工业化高效制备色谱的最新进展

工业化高效制备色谱的最新进展COLINH．LUDEMANN-HOMBOURGER0．NICOUDRM(NOVASEP，Pompey，France)现代工业制备色谱(modem industrial prepar- ative chromatography，简称MIPC)，包括连续色谱和非连续色谱，通常都由填充细粒径填料(如5～50¨m)的高效短柱构成(100～500¨m)。为了获得最大的生产能力和降低纯化成本，这些柱子可在高流速条件(5～20 cm／min)下使用。。现代工业制备色谱越来越被认为是应对制药工业中纯化挑战的最有效工具。这一点通过近5年来连续制备色谱的显著的进步，以及使用的传统的非连续(间歇式)现代制备色谱的装置越来越大，设计越来越复杂而得到证明。新形式的连续色谱在超临界二氧化碳的使用、工艺耦合、技术集成等方面也显示出良好的发展前景。本文的目的就是综述其目前的发展状态。1色谱工艺的核心：色谱柱色谱柱涉及两个方面：柱技术(包括柱设计)与填料。LiquidInDistri动态轴向压缩(dynamic axial compression，简称DAC)技术是公认的制备色谱柱(柱内径大于50 mm)的最佳技术。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技术在保持柱稳定性及重现性的同时，还解决了装柱与卸柱的问题二DAC能在大规模工艺放大中保持很好的重现性，例如内径1600 mm的高压DAC柱已经商品化。就柱设计而言，其关键在于确保流体在柱中的合理分布。这对于连续多柱式MIPC中采用的大内径(例如1000 mm内径)短柱(例如100 mm)尤为重要、，柱端设计必须保证柱头在数毫米内保持塞流状态。优秀的柱端设计可以通过适当的流体动力学模型得到。如图l给出的流体模型显示了一根内径为l m的色谱柱入口处的流体速率分布。通过适当的柱设计，就很容易实现超过的放大因子。单凭这一点，色谱可能是惟一能直接放大到如此规模的化工过程。图1在内径为l in的柱内流体分布计算左图：通常的柱入口端设计；右图：在柱上角处理不好的流体分布至于填料，市场上已经有越来越多的产品适用于MIPC。由于需要考虑很多参数，选择一种最佳填料并非轻而易举。其中，由于填料的化学性质决定柱系统的选择性而成为最重要的参数。因为该问原文发表在CAST sEPTEMBER／0cT()BER2003上。文章经原作者做了部分修改，由中科院大连化学物理研究所杨春博士和NOVASEP中国独家代理——一上海申越科技有限公司的丁功捷总经理(联系电话：021—)翻译j，题涉及具体的分离过程，而每个分离过程又各不相同，所以本文在此不做进一步的讨论。此外，填料的物理性质电十分重要，因为它决定了色谱柱的动力学性能。在给定操作压力及生产能力的条件下，所需的床层高度几乎正比于填料颗粒直径的平方，而柱直径却很少受此影响、～因此，减小填料粒径可降低柱长和床层体积，也意味着降低投资和分离成本?这对于固定相成本极高而分离效果受粒径影响不明显的手性分离尤为重要、与通常想像的不同，大规模制备装置的关键是采用大内径柱(产能正比于柱截面积)和用小颗粒填充的短床层。。这里需要指出的是，基于诸如设备压力等各因素考虑，不推荐使用小于5¨m粒径的填料。对70 bar(6．895MPa)压力的间歇式工业制备色谱而言，最佳填料粒径范围是10～15“m。与间歇式色谱相比，连续色谱对柱效的要求相对降低，并通常采用短柱(小于100 mE)，故最佳填料粒径约为20“m。2模拟与优化无论何种类型的MIPC，采用模拟方法优化工艺可以节省时间、溶剂、固定相并最终降低成本通过研究非优化条件下的情况找出稳定区域，采用模拟方法还可以帮助设计稳定耐用的工艺，并加速其市场化进程。值得注意的是：只有通过模拟找到适当的操作参数组合，才能有效地运行一套多柱连续系统，但对于间歇式操作，模拟则不是绝对必要的。计算机运算能力的提高和大量使用方便的软件使复杂的工艺模拟和优化成为可能。模拟一个过程需要3种类型参数的知识：热力学(竞争吸附等温线)、动力学(塔板高度方程系数)及流体力学(柱通透性)。如果已知理化数据，利用适当的理化模型来描述竞争吸附并正确优化参数，一般来讲，只需几个小时即可完成一个工艺的优化。优化也可以使不同工艺有效地结合起来。一个典型例子就是制备色谱与结晶过程的耦合。通常我们在色谱纯化过程后面接一步重结晶，目的是获得所需的晶体形态，同时也是为了提高纯度。因此，并不需要仅通过色谱过程就达到我们所要求的最终纯度。我们可以通过色谱和重结晶的组合来获得最大的生产能力。图2是一个光学对映体的纯化例子，目标产物要求对映体纯度达到99．9％。对全局模拟显示，当色谱过程工艺纯化目标设定为对映体纯度达到75％时产量最大。在此条件下的产量要比仅通过色谱过程得到纯度为99．9％时的情况下要高出50％、量8琶董‘6U o嘲》[)酬护伽％7550EnantiomericPurity atCC outlet(％)图2多步骤工艺采用全局工艺优化的生产效率优于采用分步工艺优化3多柱色谱最常用的连续多柱色谱(multi—column chro— matography，简称MCC)是模拟流动床(simulated moving bed，简称SMB)与传统的间歇式色谱相比，其原理是通过模拟固定相与流动相问的逆向流动来提高组分在两相问的交换动力．从而提高分离性能．一套SMB装置有4个区．每个区由一定数量独立的色谱柱(通常1～2根)构成逆向流动通过同时切换进、出L_I位置来实现。。SMB过程是一个：元分离器，但并不仅限于二元混合物．多组分电能实现分离。4在大多数情况下，SMB明显优于间歇式色谱，其生产能力可以提高2～20倍，溶剂消耗一般为间歇式色谱的l／5～l／50越是在分离困难的情况下，SMB比间歇式色谱的优势越显著在手性药物的生产中，如果没有更强大的手段(结晶或不对称合成)来达到手性分离的话，SMB被认为是一种不错的选择。与传统工艺相比，使用SMB的重要因素在于开发色谱工艺所需时间极短一快速相筛选与高效模拟工具相结合，能够在数天内快捷而准确地预测优化的色谱工艺。如今制药行业使用SMB装置的纯化能力已经超过每年数吨的规模。图3是一套由5根内径为1000 mm的色谱柱构成的系统。最近发展了一种名为VARICOL的MCC工艺蟑’6【。其原理是在MCC系统内非同步地进行进、出口切换。与SMB相比，VARICOL对固定相的利用率更高。一套VARICOL装置也包括4个区由于非同步地切换进、出口，在每个区内的柱分布随时间而变化。VARICOL是一种周期性工艺，每个周期(DT)结束时恢复到相同的状态。利用描述一个周期内色谱柱随时间分布的特殊图——记时图，可更好地表示VARICOL的操作原理。图4比较了4根柱的SMB及VARICOL的工艺、从VARICOL的工艺图可以看出，在t时间时，图3由6根内径为1000 mm柱构成的SMB系统团咽EluentExtractFeedRaffinate△T2△T、／ARlC0f-1，2△T△T3／2△T图4VARICOL的原理初始的柱分布特征是I区没有色谱柱，Ⅱ区有2根，Ⅲ和Ⅳ区分别有1根。I区不存在意味着从提取出口到洗脱入口没有用于分离的色谱柱。在DT时间段，每个区的色谱柱数目随入／出线路的非同步切换而变化。在周期结束时，所有的线路都由一个位置转移并回到最初的柱分布状态(与t=0时相同)。一个周期内柱分布由每个区中的平均柱数量来描述。在I区，50％的时间没有色谱柱，另外50％的时间有1根色谱柱。因此，I区在整个周期中平均有0．5根柱。同样，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ区的平均柱数量分别是1．5，1．5和0．5。在VARICOL工艺中，不同区内柱分布的优化比SMB更有效"。由于每区的柱数量可以小于1，因此3根柱组成的VARICOL是可行的，但不可能有3根柱的SMB。另外，因为色谱柱的数目配置是没有限制的，优化柱分布，也就是优化各区内固定相的分布，在使用相同数目的色谱柱条件下，VARI—COL比SMB性能更好：在获得的目标产物纯度相同的情况下，前者的产率高、溶剂消耗少，也就降低了成本。采用这两种工艺分离外消旋混合物的实验结果表明，4根柱的VARICOL比6根柱的SMB的产量高50％’8j。4超临界流体高压制备色谱因为兼备了气体动力学的优点(粘度低、扩散系数大、压降小)和液体溶解能力优势(密度与传统溶剂相近)，超临界CO：(SF—CO：)对于MIPC而言是一种非常有吸引力的流动相。此外，SF—CO：的密度(包括溶解能力及洗脱强度)随压力升高而增大，这就有可能在洗脱组分恒定的条件下通过简单的压力程序实现梯度洗脱。SF—CO：其他令人感兴趣的方面包括低成本、低毒性、产品易回收和洗脱液易循环回收使用。在色谱中使用SF—CO!的主要限制来自于纯化目标产物的相对分子质量与极性。一般地，要求相对分子质量不能超过1500，而且极性不能太大。虽然至今还没有太多使用SF—CO：的MIPC实例，但目前这种情况正在改变。集成了洗脱液循环回收的大中型SFC装置如今已经商品化并得到应用，如图5所示。带CO，循环的SF—CO，间歇式MIPC基本原理示意与CO、相图如图6所示。液态CO，从一个容器中泵出并加热到超临界状态。色谱柱中的分离是在超临界状态下进行。减小柱出口处的压力，并升高温度，使其变成气态。采用适当的气旋设计，馏分收集可在气相中进行。气态CO!通过适当的部件进行清洁并冷却到液态，储存到原容器中。通常需要添加改性剂(百分之几的甲醇或乙醇)来增加极性组分的溶解度，并调节保留特性。为简化起见，这些并未在图6中显示出来。图5SUPERSEP50的图片图6SF-C02原理间歇式SF—CO，与液相MIPC的生产速度通常很相近，这是因为虽然考虑到溶解度，SF—CO，上样量较小，但分离时问短，这样两者就彼此补偿了；纯化成本也很接近。尽管SF—CO，仪器由于高压及设计复杂投资较大，但由于CO，的低成本且易回收性而使运行成本大为降低。令我们非常感兴趣的是，利用压力调制，SF—CO：也可应用在MCC—MIPC中，这相当于液相色谱的梯度洗脱。洗脱剂在装置中是连续循环使用的，这在采用液体流动相的MCC中很难实现，但这对采用SF—CO，作流动相的MCC是非常容易的，只需简单地控制装置的不同区域内的平均压力便可实现。其原理如图7所示。升高I区的压力，流动相洗脱能力上升，有利于强保留组分的解吸。相反，Ⅳ区溶剂强度降低则弱保留组分吸附加强。事实上，I区到Ⅳ区平均压力必须递减以减小区域长度：这样做在产率和洗脱液消耗方面的收益是显著的。这可由表1中对1，2，3，4-四氢一1·萘酚的纯化来说明一通过在10～25MPa范围内调节压力程序，产量提高了3倍，而溶剂消耗降低到原来的l／5以下。表1压力模式对SF·C02SMB的影晌

文章来源：《现代工业经济和信息化》 网址: http://www.xdgyjjhxxh.cn/qikandaodu/2021/0111/539.html