Biotage工业色谱纯化的可行性报告

2020-06-17 06:44:58 拜泰齐贸易(上海)有限公司


简介
在制药工业,以灵活、可靠、快速的方法得到目标化合物是非常重要的。例如各类活性药物中间体,小分子抑制剂以及各类多肽药物等等。
在制药领域,在前期进行了一大批化合物筛选之后,往往会有相应的具体结构的化合物得到确认,继而进行中试生产以满足临床试验,甚至大规模药物上市,此时目标化合物是在特定的工艺条件下大规模合成的,往往这样的工艺需要投入大量的研发资源,也需要花费很多时间和精力来将实验室小规模的合成路线扩展到大规模的工业生产上来,实现实际可行的工业化安全化标准操作流程。由于在上市的很多药物当中,有大批量的目标药物分子都是通过液相制备色谱得到最终所需纯度的产物,Biotage拥有一整套从小试到放大的解决方案,我们将在此文阐述如何进行中压制备纯化的工业生产放大试验。
完成目标化合物的合成路线相当于只成功了一半。因为在化学反应结束时,为了保证目标化合物的纯度可以用于下一步的反应,对目标化合物的纯化仍然有很高的要求。目标化合物可以从包含原料、催化剂、溶剂、产品和副产品的复杂反应体系中分离出来。从很多方面来说,分离所需的目标化合物同时除去不需要的杂质分子是合成化学中最具挑战性的课题之一,有相当多的课题都是最终被最后一步的纯化困住。
实验室中,柱层析经常用来纯化目标化合物,随着社会的发展和进步,快速制备色谱仪已经成为化学研究中,纯化目标化合物的首选。然而,由于多种原因,当反应规模进一步扩大时,这一方法一直未被使用。本文讨论了在化工生产中使用快速制备色谱仪的挑战,并提出了一种实用的、可扩展的、商业可行的可在工业生产中进行色谱纯化的方法。
大规模工业级色谱纯化的必要性
我们的化学家很擅长优化药物合成的方法和路线,这一过程往往需要耗费大量的时间和精力,其中最重要的是获得足够纯度和足够量的目标化合物进行测试或下一阶段的实验,在这一阶段考虑大规模需要先进技术又得考虑其实际成本;为了快速生产出足够量的产物用于临床试验,通常会想尽一切办法来进行纯化操作,应用各种各样的技术。但是随着反应规模的扩大,反应的预期产量越来越多,杂质也越来越多,纯化也就更加的困难。近年来,制药行业为了快速生产出足够的化合物进行临床试验,导致很多未优化的药物分子的化学合成方法直接地进入研发项目。在生产的后期,总是有意想不到的不佳的反应步骤,所以扩大反应规模通常是费时费力且费钱的。更好的方法是在一开始就使用更可靠的纯化步骤,减少产品的浪费。通过多种方法将目标化合物从化学反应体系中分离出来,难度也各不相同。例如,可以通过简单的物理操作从反应体系中沉淀出所需的目标化合物(也许是两相混合物,或更常见的是固体沉淀)。在其他情况下,通常需要使用另一种溶剂才能进行重结晶。重结晶虽然耗时,但是仅需要物理操作,这一方法是很有效的。但是,如果物理技术(例如重结晶或沉淀法)不可行,那么,纯化将变得更加困难。这样的话,就需要开发其他的纯化方法。
大规模工业级色谱纯化的复杂性
大规模的反应通过色谱法纯化目标化合物是一项复杂的工作。虽然这一方法在实验室里很常见,但小规模的反应放大到较大规模的情况下,目标化合物的纯化将变得更加复杂。从市面上各种各样的色谱柱类型可以发现,样品的大规模纯化仍然存着在巨大的挑战。从根本上讲,大规模纯化色谱与实验室规模纯化相同,但从化学工程方面考虑,规模以上的纯化,其后续的工作会更加复杂,而对于从事这一行业的人来说,这些情况都是经常需要面对的,很多人已经司空见惯了。在传统的液相色谱实验中,将溶剂(流动相)泵送通过固定相(通常为硅胶),该固定相以小颗粒形式存在,呈不规则形状或球形。样品被带入固定相中并随流动相一起前进。在通过固定相的过程中,根据样品组分与色谱柱中固定相之间的相互作用程度不同,保留时间就会出现相应差别。当从色谱柱上洗脱时,它们会根据流动相和固定相之间的相互作用,在不同时间进行洗脱,因此可以分离出所需的目标化合物,并进行收集。那么目前来说,还存在着多少我们需要持续注意的事项呢?
  • 溶剂处理——为实现色谱分离,溶剂泵会将流动相输送穿过色谱柱。当产量提升之后,溶剂的消耗量也会随之增大,如何将废液进行有效处理和回收,保护好地球环境,这是我们目前面临的最大的可持续发展问题。

  • 填料——在传统的自填式色谱柱(如玻璃或SS色谱柱)中,化学生产中的操作员必须能够安全的移动由大量松散、细小的粉末组成的固定相,并且能够在事后安全地处置这些粉末。直接接触受污染的硅胶是非常不安全的。

  • 上样——当样品可能是大量液体时,需要一种方法将样品添加到柱顶,这一过程也比较麻烦。

  • 检测器——需要一种方法来检测目标化合物何时从柱上洗脱下来。

  • 电力——实验室的色谱纯化系统需要稳定的电力,这在实验室和工厂ATEX风险评估中必须有所体现。

  • 过程经济性——在生产过程中进行色谱分离是一种价格不高的技术。

最后一个,也许也是最重要的一个,必须开发出特定的色谱纯化方法,将具体的目标化合物分离出来。快速色谱纯化系统中的方法开发并不简单,如果没有正确且合适的放大量的设备,放大量方法往往充满很多未知困难。因此,纯化大规模的反应取决于良好的程序方法开发和可靠的方法设计。
鉴于上述问题,我们可以很明显的看出在生产中进行色谱分离确实具有很大挑战性。工程师通常需要采用自己设计的解决方案来进行色谱分离。
工业生产中的制备液相色谱系统
许多化学工程师为他们的特定工艺流程设计特定的色谱解决方案。这种方法的优点是可以在设计色谱解决方案时考虑到特定的过程,而化学工程师作为设计人员可以完全理解该过程,因此可以创建可靠的生产SOP。但是,特定的方法可能会有一些缺点。
  • 工程师需要自己找到相应定制化的方案来减少大规模色谱纯化的困难,而其实大部分人在这一方面没有太多经验。

  • 谱纯化系统溶液的选择取决于设计该色谱系统的化学工程师,因此在遇到困难的情况下,没有外部供应商可以提供帮助。

  • 特定的解决方案只适用于同一个流程,不适用于其他流程和体系,这会得其应用范围只局限于当前项目,投资回报率过低。

因此,尽管短期内对化学工作者有吸引力,但特定的解决方案从长远来看可能无法持续的。取而代之的是,我们需要开发一种“现成的”方法来解决这些问题。
现成的大规模纯化色谱
取而代之的是,可以在供应商(例如Biotage)专门设计的现成的色谱设备上进行大规模的快速色谱纯化。与特定的内部解决方案相比,这具有几个优点:
  • 该系统可适配多种常见填料类型,这意味着大规模的反应纯化过程更简单,更可靠。

  • 专为大规模生产而设计,因此,可以将ATEX防爆等级以及泵送溶剂和处理固定相填料的方法设计到系统中。

  • 供应商可提供实施这种解决方案的专业技能和相关知识。

  • 确保优质的保障和服务支持,从而最大程度地减少昂贵系统的因故障导致的宕机时间。

  • 硅胶固定相以预组装的色谱柱形式提供,易于存储,使用和处置。柱效和可利用率更高,在长期的使用过程中,可为大规模的纯化提供更可行的解决方案。

Biotage快速制备色谱解决方案可扩展且实用的方法
为了满足化学生产行业的需求,Biotage开发了一种可扩展的色谱方法,可用于大规模反应体系的快速色谱纯化,其可以在实验室开发的方法的基础上直接进行线性化放大,得到大规模纯化方法,而这一实用的方法则能够解决或规避化学生产中大规模色谱法相关的难题。Biotage方法基于简单,可靠,快速的色谱技术来实现快速纯化目标化合物。快速纯化色谱可以在正相或反相中进行,通常使用正相色谱法纯化有机可溶性化合物,合成路线中的中间体,而在合成结束时经常采用反相以分离最终的水溶性药物分子。正相色谱纯化的示意图如图1所示。
1.正相快速分离纯化机理。
下文将讨论Biotage快速纯化色谱进行大规模纯化的工作流程。
快速纯化
快速纯化采用液相色谱技术,其特点如下:
  • 着重于色谱的负载量(即样品上样量),而不是峰容量——这使得快速纯化非常适合纯化组分包含相对较少的混合物,例如反应混合物。

  • 中压(低于传统HPLC)——降低了系统要求的严苛性,并将重点放在易用性和分辨率的耐用性上。

  • 低成本色谱法——对于使用大量填料和相关溶剂等的大规模纯化,成本控制非常重要。

快速色谱法是有机化学家以及涉及从天然产物中提取化合物的有机化学家的优选纯化技术。
这是因为它具有比其他粗提技术(例如从溶液中洗脱出来或进行液-液萃取)更有效地分离化合物的能力。为了提供高纯度的化合物,化学家可以改变各种各样的变量来达到所需的纯度目标。同时,快速色谱法相对容易,对条件的细微变化不敏感,从而使开发方法简单,纯化可靠。
由此可见,快速色谱法非常适合大规模化合物的纯化。
快速色谱法方法开发
大规模化合物用色谱法的方法纯化既不实用也不经济。使用这一方法,仅从溶剂的成本考虑,花费就已经很高了。取而代之的是实验室小规模的体系,可被用来开发一种可靠的、可扩展的方法,然后可以将小规模的体系的设置应用于大规模生产行业。其起始步骤是使用Isolera™Isolera™LS(较大规模)BiotageSelekt快速纯化系统进行实验室开发。这有几个显著的优点:
  • 快速色谱法提纯目标化合物简单而可靠,在有机合成实验室提纯化合物和中间体方面的应用已经深得人心。

  • 快速色谱法纯化通常是根据柱体积而不是保留时间或保留体积来开发的。这使得大规模的反应体系的纯化变得容易得多,因为在组成成分方面保持不变的情况下,只是柱体积的值随着色谱柱的增大而改变。开发大规模反应体系的纯化时,快速色谱法纯化的方法直接可调节是非常便利的。快速色谱法纯化运行如图2所示。

图2.典型的快速纯化是在x轴上使用柱体积(CV)进行的。


Selekt快速纯化系统(图3)已经开发出来,可以快速有效地进行实验室小规模的快速纯化实验。较大的流速和更高的耐压,色谱柱的平衡时间得到大大缩短,方法开发可以更快,同时做了一系列的优化升级,操作更加简便,更易上手。
图3.Biotage Selekt快速色谱系统。

将快速纯化从实验室规模扩大到工业生产规模
快速纯化作为一种色谱纯化方法,其优点是,在实验之间放大非常简单,因为使用柱体积而不是保留时间或体积意味着相同的方法可以应用于不同的色谱柱。
4中的表格对此进行了说明,该表显示了使用小分离度获得的负载量,以及使用相同的分离梯度在较大分离度下获得的负载量,对比发现只需增加流速来补偿较大的色谱柱即可。
4. KP-Sil硅胶介质快速色谱的刻度表。
与此表一起,新色谱柱的流速根据线性流速进行放大,线性流速是溶剂在固定相中移动速度的指示器,与色谱柱的形状和体积无关。这意味着分离将在小尺度和大尺度的洗脱点方面产生相同的结果,并且按10倍的比例放大意味着在放大过程中可以校正各种小的偏差。
由于在仪器上保留了实验分离结果,在进行大规模的纯化时,可以根据实验室小规模的实验参数来预测大规模反应体系中目标化合物何时会从色谱柱中洗脱出来。如果有特殊需要,也可以使用紫外检测器。
使用这种简单的方法和Biotage®Selekt等实验室使用的快速纯化系统,有可能开发出可在化学生产中大规模样本的使用方法。最后需要的是一个能够运行这种方法的系统。
化工生产中的色谱
Biotage Flash 75Biotage Flash 150BiotageFlash 400是专为在大规模生产中使用而设计的大型快速纯化系统(5)。就解决工厂环境的困难而言,这些系统是专门为此目的而设计:
图5. 放大路径示例:从实验室到工业生产级别的Biotage色谱系统全家图(SIM=上样模块)。 
  • 溶剂——每个系统仅使用压缩气体泵送溶剂。可以开发逐步梯度,使用户可以调整洗脱条件以匹配实验室中设置的洗脱条件。

  • 固定相——每个系统都可以适配多种类型的填料预填充色谱柱,因此操作中不需要处理散粉,并且简化了对使用过的色谱柱的处理。

  • 上样模块——在较小的生产系统(Flash75Flash150)上,上样模块支持机械式自动上样过程,简化了原本困难而复杂的步骤。

  • 检测器——在Biotage实验室小规模的快速纯化系统(Selekt)上开发的放大量的方法和使用相同的固定相意味着放大的重现性更高,洗脱的可预测性更高,因此在大规模的样本运行期间,检测器并不是必须的(尽管系统是可用的)

  • 安全——移除电泵和探测器,意味着系统只需要压缩气体就可以运行,并且系统完全接地,因此明显降低了化工生产中爆炸的风险。

Biotage的大规模快速色谱纯化系统是经过专门设计的,可将方法直接从实验室小规模转移到化工生产上的大规模。他们还有专门的服务团队进行全方位技术支持。
图6. Biotage 工业级 Flash 400 系统 

结论
在化工生产中,大规模的色谱纯化一直被认为是一个困难而复杂的过程。然而,只要选择了正确的工具并采用了可靠的放大量方法,问题就可以得到很好解决。
在化工生产中进行大规模的纯化的Biotage方法是基于一种实用的,可扩展的快速色谱纯化方法而开发的。这些方法是实验室中使用专用的设备开发的,并且该方法的使用是基于相同填料的简单放大过程进行的放大量实验,并简单地按比例放大色谱柱尺寸,流速和负载量,即可得到相同结果。
在Biotage方法中,初始的纯化实验使用Selekt快速纯化系统进行,该系统可以在实验室中以小规模快速高效地开发色谱纯化方法。一旦优化了结果,就可以通过简单的步骤进行放大,因为在整个实验中使用相同的填料进行实验,并且在快速色谱柱中使用柱体积(CV)作为单位意味着可以直接转移方法,无需修改。
在工厂生产环境中,可以将实验室开发的方法转移到Flash 75、150或400的大型Flash色谱纯化系统中。这些系统符合cGMP标准,没有电子设备,因此适用于爆炸危险场所。三种系统可满足各种纯化需求,从而使合成化学家能够完全控制其工作流程。色谱柱预先装有介质,因此无需手动移动粉末,并且带有用于生产和全面服务支持所需的认证。
如需更多关于Flash工业生产相关资料和具体应用,欢迎和我们留言互动,希望Biotage专业的知识和应用储备可以为您解决纯化难题。

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