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浅析制备色谱未来发展趋势
作者:蛋白质药…    文章来源:www.yaodongxue.cn    点击数:    更新时间:2012-1-7          ★★★【字体:

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浅析制备色谱未来发展趋势

目前,色谱分离技术已成为最主要的分离纯化技术之一。从20世纪初发展至今,色谱技术在理论上已从线性色谱发展到非线性色谱,在实践中则从分析规模发展到制备生产规模。

  制备色谱并非分析色谱的简单放大,两者有许多不同:分析色谱需要全面地反映样品组成的信息,而不必收集特定组分,洗脱液通常废弃;而制备色谱主要的考虑因素是目标产物的纯度、产量、生产周期、运行成本等。近几十年来,制备色谱已成为当今高效分离和纯化技术研究的重点和前沿技术。

  1、制备色谱色谱柱:柱结构与填料

  1)柱结构:

  色谱柱为工业化制备色谱的核心,目前主要有空管和压缩型两大类。空管柱用匀浆填充技术填装多孔固定相,随着空管柱直径的增大,用匀浆法填充高效色谱柱的难度也越来越大。压缩柱可分为径向、轴向及环形膨胀三大类,其中轴向压缩柱又分为静态和动态。20世纪90年代初COLIN等开发了动态轴向压缩柱(dynamic axial compression,简称DAC),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。动态轴向压缩柱在使用过程中,活塞始终产生一定的压力压缩填料,随时消除产生的死空间。活塞与顶端法兰均配有多孑L不锈钢滤板及能使样品及洗脱液在柱截面上均匀分布的分散器。液流分散器保证了大量样品尽可能地瞬时分散在柱截面上,进而快速均匀进入柱床,克服了柱中心样品局部过浓的现象,保证了色谱柱的高效。

  2002年4月法国NovaSep公司成功地安装了目前工业生产中最大的制备色谱柱,内径已达到1 600 mm,柱长4 m,其中填料用量4 000 kg,流动相用量6 000 L,整个柱的体质量为36 000kg。DAC法填装的色谱柱柱床均匀、性能稳定、密度高、柱效高。目前采用DAC工艺装填的色谱柱已经开始商品化。

  2)填料:

  填料是工业制备色谱的血脉,填料的选择和利用是非常关键的,目前已有越来越多的产品应用到IPC中。填料的化学性质和物理性质决定了色谱的分离性能和动力学性能。应用于大规模工业化制备色谱中的填料具有如下特殊的要求 。

  (1)机械强度高:填料需要承受很大的机械压力,因为填料在IPC使用中,需要经常装卸,机械性能差的填料经受不住反复填充,它们易破碎,产生细颗粒,降低柱渗透性,甚至堵塞滤片,造成流速分布不均匀,影响分离产物的纯度,最终在系统中产生极高的柱压而无法继续使用引。

  (2)负载量大:在IPC中,填料的负载量越大,则单位体质量填料可处理的原料量就可增加,因而提高了产率。选择合适孔径及孔径分布的填料是获得高负载量的一个关键因素。

  (3)可大量供应,批间的重现性好:制备色谱工艺过程要扩大,必须有可靠的供货源提供大量填料,否则无法实现工业化。填料各批量之间的化学和机械稳定性、孔结构及可重复的比表面积等必须具有高度的重现性,否则难以保证长期、持续、稳定的分离与纯化生产工艺 。

  (4)合适的颗粒大小和窄的粒度分布范围:细颗粒可增加塔板数及分辨率,但同时引起装柱困难,需要更高的操作压力。目前工业规模制备分离多采用l0~20 Ixm颗粒,它在大直径柱内既有较高的柱效,又有较低的柱压降。粒径分布窄的填料不但容易装填结实,而且柱压比粒径分布宽的要低,因此易得到高效的制备柱 J。

  目前硅胶及其键合固定相(如C)、离子交换树脂、聚酰胺、氧化铝、凝胶等都可以作为工业柱的填料。对填料进行一些处理,可以提高分离效果,如对硅胶进行的硝酸银(或缓冲液)处理。c 键合硅胶固定相目前使用得最多而且应用最广,但硅胶基质本身的缺陷却难彻底改变,特别是碱性条件下的不稳定性限制了它在中药提取分离领域中的应用。

  2、制备色谱的应用

  1)动态轴向压缩柱色谱及其应用

  动态轴向压缩柱的原理是通过活塞的上下运动来装柱、维持柱压和卸柱,活塞周边配备了特殊设计的密封圈能容许活塞上下自由滑动,同时又能保持高的密封压。活塞运动和压力维持靠的是液压或是气压,压动力比轴向压缩柱的弹簧动力更稳定,更均匀。动态轴向压缩柱应用范围广,如用于天然植物提取、合成药物、蛋白质和多肽的分离制备,更是中药活性成分分离制备的必备手段。SAKUMA等利用大规模的反向动态轴向压缩柱对三形科植物红柴胡中的3种皂甙成分进行分离,收率大于90% ,各种单体皂甙中的杂质含量小于1%_6 J。MEDINA在250 mm×22 mm i.D.的DAC柱上对一种多苯环药物进行制备规模的纯化,纯度高于99.5% ,回收率为92%。

  2)模拟移动床色谱及其应用

  (1)模拟移动床色谱

  模拟移动床色谱(simulated moving bedchromatography,简称SMB)是连续色谱技术中的最适于工业化大规模连续生产的一类。SMB的操作单元是色谱层析,色谱对不同组分进行分离,主要是利用各种组分在色谱柱中的迁移速率不同来完成的。SMB具有分离效率高、连续操作、填料和洗脱剂消耗少、以及可实现调节和控制自动化等诸多优点,在工业制备色谱中被人们广泛关注。

  SMB是提纯化合物的一个强大且极具吸引力的分离手段。由于SMB技术减少了为达到特定分离所需的固定相及流动相的体积,成本的节约使色谱分离更加经济可行,但应用于制药及精细化学品的制备分离却一直发展缓慢,这主要是由于缺少工艺模拟的模型、有效数值方法和计算机。直到20世纪80年代在有关SMB理论框架的形成和模拟程序的出现加上PHPLC在硬件方面的最新进展,才使SMB重新焕发出勃勃生机。

  SMB根据其结构特点常可分为3带、4带和5带系统。最常见的是4带SMB,其原理如下图所示,它实现了溶剂的循环和组分的回流,分离效率高。

  (2)在中药分离制备中的应用

  SMB在中药分离纯化中的应用很广泛,日本的NAGAMATSU、等从1989年开始研究SM-BC技术在手性药物中的应用,于1991年成功地分离了R和S苯乙醇。1996年新加坡的CHING等利用模拟移动床色谱技术对外消旋手性驱虫药物吡酮进行了分离。1997年比利时的CAVOY等用自行设计的一套12柱模拟移动床色谱四带系统,对镇痛药曲马朵进行了分离,得到了纯度很高的两种异构体。1998年,RICHEA等用UOP公司生产的制备型模拟移动床色谱四带系统对镇咳药创甘油醚进行了分离,已经研制成具有自主知识产权的g级、kg级和100 kg级模拟移动床设备各一套,应用这些设备已开发出十几种中药有效部位及单体成分的分离纯化与制备工艺技术,成分包括:抗菌素类、黄酮类、生物碱类、皂苷类、内酯类等。前列腺素甲酯(s)(97%)、替考拉宁(97%)、紫杉醇(95%)、银杏黄酮(94%)、银杏内酯(95%)、槲皮素(99%)、异鼠李素(70%)、银杏内酯B(90%)等中药的有效成分都已找到了合适的制备工艺路线 一11],比利时药品公司UCB Phar-ma已经利用10 t级的SMB来分离旋光异构体。李勃等则在高分子树脂柱和SMB系统上分离得到了高纯度的紫杉醇。PAlS 12]报道了以交联在硅胶上的3,5一-M基邻苯甲酰苯基甘氨酸为固定相以庚烷异丙醇混合溶剂为流动相在模拟移动床中分离联萘酚对映体。

  (3)超临界流体色谱

  超临界流体色谱(supercritical fluid chromatography,简称SFC)是指以超临界流体为流动相,以固体吸咐剂或键合到载体上的高聚物为固定相的色谱。20世纪80年代早期开发成功了空心毛细管柱式SFC,应用于分析领域。后来出现了填充柱式SFC,应用于分析某些热敏性、低挥发性、极性化合物。后来发展成了制备型SFC。SFC的流动相有氨、二氧化硫、二氧化碳、氧化氮及氯氟烃类等物质,但应用最广泛的流动相还是超临界CO 。这是因为CO 临界温度(31.08oC)接近室温,临界压力(7.38 MPa)不太高,可使色谱系统在接近室温和不太高的压力条件下进行操作。另外,CO 无毒,不燃,无化学腐蚀性,因此,以它作为SFC的首选流动相,在中药分析分离方面得到了广泛的应用。为增加其溶剂化能力,往往需要在其中加入少量的极性改性剂。常用的改性剂有甲醇、乙醇、异丙醇和乙腈等,使用最多的是甲醇。

  在填充柱式SFC中使用最广泛的固定相是硅胶基质的键合填料。由于氢键、离子、偶极作用,不经过改性失活的硅胶适应于非极性化合物的分析,对于极性物质不太适用。而将一些极性稍弱的基团键合到硅胶上,形成硅胶基质的键合填料则大大增加了填料的适用范围。在硅胶的表面键合上基团,像一OH、一CN -NH 一CH 、烷基及聚合物等,形成了一类固定相。

  制备型SFC现已广泛应用于中药的提取分离领域。赵锁奇等建立了国内第一套制备型超临界流体色谱,并用于天然产物的分离制备,实验表明,超临界色谱可以分离弱极性化合物,也可以分离制备强极性化合物及生物碱等难洗脱的溶质。MA等¨ 介绍了制备型SFC的原理、构造及应用。通过对流体动力学和吸附、脱附的分析,认为制备型SFC在中药大规模分离方面有很好的前途。VERA_l 分离制备了热敏性药物,克服了在制备型HPLC中出现的药物热降解问题。近来,模拟移动床式制备型SFC的出现拓宽了SFC的适用范围和生产规模。


 

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