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制药操作的核心, 这项泵技术实现小体积大流量精准输送

来源:国际医药商情     发布时间:2022-08-18
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什么是色谱法?


色谱法是在生物工艺中分离混合物中组分的标准纯化步骤。这项技术能从混合物的其他分子和杂质中分离出生物药物或靶分子,然后加以纯化。


纯化在色谱柱中进行,常用工具是一个装满50-100μm的小色谱珠(也称为树脂或吸附剂,固定在柱中)的圆筒容器。纯化时,产品和杂质的混合物(称为移动相)会进入柱中,穿过树脂(固定相)。


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靶分子和色谱珠子之间发生选择性结合(吸附)后会分离出来,电导率、pH值、盐类型和其他运行条件都会影响这一过程。

传统方法有什么弊端?


传统的色谱柱设计为“轴向”。在此步骤中,色谱介质填充在很平、很宽的饼样筒中,液流从顶部流向底部,或从底部流向顶部。如果希望提高色谱柱的生产能力(规模化),由于柱的高度增加后,系统内的背压也会增加,因此这套方案不太可行。


所以,要想提高生产能力,只能增大柱子的直径。这样一来,系统的柱床既短又宽,空间占用率高,整体重量偏重,导致持续制造高通量的填充床的难度增加。


因此,在轴向色谱柱中,为了降低轴向柱的直径,填充床通常应高于规定高度,但这种方案的弊端是:流量降低,运行压力增加。


RFC应运而生


早在20世纪50年代,RFC(Radial Flow Chromatography,径向流动色谱)就已经研制成功。


它的流量较高,压降较低,系统重量和占地面积仅为轴向流动柱的四分之一。如前所述,与液流垂直流经色谱介质的轴向流动系统不同,RFC中的介质包裹在中间的柱子上,液流以正压水平流过。RFC能将轴向系统的卧式床折叠进垂直柱子,并将流向从垂直变更为水平。它继承了老式产品的纯化和分馏功能,但系统的占地面积更小,重量更轻。


PROXCYS Downstream Biosystems B.V.自20年前成立以来,就一直致力于为生物制造应用开发高性能径向流动色谱(HP-RFC)。如今,PROXCYS已利用Quattroflow™四柱塞隔膜泵功能设计了许多先进的多次性和一次性HP-RFC柱和系统。


PROXCYS的技术销售工程师Thijs Groenewegen说:“径向流动色谱和传统色谱柱略有不同。传统柱的流向是从顶部到底部,RFC分离原理与此相同,但柱型设计不同。RFC的流向不是从顶部到底部,而是从柱的外部到内部。我们把柱子放在了一边,缩小了产品的占地面积。”


在HP-RFC色谱柱中,液流通过的管中填充了适用的色谱介质(通常是某些高价值树脂),因此性能出众。
Groenewegen表示:“合适的柱填料会直接影响色谱柱的性能,填充良好的柱能高效分离和捕获预期产品。因此,树脂填充得越好,分离效果就越好,目标蛋白的表达效果也会越好。不过,色谱柱实际填充起来并不容易。


如果传统柱的直径比床高出8至10英寸,填充难度就不小了。而HP-RFC可以轻松胜任30英寸以上高度差的填充任务,也就是说,床的高度可以降低(低压),柱的体积也可以放大。此外,HP-RFC色谱柱始终采用泵式填充,这有利于系统自动化,只要有合适的设备,即使色谱柱格式特殊,填充起来也会十分轻松。


各种树脂珠子的特点也不同;有些树脂很脆,需要轻拿轻放,而有些则很硬,可以用力移动。但是,参数已知或者优化后,HP-RFC填充即可重复操作,方便可靠。”


PROXCYS HP-RFC撬装将系统的所有部件(包括Quattroflow™四柱塞隔膜泵)都搬到了移动车上,操作十分便捷。在生物制品生产工艺中,移动车经常需要移动,这款轻量级解决方案能轻松实现这个目标。

选择合适的泵


向HP-RFC柱中填充树脂时,应选择合适的泵送技术。在过去的几十年,PROXCYS将德国杜伊斯堡的Quattroflow™四柱塞隔膜泵技术和美国伊利诺伊州Oakbrook Terrace PSG®的技术整合到了其专有的装柱系统中。


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Groenewegen表示:“Quattroflow用起来很方便,能够满足我们所有的需求。泵非常精确,调节比很大,设计紧凑,可与公司的小型系统轻松集成。泵送时不会产生泡沫,动作“迅速但柔和”,泵送剪切敏感的树脂珠子时不会损坏产品。Quattroflow能完全胜任柔和泵送产品的任务,虽然流速高,但很容易控制。”


在HP-RFC应用中,Quattroflow泵的运行形式比较独特,这是它的主要优势:四个隔膜通过一个连接板逐个驱动,连接板在偏心轴产生的冲程中心位置前后移动,偏心角度决定冲程的长度。换言之,Quattroflow技术以人类心脏的工作方式(非常适合向人体全身泵送血液,而且血液的剪切敏感性非常高)为模型,其泵腔和止回阀能使产品不断向前流动。


Quattroflow泵腔不含易产生摩擦的旋转部件,从而最大限度减少了这种由于旋转部件摩擦而导致的热量聚集。此外,采用该操作模式意味着泵可干运转,自吸,且由于低回流,剪切力可进一步降低。此外,产品运行时脉冲低、无泄漏,具有出色的干/湿吸升性能,容易控制,可获得所需的流速或者压力。换言之,它具备需要合适的RFC柱填充的所有特点。


用树脂填充的HP-RFC柱能更好地分离目标蛋白。Quattroflow™四柱塞隔膜泵可以柔和地处理脆性/刚性树脂,能在树脂填充工艺中发挥重要作用。


目前,Quattroflow泵有8种型号,分别为QF30、QF150、QF1200、QF2500、QF4400、QF5050、QF10K和QF20K,它们的流速范围从0.017 L/min(0.004 gpm)到267 L/min(70.5 gpm)不等,PROXCYS兼容所有型号的泵。

Quattroflow的实际应用效果


Groenewegen表示:“Quattroflow全系列的泵我们都在用。实验室的空间较为狭小,在这类区域中,我们在系统中集成了QF150泵,用以装柱;当场景从实验室搬到生产环境中后,我们就会使用QF1200和QF4400,它们更适合较大的系统;而当占地面积有限时,我们则会选择QF5050。


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我们最近建立了一套非常强大的系统,虽然QF5050非常紧凑,不过QF20K在里面的占地面积也就1平方米而已。我们在最大的系统中使用了QF20K,此外,新成员QF10K也很适合大柱子系统。


PROXCYS曾经测试过另一家供应商的泵,不过那种泵(双隔膜,而非四隔膜)未能达到要求:Groenewegen回忆说:“还没运行几分钟,树脂珠就卡在了泵膜之间,泵就停下来了。”


PROXCYS使用所有型号的Quattroflow™四柱塞隔膜泵时,效果都非常好。现有几乎所有型号的泵均有一次性配置版,不少生物制品生产商想要使用有泵头的泵,他们希望在生产后方便快速地更换泵头,而Quattroflow™的产品就非常能满足此类需求。


近几年,生物工艺市场对配有可替换泵头的泵的需求量不断上升,Quattroflow生产的各类一次性泵正好能满足市场需求。很多制造商都计划使用可更换泵腔的一次性泵,而不是配置长久使用的不锈钢泵,不锈钢泵每次生产完后还需要做清洁认证。这些产品对他们很有吸引力。


Groenewegen表示:“分批工艺要求在进行下一次活动前,用新的泵头替换原泵头,而Quattroflow一次性泵就能做到这一点。我很看好一次性泵的发展前景,我认为这是行业未来的方向,而且这很匹配我们推广SUPR预填充HP-RFC柱生产线的战略。”

作者: Andreas Frerix博士,
百士吉旗下品牌Quattroflow™德国工厂产品经理


来源:荣格-《国际医药商情》

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