Technical Review

CHROMATOGRAPHY, Vol.31 No.1 (2010)

Technical Review

擬似移動床法（SMB 法）を用いた光学異性体の分離技術
蓑田稔治

Chiral Separation technology by using of Simulated Moving-Bed method.
Toshiharu Minoda
Daicel Chemical Industries, LTD., 1−1, Shinko-cho, Myoko, Niigata, 944−8550, Japan

Abstract
Separation of enantiomers using chiral chromatography is a well-accepted technology as a simple and reliable method to determine opticalpurity of target compounds from R&D to QC in pharmaceutical, agricultural and food industries. Among many commercially available chiralcolumns, polysaccharide-derived columns are most widely used in the market due to its broad separation ability, and it’s applicability has
been expanded by wide variety of mobile phases for “immobilized” columns which are stable in many organic solvents. The diversity of mobile phases is expected to be very beneficial not only to analytical separations but also to preparative ones, especially industrial scale production using simulated moving-bed (SMB) technique, in terms of productivity of chiral compounds.
In this review, a preparative separation process based on polysaccharide-derived chiral stationary phases (CSPs) and SMB technique is described.
Keywords: chiral chromatography, polysaccharide-derived chiral stationary phases (CSPs), immobilized column, simulated moving-bed(SMB)

く利用されており、Table 1 に示すように多糖をエステルや１．はじめにカルバメート誘導体に誘導体化した多数の CSP がこれまで光学異性体分離用充填剤（キラル充填剤）を用いたクロマにカラムとして市販されている[1] [2]。

ト法は、医薬、農薬、食品といった分野の研究・開発から工場の品質管理に至るまで、簡便でかつ少量のサンプルで正確

また、最近では多糖誘導体をシリカゲル担体に固定化したに光学純度を測定できる方法として広く普及している。これタイプの耐溶剤型 CSP も実用化されている。従来、多糖誘までに数多くのキラル充填剤が開発されているが、キラル充導体をシリカゲル担体上にコーティングしたタイプの充填剤

填剤には大きく低分子系と高分子系の２種類のキラル固定相において使用に制限のあった、酢酸エチル、MTBE、THF、（CSP）を用いたものがある。このうち、Okamoto らによるジクロロメタン、クロロホルム、アセトンといった溶媒の使セルロース誘導体の先駆的な検討に端を発した高分子系の多用が可能となったことから、移動相溶媒の選択性が飛躍的に糖誘導体のキラル固定相は、現在、光学分離剤として最も広向上している。これによって、従来のコーティング型では分ダイセル化学工業㈱ CPI カンパニーライフサイエンス開発センター〒９４４−８５５０ 新潟県妙高市新工町１−１
２―９０２４
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E-mail: to_minoda@daicel.co.jp―３７―

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Table 1 Structure of polysaccharide-derived columns.

離が困難であった化合物についても良好な分離を達成できるようになった[3]。
一方で、このクロマト法は高純度の光学異性体を生産する方法としても優れている。プロセスが比較的単純でラボスケールからのスケールアップが容易であることから、特に医薬開発の分野において迅速な光学異性体の供給手段として重要な役割を担っている。
以下では、キラル充填剤と特に工業規模での分取に適した擬似移動床法（SMB 法）とを組み合わせた光学異性体の分離技術について紹介する。
２．SMB 法の概要
クロマト法による物質分離は、物性の似通った、例えば沸点差が小さく蒸留操作による分離が難しい物質において威力を発揮する。工業規模の生産プロセスとしてこの方法を用い

Figure 1

るには、分離の操作を回分的でなく連続的に行う方が望まし

いが、連続的な分離に適した方法として擬似移動床方式クロSeparation of bupivacaine (2) on CHIRALPAK AD(a) and CHIRALPAK IA (b−d). Flow rate: 1.0 ml/min, temperature: 25℃, detection: 260 nm.

マト分離法（SMB）があげられる。カラムに通液される移動相溶媒の消費量や単位充填剤あたりに換算される分離生産―３８―

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性といった点において、この方法は回分操作である単カラム

学異性体に富んだ溶液を抜き取るラフィネートといった供法よりも優れている[4]。Francotte らによれば、Formoterol の給・抜取口が接続されている。これら供給・抜取口によっ分離において SMB の単位あたりの生産性が単カラム法のて、SMB の循環経路を流れる流量は４つのゾーンに分ける

６．
３倍、Guaifenesin の分離では２．
７倍になると報告されていことができる。ここでは、エルエントとエクストラクトとでる[5]。SMB による工業規模の分離例は、１９６０年代の Univer-

挟まれた区間をゾーンⅠと定義すると、Figure 2 に示すよう

sal Oil Product 社による p-キシレンの分離が最初とされるがにゾーンⅠ〜Ⅳを決めることができる。
各ゾーンにはそれぞれの役割があるが、分離が行われるの[6]、その後、食品分野、特に糖の分離・精製方法として広はゾーンⅡとゾーンⅢである。これらゾーンにおいては、吸く普及した[7] [8]。
SMB は原理上２つの成分を分離する手段として最も威力

着の弱い光学異性体が脱離されラフィネート抜取口まで液流を発揮する。特に、医薬分野において、光学異性体を入手すれ方向に流れていき、一方で吸着の強い光学異性体は充填剤るための方法として最適である。近年、工業規模での光学分に吸着されエクストラクト抜取口まで擬似的な充填剤の移動割の実施例が増えており、例えば UCB Pharma において坑て方向に流れていく。言い換えると、ある基準に対して吸着がんかん剤 Levetiracetam の分離精製で１００cmφ 径の大型カラム

弱ければ対象となる成分はラフィネート抜取口に多く流出を用いた工業規模での SMB 分離がなされた[9]。

し、吸着が強ければ対象となる成分はエクストラクト抜取口に多く流出するとも言える。分離に関わるゾーンⅡおよびゾーンⅢの流量条件の決定では、Morbidelli らが提唱してい３．SMB 法の原理と運転方式
SMB には、複数のカラムを直列に配列しその両端を接続るトライアングル理論がよく用いられる。これにより、ゾーして無端状にした流路に、原料ラセミ体の溶液を供給するンⅡの液相速度／固相速度の比を x 軸、ゾーンⅢの液相速度フィード、溶離液を供給するエルエント、吸着の強い光学異／固相速度の比を y 軸としたときに、ラフィネート成分の光性体に富んだ溶液を抜き取るエクストラクト、吸着の弱い光学純度の限界線とエクストラクト成分の光学純度の限界線で囲まれる４つの区域ごとで、分離精製が可能となる条件をそれぞれ図示することができる[10]。
Figure 3 に代表的な２種類の SMB 運転方式を示した。一方は、無端状の流路上にリサイクリング（循環）ポンプが設置されたインターナルモードと呼ばれる運転方式であり、もう一方は、無端状の流路上から一旦切り離された位置にロータリーバルブ等を介してリサイクリングポンプが接続されたエクスターナルモードと呼ばれる運転方式である。インターナルモードでは、配管やバルブの接続や構造が簡易である一方で、SMB 系内を移動する流量ゾーンの変化に合わせてリサイクリングポンプの流量を段階的に制御する必要がある。

Figure 2

エクスターナルモードでは、流量ゾーンの変化に合わせてリDetermination of ZONE I〜IV

Figure 3

Operation types in the SMB system, (a) Internal mode: Recycling pump fixed with respect
to the columns, (b) External mode: Recycling pump fixed with respect to the zones.

―３９―

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サイクリングポンプの位置が移動するため段階的な流量制御得した破過試験の結果では、Figure 5 に示すようにある濃度の必要はないが、配管やバルブの接続方法に工夫を要する。

を境にして吸着挙動が大きく変化する様子が観察された。一般的に見られる Langmuir 型とは異なるこのような特殊な吸着挙動は、例えばトレガー塩基を CHIRALPAK AD で分離

４．キラル SMB プロセス開発の流れ
次に、キラル SMB プロセス開発の大まかな流れについした場合にも観察されることが報告されている[13]。最近のて、SMB 分離条件の決定、ベンチクラスでの小スケールにシミュレーション技術の進歩に伴って、このような特殊なよる分取、パイロット・工業化検討の順に紹介する。

ケースについてもクロマトの解析や SMB シミュレーション

まず、分離対象となるラセミ体について、キラルカラムとを行うことが可能となっている。ここでは、吸着平衡式に溶離液の組み合わせから最も分離の良い条件を見出すスク式を仮定して、過負荷クロマトピークの形状への直接フィッリーニングを実施する。特に耐溶剤型 CSP カラムを使用すティングによって必要なパラメータを決定することができた

る場合には、適用可能な溶媒の種類やその組成の組み合わせ[14] [15]。

が飛躍的に増大するため、スクリーニング装置の自動化等により効率的に実施することがポイントである。

Ws＝スクリーニングの結果、最適なキラルカラムと溶離液の組

q１C（b１＋２b２C ） q２b３C＋１＋b１C ＋b２C ２ １＋b３C

み合わせが決定したら、適当な吸着平衡式を仮定して吸着平

Ws: Solid phase concentration

衡の測定データをもとにして吸着パラメータを算出する。キC: Liquid phase concentration

ラルクロマトの吸着平衡式には通常 Langmuir 式を適用する

ケースが多い。Langmuir 式のような非線形の吸着等温式を式および式の修正 Langmuir 式で表されるような一般用いて SMB 分離条件を決定する際には、シミュレーション的なケースのそれぞれについて、それぞれ SMB のダイナソフトの利用が便利である。吸着平衡の測定では、回分吸着ミックシミュレーションを行い、SMB 系内の内部濃度分布法や破過法といった方法の他に、一定濃度で吸着平衡にあるを比較した結果を Figure 6 に示した[16]。

カラムに移動相を打ち込むことで外乱を与えてその応答時間を測定するパルス法[11]、カラムに過負荷量のサンプル溶液

q１b２C１１＋b２C１＋b３C２

Ws１＝b１C１＋

をインジェクションした際の過負荷クロマトの溶出時間を測定する過負荷クロマト法[12]、パラメータの値を適当に調整

Ws１: Solid phase concentration

して過負荷クロマトの形状に直接フィッティングさせる方法

C１, C２: Liquid phase concentrationなどがある。医薬サンプルのように、比較的高価で検討に使用できる量が限られる場合には、少量のサンプル使用で済む

式のケースではピークフロント部分の濃度変化が急峻で過負荷クロマト法を用いる方法が一般的である。吸着平衡式あり、またテーリング部分に濃度変化の変曲点が観察されとパラメータが決定したら、これをもとにして実際の SMBた。これより、実際の SMB 運転時においてクリティカルな運転立ち上げに必要な流量条件をシミュレーションする。

流量条件におけるわずかなプロセスパラメータの変化が、製

ここで、上述の方法により SMB 分離条件を決定して実際品の濃度や光学純度に大きく影響を与えることが予想されの SMB 製造運転にまで適用したユニークな例を紹介する。

た。このように、シミュレーション検討によってプロセスのこのケースにおいては、Figure 4 に示すような特徴的な過負荷クロマトピークの形状を示し、ラセミ体の溶液を用いて取Figure 4

Comparison between observed profile and simulated for
non-Langmuir case.

Figure 5―４０―

Breakthrough curves for the racemic substance.

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Figure 6

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SMB internal concentration profiles with steady-state condition on equation (1) and equation (2) by dynamic simulation
technique.

Figure 7

Daicel’s lineup of the chiral SMB systems.

安定性や応答性を事前に把握しておくことで、実際の製造にスケールの光学異性体の分取を想定している。得られた光学おけるトラブルを未然に防ぐことも可能となった。

異性体を濃縮・乾固するためのエバポレータも設置しており、一連の設備は医薬品開発の段階に合わせて GMP 管理下続いて、シミュレーションで求められた流量条件を参考にでの運転実施も可能である。

して、通常ベンチクラスの小スケールでの SMB 運転をまず実施する。SMB 装置を立ち上げてからしばらくの間は、定パイロットスケールの SMB 装置では直径１０〜２０cm のカ期的にエクストラクト、ラフィネートの抜取液や SMB 系内ラムを使用する。このスケールの設備では、特に臨床段階の液をサンプリングして、そこに含まれる光学異性体の純度（中期〜後期）の光学異性体サンプルを数十〜数百 kg レベや不純物の時間推移をチェックする。目標とする品質の製品ルで製造することを想定している。ベンチクラスからパイが得られるように、必要に応じてポンプの流量を微調整すロット以降へのスケールアップ条件は、基本的にカラムの断る。SMB 系内を移動する濃度分布が定常状態に到達した後面積の比で容易に計算することが可能である。

は、ポンプ流量、カラム温度、系内に投入されるフィードの工業規模の SMB 装置においては直径が２０cm 以上の大型濃度といった分離に影響を与えるようなプロセスパラメータカラムを用いているが、油圧駆動のピストンを利用してカラの推移を時々チェックしながらそのままの流量条件で運転をムの軸方向から充填層を押圧するアキシャルコンプレッショ継続する。

ン方式のカラムを採用している点が特徴的である。充填剤を当社においては、ベンチクラスの小スケール分取用に No-充填する場合には、専用のスラリータンクで調製した充填剤

vasep 社製の SMB 装置を保有している。この装置は、通常、のスラリーをカラム内部に直接投入して充填を行うことが可

直径３cm〜５cm、充填長１０cm のステンレス製カラムを６〜能である。当社で保有するベンチプラント、パイロットプラ１２本搭載できる。カラムには粒径２０µm のキラル充填剤を充ントおよび商業プラント SMB の外観を Figure 7 に示した。

填したものを使用している。ポンプはフィード、エルエン

工業規模のスケールになると SMB で使用する溶媒の回収

ト、ラフィネート、エクストラクト、リサイクリング用に各はコスト面から必須である。流下薄膜式蒸発器（FFE）等の１台ずつが設置され、リサイクリングポンプは流量ゾーンの濃縮設備において SMB から抜き取られた液を濃縮する一方移動に合わせて段階的に変化をさせる仕様（インターナルで、留出された溶媒については専用タンクに一旦回収後に品モード）となっている。この装置では、概ね数百 g〜数 kg

質をチェックし、問題がなければ再度 SMB 移動相としてリ―４１―

CHROMATOGRAPHY, Vol.31 No.1 (2010)サイクルされる。耐溶剤型 CSP が実用化されたことで使用するケースなどが想定される。従来、タンク内の溶媒の組成できる溶媒のバリエーションが増えた。これにより分離条件を誘電率センサーで検知して移動相組成を調整するシステムを最適化して SMB 生産性を向上させる可能性が増したが、が実用化されていたが、この方法は、ノルマルヘキサンと移動相の組成が３成分以上となるケースもあり、一旦使用しIPA のように比誘電率の差が比較的大きい２種類の溶媒からた移動相溶媒を効率良く回収できるシステムの構築が重要となる移動相組成の調整のみを対象としていた[17]。このたなっている。例えば、分離対象となる化合物が塩基性を示す

め、当社において特に２成分以上からなる移動相組成の調整ような場合、移動相中に第３成分として微量のアミンを添加に適した方法として、Figure 8 に示すような近赤外分光分析

Figure 8

Figure 9

Outline of the solvent recovery system by using of a NIR sensor.

Reference values (solvent concentration) versus near-infrared predicted values of MeOH, MeCN and DEA in
the mixture.

―４２―

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Technical Review（NIR）センサーを利用した溶剤回収システムを新たに開発

く、充填剤、移動相、SMB、付帯装置を含めたシステム全した。この方法によれば、例えばメタノールとアセトニトリ体の最適化という視点がますます重要となるだろう。

ルからなる混合溶媒にさらに第３成分として微量のジエチルアミンや酢酸を添加したケースについても、それぞれの溶媒参考文献

濃度を測定して組成を 調 整 す る こ と が 可 能 と な る[18]。

[1]

MeOH と MeCN につ い て４９〜５
１vol％、DEA に つ い て０．
１〜

E. Yashima, Y. Okamoto. Bull. Chem. Soc. Jpn., 68 (1995)
3289.

０．
３vol％程度の濃度範囲となるように、実験計画法的に３成[2]鏡原泰広，分離技術，39 (2)，27 (2009)

分の濃度を振った１４検体のサンプルについて、プロセス NIR[3]

T. Zhang, C. Kientzy, P. Franco, A. Ohnishi, Y. Ka-（FT 型―近赤外分光光度計：Bruker Optics 社製

gamihhara, H. Kurosawa, J. Chromatogr., A, 1075, (2005)

MATRIX）

を用いて各成分のスペクトルデータを取得して回帰分析を65.

行った結果を Figure 9 に示した。これより、GC 分析値と NIR[4]

牧野成夫，八浪哲二，分離技術，26 (6)，15 (1996)

測定値がよい相関を示し、特に微量成分であるジエチルアミ[5]

E. R. Francotte, P. Richert, J. Chromatogr. A, 769, 101ンの定量分析も可能であることがわかった。従来、工業規模(1997)

での SMB 運転で溶媒回収がネックとなって移動相組成の最[6]D. B. Broughton, US Pat. 02985589 (1961)

適化を断念していたケースがあったが、この技術によって使[7]

松田文彦，フードケミカル，8, 80 (1992)

用可能な溶媒のバリエーションが広がった。

[8]

高崎義幸，工業技術，2, 47 (1986)[9]

G. B. Cox, Preparative Enantioselective Chromatography, p

５．おわりに254, Blackwell Publishing (2005)

多糖誘導体をシリカゲル担体に固定化した耐溶剤型 CSP[10] M. Mazzoti, M. Morbidelli, J. Chromatogr. A, 769, 3 (1997)の登場によって、分析クロマトの分野ばかりでなく分取クロ[11] C. N. Reilley, G. P. Hildebrand, J. W. Ashley, Jr., Anal.

マトの分野においても、分取生産性の向上に向けた選択肢がChem. 34 (1962) 1198

一気に広がった。最近、耐溶剤型 CSP を SMB に適用した例[12] A. Felinger, A. Cavazzini, G. Guiochon, J. Chromatogr. A,

として、CHIRALPAK IA を使用して Gluthetimide を分離し986, 207 (2003)

たところ、従来の平均的な SMB の生産性と比較して約１０倍[13] K. Mihlbachler, K. Kaczmarski, A. Seidel−Morgenstern, G.となることが紹介されている[19]。また、従来は解析が難し

Guiochon, J. Chromatogr. A, 955 (2002) 35−52

く SMB への適用が困難であった特異的な吸着挙動を示す化[14] Moustapha Diack and Geoges Guiochon, Anal. Chem. 1991,

合物や複数の不純物を含む化合物について、近年 の コ ン

63, 2608−2613ピュータを用いたシミュレーション技術の進歩によって、そ[15] K. Akita, presented at PREP 2009, Philadelphia, USAの挙動の解析や SMB での運転条件検討が可能となりつつあ[16] G. Subramanian, Chiral Separation Techniques, p262,

る。さらに、溶媒回収がボトルネックとなってこれまで使用

WILEY−VCH publishing (2001)の制限があった溶媒の種類や組成についても、新たな技術の[17] J. Blehaut, R.−M. Nicoud, Analysis Magazine, 26 (7), 60

導入によってバリエーションが広まったことで、分離の最適(1998)[18] 特開２００６―８４４５７（ダイセル化学工業）化を行うことが可能となった。
今後は、多糖誘導体の秘めた可能性を最大限に引き出すべ[19] P. Franco, presented at SPICA 2006, Innsbruck, Austria―４３―