WO2000037156A1 - Kontinuierliches verfahren zur trennung von stoffen nach molekülgrösse - Google Patents

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    • B01D15/08—Selective adsorption, e.g. chromatography
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    • B01D15/1814—Selective adsorption, e.g. chromatography characterised by constructional or operational features relating to flow patterns recycling of the fraction to be distributed
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    • B01D15/1828—Simulated moving beds characterized by process features
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D2215/02—Separating processes involving the treatment of liquids with adsorbents with moving adsorbents
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography

Definitions

  • the invention relates to the transfer of chromatographic separation processes according to the size exclusion chromatography (SEC) principle to continuous chromatography processes, in particular to simulated countercurrent chromatography (Simulated Moving Bed (SMB) chromatography).
  • SEC size exclusion chromatography
  • SMB Simulated Moving Bed
  • the SEC is based on a completely different principle: for analytes of different molecular sizes, different volumes are available for distribution because of the pore size distribution in the sorbent; thus larger molecules elute earlier than smaller ones.
  • the SEC is therefore based on a diffusive mechanism including a size exclusion mechanism; the analytes are not adsorbed on the sorbent. There are therefore no phase equilibria as in adsorption chromatography.
  • the previously known modeling processes that provide the parameters for SMB chromatography cannot be used for the SEC.
  • the object of the invention is therefore to develop models and processes which allow separation parameters for continuous separation processes which allow stable operation to be obtained in a targeted manner for SEC separation processes.
  • the invention relates to continuous separation processes, in particular using SMB processes, in which the analytes are separated by size exclusion chromatography (gel permeation chromatography).
  • Figure 1 shows the SEC separation of skimmed milk powder on a Superformance ® column 600 * 16 mm, filled with Fractogel ® EMD BioSEC (S)
  • Figures 2 - 4 show the chromatograms of the individual components: Figure 2 Casein fraction RT 39.5; 53.92 min
  • Figure 5 shows an elution chromatogram of the individual components, which was determined as a result of the rigorous modeling of the individual substances according to the invention.
  • Figure 6 shows the internal axial concentration profile of a SEC-SMB system with the concentrations of the individual components in the individual zones at the end of a cycle time.
  • SEC separations in SMB processes can be obtained if the procedure according to the invention is as follows: a) The residence times of the substances to be separated in the separation column and the band broadening of the substance peaks are calculated. The method already mentioned by Tien Gu (1995), for example, is used to calculate the residence times. b) The effective porosities for each component and the residence times are calculated from the data obtained using (analytical) batch chromatograms. c) The band broadening can be calculated, for example, from the effective molecular diffusion coefficients. The effective molecular diffusion coefficients can be estimated on the basis of the Stokes-Einstein relation and the molecular weights of the components.
  • step b) and c) The correspondence of the calculated data (steps b) and c)) with the observed elution profile is checked and, if necessary, the calculated data are better adapted to the experimental data in further iteration steps.
  • step e) From the parameters of the adapted model calculation, in principle known methods, as described for example in the publications G. Storti et al. (1993) or PhD thesis Strube (1996), the necessary net flow rate ratios of the SMB processes are calculated.
  • the proposed model proved to be sufficiently accurate when it was checked for different concentrations and linear velocities on a single column.
  • the distribution of the residence times is determined by the diffusion parameters as they apply to the internal volumes of the sorbent particles.
  • the effective molecular diffusion coefficients are estimated from the molecular weights of the components according to the Stokes-Einstein relation and taken into account in the model as mass transfer coefficients.
  • SEC carriers can be used; pressure-stable SEC carriers, which are also commercial, are preferred for example, Fractogel ® EMD BioSEC, as is disclosed in DE 43 16 136 are offered.
  • SMB systems are used, as are also commercially available. These are, for example, systems that are constructed by connecting two-way valves, or systems with a multi-port valve. The separation is carried out under isocratic conditions and can therefore be automated in a simulated moving bed system.
  • components that elute first or last can be removed directly in pure form.
  • a combination of several SMB cleaning steps, e.g. in WO 97/34 918, purification can be achieved.
  • the so-called open mode with 3 zones without closing the circuit stream is particularly well suited to discharge large-molecular impurities or enrichments from the process if the low-molecular fraction is to be obtained , and also to pull off large molecular products directly.
  • the mode of operation with the discharge of columns in Zone 1 or 4 (with the functions adsorbent regeneration and desorbent cleaning) and rinsing as well as regeneration and cleaning of the adsorbent and in some sections also the pipeline parts and components with e.g. NaOH is crucial for functionality and to avoid enrichment.
  • the separation method according to the invention allows an improved separation of proteins by molecular size, since it can be carried out continuously and fully automatically in large plants; these separation processes are particularly applicable in the following areas of application:
  • the aim is to deliver drugs specifically to the place of action.
  • drug-loaded liposomes used.
  • One problem with the preparation of these liposomes is the separation of non-entrapped drug from the loaded liposomes. This can be done through a continuous SEC process on a large scale.
  • the process can of course also be applied to synthetic polymers, e.g. Polyethylene oxides, silicones etc. can be used.
  • reaction and separation can be carried out in one step.
  • a possible application is the cleavage of the TAG units of recombinant proteins by a protease and the simultaneous separation of the TAG units from the target proteins by SEC-SMB.
  • methods according to the invention are suitable for removing viruses from biological products, removing endotoxins, especially in aggregated form, or also for cleaning up viruses. Further application possibilities result from the variation of the pore size distribution of the supports used. For example, systems with small-pore gels can be used to purify peptides, such as insulin.
  • Figure 1 shows the SEC separation of skimmed milk powder on a Superformance ® column 600 * 16 mm, filled with Fractogel ® EMD BioSEC (S),
  • Figures 2 - 4 show the chromatograms of the individual components:
  • Figure 5 shows an elution chromatogram of the individual components, which was determined as a result of the iterations in the rigorous modeling of the individual substances provided according to the invention.
  • Figure 6 shows the internal axial concentration profile of a SEC separation in an SMB system with the concentrations of the individual components in the individual zones at the end of a cycle time.
  • the process parameters were determined using the method according to the invention.

Abstract

Kontinuierliche Trennverfahren, insbesondere unter Verwendung von SMB-Verfahren, werden offenbart, wobei die Analyte durch Size Exclusion Chromatographie (Gelpermeationschromatographie) getrennt werden.

Description

Kontinuierliches Verfahren zur Trennung von Stoffen nach Molekülgröße
Die Erfindung betrifft die Übertragung von chromatographischen Trenn- verfahren nach dem Size Exclusion Prinzip (Size Exclusion Chromato- graphy; SEC) auf kontinuierliche Chromatographieverfahren, insbesondere auf die simulierte Gegenstrom-Chromatographie (Simulated Moving Bed (SMB) Chromatographie).
Die Trennung von Stoffen, insbesondere Makromolekülen, nach Molekülgröße ist ein verbreitetes chromatographisches Trennprinzip. Besonders in der Aufreinigung von Peptiden und Proteinen werden Verfahren wie die Size Exclusion Chromatographie (SEC), häufig auch Gelpermeations- chromatographie genannt, im großem Umfang eingesetzt. So werden beispielsweise in dem Übersichtsartikel von G. Subramanian, Process scale liquid chromatography (VCH Weinheim 1995) präparative Anwendungen dieser Trennmethode dargestellt. Alle diese Anwendungen beruhen jedoch auf batch-Verfahren, die sich durch eine schlechte Raum-Zeit- Ausbeute auszeichnen. Die Ursache liegt zum einen in den langen Retentionszeiten der Komponenten, die eine große Zykluszeit (Zeit zwischen zwei Injektionen) bedingen. Da die meisten in der SEC eingesetzten Materialien nur eine geringe Druckstabilität aufweisen, können die Flußraten nicht erhöht werden, um eine schnellere Trennung zu erzielen. Zudem weisen die meisten Trägermaterialien eine schlechte Beladbarkeit auf (< 5% des Gelvolumens). Manche dieser Probleme ließen sich durch die Anwendung kontinuierlicher Verfahren verbessern. Es ist bisher jedoch nicht möglich, diese SEC-Trennverfahren auf kontinuierliche Verfahrensweisen anzuwenden; die Parameter für ein derartiges kontinuierliches Trennverfahren müßten durch geeignete Modellrechnun- gen bestimmt werden. Außerdem müssen die erhaltenen Prozeßparameter einen stabilen kontinuierlichen Betrieb erlauben. Kontinuierliche chromatographische Verfahren, wie z.B. die Simulated Moving Bed (SMB)- Chromatographie werden traditionell im großen Maßstab in der petrochemischen und der Zuckerindustrie eingesetzt. Mittlerweile finden diese Verfahren jedoch auch in der feinchemischen und pharmazeutischen Industrie Anwendung, hauptsächlich zur Trennung von Isomeren und Enantiomeren, d.h. bei Trennproblemen von klassischen Zweistoffgemischen. Erste Versuche zur Isolierung von Komponenten aus Mehrstoffgemischen wurden ebenfalls beschrieben.
Um geeignete Prozeßparameter für die SMB-Chromatographie zu gewinnen, wurden mehrere Simulationsmodelle entwickelt, von denen das rigorose SMB-Prozeßmodell den weitreichensten Ansatz aufweist. Simulationsansätze sind beispielsweise von Nicoud et al. (Nancy, 1993) und in WO 97/34 918 offenbart. Gemeinsam ist diesen Verfahren, daß für die
Analyte Adsorptionsisotherme ermittelt werden; diese Meßergebnisse sind dann die Grundlage der Modellrechnungen. Bei Weiterentwicklungen aus jüngerer Zeit wurden auf der Grundlage des True Counter Current Modells Trennungen von binären Mischungen im Modell dargestellt: G. Storti et al. (1993) AlChE Journal 39, Seiten 471 - 472 und von E. Francotte et al. (1998) J. Chromatogr. A 796, Seiten 239 - 248. Bei einer weiteren Entwicklung werden ausgehend von einem ersten Parametersatz unter Anwendung von detaillierter Prozeßsimulation die Parameter optimiert: J. Strube, U. Altenhöner, M. Meurer und H. Schmidt-Traub (1997) Chem.-Ing. Tech. 69, Seiten 328 - 331 , sowie Dissertation J. Strube (Universität
Dortmund, 1996). Alle diese Modelle beruhen jedoch auf der Bestimmung von Adsorptionsisothermen.
Während bisher für SMB-Verfahren angewandte chromatographische Trennverfahren, beispielsweise die Enantiomerentrennung oder die lonenaustauschchromatographie, auf adsorptiven Vorgängen beruht, beruht die SEC auf einem gänzlich anderen Prinzip: Für Analyte unterschiedlicher Molekülgröße stehen wegen der Porengrößenverteilung im Sorbens unterschiedliche Volumina zur Verteilung offen; somit eluieren größere Moleküle früher als kleinere. Die SEC beruht also auf einem diffusiven Mechanismus unter Einschluß eines Größenausschluß- mechanismus, eine Adsorption der Analyte an das Sorbens findet nicht statt. Phasengleichgewichte wie bei der Adsorptionschromatographie liegen folglich nicht vor. Somit sind die bisher bekannten Modellierungsverfahren, die die Parameter für die SMB-Chromatographie liefern, für die SEC nicht anwendbar. Insbesondere tritt das Problem auf, die
Raffinatfront der am kürzesten retinierten Komponente im Bereich der Sektion IV, d.h. zwischen Raffinat- und Eluentenleitung, zu stabilisieren. Dieses Problem wird weiter verstärkt, da bei vielen SEC Trennverfahren ein Teil der Analyte im Ausschlußvolumen (void volume) eluiert. Solche Komponenten werden durch die Zone IV transportiert und verunreinigen die Extraktkomponente. Es ist bisher unmöglich, für SEC-Trennverfahren die Prozeßparameter von batch-Rechnermodellen auf kontinuierliche Trennverfahren (z.B. SMB-Trennverfahren) zu übertragen, und somit gezielt Trennparameter für kontinuierliche Trennverfahren zu gewinnen, die einen stabilen Betrieb erlauben.
Aufgabe der Erfindung ist es also, Modelle und Verfahren zu entwickeln, die es erlauben, für SEC-Trennverfahren gezielt Trennparameter für kontinuierliche Trennverfahren zu gewinnen, die einen stabilen Betrieb erlauben.
Gegenstand der Erfindung sind kontinuierliche Trennverfahren, insbesondere unter Verwendung von SMB-Verfahren, bei denen die Analyte durch Size Exclusion Chromatographie (Gelpermeationschromatographie) getrennt werden. Abbildung 1 zeigt die SEC-Trennung von Magermilchpulver auf einer Superformance® Säule 600 * 16 mm, gefüllt mit Fractogel® EMD BioSEC (S), die Abbildungen 2 - 4 zeigen die Chromatogramme der Einzelkomponenten: Abbildung 2 Casein-Fraktion RT 39,5; 53,92 min
Abbildung 3 ß-lactoglobulin A RT 63.52 min
Abbildung 4 alpha-Lactalbumin RT 71 ,60 min
Abbildung 5 stellt ein Elutionschromatogramm der Einzelkomponenten dar, das als Ergebnis der erfindungsgemäßen rigorose Modellierung der Einzelsubstanzen ermittelt wurde.
Abbildung 6 zeigt das interne axiale Konzentrations-Profil einer SEC-SMB Anlage mit den Konzentrationen der Einzelkomponenten in den einzelnen Zonen zum Ende einer Taktzeit.
Eine theoretische Modellrechnung für einfache Stoffsysteme für SEC- Trennungen im batch-Verfahren wurde von Tien Gu beschrieben (Mathe- matic Modelling of Liquid Chromatography; Springer Verlag, 1995).
Es wurde gefunden, daß stabile Prozeßparameter für die Anwendung von
SEC Trennungen in SMB-Verfahren erhalten werden können, wenn man erfindungsgemäß folgendermaßen vorgeht: a) Die Verweilzeiten der zu trennenden Substanzen in der Trennsäule und die Bandenverbreiterung der Substanzpeaks werden berechnet. Für die Berechnung der Verweilzeiten dient beispielsweise das bereits genannte von Tien Gu (1995) angegebene Verfahren. b) Aus den Daten, die mittels (analytischer) batch-Chromatogramme erhalten werden, werden die effektiven Porositäten für jede Komponente und die Verweilzeiten berechnet. c) Die Bandenverbreiterung kann beispielsweise aus den effektiven molekularen Diffusionskoeffizienten berechnet werden. Die effektiven molekularen Diffusionskoeffizienten können auf der Grundlage der Stokes-Einstein-Relation und den Molekulargewichten der Komponen- ten abgeschätzt werden. d) Die Übereinstimmung der berechneten Daten (Schritte b) und c)) mit dem beobachteten Elutionsprofil wird überprüft und gegebenenfalls die berechneten Daten in weiteren Iterationsschritten besser an die experimentellen Daten angepaßt. e) Aus den Parametern der angepaßten Modellrechnung werden, nach prinzipiell bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise in den bereits genannten Publikationen G. Storti et al. (1993) oder Dissertation Strube (1996) angegeben sind, die notwendigen Nettoflußraten- verhältnisse des SMB-Prozesse berechnet.
Durch die oben angegebene Vorgehensweise zur Berechnung von Verweilzeit und Bandenverbreiterung und den daraus resultierenden Parametern, können die vorbekannten Modelle (G. Storti et al. (1993) oder Dissertation Strube (1996)) auch ohne Ermittlung von Adsorptionsisothermen angewandt werden.
Das vorgeschlagene Modell erwies sich als hinreichend genau als es für verschiedene Konzentrationen und lineare Geschwindigkeiten an einer Einzelsäule überprüft wurde. Dabei wird die Verteilung der Verweilzeiten durch die Diffusionsparameter bestimmt, wie sie für die Innenvolumina der Sorbenspartikel gelten. Aus den Molekulargewichten der Komponenten werden nach der Stokes-Einstein Relation die effektiven molekularen Diffusionskoeffizienten abgeschätzt und in dem Modell als Stofftransportkoeffizienten berücksichtigt.
Erfindungsgemäß können allgemein bekannte SEC-Träger verwendet werden; bevorzugt sind druckstabile SEC-Träger, die ebenfalls kommerziell angeboten werden, beispielsweise Fraktogel® EMD BioSEC, wie es in DE 43 16 136 offenbart ist.
Erfindungsgemäß werden SMB-Anlagen verwendet, wie sie ebenfalls kommerziell erhältlich sind. Dies sind beispielsweise Anlagen, welche durch Verschaltung von Zweiwegeventilen aufgebaut sind, oder Anlagen mit einem Multiportventil. Die Trennung wird unter isokratischen Bedingungen durchgeführt und kann somit in einem Simulated Moving Bed-System automatisiert werden.
Bei der Isolierung von Komponenten aus Mehrstoffgemischen können Komponenten, die als erste oder letzte eluieren direkt in reiner Form abgezogen werden. Zur Isolierung von Substanzen, die von beiden Seiten durch Verunreinigungen flankiert werden, kann durch Kombination mehrerer SMB-Reinigungsschritte, wie z.B. in WO 97/34 918 offenbart, eine Aufreinigung erzielt werden.
Um den speziellen Anforderungen von biotechnologischen Aufgabenstellungen an den Prozeß zur Mehrkomponententrennung gerecht zu werden, ist die sogenannte offene Betriebsweise mit 3-Zonen ohne Schließen des Kreislaufstroms besonders gut geeignet, um großmolekulare Verunreinigungen oder Anreicherungen aus dem Prozeß auszuschleusen, wenn die niedermolekulare Fraktion gewonnen werden soll, und auch um großmolekulare Produkte direkt abzuziehen.
Um CIP (Cleaning in Place) Anforderungen nachzukommen, ist die Betriebsweise mit Ausschleusen von Säulen in der Zone 1 oder 4 (mit den Funktionen Adsorbensregeneration und Desorbensreinigung) und Spülen sowie Regeneration und Reinigung des Adsorbens und abschnittsweise auch der Rohrleitungsteile und Bauelemente mit z.B. NaOH entscheidend zur Funktionsfähigkeit und um Anreicherungen zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Trennverfahren erlaubt eine verbesserte Auftrennung von Proteinen nach Molekülgröße, da es sich in großen Anlagen kontinuierlich und vollautomatisch durchführen läßt; diese Trennverfahren sind insbesondere auf folgenden Anwendungsgebieten anwendbar:
• Aufreinigung von Proteinen aus Milch transgener Tiere;
• Aufreinigung von Proteinen, beispielsweise der Faktoren VIII, vW oder IX, aus Blutplasma; • Aufreinigung von Plasmiden;
• ein weiteres großvolumiges Verfahren stellt die Entsalzung von Feedgemischen dar, dessen Ökonomie durch ein kontinuierliches SEC- Verfahren verbessert wird.
• Im sogenannten Drug Targeting wird angestrebt, Arzneistoffe gezielt an den Ort der Wirkung zu befördern. Hierzu werden u.A. mit Arzneistoff beladene Liposomen eingesetzt. In der Herstellung dieser Liposomen besteht ein Problem in der Abtrennung nicht-eingeschlossenen Arzneistoffs von den beladenen Liposomen. Dies kann durch ein kontinuierliches SEC-Verfahren im großen Maßstab geleistet werden.
• Neben der Fraktionierung natürlicher Makromoleküle kann das Verfahren natürlich auch auf synthetische Polymere, z.B. Poiyethylen- oxide, Silicone etc., angewendet werden.
• In der Kombination mit einem Reaktivträger, wie sie in der Reaktiv-SMB eingesetzt werden, können Reaktion und Trennung in einem Schritt durchgeführt werden. Ein denkbarer Einsatzzweck ist die Abspaltung der TAG-Einheiten rekombinanter Proteine durch eine Protease und die gleichzeitige Abtrennung der TAG-Einheiten von den Zielproteinen durch SEC-SMB.
• Weiterhin sind erfindungsgemäße Verfahren geeignet, Viren aus biologischen Produkten abzureichem, Endotoxine, besonders in aggregierter Form, zu entfernen oder auch Viren aufzureinigen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der Variation der Porengrößenverteilung der verwendeten Träger. Beispielsweise können Systeme mit kleinporigen Gelen zur Aufreinigung von Peptiden, wie beispielsweise Insulin, eingesetzt werden.
Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, daß ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen.
Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen sind durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.
Anwendungsbeispiel
Die Abtrennung der Casein-Fraktion aus Magermilchpulver wird beschrieben: Für die Ermittlung der Prozeßparameter wird die Probe, sowie die wesentlichen Einzelkomponenten im batch chromatographiert: Abbildung 1 zeigt die SEC-Trennung von Magermilchpulver auf einer Superformance® Säule 600 * 16 mm, gefüllt mit Fractogel® EMD BioSEC (S), die Abbildungen 2 - 4 zeigen die Chromatogramme der Einzelkomponenten:
Abbildung 2 Casein-Fraktion RT 39,5; 53,92 min Abbildung 3 ß-lactoglobulin A RT 63.52 min Abbildung 4 alpha-Lactalbumin RT 71 ,60 min
Abbildung 5 stellt ein Elutionschromatogramm der Einzelkomponenten dar, das als Ergebnis der Iterationen bei der erfindungsgemäß vorgesehenen rigorosen Modellierung der Einzelsubstanzen ermittelt wurde.
Abbildung 6 zeigt das interne axiale Konzentrations-Profil einer SEC-Trennung in einer SMB Anlage mit den Konzentrationen der Einzelkomponenten in den einzelnen Zonen zum Ende einer Taktzeit. Die Prozeßparameter wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt.
Zuordnung der Komponenten:
Figure imgf000011_0001
Eine SMB-Anlage mit folgenden Parametern ist in der Lage die Komponenten E und F (Casein) und A-D in Reinheiten > 99% zu produzieren:
Prozeßparameter
Figure imgf000012_0001
Vergleich Batch-Verfahren gegenüber erfindungsgemäßem SMB- Verfahren:
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000013_0001
Ein Vergleich der Produktivitäten von Batch- und SMB-Verfahren zeigt den großen Vorteil des kontinuierlichen Gegenstromverfahrens aufgrund der wesentlich ökonomischeren Ausnutzung der stationären Phase:
Erfindungsgemäß werden im Gegensatz zu adsorptiven Trennmechanismen keine Phasengleichgewichtsisothermen beschrieben, sondern erstmals für kontinuierliche Verfahren die für die Stofftrennung nach dem SEC- Verfahren charakteristischen unterschiedlichen Diffusionsgeschwindig- keiten in den Sorbenspartikeln sowie die unterschiedlichen verfügbaren Porenvolumina als Kenngrößen verwendet. Beide für die Trenneffekte von SEC-Trennverfahren charakteristischen Größen werden erstmals in dem der Erfindung zugrundeliegenden Modell realistisch berücksichtigt.

Claims

Ansprüche
1. Kontinuierliches chromatographisches Trennverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyte durch Size Exclusion Chromatographie (Gelpermeationschromatographie) getrennt werden.
2. Trennverfahren nach Anspruch 1 , wobei das kontinuierliche chromatographische Trennverfahren ein SMB-Verfahren darstellt.
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