2003年,Marcel Raedts成立了PROXCYS Downstream Biosystems公司(以下简称“PROXCYS”),在此后不到20年内,该公司生产了大量用于纯化各类生物制品(如血浆、细胞培养物或细菌发酵产品)的高性能低压径向流色谱(HP-RFC)柱和系统,成为了一家领先的国际供应商。
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
来自PROXCYS的技术销售工程师Thijs Groenewegen说:“径向流动色谱(RFC)和传统色谱柱略有不同。虽然RFC的分离原理与传统色谱柱的相同,但柱型设计不同——RFC的流向是从柱的外部到内部,而传统色谱柱的流向是从顶部到底部。我们通过把柱子放在一边,缩小了产品的占地面积。”
PROXCYS的总部位于荷兰埃门(荷兰东北地区的一个小镇),公司很早就开始使用该技术,并在RFC市场打出了一片天地。
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在生物工艺中,色谱法是一种分离混合物中组分的标准纯化方法。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小色谱珠(也称为树脂或吸附剂,直径为50~100 μm,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)。靶分子和色谱珠子之间发生选择性结合(吸附)后会被分离出来,电导率、PH值、盐类型和其他运行条件都会影响这一过程。
传统的色谱柱设计为“轴向”。在分离过程中,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。若想要提高色谱柱的生产能力(规模化),只能考虑通过增大柱的高度或直径来增大柱的体积。但如果柱的高度增加,系统内的背压也会随之增加,因此这种方式并不明智;所以只能增大柱子的直径。不过这样一来,系统的柱床便会既短又宽,空间占用率高,整体重量偏重,最终会导致持续制造高通量填充床的难度增加。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:色谱柱的流量降低,运行压力增加。
而早在20世纪50年代,RFC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1/4。如前文所述,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。
不仅如此,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),其性能相当出众。Thijs Groenewegen表示:“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。”
对于传统柱来说,如果柱的直径比柱床高出8~10英寸(约合20~25 cm),那么填充难度就不小了。而HP-RFC柱可以轻松胜任30英寸(约76 cm)以上高度差的填充任务,因此HP-RFC柱可以在降低柱床高度(保持低压)的同时,通过增大柱的直径来增大体积。而且HP-RFC色谱柱始终采用泵式填充,这有利于实现系统的自动化,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。
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向HP-RFC柱中填充树脂时,应选择合适的泵送技术。在过去的几十年中,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。
Thijs 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,虽然其流速高,但很容易控制。”
在HP-RFC的实际应用中,Quattroflow泵的运行形式比较独特,这是它的主要优势:4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,偏心角度会决定冲程的长度。换言之,Quattroflow技术模仿了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),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,从而尽可能地减少了由旋转部件摩擦而导致的热量聚集。这也意味着泵可进行干运转、自吸,而且由于低回流,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,可使操作员获得所需的流速或压力。换言之,它非常适合用于RFC 柱填充。
目前,Quattroflow泵有8种型号,分别为QF30、QF150、QF1200、QF2500、QF4400、QF5050、QF10K以及QF20K,它们的流速范围从0.017 l/min到267 l/min(0.004gpm到70.5 gpm)不等,这些不同型号的泵均可用于PROXCYS。
Thijs Groenewegen说:“Quattroflow全系列的泵我们都在使用。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。我们最近使用这些泵建立了一套非常强大的系统,虽然使用QF5050时,空间非常紧凑;但使用QF20K时,其占地面积也就1 m2而已。我们在最大的系统中使用了QF20K,此外,我们发现新成员QF10K也很适合大柱子系统。
PROXCYS也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。Thijs 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。”
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。由于不锈钢泵每次生产完后还需要做清洁认证,所以很多制造商都在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。Quattroflow的产品对他们来说非常有吸引力。
Thijs 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,而且它非常契合我们推广SUPR预填充HP-RFC柱生产线的战略。”
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撰稿人 | Andreas Frerix
责任编辑 | 胡静
审核人 | 何发
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作者:卞强、陈宁
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