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工业制备色谱/动态轴向压缩系统在制药行业中的应用
点击次数:3829 发布时间:2010-08-17
 

工业制备色谱/动态轴向压缩系统在制药行业中的应用

1 前言
  随着制药、生物化工等行业的迅速发展,制备型液相色谱分离技术得到越来越广泛的开发和应用,已成为分离和纯化复杂混合物的重要方法,尤其适用于天然产物和生物大分子(多肽,蛋白质等)的分离。为使样品得到有效的分离,色谱柱的装填必须满足床层的连续性、均匀性、稳定性和紧密性的要求。色谱柱的装填,尤其是工业生产规模的大直径柱的装填,存在相当大的困难。
  传统的装填法分为干法和匀浆法,干法填装较笨拙,柱性能不好,且在填充过程中填料微粒在柱壁区域易分散。匀浆法填装柱内填装密度分布不均匀,靠近柱壁处的填充密度较高,且柱性能的再现性差。按照传统方法填装大直径的色谱柱,床层不稳定,会降低分离性能。目前国内市场上销售的法兰式封端柱基本上都是采用匀浆法装填的。
  动态轴向压缩(Dynamic Axial Compression,简称 DAC)技术是公认的装填制备色谱柱(柱内径大于 50 mm)的zui佳技术,其原理是采用活塞装柱(匀浆填充),并在操作过程中保持柱床压缩状态以确保其稳定性。DAC 法填装的色谱柱柱床均匀、性能稳定、密度高、柱效高,柱性能的再现性好。采用 DAC 工艺装填的色谱柱正在逐步主宰整个制备型色谱柱市场。

2 动态轴向压缩柱的优势
  动态压缩柱发展到今天,主要有以下三种压缩方式:
  (1).轴向压缩:是一个湿法填装过程,利用活塞压缩床层;
    (2).径向压缩:是一个干法填装过程,使用双管的色谱柱,内管用塑料或橡胶做成,里面装满干的填料微粒,在两管形成的环形空间中保持一定的压力,使色谱柱得到径向压缩;
    (3).环向压缩:通过沿色谱柱轴向方向移动一个圆锥杆来实现。
  目前这三种方法中,轴向压缩和径向压缩方法都已有使用设备,对后一种人们还没有进行深入的研究,且其装填过程复杂,装填原理还没有被很好地认识和理解,应用较少。动态轴向压缩(DAC)法具有多方面的优越性,因而得到了更为深入的研究和发展。 与传统的匀浆填装法及其他填装方法相比,DAC 法装填的色谱柱有很多的优点:

  首先,DAC 柱柱效高,重现性好,装填所用的时间短,可以采用粒径更小的填料,减小柱长,增加柱径,从而减小管壁效应,可以得到几乎接近分析柱的柱效,从而可以使纯化效率更高。与传统的法兰式封端柱相比,可以大大提高产品的收率和纯度。 装填过程简单易学,即使没有接触过的人,也能很快学会。色谱柱一旦被污染后,能容易、方便地卸料,进行清洗,再重新装填。

  其次,在其他装填方法中,色谱柱的入口端比较松动,装好的柱床不稳定,经过一段时间的使用,在入口端容易塌陷形成大大小小的空穴,液体在空穴内会发生强烈的局部对流,导致柱效很大的损失。而在 DAC 方法中,活塞在填装过程中施加给床层恒定的压力,柱头和活塞端都与床层紧密接触,柱两端不会发生松动而形成空穴。在柱使用过程中,仍有恒定的压力作用于活塞,从而作用于整个床层,即使经过长时间的使用,柱顶也不会因塌陷产生空穴,因此 DAC柱不会因空穴的形成而引起流体的紊乱,柱性能可长时间保持稳定。而且即使在使用过程中柱内形成了的空隙或裂缝,在未使用期间,柱内形成的空隙或裂缝经恢复之后,仍能得到初始的柱效。

  zui后,DAC 柱尽管比传统的法兰式封端柱的一次性投入要大一些,但是由于 DAC 柱大大提高了产品的收率和纯度,延长了色谱柱的使用寿命,而且可以自己反复装填,从综合成本效应来说,成本反而更低。所以 DAC 柱可以提高生产效率,节约生产成本。 :同时采购一根内径为 5cm 的常规制备柱和一套装柱机,如果使用较为频繁,由于常规制备柱使用寿命的限制,需要经常采购并且由于供货期的问题导致设备停用,初次采购 7 月后,两者成本大致相当,当到 2 年时,使用装柱机可比使用常规制备柱节约约 3 万欧元。


 3 动态轴向压缩柱的影响因素
  为保证动态轴向压缩柱的性能,必须考虑许多因素的影响。
  3.1 色谱柱长度的影响:
     在相同条件下,随着色谱柱的增长,柱内轴向压力分布范围越大。柱越长,活塞与另一端的压力差越大,形成的柱床越不稳定,不均匀,装填密度会越小,从而导致色谱柱产生轴向的压力梯度和密度梯度。
 3.2 填料性质的影响:

      对球形微粒,填料能迅速而平滑的达到稳定状态;对形状不规则的微粒,填装过程中的床层塌陷不可预测(尤其是当填料微粒较大时),填装情况比较复杂。不规则填料压力的影响较大,当压力较大时,会有部分微粒发生破碎,从而引起柱长降低,柱压降随之变大。
 3.3 调浆溶剂的影响:
      调浆溶剂的性质也是很重要的因素,其好坏是由填料微粒的物化性质、表面性质和几何形状来评价的。如果溶剂选择不当,形成的匀浆就不稳定,微粒的沉积就快,微粒受到的摩擦力就会较大,从而在柱壁处形成的填装密度就更不均匀。
 3.4 压缩压力的影响:

     色谱柱的性能依赖于填装压力的强度和压缩时间的长短。动态轴向压缩床的行为是非常复杂的。在色谱柱的压缩过程中,虽然施加给活塞的压力是相等的,但在床层内部,压力的传递并不能像液体中压力的传递那样均匀,接触活塞的微粒受到直接的压力,而床层的另一端受到的仅仅是过滤板和法兰的挤压,活塞端床层受到的压力比固定端的压力要大,由于柱壁与微粒之间存在摩擦力,因此即使是在沿色谱柱轴向的同一截面上,压力的分布也是不同的,即在轴向和径向都存在着压力梯度。 对于不规则填料的轴向压缩,压力越大使微粒破碎的程度就越高,所以低压下比高压下得到的柱性能好,不管微粒的形状如何,在压缩开始阶段,压力迅速增加达到zui大值要比逐渐地升高获得的柱性能好。

 4 轴向压缩系统
  动态轴向压缩柱必须用zui精密的抛光技术和同心化技术,使柱壁的光洁度(≥▽13,即表面粗糙度Ra≤0.012μm)超过了国外同类产品,并保证了柱管的同心度(0.2μm),从而zui大限度的减少了装柱和使用过程中的管壁效应,并可保证重复装填多次后仍保持初次装填时的良好密封性能和柱效。 制备柱在制造上确实有许多关键的技术,值得一提的是,制备管柱在样品的入口端,需要加上一块分配板(Distribution Plate)。 多孔直线凹槽分配板,当样品从窄的管路流入柱子前端时,这块板子可以加速样品平均分配于柱体平面,这一个设计对于降低谱带扩展效应居功阙伟,这也是制备分离是否成功的重要关键。

 5结论
  分离和纯化过程中zui头疼和耗时间的步骤之一是分析规模的分离不能直接线性放大。在这种情况下,需要重新开发制备方法以达到或者接近分析方法要求的分辨率,因此延迟新药开发中从药物发现到优化的重要步伐。分离条件不能直接放大通常发生在制备柱与分析柱所填充的填料种类不同(或者)制备柱使用比分析柱成本更低的填料时,而成功地直接放大只能在制备柱和分析柱的填料完全相同时实现。

 

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