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大型工業化制備液相色譜分離裝備及其應用簡介

2014-04-06查看:

結合我公司新研制的產品——DAC800型工業化高壓制備液相色譜分離純化裝備,概述大型工業化制備液相色...
     備色譜是分離科學中最有效的制備性分離技術,是很多研究領域和現代化的合成醫藥、生物制藥、植物提取中必不可少的分離手段。但受到傳統制藥工藝的影響,到目前為止,工業化高壓制備液相色譜純化裝備還處于等待被認知和接受的階段,應用這種工藝技術的醫藥生產廠商還很少。特別是在生物、化工生產過程中,為迎接產品成本質量標準方面的商業競爭及環境保護壓力的挑戰,必須進行色譜生產過程放大和操作最佳化方面的探索。人們更深刻地認識到研究制備色譜放大過程中并將其用于實踐研究,可節省開發時間、選定溶劑及固定相,使工藝更加穩定耐用,最終降低成本并加速其市場化進程。
     本文將結合我公司DAC800大型工業化制備液相色譜裝置,重點介紹下設備使用過程中的一些主要技術要點,以便為設備下一步的推廣應用提供參考。
一 DAC800型工業化制備液相色譜分離裝備簡介

DAC800大型工業化制備液相色譜分離裝備【正面圖】
DAC800大型工業化制備液相色譜分離裝備【俯瞰圖】
裝備由直徑為800mm的動態軸向加壓色譜柱、大流量高壓輸液泵、進樣泵、在線檢測器及數據處理軟件、自動餾分收集器、防爆控制系統及輔助裝置等組成。
色譜柱的功能是將混合物中各組分分離。對色譜柱的一般要求是柱效高、選擇性好、分離速度快。
輸液泵的功能是將洗脫劑在高壓下連續不斷地送入柱系統,使含有目標物的液態混合物在色譜柱中完成分離過程。
進樣泵的作用是將待分離樣品引入色譜柱。
在線檢測器、高壓輸液泵、色譜柱是組成HPLC的三大關鍵部件。經過色譜柱分離后的各組分與流動相一起進入檢測器,按照樣品的物理或化學特性將信息轉換為易測量的電信號,并記錄下來,得到樣品組分分離的色譜圖。由譜峰的位置、形狀和大小判斷分離的優劣,并進行定性、定量分析。隨著計算機科技的發展,遠程控制也成為工業化制備液相色譜系統的一大特點。操作人員可以在終控室通過PC機完成對設備的控制和監測。
餾分收集系統是使通過動態軸向壓縮柱洗脫的柱后溶劑通過工藝程序控制,有序的分流到不同的儲存罐。每一個餾分收集管路設置一處取樣口,便于隨時提取樣品進行分析觀測。
設備控制系統包括正向防爆電氣控制柜、兩通和三通電控氣動球閥、泵后流量計、壓力變送器、氣路和液路管以及控制元件組成。正向防爆電氣控制柜內設置驅動溶劑泵和進樣泵的驅動板、馬達變頻器、系統核心控制單元(MCU)以及液晶顯示單元。
輔助裝置包括勻漿裝柱機和翻轉及升降裝置:勻漿裝柱機的功能一是采用機械方式攪拌應用于動態軸向柱的填料,使之與裝柱液均勻混合;二是將已經攪拌均勻的填料注入柱管內。翻轉及升降裝置用于設備的初期組裝、定期檢修、更換柱內填料。
二 大型工業化制備液相色譜分離裝備應用要點

1 填充裝柱
(1)選擇合適的填料
填料粒徑的選擇是制備色譜分離中的關鍵問題。填料粒徑主要從柱效和壓力兩方面影響著制備色譜的應用。壓力影響著運行成本,柱效影響著分離效果,但兩者又互相制約。提高柱效最有效的方式是用相當小的顆粒以減少提純時間、溶劑消耗、產品稀釋度及提純成本。與傳統的制備色譜填料(粒徑至少100μm) 相比,典型的制備用的填料為10~20μm ,柱床長度也較短,一般250~450mm。另外保證填料的窄的粒徑分布也很重要,以避免太微小的顆粒產生柱后壓以及太大的顆粒導致低柱效。一般來講在制備色譜中使用小顆粒填料,可以獲得高柱效,尤其是對于難分離物系,可以獲得很高的分離度。在滿足分離要求的前提下,使用較大顆粒填料,可以獲得較大的生產能力,而且填料的價格相對便宜,因而更能有效降低生產成本。制備液相色譜最常用的固定相填料是球形硅膠(正相)和C18(反相)。
(2)確定合適的裝柱壓力及柱床長度
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布不均勻,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。
動態軸向壓縮(Dynamic Axial Compression,簡稱DAC)技術是公認的裝填制備色譜柱(柱內徑大于50 mm)的最佳技術,其原理是采用活塞裝柱(勻漿填充),并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。采用DAC 工藝裝填的色譜柱正在逐步主宰整個制備型色譜柱市場。
色譜柱的性能依賴于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復雜的。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,壓力的傳遞并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,由于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,壓力的分布也是不同的,即在軸向和徑向都存在著壓力梯度。一般來講,對于10μm的規則填料一般推薦裝柱壓力為7MPa。
在相同條件下(相同粒徑的填料和裝柱壓力),隨著色譜柱的增長,柱內軸向壓力分布范圍越大。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,因此一般裝柱長度不超過450mm。
此外,由于制備色譜柱填料顆粒較小且柱床壓力較高,通過柱內的流動相受到流動阻力較大,因此分離時需用高壓輸液泵向色譜柱提供流量穩定、重現性好的流動相。選擇大流量高壓輸液泵時要具有以下性能:輸出壓力高,密封性能好;流量范圍寬,流量穩定,輸出的流動相基本無脈沖;耐腐蝕,同時具有自清洗裝置;泵腔體死體積小,有利于更換洗脫液。
2 摸索工藝參數以實現線性放大
考慮直接進行放大生產可能存在的問題和投入資金較大的問題,一般需要先做中試(使用柱徑一般在50-150mm的制備柱)進行工藝摸索,然后再直接放大到大型工業化規格。具體過程隨產品種類及色譜方法的不同而不同,需區別對待,但有一些一般原則可供參考:
(1)確定最佳工藝參數。每種色譜均有以下相關因素:固定相(包括種類及顆粒大?。?、流動相(洗脫液)、柱尺寸(柱徑和長度)、流速、洗脫方式(等度或梯度)等。在保證一定分離度的情況下,流速越大越好。流速的確定,受三個因素制約:一是分離度;二是填料本身性能(如分離蛋白用的許多填料本身較軟,無法承受太高流速);三是硬件設備, 即泵的工作能力。
(2)綜合考慮限制因素。進行放大生產前需要獲得一些參數,如年產量要求、純度要求、原料價格、設備的操作指標等。例如泵的流速、壓力,這些可能是限制因素。也可能泵的流速允許很高,但在此流速下,檢測和收集組分都成了問題。原料如果很貴,則分離度應大,以保證得率??赡艿那闆r下,上樣量越大越好,增大上樣量按兩種方式進行,單純增加上樣的濃度(體積很小)叫濃度超載;保持適當濃度,只增加上樣體積叫體積超載。濃度超載在制備中意義更大,但樣品濃度上限需實驗確定。一般實際操作中都采用一定濃度下的體積超載,超載量受分離度的制約。
(3)明確重點考慮因素。產率的增加有兩個因素一是提高上樣量;二是在保證一定分離度即產品達一定純度的基礎上,增加流速。但不同色譜有不同的重點優化參數,其值的變化對產率有較大影響,優化應重點針對這些參數進行。
3 集成控制與遠程操作
通過動態軸向壓縮柱洗脫的柱后溶液,經過檢測器分析檢測后分流到不同的儲液罐實現收集。用戶可以按樣品分離后組分流出的先后次序,或按時間、或按色譜峰的起止信號,根據控制軟件預先設定好的程序,自動完成收集工作。由于流量較大,一般檢測器的流通池無法完成瞬間大流量的柱后液檢測,必須換用高流通量的專用流通池,以保證大流量的柱后溶液能夠迅速被檢測分離,保證回收的餾分純度。
三 結論
工業制備色譜技術由于具有其他方法無法比擬的特點及強大的分離能力,必將成為分離與純化領域中的主要方法之一。采用質優價廉的高效填料、設計合理的色譜柱, 及正確選擇流程和工藝參數是色譜分離純化過程達到低投入、高產出的關鍵因素。相應的理論研究可深化對制備色譜的認識, 指導實際應用。
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