要な分離能を有するカラムユニットをさらに含むことを特徴とする、前記装置に関する。
さらに、本発明は、並列に並べられた各カラムユニットの下流側に接続されるカラムユニットが、互いに直列に連結した３以上のカラムユニットであることを特徴とする、前記装置に関する。
また、本発明は、互いに直列に連結したカラムユニットが、１０以上のカラムユニットからなることを特徴とする、前記装置に関する。
また、本発明は、並列に並べられた各カラムユニットの各注入口が、同一の供給流路に接続されることを特徴とする、前記装置に関する。
さらに、本発明は、並列に並べられた各カラムユニットに互いに時間間隔を開けて試料を注入すべく、前記供給流路にバルブが設けられていることを特徴とする、前記装置に関する。
また、本発明は、並列に並べられた各カラムユニットから取り出された画分を、前記下流側に接続されるカラムユニットに順次導入せしめるためのバルブおよびポンプが、該下流側に接続されるカラムユニットにおいて精製される目的成分のピークと不純物のピークとが重ならないような時間間隔を保って前記導入を行うことを特徴とする、前記装置に関する。
【００２１】
また、本発明は、目的成分を精製する直列に連結されたカラムユニットのカラムの間に、分離された不純物を除去するための流路系および除去された移動相の容量に対応する純移動相を導入するための流路系とを有するバルブおよびポンプとを含むことを特徴とする、前記装置に関する。
さらに、本発明は、試料の注入、バルブ流路の切り替え、ならびにポンプの運転および停止の１または２以上を自動管理するコンピュータシステムを含むことを特徴とする、前記装置に関する。
さらにまた、本発明は、生理活性物質を含む混合物から、該生理活性物質を分離・精製するために用いられることを特徴とする、前記装置に関する。
【００２２】
そして、本発明は、混合物から目的物を分離・精製する方法であって、並列に並べられた各カラムユニットおよび該カラムユニットの下流側に接続されるカラムユニットとを含む装置において、前記並列に並べられた各カラムユニットに異なるタイミングで略同一成分からなる試料を供給し、溶出した画分を取り出した後に、該画分を前記下流側に接続されるカラムユニットに導入することによって、さらなる分離・精製を行うことを特徴とする、前記方法に関する。
【００２３】
そしてまた、本発明は、並列に並べられた各カラムユニットから溶出した画分の前記下流側に接続されるカラムユニットへの導入が、精製される目的成分のピークと不純物のピークが、該下流側に接続されるカラムユニットにおいて重ならないような時間間隔を保って行われることを特徴とする、前記方法に関する。
そしてさらに、本発明は、下流側に接続されるカラムユニットが直列に連結されたカラムユニットであり、該直列に連結されたカラムユニットのカラムの間に、分離された不純物を除去する流路系、および除去された移動相の容量に対応する純移動相を導入することによって、目的成分のピーク間に不純物を分離を行わせしめることを特徴とする、前記方法に関する。
【００２４】
本発明による調製クロマトグラフィ装置および分離・精製方法の特長を以下に述べる。
本発明による装置は、概要としては、並列に並べられたカラムに適当な間隔で目的成分を含む混合物を注入し、目的成分およびこれと分離が困難な不純物を含む画分のみを取り出し、必要に応じて、順次これを必要な分離性能を持つ直列に連結したカラムユニットに導入して精製しようとするものであり、この態様においては連続クロマトグラフィ用の装置とも呼ぶことができる。
なお、並列カラムは、不要な画分を取り除き、必要な画分のみを直列カラムに導入するハートカットを目的とした分離を行うためのものである。したがって、試料分離の過程では、該並列カラムにおいて、移動相の移動方向は常に一定である。
【００２５】
まず、本発明によるクロマトグラフィ装置においては、系内の出来るだけ多くの充填剤を試料の分離に常時関係させようという視点によって、直ちに系内の溶媒も分離に関与している割合が多くなることになるので、充填剤と同時に溶媒の有効利用の点において通常のクロマトグラフィより優れている。これは、充填剤を大量に必要とする調製を目的とする場合、特に価格が無視できない充填剤や溶媒を使用する場合には大きい利点であるといえる。
【００２６】
本発明による装置を用いて、並列カラムからの目的成分を含む２以上の画分の直列カラムへの導入を適当な時間差で連続して行えば、分離された目的成分が直列カラムから溶出するときに目的成分から分離された不純物と重ならないようにすることが出来る。また２成分以上を精製して取り出したいときは並列カラムに２系列以上の直列カラムを連結させて各系列からそれぞれ一つずつの成分を分離精製することも出来る。
【００２７】
本発明の目的の一つは、主として３以上の多成分混合物中から一つの成分を取り出す方法を提供することであるから、混合物を二つの成分に連続的に分離することしか出来ない擬似移動床とは、目的も構成も異なるものである。すなわち、擬似移動床では多成分中の目的成分の分配係数が分配係数を大きさの順番に並べた時最大あるいは最小以外のときは必要成分を単離出来ないので、一般には2回の操作が必要になるのに対し、本発明による装置では、クロマトグラフィであるため、一回の操作で単離出来ることが相違点であり、かつこのことは明らかな利点でもある。
【００２８】
また、いわゆるオーバーロード条件での分離法に比すれば、固定相―移動相間の分布係数が直線とみなせる濃度範囲を超えないため、分析を目的としたクロマトグラフィで得られている知識と経験がそのまま生かせるという点において、明らかにより優れたものである。
すなわち、常に試行錯誤によって条件を決めなければならないオーバーロード条件での分離法に比し、再現性がはるかに優れているため、自動連続操作が可能であるという利点がある。
【００２９】
また、先に述べたように、従来は移動相の長さ方向で分離能の優れているクロマトグラフィの技術で多量の試料を処理するためにカラムの内径を大きくし、カラム内径が長さに近づくか、あるいはさらにこれを超えるようなカラムと言うよりはタブレットと言うようなカラムを利用する技術が開発されている。しかし、この場合においても、高分離能のカラムを用いる場合ほど、必要なカラム充填剤全体に対する分離中に目的試料が実際に存在している部分の比は大きいという欠点は残り、操作時間中の特定の時点では目的試料の存在しない部分が多くなる。例えば、理論段９００段のカラムにおける目的試料の存在する割合は、該割合が最も多くなる出口付近においても、試料幅を標準偏差の6倍の６σの場合約２０％にすぎない。また、クロマトグラフィによる分離が要求されるような分離が困難と思われる場合に必要な、通例高性能と思われている一万段のカラムでは、前記割合は６％になり、4万段のカラムでは僅か３％になってしまう。
【００３０】
従って、従来法に比して、カラムが高性能になるほど、本発明による装置においてはカラム上で試料の存在しない部分の割合が相対的に小さくなるのが特徴である。これは高価な充填剤を用いる必要のある場合、あるいは大量の充填剤を必要とする生産規模の精製において特に大きい利点となる。
【００３１】
これに対して本発明による装置では、例えばカラムの出口で8σ間隔になるように試料を注入すれば一万段のカラムを用いると出口付近では目的試料の存在しない部分が２５％で７５％に目的試料が存在し、カラムが有効に利用されることになる。さらにこの比率はピーク幅６σに対しピーク間に２σの間隔を持たせようという計画であるからカラム出口でのこの関係はカラムの分離性能には関係しない。また高い分離能、つまり大きい理論段数のカラムを用いると出口でのピーク幅は当然低い分離能のカラムつまり少ない理論段数のカラムを用いた時より拡がるので8σの間隔で注入すると、理論段数をNとすると間隔はカラム上で
【数１】
0003870367.tif 000002
、従って時間間隔では
【数２】
0003870367.tif 000003
ということになる。保持時間ｔRはNに比例するから、SC系への注入間隔はNの平方根に比例することになる。
【００３２】
従って、試料の注入間隔は、精製後の目的試料に必要な純度がいくつの理論段数のカラムで分離すれば達成されるかで決まる。しかし一ピーク当たりの処理時間は移動相流速が同じ場合には本法では理論段数の平方根に比例するのに対し、通常のクロマトグラフィでは理論段数に比例するから本法の方が有利であることは明らかである。
【００３３】
周知のようにクロマトグラフィによる分離では、分離される各成分はその系における固定相と移動相との間の各々の成分に固有な物理化学的定数である分布係数に従って決まるカラム上での移動速度に従って移動する。これは移動相に存在する比率の高い成分はその比率が低い成分より早く移動することを意味する。この移動の過程で各成分を構成する無数の分子は、平均速度を中心とした一定の幅で拡がる。この広がりの幅は移動距離に対して相対的に分離能の高いカラムでは狭く、低いカラムでは広くなる。クロマトグラフィの理論によれば理想的な条件では試料の溶出曲線の形は正規分布となる。実際にも技術の進歩により、現在では理論どおりに分離が行われていると見なすことの出来る溶出条件を得ることは困難ではない。
【００３４】
この広がりの幅を説明するのに段理論（plate theory）がある。この理論は、カラムを移動相の流れ方向に垂直な断面を持つ、多数の大きさの均等なセクションに仮想的に分けるものである。各セクションでは、固定相、移動相の量も均等であるので、試料の分布比率も各セクションで同一である。
従って、カラムはこのような仮想的なセクションが直列に連なったものと見なすことが出来、このセクション一つが1理論段と呼ばれる。
【００３５】
一方、分離しにくい成分の分離の程度を定義するものとして、次の式で表される分離度がある。
【数３】
0003870367.tif 000004
ここで  Ｒｓは分離度、Ｎは理論段数、α（＝ｋ’２／ｋ’１；ｋ’１およびｋ’２は成分１および２の質量分布比）は分離係数、ｋ’は質量分布比、
【数４】
0003870367.tif 000005
はｋ’１、ｋ’２の平均である。
通常分離度は１を目標とし、分離度が１．５になると完全分離とされる。
分離度を大きくするには、上式で表される様に分離係数、理論段数を大きくするか、または質量分布比ｋ’があまり小さくならないようにする必要がある。通常クロマトグラフィを必要とするような精製では、分離係数は１に近い場合が多い。分離係数は成分の分配比であるから、物理化学的定数で移動相と固定相が決まれば決まる。理論段数は上に述べたセクションの数であるから、カラムを長くすれば大きくなる。ｋ’は移動相の組成を変更することによって、かなりの幅で調節することが出来る。
【００３６】
しかし、分離しにくい成分間では物理化学的性質も似ていることが多いので、移動相の変更によってそれぞれの分離係数は同じように変わるため、分離係数を大きく変化させることは困難である場合が多い。したがって、分離しにくい成分の相互分離を技術的に解決するのに制御しやすい条件は、理論段数を大きくすること、つまりカラムを長くすることである。HPLCによる分離は、通常は一万数千段であるので、分離精製を目的とする場合でも、一万段を例にとると、このカラムの出口近くでは上記試料の幅は正規分布の分散をしているとすると、６σをとると約600段分の幅を取ることになる。従ってこの場合、試料はカラムの出口付近でもカラムの16分の一しか利用していないことになる。
カラムの分離能が充分であればこの拡がりは近似的に正規分布と見なすことができ、クロマトグラフィに用いられるカラムは通常この条件を満たしているものを用いる。
【００３７】
本発明は調製を目的とするものであるが、混合物中の特定成分を高純度で分離するという点では分析を目的とする場合と同様である。したがって、多数の試料中の特定成分をハートカットした後、必要最短間隔で分離カラム系に導けば、試料の単位時間当たりの処理数は多くなる。したがって、類似の試料が多数存在し、且つ分離対象成分が少ない場合には有効である。
本発明による装置のPCカラム部分は、充填剤に保持されるあるいは溶出時間がある範囲のものを取り出すのが目的であって精製分離が目的ではないから、クロマトグラフィのカラムとしては分離能の低いもの、すなわち、短いカラムでよい。そのため、試料の注入、カラムの洗浄、再生などは短いカラムのシステムで行われることになり、通常のHPLCのような高圧での操作は必要と無くなる。従って、実施例１に見られるような煩雑な流路の切り替えは低圧で行われるので、流路の切り替えに高圧用のバルブを必要としないことも本発明によるクロマトグラフィ装置の利点である。
唯一高圧を要するＳＣカラムユニットへの必要画分の導入は、下記実施例１および実施例２のバルブｓｖ１〜ｓｖ４のように、もともと耐圧性の高い６方バルブが適しているので装置としても無駄がない。
【００３８】
本発明のもう一つの特長は、効率が単位時間当たりの試料処理の回数で計られ、通常のクロマトグラフィのような一つの試料当たりの時間ではないことである。勿論、単位時間当たりの試料処理の回数が多ければ、試料一つ当たりの処理時間も短くなるのは当然であるが、特定の一つの試料に着目すると、処理時間は著しく長くなることは避けられない。しかし、特定の一つの試料の分離に時間がかかっても多数の試料が同時並行して分離されているので、従来法では選択することが不利であったり不可能であった長い時間を要する分離条件を選ぶことが出来る。
【００３９】
クロマトグラフィの分離では、同じ理論段数のカラムを用いると、式（Ｉ）から容易にわかるように、他の条件が同じであればｋ’が大きいほうが分離度はよくなる。通常は時間との兼ね合いで、ｋ’＝３から１０くらいの条件で行われ、２程度で行われるのは稀である。しかし、同じカラムを用いた場合、単位時間当たりの分離度はｋ’＝２の時が最高で１．４から２．９程度では大きく変わらない。
【００４０】
通常の方法では、与えられた時間内に分離を終わるために、カラムを長くして理論段数を上げることに伴って移動相速度を上げなければならず、結果として送液圧力が上昇する。しかし、ポンプの送液圧力と充填剤の耐圧性には限界がある。また、充填剤の粒子径により移動相流速をある程度以上遅くすることは不可能なので、流速を遅くしてカラムを長くすることにも限界がある。従って、単位時間当たりの分離能の良いｋ’＝２付近の溶出条件を選ぶことは、通常の方法において常に可能とはいえない。
【００４１】
本発明では単位時間当たりの処理数が問題であるから、単位時間当たりの分離度が最も良い範囲のｋ’を選ぶことが出来る。充填剤と同様に、カラム中の移動相も並列カラムユニットであるＰＣカラムにおいては、試料の溶出、試料の予備展開と不要成分の除去、カラムの洗浄およびコンディショニングが行われており、ＳＣユニットでは試料の存在しない部分が少ないので、全体として分離に無関係な（試料の存在する部分の溶媒を送るだけの目的の）移動相を最小限にすることが可能である。
【００４２】
本発明は、既に確立されている分析のための技術が、どこまで大量の試料に適用できるかを探索した結果完成されたものである。本発明は、純度の極めて高い精製物を、小規模の生産規模で調整できる方法を可能にするものであり、生物活性の高い医薬品、合成研究のための中間化合物などに適用した時に極めて有効である。
また、本発明は、対掌体に対して選択性のある充填剤を詰めたカラムを利用することにより、対掌体を含む混合物からの各対掌体の分離のような２成分の分離にも、当然、好適に用いられる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明による装置および方法の態様について、図を用いて説明する。
本発明による調製クロマトグラフィ装置は、典型的には複数の並列に並べられた目的成分を含む混合物画分を取り出す並列カラム系、および取り出された画分中の必要部分を精製するカラム系とより成る。
図１において、カラムPC1、PC2、 PC3、・・・PCnは目的画分を取り出すハートカット用の並列に並べられた並列カラムであり、SC1、SC2、SC3、・・・SCnは目的成分を精製する直列に並べられた直列カラムである。この直列カラムは、並列カラムに対して共通に設けられており、共有カラムとして機能している。PSは試料を注入するポンプ、PEは並列カラムに移動相を送るポンプ、PMは直列カラムに移動相を送るポンプ、PWは並列カラムに洗浄用移動相を送るポンプである。またa〜tは各カラムに適宜必要な移動相を送るために流路を切り替える３方バルブである。そして、複数の並列カラムの画分の抜き出し口が合流して、１個の共有カラムの注入口に接続されている。
【００４４】
試料として成分K、L、MおよびNを含む混合物からＬを取り出す場合について説明する。
先ず試料をハートカット用のカラムPC1に加え、移動相を流してＫを溶出させる。次いで目的成分Ｌ、およびこれと分離しにくく、PC1からはＬと分離せずに溶出するＭを含む画分（図１斜線部分：以下L,M画分）がPC1から溶出する時に流路を切り替えて、この画分を精製用のカラムユニットSC1に導く。この画分がPC1から溶出した後に流路を再び元に戻し、Mより後に溶出する成分を含む画分は、PC1から系外に溶出させ、精製のためのS系のユニットには導入しない。Sユニットに導入されたL,M画分は、Sカラム上を移動相を流して移動される。次いで一定の間隔をとって、PC1カラムと同様に、PC2からL,M画分を取り出しSユニットに導入する。これを順次PC3、・・・PCn行うことによって、Sユニットに一定間隔でL,M画分が導入される。
【００４５】
Ｓユニットのカラムを移動する間にL,M画分は次第に分離され、ＬおよびＭそれぞれの二つのピークに分かれる。
ＬおよびＭが充分に分かれたところで、カラムユニット出口でＬ、Ｍ画分を別々に集めれば、精製されたＬを一定間隔で得ることが出来る。L,M画分を溶出させた後のPC1、PC2、・・・カラムは、▲１▼溶出力の強い溶媒で洗うか、▲２▼同じ移動相をL,M画分を溶出させた量よりやや多くカラムの出口から逆に流して、Ｎ以後の溶出の遅い成分をカラム入り口から洗い出す等の適当な方法でカラム洗浄を行う。▲１▼の場合は、その後適当な方法で初めの移動相で平衡にして再び試料を注入出来るように条件を整えることにより、再び試料を注入出来るようにし、ある間隔で繰り返し用いるようにする。
【００４６】
SCユニットに一定の間隔でL,M画分を注入するためには、該画分を注入後、一定時間後にPCユニットの次のカラムの出口付近に次のL,M画分が来ていなければならないため、PCユニットのカラムは、L,M画分をSCユニットに注入する状態、L,M画分を展開状態、残留物を洗浄する状態、および試料注入準備状態を順次繰り返すことになる。試料の種類によっては、これらの段階を省いたり、短縮したりすることも可能であるが、安定な連続的な操作を可能にするためには、PCユニットには少なくとも４本以上のカラムがあると好適である。
【００４７】
以上のように、並列に並べたPCユニットのカラムを循環的に用いて、試料中の必要画分を、必要な分離能を持つ直列に連ねた精製用のSCユニットのカラムに断続的に導入して必要な純度にまで精製することによって目的画分を分離することが出来る。なお、SCユニットでは、分離・精製に必要な理論段数に相当する長さまでカラムを必要な本数だけ直列に連結することにより、好適な分離・精製を行うことが出来る。すなわち、必要に応じて、カラムを４本以上連結しての分離・精製が行われる。例えば、１本１０００段のカラムを１０本のカラムを用いれば、一万段の分離効率を得ることができ、好ましい。
【００４８】
図１における態様の概略は以上のとおりであるが、以下に補足的な説明を加える。
前記したとおり、PC1〜4はハートカット用の並列カラム、SC1〜nは精製用の直列カラム、PE、PS、PW、PMはそれぞれ並列カラムの溶出ポンプ、試料注入ポンプ、並列カラム再生のための洗浄ポンプ、直列カラムを溶出するための主ポンプである。また、a、b、c・・・・t  は流路切り替えのための３方バルブであり、図１では実線で使用中の流路を示し、図の実線位置をa、b、c・・・・で表し、  a’、b’、 c’・・・・では点線が使用する流路位置を表す。
【００４９】
図１によって、例として、カラムから早く溶出される順に、K、L、MおよびNより成り、LおよびMが分離しにくい成分である混合物からLを取り出す場合について、操作をさらに説明する。
先ず、カラムPC1に試料を注入する。このときPEは止め、PSは動かし、バルブの位置はb’、c’、d である。試料注入後、PS を止め、PEを動かすとともに、バルブ位置をb、c’、 dとして溶離液を流し、Kがｄを経て流出し、Lが流出する直前までその状態を保つ。ここでバルブの位置を図１のようにa、b、c、q、s、t とすると、L画分がＭを伴ってSC1に導入される。Lが全てSC1に導入された後に余分な成分は出来るだけ入れないようにPEを止め、バルブ位置t’でPMを動かす。その後バルブ位置ａ’、ｂ、ｃ’、ｄ’としてPWを動かし、カラムPC1の洗浄を行う。図１においては、PC4に対応する状態である。SC1に導入されたL画分はカラム上を移動し、SC1の入り口付近には試料の無い部分が出来る。こうして予め決められた移動相を流し、適当な間隔を空ける。ついで次の試料の画分Lが以下のように準備されたPC2からSC1に導入される。
【００５０】
以上の操作の適当な時期にカラムPC2に図１のようなバルブ位置ｆ、ｇ、ｈで次の試料を注入する。注入後同じく、バルブ位置をf’に変え、同じくカラム上をLが溶出する直前まで移動させる。PC4は前述の洗浄状態のPC1に相当する流路系であり、PC3は洗浄後溶出溶媒で平衡にする流路状態を示している。このような概念で、適当な時間差で順次処理することにより、SCカラム系に適当な間隔で連続的に精製したいL画分を注入することが出来る。
【００５１】
次に、SC系に導入された試料にｍ、Mのような、目的成分Lの前後にLの近くに溶出する不純物が存在し、一定の注入間隔では一つ前あるいは一つ後に加えた試料と近づきすぎる場合について説明する。
この場合には、図２で示すように、直列カラム間に接続されたポンプ（Ptc）およびバルブとを用いる。例えば、前記ポンプおよびバルブにつながる、SC2およびSC3間に挿入された流路によって、SC2の出口でそれまでに部分的に分離されている不純物から、再び目的成分Lをハートカットしてｍ成分を系外に出す。その後、この間に系外に出されるｍ成分を含む移動相に対応する量の新しい移動相をSC3に流し、L成分が溶出し始めるところで再びSC2カラムと SC3カラムを連結し、L成分は次のSC３に導入される。
【００５２】
L成分が終わったところでM成分を再び系外に出し、SC3系には同じく対応する量の新しい移動相を流す。この操作によって、以後のカラムでは、L成分のピーク間の間隔は変わらずに、L成分のピークの裾に隣接する不純物は除去され、L成分を含む画分の精製がさらに続けられる。このように、L成分のピークから離れた不純物のｍ、M成分は、精製の途中でも適宜除去することが出来る。
このようにリサイクルクロマトグラフィで行われるシェービング法を参考にして、逆に利用することも出来る。すなわち、シェービング法によれば、図２の場合においては、上記のように、混合ピークから分かれた精製されたｍ、Mに当たる成分が取り出される。
【００５３】
一方、図１〜図３にあるように、多数のポンプを決められた時間に作動および／または停止した上に、多い場合には２０個を超えるバルブの流路を同様に決められた時間に切り替えること、そしてそれらを連続して繰り返すことは手操作で可能な限界を超えており、実際には自動的に制御することが必要である。それによって溶媒と試料溶液さえ補給しつづければ、1日24時間連続的に操作することが可能であるので、一回の精製量が１ｇ、試料注入間隔を15分としても、一日に約１００ｇの精製が可能であり、10日間では計算上ではあるが１ｋｇの精製物を得ることが出来る。
【００５４】
さらに、内径の大きいカラムを使用することによって、年間１００ｋｇ位までは精製が可能であり、カラム技術を改善すればさらに大量の処理も可能である。図1では説明のために全て独立して作動する3方バルブが示されているが、いくつかの流路は同時に切り替えられ、またポンプも作動したり停止したりするので兼用することが可能である。特に直列カラムを含む流路は分離能を上げるために、全体として理論段数の大きいカラム、すなわち多数の直列に連結したカラムを用いることがあり、その場合には移動相を流す圧力も高くなる。したがって、この流路においてはバルブも高圧に耐えるものでなければならず、例えば耐圧性のある６方バルブが用いられる。
【００５５】
【実施例】
本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明するが、いずれも本発明の範囲を限定するものではない。
（実施例１）  化学薬品の分離・精製
図３に示すように、４本の並列カラムユニット、４本の直列カラムユニット、および４個の６方バルブを用いた例である。図１に示された模式図中、試料注入ポンプＰＳは各ＰＣカラム共通とし、移動相送液ポンプもＰＣ１とＰＣ３、およびＰＣ２とＰＣ４カラム用を共用し、同様にカラム洗浄ポンプもＰＣ１とＰＣ３、およびＰＣ２とＰＣ４カラム用を共用し、並列カラムから直列カラムへの目的成分の導入に用いるバルブを耐圧性の６方バルブ（ｓｖ１〜４）に置き換えた例である。なお、カラムの充填剤には粒径５０μｍの球形ＯＤＳシリカゲルを用い、カラムは内径１ｃｍ長さ３０ｃｍのものを用いた。
なお、ＰＥ１およびＰＥ２はそれぞれ並列カラムに移動相を送るポンプ、MPは直列カラムに移動相を送るポンプ、ＰＷ１およびＰＷ２はそれぞれ並列カラムに洗浄用移動相を送るポンプ、ならびにa〜ｐは各カラムに移動相を送るために流路を切り替える３方バルブである。
【００５６】
本実施例の流路を用いたクロマトグラムの一例を図４に示す。
移動相はメタノールー水７０：３０、流量は１ｍｌ／ｍｉｎ、検出は２８０ｎｍの吸収で行った。試料はパラヒドロキシ安息香酸プロピルエステルである。並列カラム４本であるので３サイクルと４分の１、つまり１３回、２３．５２分毎に、試料注入を行った場合のクロマトグラムを示す（図４）。
試料の溶出は予測通りに行われることが確認された。
【００５７】
（実施例２）  天然物からの純粋成分の分離
実施例１は化学薬品を用いて基本的性能を確認したものである。本法を天然物からの純粋成分の分離に適用した例を示す。ここで示す例はカプサイシンを唐辛子から分離する場合である。先ず、不純物を出来るだけ含まないような条件でカプサイシンを抽出すると、図５に示すような組成の分画が得られた。
この試料を用い、並列カラムは実施例１と同様に４本を用い、直列カラムはほぼ一万段の分離効率を得るために１０本を用いた。カラムサイズ、充填剤は実施例１と同様であり、カラム１本当たりの分離効率は約９００段である。移動相はアセトニトリル−水＝５７：４３、流量は２ｍｌ/ｍｉｎを用いた。
【００５８】
並列カラムに用いるカラム１本によって、この試料を分離したときのクロマトグラムを図６に示す。カプサイシンを含むピークを直列カラムに導き、残りをそのまま分離してクロマトグラムを測定すると、図６からカプサイシンを含むピークが除かれた図７のクロマトグラムが得られた。一方カプサイシンを含むピークをさらに直列カラム１０本で分離すると、図８に示すようにカプサイシンのピークの前に小さい不純物のピークが分離された。この例では約１万段の分離効率が得られている。
試料を３０．７分ごとに６回注入し、このシステムにより分離したときのクロマトグラムを図９に示す。さらに、溶出液をフラクションコレクターにより分画し、大きい方のピークであるカプサイシン分画を集め、この分画を同じく液体クロマトグラフにより分析すると、図１０に示すように、試料注入時のショック以外にはカプサイシン以外のピークは認めれないので、カプサイシンが純度よく分離されたことが判る。
具体的には、前記ショック部分を加えた場合および加えない場合の面積純度は、それぞれ９９．８％以上および９９．９％以上であり、市販の高純度試薬より高い純度が得られた。したがって、試料の前処理を改良することによって、９９．９９％の面積純度が得られる。
【００５９】
本法では溶離液を適宜補充すれば、試料溶液が無くなるまで連続して試料の注入分離を行うことが出来る。本例で示した試料注入回数は単に態様を示したもので、試料注入回数は６回に限られるものではない。試料の注入はカラム充填剤の性能が低下しない限り、継続することが出来る。また、性能が低下した場合、あるいは分離が不十分な場合は、適宜直列システムのカラム本数を増加させて目的の分離性能を得ることも可能であるのは当然である。
【００６０】
【本発明の効果】
以上のように、本発明の装置または方法によれば、カラムを用いるクロマトグラフィでの欠点である、試料成分の存在しない部分を可及的に排除して充填剤の有効利用を図り、分取クロマトグラフィの充填剤あたりの処理量を増加させると同時に、系内の分離に関係しない部分を可及的に排除することによって、移動相溶媒および時間当たりの処理量を増加させることができる。その結果、本発明の装置または方法によれば、従来より小規模、かつ低コストで、効率的な分離操作が可能である。
したがって、本発明は、例えば、生物活性の高い医薬物質の精製、または合成研究のための中間化合物などの精製に特に有効であるため、医薬産業などにおいて利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるクロマトグラフィ装置の一態様を模式的に示す図である。
【図２】  本発明によるクロマトグラフィ装置の別の態様を模式的に示す図である。
【図３】  本発明によるクロマトグラフィ装置の一実施例を模式的に示す図である。
【図４】  本発明によるクロマトグラフィの結果の一例である。
【図５】  実施例２に用いた唐辛子抽出液を分析したクロマトグラムである。
【図６】  実施例２で用いた試料を本法の並列カラム１本で分離した場合のクロマトグラムである。
【図７】  図６の例でカプサイシンを含むピークのみを直列カラムに導き、残りは図６と同様に分離したクロマトグラムである。
【図８】  図７で直列カラムに導いたカプサイシンピークを分離精製したときのクロマトグラムである。
【図９】  本法により唐辛子粗抽出液からカプサイシンを分離した例である。
【図１０】  図９で分離精製されたカプサイシン分画を分析したクロマトグラムである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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