工業製備色譜/動態軸向壓縮系統在製藥行業中的應用

tags:    時間:2014-03-11 18:46:39
工業製備色譜/動態軸向壓縮系統在製藥行業中的應用簡介
    工業製備色譜/動態軸向壓縮系統在製藥行業中的應用 1 前言  隨著製藥、生物化工等行業的迅速發展,製備型液相色譜分離技術得到越來越廣泛的開發和應用,已成……
工業製備色譜/動態軸向壓縮系統在製藥行業中的應用正文
    

工業製備色譜/動態軸向壓縮系統在製藥行業中的應用

1 前言

隨著製藥、生物化工等行業的迅速發展,製備型液相色譜分離技術得到越來越廣泛的開發和應用,已成為分離和純化複雜混合物的重要方法,尤其適用於天然產物和生物大分子(多肽,蛋白質等)的分離。為使樣品得到有效的分離,色譜柱的裝填必須滿足床層的連續性、均勻性、穩定性和緊密性的要求。色譜柱的裝填,尤其是工業生產規模的大直徑柱的裝填,存在相當大的困難。

傳統的裝填法分為干法和勻漿法,干法填裝較笨拙,柱性能不好,且在填充過程中填料微粒在柱壁區域易分散。勻漿法填裝柱內填裝密度分佈不均勻,靠近柱壁處的填充密度較高,且柱性能的再現性差。按照傳統方法填裝大直徑的色譜柱,床層不穩定,會降低分離性能。目前國內市場上銷售的法蘭式封端柱基本上都是採用勻漿法裝填的。

動態軸向壓縮(Dynamic Axial Compression,簡稱 DAC)技術是公認的裝填製備色譜柱(柱內徑大於 50 mm)的最佳技術,其原理是採用活塞裝柱(勻漿填充),並在操作過程中保持柱床壓縮狀態以確保其穩定性。DAC 法填裝的色譜柱柱床均勻、性能穩定、密度高、柱效高,柱性能的再現性好。採用 DAC 工藝裝填的色譜柱正在逐步主宰整個製備型色譜柱市場。

2 動態軸向壓縮柱的優勢

動態壓縮柱發展到今天,主要有以下三種壓縮方式:

(1).軸向壓縮:是一個濕法填裝過程,利用活塞壓縮床層;
    (2).徑向壓縮:是一個干法填裝過程,使用雙管的色譜柱,內管用塑料或橡膠做成,裡面裝滿乾的填料微粒,在兩管形成的環形空間中保持一定的壓力,使色譜柱得到徑向壓縮;
    (3).環向壓縮:通過沿色譜柱軸向方向移動一個圓錐桿來實現。

目前這三種方法中,軸向壓縮和徑向壓縮方法都已有使用設備,對后一種人們還沒有進行深入的研究,且其裝填過程複雜,裝填原理還沒有被很好地認識和理解,應用較少。動態軸向壓縮(DAC)法具有多方面的優越性,因而得到了更為深入的研究和發展。 與傳統的勻漿填裝法及其他填裝方法相比,DAC 法裝填的色譜柱有很多的優點:


首先,DAC 柱柱效高,重現性好,裝填所用的時間短,可以採用粒徑更小的填料,減小柱長,增加柱徑,從而減小管壁效應,可以得到幾乎接近分析柱的柱效,從而可以使純化效率更高。與傳統的法蘭式封端柱相比,可以大大提高產品的收率和純度。 裝填過程簡單易學,即使沒有接觸過的人,也能很快學會。色譜柱一旦被污染后,能容易、方便地卸料,進行清洗,再重新裝填。


其次,在其他裝填方法中,色譜柱的入口端比較鬆動,裝好的柱床不穩定,經過一段時間的使用,在入口端容易塌陷形成大大小小的空穴,液體在空穴內會發生強烈的局部對流,導致柱效很大的損失。而在 DAC 方法中,活塞在填裝過程中施加給床層恆定的壓力,柱頭和活塞端都與床層緊密接觸,柱兩端不會發生鬆動而形成空穴。在柱使用過程中,仍有恆定的壓力作用於活塞,從而作用於整個床層,即使經過長時間的使用,柱頂也不會因塌陷產生空穴,因此 DAC柱不會因空穴的形成而引起流體的紊亂,柱性能可長時間保持穩定。而且即使在使用過程中柱內形成了的空隙或裂縫,在未使用期間,柱內形成的空隙或裂縫經恢復之後,仍能得到初始的柱效。


最後,DAC 柱儘管比傳統的法蘭式封端柱的一次性投入要大一些,但是由於 DAC 柱大大提高了產品的收率和純度,延長了色譜柱的使用壽命,而且可以自己反覆裝填,從綜合成本效應來說,成本反而更低。所以 DAC 柱可以提高生產效率,節約生產成本。 :同時採購一根內徑為 5cm 的常規製備柱和一套裝柱機,如果使用較為頻繁,由於常規製備柱使用壽命的限制,需要經常採購並且由於供貨期的問題導致設備停用,初次採購 7 月後,兩者成本大致相當,當到 2 年時,使用裝柱機可比使用常規製備柱節約約 3 萬歐元。


 3 動態軸向壓縮柱的影響因素

為保證動態軸向壓縮柱的性能,必須考慮許多因素的影響。

3.1 色譜柱長度的影響:
     在相同條件下,隨著色譜柱的增長,柱內軸向壓力分佈範圍越大。柱越長,活塞與另一端的壓力差越大,形成的柱床越不穩定,不均勻,裝填密度會越小,從而導致色譜柱產生軸向的壓力梯度和密度梯度。
 3.2 填料性質的影響:

      對球形微粒,填料能迅速而平滑的達到穩定狀態;對形狀不規則的微粒,填裝過程中的床層塌陷不可預測(尤其是當填料微粒較大時),填裝情況比較複雜。不規則填料壓力的影響較大,當壓力較大時,會有部分微粒發生破碎,從而引起柱長降低,柱壓降隨之變大。
 3.3 調漿溶劑的影響:
      調漿溶劑的性質也是很重要的因素,其好壞是由填料微粒的物化性質、表面性質和幾何形狀來評價的。如果溶劑選擇不當,形成的勻漿就不穩定,微粒的沉積就快,微粒受到的摩擦力就會較大,從而在柱壁處形成的填裝密度就更不均勻。
 3.4 壓縮壓力的影響:

     色譜柱的性能依賴於填裝壓力的強度和壓縮時間的長短。動態軸向壓縮床的行為是非常複雜的。在色譜柱的壓縮過程中,雖然施加給活塞的壓力是相等的,但在床層內部,壓力的傳遞並不能像液體中壓力的傳遞那樣均勻,接觸活塞的微粒受到直接的壓力,而床層的另一端受到的僅僅是過濾板和法蘭的擠壓,活塞端床層受到的壓力比固定端的壓力要大,由於柱壁與微粒之間存在摩擦力,因此即使是在沿色譜柱軸向的同一截面上,壓力的分佈也是不同的,即在軸向和徑向都存在著壓力梯度。 對於不規則填料的軸向壓縮,壓力越大使微粒破碎的程度就越高,所以低壓下比高壓下得到的柱性能好,不管微粒的形狀如何,在壓縮開始階段,壓力迅速增加達到最大值要比逐漸地升高獲得的柱性能好。

 4 軸向壓縮系統

動態軸向壓縮柱必須用最精密的拋光技術和同心化技術,使柱壁的光潔度(≥?13,即表面粗糙度Ra≤0.012μm)超過了國外同類產品,並保證了柱管的同心度(0.2μm),從而最大限度的減少了裝柱和使用過程中的管壁效應,並可保證重複裝填多次后仍保持初次裝填時的良好密封性能和柱效。 製備柱在製造上確實有許多關鍵的技術,值得一提的是,製備管柱在樣品的入口端,需要加上一塊分配板(Distribution Plate)。 多孔直線凹槽分配板,當樣品從窄的管路流入柱子前端時,這塊板子可以加速樣品平均分配於柱體平面,這一個設計對於降低譜帶擴展效應居功闕偉,這也是製備分離是否成功的重要關鍵。

 5結論

分離和純化過程中最頭疼和耗時間的步驟之一是分析規模的分離不能直接線性放大。在這種情況下,需要重新開發製備方法以達到或者接近分析方法要求的解析度,因此延遲新葯開發中從藥物發現到優化的重要步伐。分離條件不能直接放大通常發生在製備柱與分析柱所填充的填料種類不同(或者)製備柱使用比分析柱成本更低的填料時,而成功地直接放大隻能在製備柱和分析柱的填料完全相同時實現。


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