盤一盤柱層析在工藝放大的注意事項(xiàng)

工藝成功放大且穩(wěn)定一直是工藝工程師們致力的方向。要學(xué)會(huì)擺脫實(shí)驗(yàn)室的思維定勢(shì)，根據(jù)車間實(shí)際情況、實(shí)際設(shè)備、實(shí)際工藝，從宏觀控制出發(fā)，多多注意細(xì)節(jié)，多多完善工藝。

今日講“化”致力于提供化學(xué)合成，新藥研發(fā)，化學(xué)工藝等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)技術(shù)梳理，前沿文獻(xiàn)解讀和科研經(jīng)歷分享，讓你在掌握化學(xué)和新藥研發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)的的同時(shí)，了解最新的科研動(dòng)態(tài)。

今日講“化”投稿作品：

柱層析分離技術(shù)，在小分子藥物的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。對(duì)于工藝開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，如何在放大中精確還原研發(fā)里的工藝，是一門精密的科學(xué)，也是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的藝術(shù)。下面我們以硅膠填裝柱為例，詳細(xì)梳理柱層析在工藝放大中的注意要點(diǎn)。

1.  工藝放大參數(shù)選擇

柱層析的研發(fā)數(shù)據(jù)通常包括：樣品量、硅膠型號(hào)以及量、柱子高度、流動(dòng)相成分和比例、流速以及產(chǎn)品分離時(shí)段。

我們先用色譜分離基本方程來(lái)還原研發(fā)工藝

這個(gè)公式說(shuō)明分辨率與塔板數(shù)、選擇性、滯留因子之間的關(guān)系。

在放大的過(guò)程中，由于研發(fā)工藝已經(jīng)確定，硅膠型號(hào)、流動(dòng)相成分和比例這幾個(gè)關(guān)鍵因素都是已知，所以分離的選擇性和滯留因子也是確定的。但在車間生產(chǎn)的時(shí)候，還需要保證硅膠的壓實(shí)程度，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室裝填硅膠柱的密度等同放大，還要保證填裝硅膠的浸潤(rùn)程度，通過(guò)流動(dòng)性出口氣泡情況或者通過(guò)反向填料確認(rèn)一致性。換言之，工程師更加注重模擬實(shí)驗(yàn)室填裝柱的理論塔板數(shù)。

一般情況下，工程師會(huì)盡量保證柱子高度一致，通過(guò)擴(kuò)大柱子的直徑來(lái)滿足放大的要求，也就是等板高度。可是情況往往不會(huì)和想象一致，實(shí)際上，車間的柱子的直徑經(jīng)常無(wú)法滿足放大的系數(shù)。這時(shí)候，單純地增加或者減少硅膠的量，以期滿足高度的要求，則會(huì)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于柱層析線速度參數(shù)的選擇上出現(xiàn)偏差，或者與實(shí)驗(yàn)室的情況不一致。

對(duì)此，老工程師的經(jīng)驗(yàn)是時(shí)間。由于硅膠，產(chǎn)品以及流動(dòng)相（洗脫劑）均已經(jīng)確定，所以影響實(shí)驗(yàn)室和車間柱層析放大過(guò)程中的質(zhì)傳的關(guān)鍵點(diǎn)就在于時(shí)間。因此，可以引入一個(gè)接觸時(shí)間的概念：即在車間放大的柱層析，流動(dòng)相和吸附在硅膠上的產(chǎn)品之間的接觸時(shí)間需要和實(shí)驗(yàn)室中的保持一致。我們可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的公式計(jì)算：




通過(guò)公式，我們得到了車間柱層析中的流動(dòng)相的流量流速，等于說(shuō)線速度也確定了。根據(jù)線速度再設(shè)計(jì)的柱子的參數(shù)。

1.  吸附的熱效應(yīng)

網(wǎng)絡(luò)上能找到很多關(guān)于柱層析的注意事項(xiàng)，但是基本都是關(guān)于實(shí)驗(yàn)室的操作。在車間生產(chǎn)時(shí)會(huì)遇到一些不一樣的問(wèn)題，有的還很嚴(yán)重問(wèn)題，甚至實(shí)驗(yàn)大牛都可能忽略，例如吸附的熱效應(yīng)。

從柱層析的原理來(lái)說(shuō)，不管運(yùn)用的是溶解度差異，還是分子間作用力，基本都是吸附-解吸附的過(guò)程。所以，這里先重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)硅膠柱層析分離工藝。

用于填裝柱子并分離有機(jī)物（非氣體）的硅膠，主要利用硅膠的羥基，用硅醇基團(tuán)作為吸附中心，利用氫鍵或者分子間誘導(dǎo)力進(jìn)行吸附，然后在洗脫劑的作用下進(jìn)行解吸附。不同物質(zhì)吸附和解吸附的快慢不一樣，分離的目的也就達(dá)到了。

但是在吸附的過(guò)程中，樣品跟硅膠的羥基在結(jié)合時(shí)會(huì)放熱，尤其是濕法上樣階段，大量樣品短時(shí)間內(nèi)吸附，放熱量很大。如果用低沸點(diǎn)的洗脫劑，比如二氯甲烷，熱效應(yīng)會(huì)很明顯。氣化的二氯甲烷會(huì)造成硅膠柱的壓力變化，造成明顯的空洞或者斷層，大大影響分離。實(shí)驗(yàn)室里是這樣，在車間放大生產(chǎn)時(shí)，熱效應(yīng)加劇，可能直接造成分離失敗。所以，在放大生產(chǎn)中要想辦法避免或緩解放熱帶來(lái)的影響。

對(duì)策如下：

第一、降低洗脫液的溫度

一般車間會(huì)使用反應(yīng)釜或者移動(dòng)罐進(jìn)行洗脫液的配制，在這種情況下，可以通過(guò)夾套控溫，將洗脫液的溫度控制在一個(gè)較低的合理范圍。

第二、避免壓力的變化

熱效應(yīng)導(dǎo)致的壓力變化可能引起硅膠柱的空洞或者斷層，但這種損害有時(shí)并不是那么明顯。所以在確定壓力和線速度的前提下，應(yīng)該避免過(guò)多的操作柱子，也不要頻繁改變洗脫液的壓力，防止影響柱子本身的壓力。需要注意的是，停柱子的時(shí)候——例如配制柱子完成時(shí)，停止收樣時(shí)或者配制洗脫液時(shí)——柱子壓力往往會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng)，這時(shí)要按照緩沖壓力的順序來(lái)操作設(shè)備。車間柱層析的常見(jiàn)設(shè)備如下圖，在圖上標(biāo)注了相應(yīng)區(qū)域的閥門(A、B和C)。

停止柱層析時(shí)應(yīng)該：

1．先關(guān)閉A區(qū)域的閥門，這樣層析柱下層空間的壓力會(huì)上升，最終流速歸零的時(shí)候，則層析柱上下方會(huì)保持恒定一致的壓力；

2、 然后在關(guān)閉閥門B以及C, 這樣層析柱就處于一個(gè)密封狀態(tài)。

3、 接下去就是重點(diǎn)了：重新開(kāi)啟柱層析。

所以，常規(guī)操作順序是：打開(kāi)C和B，然后再打開(kāi)A。

這種方式在實(shí)驗(yàn)室肯定沒(méi)問(wèn)題，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室操作相對(duì)較快，幾乎可以同時(shí)在B處加壓且打開(kāi)A處的閥門。車間可能操作相對(duì)具有延后性，且此時(shí)需要提醒的是，B區(qū)域相對(duì)于A區(qū)域來(lái)說(shuō)，密封性會(huì)更差（具有壓力表，排空閥之類的多處接口），且洗脫劑從C到B是需要一定的時(shí)間，而先打開(kāi)B處的閥門，有可能會(huì)導(dǎo)致B處的壓力驟降進(jìn)而A處的壓力或者層析柱內(nèi)部的壓力會(huì)反向沖擊B處，而導(dǎo)致內(nèi)部形成斷層以及空洞。所以，在車間內(nèi)重新啟動(dòng)層析柱時(shí)需要另外的流程：

1、 先打開(kāi)C處閥門，然后打開(kāi)A處閥門，此時(shí)A處以及層析柱內(nèi)部的壓力會(huì)從下而上逐步降低，形成洗脫劑的流速。

2、 等待B處壓力表逐漸衰減成常壓后，打開(kāi)B處排氣閥門；

3、 打開(kāi)B處閥門進(jìn)入洗脫劑的補(bǔ)充；

4、 關(guān)閉B處排氣閥門進(jìn)行壓力的補(bǔ)充并通過(guò)控制A閥門控制到合理的流速。

當(dāng)然上述的流程也可以在停柱子前完成，主要目的還是使壓力緩慢從出口泄出，避免從B段進(jìn)行壓力的驟然衰減。

第三、控制洗脫劑的水含量

還記得硅膠的吸附原理么？其實(shí)就是利用氫鍵或者分子間誘導(dǎo)力進(jìn)行吸附，并在洗脫劑的作用下進(jìn)行解吸附。如果洗脫劑中有水分的存在，就會(huì)破壞氫鍵作用。所以，在放大過(guò)程中，我們一般會(huì)選擇和實(shí)驗(yàn)室相同品質(zhì)的洗脫劑，這樣能對(duì)洗脫劑含水量有一定控制，以免對(duì)分離產(chǎn)生影響。但由于生產(chǎn)中，成本是重要的考量標(biāo)準(zhǔn)，所以車間使用柱層析進(jìn)行放大時(shí)，在一定程度上會(huì)使用洗脫劑的回收工藝。

很多人常常只關(guān)注組成和比例，忽視其中的水分。這里需要提醒大家，硅膠是具有一定水分的，隨著洗脫劑的回收，其中的水分會(huì)不斷增加，尤其是多次回收后。因此，工程師在考慮洗脫劑回收的時(shí)候需要把水分的因素考慮其中，確保工藝的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)柱層析的異常。

第四、防止非預(yù)制色譜柱的空洞或塌陷

這個(gè)問(wèn)題，一直是工藝工程師們想努力克服的重點(diǎn)。其實(shí)不管使用干法還是濕法填柱，色譜柱均有一定概率出現(xiàn)空洞或塌陷，比如硅膠的性狀，柱子內(nèi)部的光滑程度，平整度和壓力等等因素，都會(huì)影響色譜柱。

總結(jié)

工藝成功放大且穩(wěn)定一直是工藝工程師們致力的方向。要學(xué)會(huì)擺脫實(shí)驗(yàn)室的思維定勢(shì)，根據(jù)車間實(shí)際情況、實(shí)際設(shè)備、實(shí)際工藝，從宏觀控制出發(fā)，多多注意細(xì)節(jié)，多多完善工藝。

—— 工藝研究員 高鈺，沈曄晨