DE60127713T2

DE60127713T2 - Insulinreinigung unter verwendung der simulierten wanderbett-technologie

Info

Publication number: DE60127713T2
Application number: DE60127713T
Authority: DE
Inventors: Nien-Hwa Linda West Lafayette WANG; Yi West Lafayette XIE; Sungyong West Lafayette MUN; Jin-Hyun KongJu Nat'1 University KIM; Benjamin J. Groton HRITZKO
Original assignee: Purdue Research Foundation
Current assignee: Purdue Research Foundation
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: ES2284653T3; DE60127713D1; ATE358679T1; WO2001087924A2; EP1349866B1; EP1349866A2; WO2001087924A3; AU2001274837A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Reinigung von Insulin aus Zwei- und Mehrkomponentenmischungen unter Verwendung der Simulated-Moving-Bed-Technologie (simulierte-Wanderbett-Technologie). Die Erfindung ist allgemein anwendbar auf Systeme, die lineare Isothermen aufweisen und ist insbesondere anwendbar auf Systeme, bei denen Trennungen durch Massentransferresistenzen gehemmt werden.
Hintergrund der Erfindung
Prinzipien der Simulated-Moving-Bed-Chromatographie bzw. Technologie der simulierten Gegenstromchromatographie
Flüssigchromatographie wird breit in der Industrie angewendet, um Komponenten in flüssigen und gasförmigen Mischungen zu trennen und zu reinigen. Die meisten Anwendungen der Flüssigchromatographie sind jedoch diskontinuierliche chromatographische Verfahren, die niedrige Ausbeuten liefern, hohe Mengen an Elutionsmittel verbrauchen, das Adsorbens ineffizient ausnutzen und arbeitsintensiv sind. Außerdem begrenzt die diskontinuierliche Art und Weise der Batch-Chromatographie und die Verdünnung der gesammelten Komponenten die Attraktivität für Trennungen im Pilotmaßstab und im Verfahrensmaßstab.
Um die Effizienz chromatographischer Verfahren zu verbessern, wurden kontinuierlich sich bewegende Betten ("CMBs") vorgeschlagen, die aus einer Säule bestehen, die den Gegenstromkontakt von mobilen und festen (adsorbierenden) Phasen unterstützt (Berg, 1946; Kehde et al., 1948; Ruthven und Ching, 1989). Die feste Phase, die sich, angetrieben durch die Schwerkraft, nach unten bewegt, tritt unten aus der Säule aus und wird nach oben zurückgeführt. Die mobile Phase tritt unten in die Säule ein, wird aufwärts gepumpt und tritt oben aus, wovon sie zum Boden der Säule zurückgeführt wird. Dieses System hat zwei Flüssigkeitseinlässe (einen Beschickungseinlass und einen Desorbenseinlass) und zwei Flüssigkeitsauslässe (einen Raffinatauslass und einen Extraktauslass).
Die Beschickung (die zwei oder mehr Komponenten, die getrennt werden sollen, enthält) wird kontinuierlich in der Mitte der Säule injiziert. Solange die Affinität der Komponenten für die feste Packung unterschiedlich ist, kann man die Durchflussraten für mobile Phase und Adsorbens für die Säule auswählen, die verursachen, dass sich eine Komponente nach oben bewegt und eine andere Komponente nach unten bewegt, was zu einer räumlichen Trennung führt. Dieses System hat zwei Auslassleitungen: eine, die unter der Beschickung angeordnet ist, wo die sich langsamer bewegende Komponente kontinuierlich entnommen wird (der Extrakt) und eine, die über der Beschickung angeordnet ist, wo die sich schneller bewegende Komponente entnommen wird (das Raffinat). Desorbens wird dem System am Boden zugefügt, um die langsamere Komponente zurück in die Säule zu drücken (und um Desorbens, das durch Extrakt- und Raffinatströme abgezogen wurde, zu ersetzen).
Kontinuierlich sich bewegende Bettsysteme bieten eine Anzahl möglicher Vorteile gegenüber der Batch-Chromatographie, was die folgenden einschließt:

– Die Systeme können Produkte erzeugen mit einer Reinheit, die der bei Batch-Chromatographie entspricht oder sogar höher ist, bei Ausbeuten, die wesentlich größer sind als bei der Batch-Chromatographie.
– Die Systeme verwenden weniger Desorbens als die Batch-Chromatographie.
– Die Systeme verwenden die feste Phase viel effizienter als die Batch-Chromatographie.
– Die Systeme erfordern für den gleichen Durchsatz viel weniger Säulenvolumen (oft um eine Größenordnung), als Batch-Chromatographiesysteme.

Diese Vorteile wurden bis jetzt in echten CMBs jedoch nicht realisiert, wegen der inhärenten Schwierigkeiten beim Betrieb und der Erhaltung einer CMB-Einheit. Die kontinuierliche physikalische Bewegung von Feststoffen führt zu Teilchenabrieb und es zeigten sich erhebliche Schwierigkeiten, den strikten Durchfluss sowohl der festen als auch mobilen Phase aufrechtzuerhalten. Diese Probleme vermindern die Prozesseffizienz und auch die nützliche Lebenszeit des Adsorbens stark und bedeuten starke Einschränkungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften der adsorbierenden Teilchen.
Um die mit dem Feststoffstrom in echten CMBs verbundenen Probleme zu überwinden, wurden Simulated-Moving-Beds entwickelt. Einen allgemeinen Überblick über Simulated-Moving-Beds geben Ruthven und Ching (1989). Simulated-Moving-Bed-(SMB)-Prozesse realisieren die Gegenstrombewegung von fester und flüssiger Phase und die gleichzeitigen Vorteile der kontinuierlich sich bewegenden Betten gegenüber der Batch-Chromatographie ohne physikalische Bewegung der Feststoffe. Ein typisches SMB-Verfahren hat vier Zonen mit zwei Einlassöffnungen bzw. Einlasskanälen (Beschickung und Desorbens) und zwei Auslassöffnungen bzw. Auslasskanälen (Raffinat und Extrakt), wie in 1 gezeigt. SMB-Prozesse verwerten eine Reihe von Adsorbenssäulen, die unter Bildung eines Kreislaufs verbunden sind. Jede Zone enthält typischerweise zwei oder mehr Säulen gleicher Größe und diese Säulen sind verknüpft, um einen kontinuierlichen Kreislauf zu bilden. Die Bewegung des Feststoffs wird simuliert, indem Einlass- und Auslassstellen einer Säule periodisch in Richtung des Stroms der mobilen Phase verändert werden, so dass die Produktkanäle immer nahe der teilweise getrennten Konzentrationswellen der Produkte in dem System sind. Wie bei kontinuierlich sich bewegenden Bettsystemen sind die Kanalumschaltzeit, Zonenlänge und die Zonendurchflussraten austariert, um den gewünschten Reinheitsgrad des Raffinats oder des Extrakts zu erzielen.
Die Funktion jeder Zone in einem SMB ist wie folgt: (1) Zone I: Diese Zone ist zwischen dem Desorbenseinlass und der Extraktentnahmestelle angeordnet und wird verwendet, um die langsame Fraktion zu desorbieren. Ein Teil des Stroms, der diese Zone verlässt, wird als Extrakt abgezogen, während der Rest in Zone II fließt. (2) Zone II: Diese Zone wird zur Desorption der schnellen Fraktion verwendet. (3) Zone III: Diese Zone wird verwendet, um die langsame Fraktion zu adsorbieren und die langsame Fraktion von der schnellen Fraktion zu trennen. Die schnelle Fraktion wird teilweise an der Raffinatöffnung abgezogen. (4) Zone IV: Diese Zone wird verwendet, um die schnelle Fraktion zu adsorbieren und ebenso das Desorbens wiederzugewinnen. Der Strom, der diese Zone verlässt, sollte idealerweise nur reines Desorbens enthalten, das in den Desorbenseinlass zur Wiederverwendung rückgeführt wird.
Berichtete Anwendungen zur Simulated-Moving-Bed-Chromatographie
SMB-Trennungen wurden zuerst in einer Industrieanlage von Universal Oil Products (UOP) zur Reinigung von Kohlenwasserstoffen angewendet (Broughton und Gerhold, 1961; Broughton, 1968; Broughton et al., 1970). Das Verfahren von UOP entwickelte sich schließlich zu dem, was heutzutage Sorbex-Verfahren genannt wird. Die Hauptanwendung für das Sorbex-Verfahren von UOP ist die Reinigung von Xylolisomeren. Tatsächlich berichten Parkinson et al. (1994), dass 1994 UOP 85 SMB-Einheiten zur Verwendung seines Sorbex-Verfahrens installiert hatte und dass die meisten davon in Erdölraffinerien zur p-Xylolreinigung installiert waren.
UOP's Sorbex-Verfahren zur Reinigung von p-Xylolen hat mehrere einzigartige Merkmale. Zuerst trennt es p-Xylol aus einer Mischung von Xylolisomeren und anderen Phenylderivaten aus dem Xylolherstellungsverfahren. Der Prozess verwendet ein zeolithisches festes Adsorbens, das selektiv p-Xylol adsorbiert. Das Verfahren beruht auch auf einer Verdrängungskomponente, die um das Adsorbens mit p-Xylol und den anderen Komponenten in einer konzentrationsabhängigen Art und Weise konkurriert, um eine Kreuzkontamination von Raffinat und Extrakt zu verhindern.
Parkinson et al. (1994) berichten auch über die weit verbreitete Anwendung von SMB-Prozessen zur Trennung von Zuckern. Z.B. berichten Parkinson et al., dass von 1980 bis 1994 U.S. Filter ungefähr 60 SMB-Einheiten zur Trennung von Zuckern installiert hatte. 1994 hatte U.S. Filter SMB-Systeme als Pilotanlagen zur Trennung von Milch- und Citronensäure, Glycerin, Glycolen, Aminosäuren und Herbiziden eingerichtet. 1994 installierte UOP angegebenermaßen HPLC-SMB in pharmazeutischen Anlagen.
Im gleichen Jahr wurde berichtet, dass Soken (Japan) eine einjährige Testphase eines kontinuierlichen HPLC-Systems beendet hatte, das Dreikomponentenmischungen reinigen konnte und sechs Säulen hatte. Andere Anwendungen für SMBs wurden in der Literatur berichtet (Ching et al., 1993; Pais et al., 1997; Ruthven und Ching, 1989). In letzter Zeit wurde diese Technik für die Trennung chiraler Verbindungen und die Reinigung biochemischer und pharmazeutischer Produkte entwickelt (Nicoud et al., 1993; Pais et al., 1997; Pedeferri et al., 1999; Lehoucq et al., 2000). Die folgende Diskussion fasst einige der Literaturstellen, die SMB-Trennungen offenbaren, zusammen.
Zucker: Verschiedene Prozesse wurden zur Trennung und Reinigung von Zuckern entwickelt. Z.B. berichten Balannec et al. (1993) und Barker et al. (1960) unter Verwendung eines Kationenaustauscherharzes in Calciumform über die Verwendung von SMB-Prozessen zur Trennung von Fructose von Saccharose und Xylose von Arabinose. Balannec et al. (1993) offenbaren auch einen SMB-Prozess, bei dem Dextran fraktioniert wird unter Verwendung eines Größenausschlussprozesses auf Silicagel.
Entsalzung: Es wurde auch über verschiedene SMB-Prozesse zur Entfernung von Salzen aus Mischungen berichtet. Z.B. offenbart Maki (1987) einen Ionenverlangsamungsprozess zur Trennung von Glucose und Natriumchlorid; Nicoud (1998) offenbart einen Ionenausschlussprozess unter Verwendung von Kationenaustauschharz in Natriumform zur Trennung von Glycerin und Natriumchlorid und Hashimoto et al. (1988) offenbaren einen Größenausschlussprozess zur Trennung von Proteinen von Ammoniumsulfat.
Proteinreinigung: Mindestens vier SMB-Prozesse wurden zur Reinigung von Proteinen entwickelt. Z.B. offenbart Huang et al. (1986) die Trennung von Trypsin aus einem Schweinepankreasextrakt unter Verwendung von Affinitätschromatographie; Houwing (1996) berichtet über die Fraktionierung von Humanserumalbumin unter Verwendung eines Zwei-Säulensystems; Nicoud (1996) berichtet über die Trennung von Myoglobin aus Lysozym unter Verwendung eines Adsorptionsprozesses und Schulte et al. (2000) berichten über Reversed-Phase- und Silicageladsorptionsprozesse zur Trennung von Cyclosporin A, cyclischen Oligopeptiden und verschiedenen Verunreinigungen.
Ionische Moleküle: Mindestens zwei Literaturstellen offenbaren die Verwendung von SMB-Prozessen zur Trennung von ionischen Molekülen. Z.B. offenbaren Van Walsem et al. (1996) die Trennung von Betain aus Melasse unter Verwendung von zwei Ionenaustauschsäulen und Maki (1992) berichtet über die Trennung von L-Glutathion aus Glutaminsäure unter Verwendung eines Kationenaustauschharzes.
Organische Lösungsmittel: Über SMB-Prozesse wurde auch berichtet zur Trennung von organischen Lösungsmitteln. Z.B. berichten Szpepy et al. (1975) über die SMB-Trennung verschiedener C₁₆-C₂₂-Methylester von Fettsäuren unter Verwendung einer nicht offenbarten stationären Phase und Blehaut et al. (1996) offenbaren die Trennung von Stereoisomeren von Phytol unter Verwendung von Silicagel.
Optische Isomeren: Es wurde gefunden, dass der SMB-Prozess in letzter Zeit von spezifischem Interesse für die Trennung von optischen Isomeren ist. Fuchs et al. (1992) offenbaren z.B. die Trennung von Threoninisomeren unter Verwendung eines Ligandenaustauschharzes; Balannec et al. (1993) offenbart die Auftrennung von racemischem 1a-2,7,7a-Tetrahydro-3-methoxynaphthyl-(2,3-b)-oxiran unter Verwendung von mikrokristallinem Cellulosetriacetat und Archibald et al. (1999) berichtet über die Trennung von Epoxiddiastereoisomeren unter Verwendung von SMB-Chromatographie mit Reversed Phase, normaler Phase oder chiraler stationärer Phase.
Trotz dieser Berichte ist die SMB-Technologie noch nicht im Mainstream der industriellen Trennung angekommen. Tatsächlich wird in einem Artikel, der kürzlich, 1995, Hill (1995), erschienen ist, angegeben "Die Technik der Simulated-Moving-Bed-Chromatographie ist seit beträchtlicher Zeit in der Industrie bekannt, obwohl aus kommerziellen Gründen die meisten Arbeiten unveröffentlicht bleiben. Aufgrund der Probleme, die mit der Durchführung dieser Technik verbunden sind, war ihre Verwendung bisher auf einfache Trennungen beschränkt, wenn die Qualitätsanforderungen des Produkts ziemlich gering sind."
Überblick über Projektstrategien
Die erfolgreiche Konzeption und der erfolgreiche Betrieb eines SMB hängt von der richtigen Auswahl der Betriebsbedingungen ab (Zonendurchflussraten und Umschaltzeit), die dazu führen, dass langsam und schnell sich bewegende Komponenten in entgegengesetzte Richtungen in Bezug auf die Beschickungsöffnung wandern. In einem linearen isothermen System sind die primären Betriebsbedingungen die Zonendurchflussraten und die Kanalumschaltzeiten in den Zonen II und III, da diese die zwei Zonen sind, in denen die Trennung anfänglich auftritt und wo die Zonendurchflussraten und Kanalumschaltzeiten in geeigneter Weise ausbalanciert werden müssen. Die Kanalumschaltzeit und die Durchflussraten in den Zonen I und IV sind auch wichtig, um eine Migration von schnell und langsam sich bewegenden Komponenten zwischen den Zonen I und IV zu verhindern. Man kann jedoch allgemein ein solches Risiko kompensieren (auf Kosten der Prozessökonomie), indem die Einleitung von Desorbens in das System und die Entnahmerate des Raffinats aus dem System erhöht werden.
Verschiedene Verfahren wurden in der Literatur vorgeschlagen, um die Anfangsauswahl von Zonendurchflussraten und Kanalumschaltzeiten zu leiten. Über einige davon wurde basierend auf der Annäherung der Einheit an eine Reihe von Gleichgewichtszuständen und dann der Anwendung einer McCabe-Thiele-artigen Analyse ein Überblick von Ruthven (1984) und kürzlich von Hashimoto et al. (1993) gegeben. Ein alternativer Ansatz basiert auf der Theorie des lokalen Gleichgewichts, der für lineare und nicht lineare Adsorptionsisothermen verwendet werden kann. (Helfferich und Klein, 1970; Rhee et al., 1971; Storti et al., 1989). Die Theorie des lokalen Gleichgewichts ist allgemein anwendbar für ideale Systeme, d.h. solche Systeme, in denen Massentransferwirkungen vernachlässigbar sind. Siehe auch Ruthven und Ching (1989); Adachi (1994); Storti et al. (1993); Pais et al. (1997) und Strube et al. (1997).
2 erläutert die Dreieckstheorie (Storti et al., 1989) basierend auf der Theorie des lokalen Gleichgewichts und wie sie angewendet wird, um Zonendurchflussraten und Kanalumschaltzeiten in den Zonen II und III zu erreichen. Indem eine Gleichgewichtsanalyse durchgeführt wird (unter der Annahme, dass keine Massentransferwirkungen auftreten), kann man eine zweidimensionale dreieckige Region auf einem Graphen zeichnen mit dimensionslosen Geschwindigkeiten in den Zonen II und III entlang der x-Achse bzw. y-Achse. Die dimensionslosen Geschwindigkeiten repräsentieren die Nettozonen-Durchflussgeschwindigkeiten di vidiert durch die Kanalbewegungsgeschwindigkeit. Der dreieckige Bereich definiert den vollständigen Satz an Betriebsbedingungen, der eine vollständige Trennung (100% Reinheit und Ausbeute) der schnell und langsam sich bewegenden Komponenten in den Zonen II und III garantiert.
Die Dreiecksmethode ist nützlich, ist aber auf ideale Bedingungen begrenzt (d.h. ohne Massentransferresistenzen). Daher liefert diese Konzeption keine Information betreffend Zonenlänge, Massentransferresistenzen oder gewünschte Produktreinheit und Ausbeute. Um die Wirkungen des Massentransfers auf die Zonenlänge und die Produktreinheit und -ausbeute zu bestimmen, muss man eine Reihe von Computersimulationen durchführen, bei denen Massentransferresistenzen und Produktreinheit und -ausbeute definiert werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen können aufgetragen werden, um einen kleineren dreieckigen Bereich zu definieren, der den gesamten Bereich der relativen Geschwindigkeiten von mobiler Phase und Kanalbewegung in den Zonen II und III definiert, der eine Trennung mit gewünschter Reinheit und Ausbeute garantiert. Dies ist in 3 dargestellt, worin jede der kleineren dreieckigen Regionen einem anderen Satz von Massentransferresistenzen entspricht.
Wiederum kann für nicht ideale Systeme der minimale Desorbensverbrauch mit der Dreieckstheorie nur angenähert werden durch eine lange Reihe von Computersimulationen der Betriebsbedingungen mit Versuch und Irrtum innerhalb der Dreiecksregion, um den Desorbensverbrauch, der mit jeder Kombination von Durchflussraten in den Zonen II und III verbunden ist, zu bestimmen und hoffentlich schließlich zu einem angenäherten minimalen Desorbensverbrauch zu konvergieren. Azevedo und Rodriguez (1999) bewiesen unter Verwendung von Computersimulationen, dass die Analyselösung mit stehender Welle (Ma und Wang, 1997) dem Scheitelpunkt der Dreiecksregion entspricht. Der Scheitelpunkt gibt den höchsten Durchsatz und den geringsten Desorbensverbrauch an (siehe 3).
Die vorher erwähnte Methode wird verwendet, um die Betriebsbedingungen für ein gegebenes SMB-System abzuschätzen. Um einen Überblick über SMB-Prozessentwicklung zu haben, wurde 4 gezeichnet, um Parameter zu zeigen, die variiert werden können, um die Systemeffizienz zu erforschen und die Parameter, die bei der Entwicklung abgeschätzt werden sollten.
Zusätzlich zu den Simulationen, die notwendig sind, um an Massentransferwirkungen anzupassen, und Simulationen, die notwendig sind, um einen minimalen Desorbensverbrauch zu erreichen, müssen auch jedes Mal Computersimulationen durchgeführt werden, wenn einer der vorhergehenden Parameter (4) variiert wird, um die Effizienz des Systems zu optimieren. Ein Entwickler, der versucht, SMB-Entwicklungen rasterartig durchzuführen, um zu bestimmen, welche die ökonomischste ist, würde bei Erforschung von nur vier Werten für jeden der vorhergehenden Parameter 4¹⁰ (1.048.576) Computersimulationen durchführen müssen (von denen jede mehrere Minuten bis Stunden laufen kann). Als Konsequenz machen Entwickler eine Reihe von Anfangsannahmen über die SMB, die das Universum der SMB-Gestaltungen, die erforscht werden können, signifikant beschränken.
Eine der wichtigsten Variablen ist die Kombination von mobiler Phase und stationärer Phase. Die mobile Phase kann die Verfahrensleistungsfähigkeit und die Kosten signifikant beeinflussen, da (1) die mobile Phase die Löslichkeit der gelösten Stoffe in dem System und den maximalen Durchsatz auf Basis der Feststoffkonzentration steuert, (2) die mobile Phase die Selektivität und Kapazität des wirksamen Adsorbens beeinflussen kann, (3) etwas mobile Phase kontinuierlich aufgefüllt werden muss und (4) etwas der mobilen Phase aus dem Endprodukt abgetrennt werden muss und die Trennkosten von Lösungsmittel zu Lösungsmittel variieren können. Die feste Phase und die Größe der Teilchen in der festen Phase können in gleicher Weise wesentliche Wirkungen auf die Verfahrensleistung und die Kosten haben, weil (1) die feste Phase die Adsorbenskapazität des Systems, die Selektivität und den entsprechenden maximalen Durchsatz diktiert und (2) Größe und Art der feste Phase den zulässigen Druckabfall und die maximale Geschwindigkeit der mobilen Phase diktiert.
Ein weiterer Parameter, der die Effizienz des jeweiligen Systems signifikant beeinflussen kann, aber selten mit Computersimulation untersucht wird, ist die Gesamtsäulenlänge (= Anzahl aller Säulen × Säulenlänge) und der Zonenlängen (= Anzahl der Säulen in jeder Zone × Säulenlänge) des SMB. Der Entwickler nimmt typischerweise an: (1) eine feste Anzahl von Säulen und (2) eine Zuordnung von Säulen unter den Zonen, wenn der Computersimulationsprozess mit Versuch und Irrtum gestartet wird, um die Zonendurchflussraten zu bestimmen. Die Zuordnung von Säulen kann jedoch die Effizienz des Systems signifikant beeinflussen und kann sogar bestimmen, ob eine gewünschte Trennung möglich ist.
Ein weiterer Parameter, der signifikant die Effizienz eines speziellen Systems beeinflussen kann, der einzigartig für Mehrkomponententrennungen ist, bei denen eine Komponente mit einer Zwischenaffinität gewünscht ist, ist die Aufsplittungsstrategie. Solche Trennungen erfordern typischerweise Tandem-SMBs oder parallele SMBs, bei denen die Zwischenaffinitätsfraktion nach und nach von den schnell und langsam sich bewegenden Fraktionen getrennt wird. Wenn Mehrkomponentenmischungen aufgesplittet werden, können mehrere Sequenzen des Aufsplittens beobachtet werden. Bei einem Zwei-Ring-Split muss z.B. entschieden werden, ob die Zwischenfraktion von der schnellen oder langsam sich bewegenden Fraktion im ersten Ring abgespalten werden soll. Eine weitere Option (nicht im Stand der Technik erwähnt) besteht darin, ob zugelassen werden soll, dass die Komponente, die nicht im ersten Ring abgespalten wird, sich im ersten Ring verteilen kann und dadurch sowohl Extrakt- als auch Raffinatströme kontaminiert. Wiederum würden Methoden des Standes der Technik eine übermäßige Anzahl an Computersimulationen oder Versuchen erfordern, die durchgeführt werden müssen, um die Effizienz jeder dieser Optionen auszuwerten.
In einer kürzlich von Ma und Wang (1997) durchgeführten Studie wurde eine Analysemethode mit stehender Welle zur binären Trennung entwickelt für Systeme mit kontinuierlich sich bewegendem Bett (CMB) und für SMB-Systeme mit linearen Isothermen. Die Analyse basiert auf der Idee, dass eine Schlüsselkonzentrationswelle in jeder Zone mit der gleichen Geschwindigkeit wandern kann, wie die Kanalbewegungsgeschwindigkeit (oder stehend gehalten wird im Hinblick auf die Kanäle), um Produktreinheiten sicherzustellen (5). Indem die vier Zonendurchflussraten und die Feststoffbewegungsgeschwindigkeit in einem SMB in richtiger Weise ausgewählt werden, kann die Adsorptionswelle der schnellen Fraktion in Zone IV stehend gehalten werden und ihre Desorptionswelle kann in Zone II stehend gehalten werden, während die Adsorptionswelle der langsamen Fraktion in Zone III stehend gehalten wird und die Desorptionswelle in Zone I stehend gehalten wird (5). Unter den Bedingungen einer stehenden Welle schlugen Ma und Wang (1997) eine Reihe von algebraischen Gleichungen für binäre Systeme vor, die lineare Isothermen zeigen und signifikante Massentransferresistenzen, um Produktreinheit und Ausbeute mit Zonenlängen, Zonendurchflussraten, Kanalumschaltzeit und Retentions- und Massentransferparametern zu verbinden.
Die Analyse der stehenden Welle, die von Ma und Wang (1997) vorgeschlagen wurde, stellt einen signifikanten Vorteil in der Entwicklung binärer SMBs dar, da sie die Notwendigkeit ausräumt, zahlreiche Computersimulationen oder experimentelle Versuche durchzuführen, wenn SMBs entwickelt werden. Computersimulationen können immer noch durchgeführt werden, typischerweise aber nur, um die Ergebnisse der Analyse mit stehender Welle zu validieren. Die Analyse mit stehender Welle, die von Ma und Wang (1997) beschrieben wurde, war jedoch auf binäre SMBs beschränkt und zeigte daher nicht, wie ein SMB für Mehrkomponententrennung zu entwickeln und zu betreiben ist. Ma und Wang (1997) zeigten auch nicht, wie eine Anzahl anderer Punkte überwunden wird, die mit der Entwicklung von SMBs, insbesondere SMBs für Mehrkomponententrennungen, verbunden sind, einschließlich der Zuordnung der Säulen, Aufsplittungsstrategien und wie Totvolumeneffekte bei Frontbildung und in Extrasäulen vermieden werden.
Insulin
Insulin, ein Polypeptidhormon, ist wesentlich für die Zuführung von Energie in die Zellen von Wirbeltieren. Ein Mangel an Insulin verursacht die Krankheit Diabetes, die dritthäufigste Todesursache in industrialisierten Ländern nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Krebs (Barfoed, 1987). Die erste erfolgreiche Diabetesbehandlung mit Insulin wurde von Frederick Banting und Charles Best 1922 durchgeführt. Von 1922 bis 1972 waren die einzigen Quellen für Insulin zur Behandlung von Diabetes die Bauchspeicheldrüsen von Tieren, wie Kühen und Schweinen. In den 70er-Jahren wurde es jedoch klar, dass der Bedarf an Insulin schnell den Vorrat, der über tierische Quellen verfügbar war, überschreiten würde, und rekombinante DNA-Techniken wurden entwickelt. Die meisten derzeitigen Insulinprodukte werden erzeugt unter Verwendung von Organismen, die mit rekombinanter DNA transformiert sind. Ein solches Produkt wird als biosynthetisches Humaninsulin ("BHI") bezeichnet.
Die Reinigung von BHI aus der Fermentationsbrühe beinhaltet mehrere Chromatographieprozesse (Kroeff et al., 1989; Ladisch und Kohlmann, 1992), einschließlich Größenausschlusschromatographie (SEC), bei der ZnCl₂ und Proteine mit hohem Molekulargewicht (HMWP), einschließlich Proinsulin (HPI) entfernt werden. Die SEC ist ein Batch-Verfahren, das aus Vorequilibrierungs-, Beladungs- und Elutionsstufen besteht. Eine Methode zur Verbesserung der Ausbeute von Insulin bei diesem Verfahren und zur Erhöhung des Durchsatzes für das System wäre höchst wünschenswert.
Das Dokument T.B. Jensen et al.: "Novel simulated moving-bed method for reduced solvent consumption", JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS BV AMSTERDAM, NL, Bd. 873, Nr. 2, März 2000 (2000-03), Seiten 149–162, lehrt die Reinigung von Insulin mit der Dreiecksmethode.
Gegenstände der Erfindung
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Ausbeuten chromatographischer Prozesse zur Reinigung von Insulin aus HMWP und Zinkchlorid zu verbessern.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, Verfahren bereitzustellen, um Insulin unter Verwendung von SMB-Chromatographie aus Zwei- und Mehrkomponentenmischungen zu reinigen.
Es ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung, den Lösungsmittelverbrauch zu senken und die Adsorbensverwertung bei der SMB-chromatographischen Reinigung von Insulin zu erhöhen.
Ein weiterer Gegenstand ist es, SMBs für die Insulinreinigung bereitzustellen, bei denen signifikante Massentransferresistenzen beobachtet werden.
Noch ein weiterer Gegenstand ist es, SMBs zur Insulinreinigung bereitzustellen, die unter linearen Isothermen betrieben werden, gegebenenfalls unter Verwendung von Größenausschlusschromatographie.
Ein weiterer Gegenstand ist es, Säulenkonfigurationen für die SMB-Reinigung von Insulin bereitzustellen, die die wirtschaftliche Effizienz maximieren.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, SMBs zur Trennung von Mehrkomponentenmischungen von Insulin in zwei oder mehr Ringen unter Verwendung von Aufsplittregeln, die die wirtschaftliche Effizienz optimieren, bereitzustellen.
Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, Methoden bereitzustellen, um Systeme zur Reinigung von Insulin unter Verwendung von SMB-Chromatographie zu entwickeln unter Verwendung einer Ausführung mit stehenden Wellen, um den Desorbensverbrauch zu minimieren und um ein Screenen alternativer SMB-Systeme für eine optimale wirtschaftliche Effizienz zuzulassen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfinder haben überraschenderweise gefunden (1) ein neues Verfahren zur Reinigung von Insulin unter Verwendung von SMB-Chromatographie und (2) die Entwicklungsparameter zur Reinigung von Insulin aus Zwei- und Mehrkomponentenmischungen unter Verwendung von SMB-Chromatographie. Die Ausführungsparameter bedeuten eine neue Ausdehnung der Ausgestaltung mit stehender Welle, wie sie von Ma und Wang (1997) vorgeschlagen wurde, und lassen es zu, dass Insulin unter Verwendung der SMB-Chromatographie über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen, Säulenkonfigurationen und Kombinationen von Desorbens und Adsorbens gereinigt werden kann, wenn lineare Adsorptionsisothermen beobachtet werden. Signifikanterweise lassen es die Ausführungsparameter zu, dass solche Systeme entwickelt werden trotz der Gegenwart signifikanter Massentransferresistenzen. Außerdem führen die Parameter immer zu einem SMB-System, das die Desorbensverwendung für eine gegebene Beschickungsrate minimiert.
Somit liefert in einer Ausführungsform die Erfindung ein Verfahren, um Insulin chromatographisch von einer oder mehreren Komponenten abzutrennen, das umfasst:

a) dass ein Simulated Moving Bed bzw. simuliertes Wanderbett, das einen ersten Ring, eine stationäre Phase und einen ersten Desorbensstrom aufweist, bereitgestellt wird;
b) ein Zulaufstrom, der Insulin und eine erste Komponente oder Fraktion enthält, bereitgestellt wird;
c) der erste Desorbensstrom und der Zulaufstrom dem ersten Ring zugeführt werden unter Bedingungen einer stehenden Welle, um das Insulin von der ersten Komponente oder Fraktion zu trennen und
d) das im Wesentlichen von der ersten Komponente oder Fraktion abgetrennte Insulin vom ersten Ring entnommen wird.

In Fällen, in denen der Beschickungsstrom bzw. Zulaufstrom weiterhin eine zweite Komponente oder Fraktion enthält und die Affinität des Insulins für die stationäre Phase zwischen den Affinitäten von erster und zweiter Komponente und/oder Fraktion für die stationäre Phase liegt, umfasst das Verfahren weiterhin:

a) dass das Insulin aus dem ersten Ring und ein zweiter Desorbensstrom zu einem zweiten Ring zugeführt werden unter Bedingungen, die ausreichend sind, um das Insulin von der zweiten Komponente oder Fraktion zu trennen und
b) das im Wesentlichen von der zweiten Komponente oder Fraktion abgetrennte Insulin von dem zweiten Ring entnommen wird.

In einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung Verfahren, um SMBs für die chromatographische Reinigung von Insulin zu entwickeln, zu konstruieren und zu betreiben, insbesondere für Systeme mit linearen Adsorptionsisothermen. Somit liefert in einem weiteren As pekt die Erfindung ein Verfahren zur Entwicklung eines SMB für die Reinigung von Insulin aus einer Zwei- oder Mehrkomponentenmischung, das umfasst, dass

a) Gleichungen bereitgestellt bzw. aufgestellt werden, die die Gestaltung, den Betrieb und die intrinsischen technischen Parameter eines SMB, das lineare Isothermen aufweist, in Beziehung zueinander bringen, wobei die Gleichungen von Stehende-Wellen-Bedingungen für alle Zonen des SMB ausgehen;
b) ein erster Satz an Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben ist, der ausreichend ist, um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen zur Trennung der Mehrkomponentenmischung in einem ersten SMB zu lösen und
c) die Gleichungen gelöst werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das SMB einen ersten Ring A, der vier Zonen aufweist, und die Gleichungen gehen von den folgenden Stehende-Wellen-Bedingungen in jeder Zone aus:

i) in Zone I: die Desorptionswelle der Komponente von N;
ii) in Zone II: die Desorptionswelle der Komponente j;
iii) in Zone III: die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 und
iv) in Zone IV: die Adsorptionswelle von Komponente 1; wobei die Komponenten mit 1 ... j, j + 1, ... N nummeriert sind in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität für die stationäre Phase und wobei eine Aufsplittung zwischen den Komponenten j und j + 1 erwünscht ist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, die SMB-Systemleistung zu optimieren, wenn Insulin gereinigt wird unter Verwendung vereinfachter Gleichungen, die mannigfaltige Ausführungs- und Betriebsparameter zulassen (z.B. verschiedene Säulenkonfigurationen), die schnell gescreent werden können. Die Erfindung vermeidet somit die Notwendigkeit, detaillierte Computersimulationen mit Versuch und Irrtum für jeden SMB-Parameter detailliert durchzuführen. Somit liefert in einer weiteren Ausführungsform die Erfindung ein Verfahren, um ein SMB-System zur Reinigung von Insulin zu optimieren, wobei das System lineare Isothermen zeigt, das umfasst:

a) dass Gleichungen bereitgestellt werden, die Gestaltungs-, Betriebs- und intrinsische technische Parameter unter den Bedingungen einer stehenden Welle eines SMB, das lineare Isothermen aufweist, zueinander in Beziehung setzen;
b) ein erster Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben ist, der ausreichend ist, um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen zur Trennung der Zwei- oder Mehrkomponentenmischung in einem ersten SMB zu lösen;
c) ein zweiter Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben wird, der ausreichend ist, um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen zur Trennung der Zwei- oder Mehrkomponentenmischung in einem zweiten SMB zu lösen und
d) die ökonomische Effizienz von erstem und zweitem SMB ausgewertet und verglichen wird.

Die Gestaltung mit einer stehenden Welle der vorliegenden Erfindung kann leicht angewendet werden, um ein industrielles oder im Labor betriebenes Batch-Chromatographieverfahren auf ein Simulated-Moving-Bed-Verfahren anzuwenden, um die Ausbeute, Reinheit und den Durchsatz des Systems zu erhöhen. Die Verwendung einer stationären Phase (d.h. Durchsatz) und der Desorbensverbrauch können wesentlich verbessert werden gegenüber solchen Verfahren durch geeignete Ausgestaltung von Zonenlängen, Durchflussraten und Kanalumschaltzeit. Ein für die Größenausschlussreinigung von Insulin entwickeltes SMB-System unter Verwendung eines Sephadex-Gels, das aus zwei SMBs in Reihe besteht, erreichte 99,9% Reinheit, 99,0% Ausbeute und 1,191/h 100L BV Durchsatz.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung eines Simulated Moving Bed mit vier Ringen, das die Einleitungspunkte der Zulauf- und Desorbensleitungen zeigt, die Entnahmepunkte für Extrakt und Raffinat und die Richtung von mobiler Phase und Kanalbewegung.
2 ist ein hypothetisches Diagramm, das den Dreiecksbereich der SMB-Betriebsbedingungen erläutert, die eine vollständige Trennung der zwei Komponenten in einem idealen System sicherstellen, wobei die normalisierte Geschwindigkeit der mobilen Phase in Zone II auf der x-Achse aufgetragen ist und die normalisierte Geschwindigkeit der mobilen Phase in Zone III auf der y-Achse aufgetragen ist.
3 ist ein Diagramm, das den Dreiecksbereich der SMB-Betriebsbedingungen in den Zonen II und III für ein ideales System zeigt. Mehrere kleinere Dreiecksbereiche sind eingefügt für Betriebsbedingungen, die aus Computersimulationen des SMB stammen unter der Annahme verschiedener Massentransferresistenzen, wobei die Endreinheit der Komponenten konstant auf 99% gehalten wird. Das Diagramm ist aus Azevedo und Rodriguez (1999) entnommen. Der Scheitelpunkt jedes Dreiecks bedeutet die Bedingungen, unter denen der Desorbensverbrauch minimiert ist, wie durch die Analyse der stehenden Welle von Ma und Wang (1997) bestimmt.
4 ist eine Liste von Parametern, die am Aufbau eines SMB-Prozesses beteiligt sind. Die Beziehungen zwischen diesen Parametern sind auch in der Figur gezeigt.
5 ist ein Konzentrationsprofil der stehenden Konzentrationswellen in einem kontinuierlich sich bewegenden Bett zur Auftrennung von zwei Komponenten in einem nicht idea len System. Solut 1 ist der schnell sich bewegende gelöste Stoff; Solut 2 ist der langsam sich bewegende gelöste Stoff.
6a und 6b sind Konzentrationsprofile der stehenden Konzentrationswellen in einem SMB zur Auftrennung von N Komponenten ohne Massentransferresistenzen (a) und mit Massentransferresistenzen (b), wobei Solut 1 der sich am schnellsten bewegende gelöste Stoff ist, Solut N der sich am langsamsten bewegende gelöste Stoff ist und eine Aufsplittung erwünscht ist zwischen den Komponenten j und j + 1.
7 ist ein Konzentrationsprofil, das vier Strategien zur Auftrennung der mit 1, 2 und 3 nummerierten Komponenten im Ring eines SMBs zeigt, in einer Mischung, worin α₁ < α₂ < α₃ (d.h. die Affinität von α₁ für die stationäre Phase ist kleiner als die Affinität von α₂ für die stationäre Phase usw.) und Massentransferresistenzen vernachlässigt werden.
8 ist ein Fließdiagramm der verschiedenen Parameter, die in die Ausgestaltung eines SMB eingehen unter Verwendung der Analyse einer stehenden Welle, und wie sie verwendet werden, um die wirtschaftliche Effizienz eines speziellen SMBs zu erreichen.
9(a) bis (d) sind Elutionschromatogramme, die Versuchsdaten und Computersimulationsergebnisse von Pulstests mit einer Säule im Labormaßstab bei verschiedenen Konzentrationen für (a) blaues Dextran, (b) NaCl, (c) BHI und (d) ZnCl₂ darstellen.
10(a) bis (c) sind Elutionschromatogramme, die Versuchsdaten und Computersimulationen für Langpulstests darstellen unter Anwendung einer gesättigten BHI-Sättigungslösung, die mit 1 n Essigsäure eluiert wird auf einer Säule im Pilotmaßstab, die mit (a) 8,1 ml/min, (b) 4,0 ml/min und (c) 2,0 ml/min betrieben wird.
11(a) bis (c) sind Chromatogramme, die Versuchsdaten und Simulationsergebnisse eines Mehrfach-BHI-Frontaltests mit einer Säule im Labormaßstab darstellen, einschließlich Mehrfachfrontaldaten ohne eine Säule (a), Mehrfachfrontaldaten mit einer Säule (b) und Isothermabsorptionsdaten, die gegen ein Anti-Langmuir-Isothermmodell aufgetragen sind (c).
12(a) und (b) zeigen Versuchsdaten und Simulationsergebnisse von a) der Effluenshistorie an der Raffinatöffnung von BHI, HMWP und ZnCl₂ und (b) der Effluenshistorie an der Extraktöffnung von BHI, HMWP und ZnCl₂ bei einem SMB-Prozess zur Trennung von BHI von HMWP und ZnCl₂. 12(c) zeigt Säulenkonzentrationsprofile in der Mitte des Zyklus beim 45. Zyklus.
13(a) und (b) zeigen Versuchsdaten und Simulationsergebnisse von (a) der Effluenshistorie an der Raffinatöffnung von BHI und (b) der Effluenshistorie an der Extraktöffnung von BHI in einem SMB-Prozess zur Trennung von BHI von HMWP und ZnCl₂. 13(c) zeigt die Säulenkonzentrationsprofile in der Mitte des Zyklus beim 45. Zyklus. Die Daten sind für fünf Simulationen angegeben, in denen E_b für Zone III variiert von dem Wert, der mit der Chung- und Wen-Korrelation abgeschätzt wurde zum 200-Fachen des Wertes, der mit der Chung- und Wen-Korrelation geschätzt wurde.
14(a) und (b) zeigen Versuchsdaten und Simulationsergebnisse von a) der Effluenshistorie an der Raffinatöffnung von BHI, HMWP und ZnCl₂ und (b) der Effluenshistorie an der Extraktöffnung von BHI, HMWP und ZnCl₂ bei einem zweiten SMB-Prozess zur Trennung von BHI von HMWP und ZnCl₂. 14(c) zeigt Säulenkonzentrationsprofile in der Mitte des Zyklus beim 45. Zyklus.
15(a) und (b) zeigen Versuchsdaten und Simulationsergebnisse von a) der Effluenshistorie an der Raffinatöffnung von BHI, HMWP und ZnCl₂ und (b) der Effluenshistorie an der Extraktöffnung von BHI, HMWP und ZnCl₂ bei einem dritten SMB-Prozess zur Trennung von BHI von HMWP und ZnCl₂. 15(c) zeigt Säulenkonzentrationsprofile in der Mitte des Zyklus bei dem 61. Zyklus.
16(a) und (b) enthalten Säulenkonzentrationsprofile zur Abschätzung der Produktkonzentrationen und der Abklingfaktoren für Komponenten, die an der Raffinatöffnung (a) angereichert werden sollen, und für Komponenten, die an der Extraktöffnung (b) angereichert werden sollen. 16(c) zeigt den Mischknoten an der Beschickungsöffnung, die zeigt, wie der Massenausgleich berechnet wird für eine Komponente des Extrakts bei der Abschätzung der Produktkonzentrationen und Abklingfaktoren.
Detaillierte Diskussion
Definitionen
"Insulin" – Der Ausdruck Insulin bezieht sich auf ein Protein mit der folgenden Aminosäuresequenz und Struktur (natürlich vorkommendes Insulin) und biologisch aktive Analoga und Derivate davon:
Der Ausdruck schließt somit Insulin ein, das vom Menschen, aus Schwein- und Rinderarten stammt, ebenso wie Insulin, das chemisch synthetisiert wurde oder unter Verwendung rekombinanter Proteinexpressionssysteme exprimiert wurde, die z.B. E. coli oder Hefe als Wirt verwenden. Ein bevorzugtes Insulin ist Humaninsulin, das unter Verwendung eines Proteinexpressionssystems exprimiert wird. Rekombinantes Insulin wird manchmal hier als biosynthetisches Humaninsulin oder BHI bezeichnet.
Ein Analogon von Insulin bedeutet ein Insulin, das ein oder mehrere Aminosäuresubstitutionen, -deletionen, -additionen oder Umlagerungen im Vergleich zum menschlichen Insulin enthält an solchen Stellen, dass das Insulinanalogon immer noch am Metabolismus von Koh lehydraten teilnimmt, wenn es in vivo verabreicht wird und zur Behandlung von Diabetes mellitus verwendet werden kann. Beispiele für Insulinanaloga schließen LysB28, ProB29-Humaninsulin, AspB28-Humaninsulin und GlyA21, ArgB31, ArgB32-Humaninsulin ein.
Insulinderivate schließen natürlich vorkommendes Insulin und Insulinanaloga, die an einer oder mehreren Aminosäuren chemisch oder enzymatisch derivatisiert sind, einschließlich von Seitenkettenmodifikationen, Gerüstmodifikationen und N- und C-terminalen Modifikationen ein, z.B. Acetylierung, Acylierung, Hydroxylierung, Methylierung, Amidierung, Phosphorylierung oder Glycosilierung, und die biologische Aktivität von Insulin in vivo behalten. Ein Beispiel eines Insulinderivats ist Myristoyl-Nε-LysB29-Humaninsulin.
Chromatographie – Der Ausdruck Chromatographie; wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf jede analytische Technik, die zur chemischen Trennung von Mischungen und Komponenten verwendet wird, die auf der selektiven Anziehung zwischen Komponenten einer Mischung für eine stationäre Phase beruht. Beispiele schließen Adsorptionschromatographie, Aufteilungschromatographie, Ionenaustauschchromatographie, Größenausschlusschromatographie und Affinitätschromatographie ein.
"Adsorbens" – Der Ausdruck Adsorbens wird hier allgemein oder generisch so verwendet, dass er sich auf die stationäre Phase bezieht, die in der Chromatographie verwendet wird, für die die Komponenten der mobilen Phase eine selektive Affinität haben. Da eine solche Affinität eine Vielzahl von Formen außer Adsorption annehmen kann (einschließlich Größenausschluss oder Komplexierung), bezieht sich der Ausdruck auf stationäre Phasen, die die Komponenten einer Mischung adsorbieren und auf stationäre Phasen, die die Komponenten nicht technisch aus der mobilen Phase adsorbieren, sich aber nichtsdestotrotz als Adsorbens verhalten, indem sie die Wanderungsgeschwindigkeit einer Komponente bezogen auf eine andere in einem chromatographischen System verlangsamen.
"Gereinigt" – Eine Komponente oder Fraktion gilt als gereinigt, wenn ihre relative Konzentration (Gewicht der Komponente oder Fraktion geteilt durch das Gewicht aller Komponenten oder Fraktionen in der Mischung) um mindestens 20% erhöht wird. Bei einer Reihe von Ausführungsformen wird die relative Konzentration um mindestens 40%, 50%, 60%, 75%, 100%, 150% oder 200% erhöht. Eine Komponente oder Fraktion kann auch als gereinigt bezeichnet werden, wenn die relative Konzentration der Komponenten, aus denen sie gereinigt wurde (Gewicht der Komponente oder Fraktion, aus der sie gereinigt wurde, geteilt durch das Gewicht aller Komponenten oder Fraktionen in der Mischung) um mindestens 20%, 40%, 50%, 60%, 75%, 85%, 95%, 98% oder 100% abnimmt. In einer weiteren Reihe von Ausführungsformen wird die Komponente oder Fraktion auf eine relative Konzentration von mindestens 50%, 65%, 75%, 85%, 90%, 95%, 97%, 98% oder 99% gereinigt. Wenn eine Komponente oder Fraktion in einer Ausführungsform von anderen Komponenten oder Fraktionen "abgetrennt" wird, versteht es sich, dass in anderen Ausführungsformen die Komponente oder Fraktion auf das hier angegebene Ausmaß "gereinigt" wird.
Simulated Moving Bed oder simuliertes Wanderbett – Ein Simulated Moving Bed bezieht sich auf eine modifizierte kontinuierliche Moving-Bed-Konfiguration, bei der die Bewegung der Adsorbensphase simuliert wird durch die periodische Bewegung von Zulauf-, Desorbens-, Extrakt- und Raffinatleitungen in Richtung der Strömung der mobilen Phase. Das typische Simulated Moving Bed enthält vier getrennte Zonen und mindestens vier Säulen identischer Größe, die in den Zonen angeordnet sind. Das SMB muss jedoch nicht genau aus vier Zonen bestehen. Z.B. kann die Anzahl der Zonen auf drei reduziert werden, wenn das Desorbens nicht regeneriert wird und stattdessen vollständig mit dem Raffinat- und Extraktstrom abgezogen wird. In gleicher Weise können fünf Zonen angewendet werden, damit drei Ströme aus dem Ring abgezogen werden können, insbesondere wenn vier oder mehr Komponenten in dem System getrennt werden sollen. Als weiteres Beispiel kann das SMB ein oder mehrere Regenerationszonen aufweisen.
Ring – Der Ausdruck "Ring" wird verwendet, um zu beschreiben, wie die Zonen in Bezug zueinander in einem SMB ausgebildet sind, da der Durchsatz jeder Zone den Zulauf für die nachfolgende Zone in kreisförmiger Art und Weise bildet. Der Ausdruck "Ring" sollte daher nicht so verstanden werden, dass er auf eine ringförmige Konfiguration der Zonen und Säulen innerhalb der Zonen beschränkt ist.
Lineare Isothermen – Ein System, das lineare Isothermen aufweist, bezieht sich auf ein System, bei dem der Teilungskoeffizient der Komponente i (d.h. das Verhältnis der Konzentration von Komponente i in der mobilen Phase dividiert durch die Konzentration von Komponente i in der stationären Phase) konstant ist. Somit wird in einem linearen System mit Massentransferwirkungen die Wanderungsgeschwindigkeit von Komponente i durch die folgende Gleichung beherrscht:
worin P ≡ (1 – ε_b)/ε_b das Volumenverhältnis von mobiler Phase/Teilchenphase ist, ε_b der Leerraumanteil zwischen den Teilchen ist, u₀ die lineare Geschwindigkeit in den Zwischenräumen ist und δ_i der Retentionsfaktor des Soluts bzw. des gelösten Stoffs i ist: δi(≡ Keiεp + (1 – Keiεp)αi) (2)
Ke_i ist der Größenausschlussfaktor, ε_p ist die Teilchenleerraumfraktion und α_i ist der Teilungskoeffizient bei geringer Konzentration auf Basis des Feststoffvolumens. Ein System, das lineare Isothermen zeigt, kann gut durch die obige Beziehung dargestellt werden. Ein Größenausschlusssystem, bei dem der Wert von α_i 0 ist, ist das einfachste lineare Isothermensystem. Eine schwache Adsorption (mit Werten für α_i, die sich null annähern) kann dargestellt werden unter Verwendung eines scheinbaren Ke, das einen größeren Wert hat als das intrinsische Ke. Viele Arten von chromatographischen Systemen können innerhalb eines Bereichs von linearen Isothermen betrieben werden. Einige Systeme beachten jedoch nicht-lineare Isothermen über einen großen Bereich von Betriebsbedingungen oder eine große Anzahl von Zulauf/Adsorbenskombinationen. Systeme weichen jedoch typischerweise von linearen Isothermen ab, wenn die Komponentenkonzentration ansteigt (oder die Absorbenskapazität abnimmt), und die Konkurrenz zwischen den Komponenten für verfügbare Adsorbenskapazität wird ein Faktor.
Mehrkomponentenmischung – Der Ausdruck Mehrkomponentenmischung bezieht sich auf eine Fluidmischung, die drei oder mehr Komponenten oder Fraktionen enthält, die getrennt werden können unter Verwendung eines vorbeschriebenen chromatographischen Prozesses, da jede Komponente oder Fraktion eine andere Affinität für das angewendete Adsorbens zeigt.
Zwischenkomponente oder -fraktion – Die Zwischenkomponente oder -fraktion einer Mehrkomponentenmischung bezieht sich auf die Komponente (oder Fraktion von Komponenten), die in einem speziellen chromatographischen System eine Affinität für die stationäre Phase zeigt, die zwischen den Affinitäten von mindestens zwei anderen Komponenten oder Fraktionen für die stationäre Phase liegt. Die "Komponenten" oder "Fraktionen" einer Mischung schließen Lösungsmittel und andere Materialien nicht ein, die keine signifikante Affinität für das Adsorbens zeigen und werden von den gewünschten Komponenten nach SMB-Aufarbeitung durch übliche chemische Arbeitsschritte, wie Destillation, getrennt.
Massentransferwirkungen – Massentransferwirkungen beziehen sich allgemein auf solche physikalischen Phänomene, die Komponenten einer Mischung dazu bringen, unterschiedliches Dispersionsverhalten von der Mischung in einem gegebenen System zu zeigen und vom idealen System abzuweichen. Massentransferwirkungen schließen somit solche Wirkungen ein, die modellartig gebildet werden unter Verwendung von axialen Dispersionskoeffizienten, Intrateilchendiffusionskoeffizienten und Filmmassentransferkoeffizienten. Massentransferwirkungen schließen somit auch Frontbildung und Dispersion aufgrund eines Extrasäulentotvolumens ein. Eine Trennung wird durch nicht vernachlässigbare Massentransferwirkungen verhindert, wenn der Massentransferkorrekturterm, der unten genauer diskutiert wird, mehr als 2% der Geschwindigkeit der mobilen Phase in irgendeiner der Zonen beträgt, wie durch die Gleichungen 3 bis 6 beschrieben (die Geschwindigkeiten der mobilen Phase für ein ideales System), um eine vorgeschriebene Reinheit und Ausbeute zu erzielen. Die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können sich auch auf Systeme erstrecken, bei denen die Massentransferkorrekturgeschwindigkeit die Geschwindigkeit der mobilen Phase für das ideale System um mehr als 1, 3, 5, 7,5, 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100%, 200%, 400%, 600%, 1000% oder mehr erhöht oder senkt.
Frontbildungs- und/oder Extrasäulenwirkungen – Frontbildung bezieht sich auf das physikalische Phänomen, dass Konzentrationswellen sich in Richtung der Fluidströmung verbreiten als Ergebnis von Isothermen des Anti-Langmuir-Typs (Karger et al., 1973) oder durch Abweichung von der Pfropfenströmung. Die Abweichung wird gewöhnlich durch nicht gleichmäßige Packung, Viskositätswirkungen (Flodin, 1961; Collins, 1961) etc. verursacht. Extrasäuleneffekte beziehen sich auf die Effekte, die durch Extrasäulentotraum entstehen, einschließlich Verbindungsschläuchen, Probenleitungen, Leerraum in Säulenköpfen. Die Extrasäulenwirkungen führen zu einer Verlangsamung der gelösten Stoffe, die durch ein chromatographisches System wandern, und führen auch zu einer Verteilung der Konzentrationswelle zusätzlich zu der Verteilung, die durch die vorher erwähnten Intrasäulenmassentransferwirkungen verursacht wird.
Wesentliche Trennung – Eine erste Komponente oder Fraktion gilt als im Wesentlichen von einer zweiten Komponente oder Fraktion getrennt, wenn das Gewichtsverhältnis der zweiten Komponente oder Fraktion zu der ersten Komponente oder Fraktion um mindestens 50% reduziert wird. Das Verhältnis wird bevorzugt um mindestens 65%, 75%, 85%, 90%, 95%, 98% oder 99% reduziert.
"Erste" – In einer Reihe von Zusammenhängen wird eine Zahlenangabe, wie "erste" oder "zweite" verwendet, um ein spezielles Element eines Systems oder eines Verfahrens zu beschreiben. Es versteht sich, dass die numerische Bezeichnung der Einfachheit halber verwendet wird zur Beschreibung und nicht so interpretiert werden sollte, dass ein zweites existiert wegen der Gegenwart eines ersten. Somit lässt die Bezugnahme auf einen ersten Ring die Gegenwart eines zweiten Rings zu, ohne dessen Gegenwart vorauszusetzen. In gleicher Weise versteht sich, dass dann, wenn erste und zweite Dinge vorbeschrieben werden, wie erste und zweite stationäre Phasen von zwei Tandemringen, dass diese zwei Dinge die gleichen sein können (wie z.B. die gleiche Art von Adsorbens), dass aber die Dinge in räumlichem oder anderem trennenden Sinn verschieden sein können.
"Auflösen einer Gleichung" – In etlichen Fällen ist ein Satz von Betriebsbedingungen und/oder Gestaltungsparametern spezifisch angegeben und es ist angegeben, dass Gleichungen, die diese Betriebsbedingungen oder Gestaltungsparameter betreffen, aufgelöst werden, um zu den SMBs der vorliegenden Erfindung zu kommen. Wenn eine solche Beziehung definiert ist, versteht es sich, dass diese Beziehung nicht wörtlich beschränkt ist auf die exakten Betriebsbedingungen und/oder Gestaltungsparameter, die durch den Satz definiert werden, sondern dass die Gleichungen aufgelöst werden können unter Verwendung von Variablen, von denen die Betriebsbedingungen und/oder Gestaltungsparameter abgeleitet sein können. Bei einer Anzahl von Ausführungsformen werden z.B. Gleichungen bereitgestellt, die Produktreinheit und Ausbeute mit verschiedenen anderen Ausdrücken in Beziehung setzen. Es versteht sich, dass solche Gleichungen auch die Reinheit der abgetrennten Komponenten in dem Extrakt und Raffinat betreffen könnten, da die Produktreinheit und Ausbeute leicht von solchen Reinheiten abgeleitet werden kann. Wenn somit eine spezielle Gleichung gegeben ist zur Entwicklung der SMBs der vorliegenden Erfindung und angegeben ist, dass eine Ableitung der Gleichung auch angewendet werden kann, versteht es sich, dass solche Ableitungen die Substitution von Variablen einschließen, für die eine bekannte Beziehung besteht, indem solche Beziehungen in die Gleichung integriert werden.
"Optimieren der ökonomischen bzw. wirtschaftlichen Effizienz" – In verschiedenen Fällen ist hier angemerkt, dass die ökonomische Effizienz von SMBs verbessert oder optimiert werden kann unter Verwendung der erfindungsgemäßen Methoden. Es versteht sich, dass die schließlich erreichte ökonomische Effizienz eines Systems auf einem Satz von Beziehungen besteht, die zu zahlreich sind, um hier adäquat ausgedrückt zu werden, die aber allgemein berücksichtigt werden können basierend auf allgemein bekannten Methoden des chemischen Ingenieurwesens. Ökonomische Effizienz kann oft durch ungefähre Regeln für ein spezielles System beurteilt werden. In vielen Systemen kann z.B. die ökonomische Effizienz strikt durch den Durchsatz beurteilt werden, da Kapital und Aufrechterhaltungskosten, die mit dem Durchsatz verbunden sind, vorherrschen. In anderen Systemen kann die ökonomische Effizienz durch die Menge an verwendetem Desorbens beurteilt werden aufgrund der Kosten der Abtrennung des Desorbens von der gewünschten Komponente/den gewünschten Komponenten oder der Rohmaterialkosten des Desorbens. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung basiert daher die ökonomische Effizienz auf der Durchsatzrate oder Desorbensverwendung. Solche Raten und Verhältnisse sind, wie alle anderen Raten und Verhältnisse, die hier ausgedrückt werden, auf Volumen bezogen, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben oder wenn nicht der Zusammenhang klar dagegen spricht.
Wenn der Durchsatz oder die Desorbensverwendung für ein spezielles System "optimiert" sind, versteht es sich, dass der Durchsatz sich dem maximal erhältlichen Pegel annähert oder diesem gleicht bei Bedingungen einer stehenden Welle oder dass die Desorbensverwendung sich der minimalen Desorbensverwendung, die unter Bedingungen einer stehenden Welle erhältlich ist, annähert oder ihr gleicht, für das jeweils untersuchte System. Somit ist der Durchsatz maximiert, wenn er 85%, 90%, 95%, 97%, 98% oder 99% des Maximums bei stehender Welle überschreitet. Die Desorbensverwendung ist minimiert, wenn sie geringer ist als 125%, 115%, 110%, 105%, 103%, 102% oder 101% des Minimums bei stehender Welle.
Desorbens – Der Ausdruck Desorbens bedeutet die mobile Phase, die einem SMB-Ring zwischen Raffinat- und Extraktöffnung zugegeben wird. Der Ausdruck "Desorbens" wird verwendet, weil das Desorbens, wenn es mit der gesamten mobilen Phase kombiniert wird, zu Desorptionswellen der verschiedenen Komponenten in den jeweiligen Zonen beiträgt, entweder durch Erhöhen der Geschwindigkeit der mobilen Phase in einem Größenausschlusssystem oder durch physikalisches Verdrängen oder Entfernen der Lösung von der festen Phase. Somit soll der Ausdruck "Desorbens" nicht implizieren, dass die Desorbenszusammensetzung irgendeine spezifische Desorbenskapazität hat, oder dass sie durch andere spezielle physikalische Mechanismen desorbiert.
"Desorbensverwendung" – Der Ausdruck Desorbensverwendung bezieht sich auf die volumetrische Durchflussrate des Desorbens in einem SMB und kann daher direkt an der Desor benseinlassleitung gemessen werden. Die Desorbensverwendung ist minimiert, wenn für eine gegebene Abtrennung in einem definierten System die Desorbensverwendung geringer als 125%, 115%, 110% oder 105% der theoretischen Desorbensverwendung ist, die durch die stehenden Wellengleichungen definiert wird. Die Desorbensverwendung ist bevorzugt kleiner als 102% oder 101% der theoretischen Verwendung.
Insulinreinigung
Wie oben erwähnt, haben die Erfinder neue Methoden zur chromatographischen Reinigung von Insulin aus Zwei- und Mehrkomponentenmischungen aufgefunden unter Verwendung der Simulated-Moving-Bed-Technologie. Im Fall von Mehrkomponentenmischungen können die Methoden bzw. Verfahren verwendet werden, um pseudobinäre Trennungen zu erzielen ebenso wie Trennungen von Komponenten und/oder Fraktionen von Mehrkomponentenmischungen mit dazwischenliegender Affinität. Im Fall einer pseudobinären Trennung wird das Insulin die schnellste oder langsamste Komponente einer Mehrkomponentenmischung sein und wird aus einer Fraktion abgetrennt, die mindestens zwei Komponenten in einem Trennschritt enthält unter Verwendung nur eines SMB-Rings. Wenn Insulin eine Komponente mit dazwischenliegender Affinität ist, dann wird das Insulin aus den schnelleren und langsameren Komponenten und/oder Fraktionen in zwei aufeinander folgenden Trenngängen abgetrennt werden müssen unter Verwendung von zwei SMB-Ringen.
Somit liefert in einer Ausführungsform die Erfindung ein Verfahren, um Insulin chromatographisch von einer oder mehreren Komponenten und/oder Fraktionen zu trennen, das umfasst:

a) dass ein Simulated Moving Bed bereitgestellt wird, das einen ersten Ring, eine stationäre Phase und einen ersten Desorbensstrom aufweist;
b) dass ein Beschickungsstrom oder Zulaufstrom bereitgestellt wird, der Insulin und eine erste Komponente oder Fraktion enthält;
c) dass der erste Desorbensstrom und der Zulaufstrom dem ersten Ring unter solchen Bedingungen zugeführt werden, die ausreichen, um das Insulin von der ersten Komponente oder Fraktion abzutrennen und
d) dass das im Wesentlichen von der ersten Komponente oder Fraktion getrennte Insulin aus dem ersten Ring als Extrakt oder Raffinat abgezogen wird.

Wenn das Insulin eine Komponente mit dazwischenliegender Affinität ist, dann wird das Verfahren weiter umfassen:

a) dass das Insulin aus dem ersten Ring und ein zweiter Desorbensstrom einem zweiten Ring zugeführt werden unter Bedingungen, um das Insulin von einer zweiten Komponente oder Fraktion abzutrennen und
b) ein Extrakt oder Raffinat aus dem zweiten Ring abgezogen wird, das/der das Insulin im Wesentlichen von der ersten und zweiten Komponente und/oder Fraktion getrennt enthält.

In bevorzugten Ausführungsformen wird die Desorbensverwendung für die Abtrennungen im ersten und/oder zweiten Ring minimiert.
Das Verfahren kann verwendet werden, um jede Art von Insulin zu reinigen, da dieser Ausdruck hier breit angewendet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Insulin jedoch biosynthetisches humanes Insulin, das aus einem rekombinanten Proteinexpressionssystem stammt. Komponenten, aus denen das Insulin gereinigt werden kann, schließen bevorzugt Proteine mit hohem Molekulargewicht aus dem rekombinanten Expressionsprozess (wie Proteasen und Fusionsproteinreste, die nicht korrekt abgespalten wurden) und Proinsulin ein. Der Ausdruck Protein mit hohem Molekulargewicht (HMWP) wird verwendet, um jedes Protein zu bezeichnen, das ein höheres Molekulargewicht als Insulin hat. Bemerkenswerterweise können die HMWP bei der jeweiligen Insulinreinigung, die hier offenbart wird, als nur eine Komponente behandelt werden, da die HMWP-Komponenten sich im Wesentlichen wie eine Einheit unter chromatographischen Bedingungen verhalten. Eine weitere Komponente zur Abtrennung von Insulin ist eine mit einem geringeren Molekulargewicht als Insulin, z.B. ein Spaltungspeptid oder Metallsalz, wie ein Salz von Calcium, Zink, Nickel, Cobalt und dgl., die entfernt werden müssen.
Das Verfahren kann verwendet werden, um Insulin aus irgendeiner Mischung zu reinigen, die geeigneterweise aufgetrennt werden kann unter Verwendung von Chromatographie, unter Verwendung irgendeiner chromatographischen Methode, einschließlich Adsorptionschromatographie, Teilungschromatographie, Ionenaustauschchromatographie, Größenausschlusschromatographie und Affinitätschromatographie. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Reinigung jedoch unter linearen Adsorptionsisothermen erreicht. In einer noch bevorzugteren Ausführungsform wird die Reinigung unter Verwendung eines Größenausschlussprozesses erreicht.
Bei der Größenausschlusschromatographie fehlt dem Prozess im Wesentlichen jede Anziehungswechselwirkung zwischen stationärer Phase und Komponente. Die flüssige oder gasförmige Phase läuft durch ein poröses Gel, das die Moleküle der Größe nach auftrennt. Die Poren sind normalerweise klein und schließen größere Komponentenmoleküle aus, lassen aber kleinere Moleküle in das Gel eintreten, so dass sie durch ein größeres Volumen fließen müssen. Dies verursacht, dass die größeren Moleküle in einer schnelleren Rate durch die Säule laufen als die kleinen. Für die Auftrennung von biologischen Molekülen in wässrigen Systemen wird SEC typischerweise als Gelfiltrationschromatographie (GFC) bezeichnet, während die Abtrennung von organischen Polymeren in nicht wässrigen Systemen als Gelpermeationschromatographie (GPC) bezeichnet wird.
Beispiele für geeignete Größenausschlussmaterialien schließen unter anderem Stärke (einschließlich Maisstärke), vernetztes Galactomanan, vernetztes Dextran, Agar oder Agarose, Polyacrylamide, Copolymere von Acrylamid und Methylenbisacrylamid, Copolymere von Methylenbisacrylamid mit Vinylethylcarbitol und mit Vinylpyrrolidon und dgl. ein. Für anspruchsvollere Umgebungen könnte man ein starres auf Polymer basierendes Gel aus einem auf Silica basierenden oder auf Polymer basierenden Material in Betracht ziehen. Die bevorzugten Gele sind vernetzte Dextrane, wie solche der Reihe Sephadex von Pharmacia Fine Chemicals, Inc., Piscataway, N.J.
In Wasser quellbare Gele haben bevorzugt im trockenen oder nicht gequollenen Zustand eine Wasserwiederaufnahme von mindestens etwa 4 Gew.-% basierend auf dem Gewicht des trockenen Gels, und Teilchendurchmesser von weniger als etwa 100 μm. Bevorzugt liegt die Wasserwiederaufnahme des Gels in einem Bereich von etwa 4 bis etwa 98% und am meisten bevorzugt etwa 5 bis etwa 20%. Das durchschnittliche Verhältnis der Durchmesser der hydrierten Gelpartikel zu dem der trockenen Gelpartikel ist bevorzugt etwa 1,2 bis etwa 1,9, bevorzugter etwa 1,45 bis etwa 1,65 und am meisten bevorzugt 1,56. Bevorzugt sind die Durchmesser der trockenen Gelteilchen kleiner als etwa 80 μm, wobei ein besonders nützlicher Bereich von Teilchendurchmessern etwa 20 bis etwa 80 μm ist.
Verschiedene Desorptionsmittel können in gleicher Weise in dem Prozess der vorliegenden Erfindung verwendet werden, solange sie nicht das Insulin in irgendeinem wesentlichen Ausmaß abbauen. Ein bevorzugtes Desorbens zeigt jedoch eine ausgezeichnete Löslichkeit für das Insulin, insbesondere wenn es in einem Größenausschlussprozess verwendet wird, wobei lineare Isothermen über einen breiten Bereich an Komponentenkonzentrationen beobachtet werden. In einer Ausführungsform ist das Insulin in dem Desorbens bis zu etwa 60, 80 oder sogar 100 g/l löslich. Das Desorbens ist typischerweise eine wässrige Lösung mit einem pH im Bereich des Insulins, die dem SMB zugeführt wird (im Allgemeinen etwa 2,0 bis etwa 3,5). Das Desorbens kann somit irgendeine wässrige Lösung einer organischen oder anorganischen Säure sein, gegenüber der Insulin stabil ist, wie Salzsäure, Phosphorsäure, Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, n-Buttersäure, Isobuttersäure, Pentansäure und dgl. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Desorbens Essigsäure. Die Säulenkonfiguration ist eine Funktion der Säulenzahl, Säulenlänge und davon, wie die Säulen unter den Zonen verteilt sind. Die Säulenanordnung (Zonenlänge) ist kritisch, um die anspruchsvollen Gestaltungskriterien zu befriedigen (z.B. Reinheits- und/oder Ausbeuteerfordernisse), weil unter manchen Umständen eine gewünschte Reinheit und Ausbeute nicht erreicht werden kann, wenn nicht die Zonen ausreichend lang sind und/oder die Säulen in geeigneter Weise angeordnet sind. Die Säulenkonfiguration von SMBs der vorliegenden Erfindung wird so ausgewählt, dass die gewünschte Ausbeute und Reinheit erzielt wird. Außerdem ist die Konfiguration bevorzugt optimiert in Bezug auf die ökonomische Effizienz, entweder indem der Durchsatz in dem SMB maximiert oder die Desorbensverwendung minimiert wird, für einen ausreichend vorbeschrie benen Satz von Gestaltungs- und/oder Betriebsparametern, wie hier genauer diskutiert (einschließlich definierter Ausbeuten der gereinigten Komponenten und/oder Fraktionen, Reinheit und Ausbeute einer gewünschten Komponente oder Fraktion, definierte maximale Zonendurchflussraten und/oder definierte Beschickungsdurchflussrate).
Somit wird in einem Aspekt die Anzahl von Säulen, die in einem SMB verwendet werden, optimiert für eine spezielle Säulenanordnung. Natürlich versteht es sich bei dieser Ausführungsform, dass die Anzahl von Säulen für definierte Zonenlängen immer erhöht werden kann, um die Effizienz des Systems zu verbessern. In diesem Zusammenhang liefert daher eine optimale Gestaltung mehr als etwa 85%, 90%, 95%, 97%, 98% oder 99% des theoretischen Durchsatzes oder weniger als 125%, 110%, 105%, 103%, 102% oder 101% des minimalen Desorbensverbrauchs, jeweils definiert durch die Gestaltung mit stehender Welle bei einer unendlichen Zahl von Säulen.
In einem weiteren Aspekt wird die Anzahl der Säulen in jeder Zone optimal für eine vorbeschriebene Gesamtzahl von Säulen zugeordnet. Somit gilt in einer bevorzugten Ausführungsform der Trennung der vorliegenden Erfindung in einem SMB Folgendes:

a) der erste Ring enthält 4 Zonen und 5 oder mehr Säulen oder 5 Zonen und 6 oder mehr Säulen;
b) die Anordnung der Säulen in den Zonen optimiert im Wesentlichen den Durchsatz des ersten Rings oder die Desorbensverwendung im ersten Ring für eine definierte Anzahl von Säulen.

In weiteren Ausführungsformen enthält der Ring 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 oder 20 oder mehr Säulen.
Die erfindungsgemäßen Verfahren beinhalten auch verschiedene Aufsplittstrategien, die für die Reinigung von Insulin angewendet werden können, wenn es eine Komponente mit dazwischenliegender Affinität einer Mehrkomponentenmischung ist. Wenn zwei SMB-Einheiten mit 4 Zonen in Reihe betrieben werden, gibt es mehrere Aufsplittstrategien, die eingehalten werden können, um gereinigte Produkte zu erhalten. In 7 sind vier solche Strategien (S1 bis S4) gezeigt, um Komponenten, die als 1, 2 und 3 nummeriert sind, aufzutrennen in einer Mischung, in der die Reihenfolge der Retention wie folgt ist: α₁ < α₂ < α₃.
Bei dieser vorläufigen Analyse werden Massentransferresistenzen vernachlässigt (ein Fall, der als "Ideal"-Fall bezeichnet wird) und es wird davon ausgegangen, dass die Wellenfronten scharf sind. Der Einfachheit halber sind die stehenden Wellen, die in 7 für verschiedene Strategien gezeigt sind, in Tabelle 1 zusammengefasst. Die in Tabelle 1 aufgeführten Zahlen bedeuten die stehenden Komponenten in jeder Zone. Z.B. bedeutet 3 Komponente 3 ist in der zugeordneten Zone stehend. Tabelle 1: Stehende Wellen für verschiedene Aufsplittstrategien eines Dreikomponentensystems

* Desorptionswelle
^✝ Adsorptionswelle

In 7a wird Komponente 1 von 2 und 3 in der ersten SMB-Einheit (Ring A) aufgesplittet und das Extraktprodukt (das die nicht aufgetrennten Komponenten 2 und 3 enthält) wird einer zweiten SMB-Einheit (Ring B) zugeführt, in der Komponente 2 von Komponente 3 gesplittet wird. 7b ist ähnlich: Komponente 3 wird von 1 und 2 in Ring gesplittet und 1 wird von 2 in Ring B gesplittet.
Ein N-Komponentensystem, in dem die gereinigte Komponente j erwünscht war, würde eine ähnliche Aufsplittstrategie anwenden, wie in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2: Stehende Wellen für verschiedene Aufsplittstrategien für N Komponenten

* Desorptionswelle
^✝ Adsorptionswelle

Insbesondere würden für Strategie S1 die Komponenten 1 ... j – 1 in dem Extrakt der ersten SMB-Einheit abgezogen und das Extraktprodukt (das nicht aufgelöste Komponente j ... N enthält) würde der zweiten SMB-Einheit zugeführt, in der Komponente j von den Komponen ten j + 1 ... N abgetrennt würde. Strategie S2 ist ähnlich: Komponenten 1 ... j würden von den Komponenten j + 1 ... N im ersten Ring gesplittet und die Komponenten 1 ... j – 1 würden von der Komponente j im zweiten Ring abgetrennt.
Die 7a bis 7b zeigen, wie drei reine Produkte aus einer Mischung von drei Komponenten erhalten werden können. In den meisten Fällen ist es jedoch nicht notwendig, jede Komponente in hoher Reinheit und hoher Ausbeute zu erhalten. Wenn nur das mittlere Produkt in hoher Reinheit und hoher Ausbeute erforderlich ist, haben die Erfinder unerwarteterweise festgestellt, dass es bevorzugt sein kann, zuzulassen, dass sich eine Komponente in der gesamten SMB-Einheit verteilt. Z.B. werden in 7c die Komponenten 2 und 3 von 1 im ersten Ring abgetrennt, daher sollte Komponente 1 aus dem Extrakt herausgehalten werden und in dem Raffinat gesammelt werden; wenn jedoch Komponenten 1 und 3 nicht in hoher Reinheit erforderlich sind, dann kann die stehende Wellenbedingung in Zone I gelockert werden, um zuzulassen, dass ein Teil der Komponente 3 "weitergetragen" wird (d.h. von Zone I in Zone IV wandert und mit Komponente 1 in das Raffinat mitgenommen wird. Analog wird in 7d zugelassen, dass Komponente 1 "weitergetragen" wird, so dass sie sowohl aus dem Raffinat als auch dem Extrakt abgezogen werden kann.
Die Bedingungen sind gelockert in dem Sinn, dass die Komponente, die im SMB weitergetragen werden kann, in der Gestaltung mit stehender Welle nicht berücksichtigt wird. Somit würden die Gleichungen der stehenden Welle, die eine binäre Spaltung von Komponenten beherrschen, wie von Ma und Wang (1997) angegeben, die Gestaltung des in den 7c und 7d erläuterten Systems beherrschen. Für die erste Aufsplittung, die in 7c gezeigt ist, sind diese Gleichungen wie folgt: uI0 = (1 + Pδ2)ν (3) uII0 = (1 + Pδ1)ν (4) uIII0 = (1 + Pδ2)ν (5) uIV0 = (1 + Pδ1)ν (6)
Das Tandem-SMB für die Mehrkomponentenfraktionierung ist nicht auf die zwei 4-Zonenringe beschränkt. Wenn fünf Zonen im ersten Ring des Tandem-SMB-Systems angewendet werden, hat die Ausgestaltung eine erhöhte Flexibilität. Die 7e bis 7f zeigen schematische Darstellungen für zwei solche Prozesse für die Auftrennung von drei Komponenten. In 7e wird Komponente 1 vollständig von den Komponenten 2 und 3 in der ersten SMB-Einheit (Ring A) abgespalten. Ein Teil von Komponente 3 wird gereinigt in einen Extraktstrom abgezogen und der Rest kontaminiert einen Zwischenproduktextraktstrom, der auch Komponente 2 enthält. Die Zwischenproduktextraktstromkomponente (die nicht aufgetrennte Komponenten 2 und 3 enthält) wird einer zweiten SMB-Einheit (Ring B) zugeführt, in der Komponente 2 vollständig von Komponente 3 abgespalten ist. 7f ist ähnlich: Komponente 3 wird vollständig von 1 und 2 in Ring A abgespalten, ein Teil von Komponente 1 wird gereinigt in einem Raffinatstrom abgezogen und der Rest kontaminiert einen Zwischenproduktraffinatstrom, der auch Komponente 2 enthält. Der Zwischenproduktraffinatstrom wird der zweiten SMB-Einheit zur Trennung der Komponenten 1 und 2 zugeführt.
Die Stehende-Wellen-Gleichungen, die die Trennungen, die in den 7e und 7f offenbart werden, für ein Dreikomponentensystem beherrschen, modifiziert durch Massentransferkorrekturterme (Δ), wie unten genauer diskutiert, sind in Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3a: Stehende Wellen und Gleichungen für ein SMB mit neun Zonen für Stratege S5 (Fig. 7e)
Anmerkung:

Δ m / l sind positive Zahlen, wobei der erste Index die Zonenzahl zeigt und der zweite Index den gelösten Stoff anzeigt.

Tabelle 3b: Stehende Wellen und Gleichungen für ein SMB mit neun Zonen mit Strategie S6 (Fig. 7f)
Die vorhergehenden Aufsplittstrategien werden allgemein angewendet, um die Effizienz der Trennung zu verbessern, den Durchsatz des Systems zu erhöhen, den Desorbensverbrauch zu senken oder eine Kombination davon. Da der Desorbensverbrauch minimiert werden kann, indem eine Komponente sich im ersten Ring verteilen gelassen wird, wird in einer Ausführungsform die erste oder zweite Komponente oder Fraktion sich im ersten Ring verteilen gelassen und nur Insulin gereinigt, um die Desorbensverwendung zu reduzieren.
Wenn mehr als eine gereinigte Komponente oder Fraktion (d.h. mindestens 50%, 65%, 75%, 85% oder 95% volumetrisch von einer oder mehreren anderen Komponenten oder Fraktionen getrennt) bei einer Mehrkomponententrennung, in der Insulin die Komponente mit dazwischenliegender Affinität ist, erwünscht ist, dann sollte die einfachste Aufsplittung zuerst durchgeführt werden, um den Desorbensverbrauch zu minimieren. Somit wird in einer weiteren Ausführungsform

a) das Insulin aus dem ersten Ring im Wesentlichen getrennt von der ersten Fraktion oder Komponente abgezogen und
b) die Differenz zwischen den Affinitäten des Insulins und der ersten Komponente oder Fraktion für die stationäre Phase im ersten Ring ist geringer als die Differenz zwischen den Affinitäten von Insulin und der zweiten Komponente oder Fraktion für die stationäre Phase im zweiten Ring.

Gestaltungsmethode
Die Erfindung liefert auch eine Gestaltungsmethode, die verwendet werden kann bei der Entwicklung irgendeines SMB-Prozesses zur Reinigung von Insulin unter linearen Adsorptionsisothermen. Diese Methode wird bevorzugt in Computerumgebung durchgeführt. Das Sys tem wird z.B. bevorzugt entwickelt, indem ein oder mehrere Gestaltungs- oder Betriebsparameter in ein Gerät eingegeben werden, in dem Gleichungen, die das SMB beeinflussen, codiert sind, die Gleichungen unter Verwendung des Geräts aufgelöst werden und aus dem Gerät ein Output erhalten wird, der ein oder mehrere andere Gestaltungs- oder Betriebsparameter definiert. Außerdem schließt sich an die Gestaltungsmethode typischerweise die Stufe an, dass eine SMB-Trennung durchgeführt wird (entweder experimentell oder unter Verwendung einer Computersimulation) unter den durch die Gestaltung bestimmten Bedingungen. In manchen Situationen kann es jedoch hilfreich sein, die Durchflussraten, die durch die Gestaltung bestimmt werden, einzustellen, wobei man in diesem Fall die Bedingungen der stehenden Welle lockern würde, die durch die Gestaltung in einer oder mehreren Zonen bestimmt werden, bevor die SMB-Trennung durchgeführt würde. Im Folgenden ist eine Erklärung der Methode und ihrer theoretischen Grundlagen angegeben.
In einem Vier-Zonen-SMB ist die Funktion jeder Zone wie folgt: (1) Zone I: Diese Zone ist zwischen dem Desorbenseinlass und der Extraktentnahme angeordnet und wird verwendet, um die langsame Fraktion zu desorbieren. Ein Teil des Stroms, der diese Zone verlässt, wird als Extrakt entnommen, während der Rest in Zone II fließt. (2) Zone II: Diese Zone wird zur Desorption der schnellen Fraktion und zur Trennung von der langsamen Fraktion verwendet. (3) Zone III: Diese Zone wird zur Trennung der langsamen Fraktion von der schnellen Fraktion verwendet. Die schnelle Fraktion wird teilweise an der Raffinatöffnung abgezogen. (4) Zone IV: Diese Zone wird zur Adsorption der schnellen Fraktion ebenso wie zur Wiedergewinnung des Desorbens verwendet. Der Strom, der die Zone verlässt, sollte idealerweise nur reines Desorbens enthalten, das zu dem Desorbenseinlass zur Wiederverwendung zurückgeführt wird.
Für einen stabilen kontinuierlichen Betrieb in einem SMB mit vier Zonen müssen die Durchflussraten in den vier Zonen die folgenden Bedingungen erfüllen: FI > FII (7) FII < FIII (8) FIII > FIV (9) FIV < FI (10)
Außerdem müssen, um zwei Komponenten zu trennen, die Wandergeschwindigkeiten der zwei Komponenten mit in Betracht gezogen werden, um die Zonendurchflussraten zu bestimmen. Die folgenden Bedingungen für die Geschwindigkeiten in jeder Zone sind aus der Literatur bekannt (Ruthven und Ching, 1989; Wankat, 1994). uIIIs2 – ν < 0 (11) uIVs1 – ν < 0 (12) uIs2 – ν > 0 (13) uIIs1 – ν > 0 (4)worin ν die durchschnittliche Kanalbewegung entlang der Richtung des Desorbensstroms ist und u I / s2 und u III / s2 die linearen Migrationsgeschwindigkeiten von Komponente 2 in den Zonen I bzw. III sind. Die gleiche Übereinkunft wird für Komponente 1 in den Zonen II und IV verwendet. Die Gleichungen 11 und 12 zeigen, dass die Migrationsgeschwindigkeit der langsamen Fraktion (Komponente 2) geringer als ν in Zone III sein sollte und dass die der schnellen Fraktion (Komponente 1) geringer als ν in Zone IV sein sollte. Die Gleichungen 13 und 14 geben an, dass die Geschwindigkeit von Komponente 2 größer als ν in Zone I sein sollte und dass die der Komponente 1 größer sein sollte als ν in Zone II. Die Gleichungen 11 bis 14 definieren alle möglichen Zonendurchflussraten und die Kanalbewegungsgeschwindigkeiten, die notwendig sind, um die Trennung zu garantieren. Diese Gleichungen müssen erfüllt sein, damit eine Trennung für Systeme mit oder ohne Massentransferresistenzen auftritt.
Innerhalb der in den Gleichungen 11 bis 14 definierten Stabilitätsregion gibt es unzählige Kombinationen von Zonendurchflussraten und Kanalbewegungsgeschwindigkeiten (Umschaltzeit), die eine Trennung in einem gegebenen System garantieren. Von diesen können die optimalen Zonendurchflussraten und Kanalbewegungsgeschwindigkeiten, die den höchsten Durchsatz und den geringsten Desorbensverbrauch ergeben, für eine Mehrkomponentenmischung gefunden werden, indem die richtigen Konzentrationswellen ausgewählt werden, die in jeder Zone stehend bleiben sollen (d.h. die Stehende-Wellen-Analyse). 6a erläutert für ein System ohne Massentransfereffekte, welche Wellen in jeder Zone stehend bleiben müssen, um eine vollständige Trennung von zwei Fraktionen in einem Mehrkomponentensystem sicherzustellen.
Insbesondere zeigt 6a dass:

(1) in Zone I die Desorptionswelle der sich am langsamsten bewegenden Komponente (Komponente N) stehend bleiben muss;
(2) in Zone II die Desorptionswelle der Komponente j stehend bleiben muss;
(3) in Zone III die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 stehend bleiben muss und
(4) in Zone IV die Adsorptionswelle der am schnellsten sich bewegenden Komponente (Komponente 1) stehend bleiben muss.

Es wurde experimentell bewiesen und in den Beispielen hier angegeben, dass die vorhergehenden Bedingungen sicherstellen, dass eine gewünschte Trennung in einem SMB er reicht wird. Die Stehende-Wellen-Bedingungen, die mit der in 6a dargestellten Trennung verbunden sind, können algebraisch durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden: u0 I = (1 + PδN)ν (15) u0 II = (1 + Pδ1)ν (16) u0 III = (1 + Pδj+1)ν (17) u0 IV = (1 + Pδ1)ν (18)worin die Kanalbewegungsgeschwindigkeit gegeben ist durch
N bedeutet die Zahl an Komponenten in dem System, nummeriert von geringer zu hoher Affinität als
1, ..., j, j + 1, ..., N
wobei eine Aufsplittung erwünscht ist zwischen Komponente j und Komponente j + 1. u₀ ist die interstitielle Geschwindigkeit der mobilen Phase und u₀, das mit den Gleichungen 15 bis 19 bestimmt wird, bedeutet das, was hier als "ideale Geschwindigkeit der mobilen Phase" bezeichnet wird. Die verbleibenden Terme sind wie folgt definiert: S ist die Querschnittsfläche der Säule; δ_i(≡ K_eiε_p + (1 – K_eiε_p)α_i) ist der Retentionsfaktor für lineare Systeme (α_i ist die Trennkonstante zwischen adsorbierter Phase und flüssiger Phase für Komponente i bei einer unendlich kleinen Konzentration und ε_p ist die Porosität des Teilchens); K_ei ist der Größenausschlussfaktor für Komponente i für das Packungsmaterial, das im SMB verwendet wird.
ist das Bettphasenverhältnis; ε_b ist die interstitielle Betttotfraktion und F^feed ist die Beschickungsdurchflussrate. Die Variablen α_i, ε_p, K_ei und ε_b sind intrinsische technische Parameter, die aus Elutionschromatogrammen geschätzt werden können oder für einige Systeme und Verpackungsmaterialien der Literatur oder den Angaben des Herstellers entnommen werden können.
Wenn die intrinsischen technischen Parameter bekannt sind und ein Anfangssäulenquerschnitt ausgewählt wird, kann man leicht die vier Zonendurchflussraten und die Kanalbewegungsgeschwindigkeit für ein gegebenes F^feed ableiten, da es fünf Gleichungen gibt, die Gleichungen 15 bis 19, mit fünf Unbekannten u I / 0, u I / 0, u III / 0, u IV / 0 und ν.
Umgekehrt können die Gleichungen basierend auf einer gegebenen Rate des Desorptionsverbrauchs unter Verwendung von Gleichung 20 gelöst werden:
worin F^des die Desorbensdurchflussrate ist. Nimmt man diesen Ansatz, kann man die höchste Beschickungsrate für eine gegebene Desorbensverbrauchsrate feststellen, da u III / 0 am höchsten und u II / 0 am niedrigsten unter allen möglichen Ausführungsformen ist, die eine Trennung garantieren.
Wenn natürlich eine pseudobinäre Aufsplittung in Betracht gezogen wird, in der die gewünschte Komponente die schnellste oder langsamste Komponente einer Mehrkomponentenmischung ist, müssten die Gleichungen 15 bis 18 in geeigneter Weise modifiziert werden, wie in Tabelle 2 gezeigt. Insbesondere wenn die gewünschte Komponente die schnellste Komponente wäre, dann würde der Retentionsfaktor von Komponente 1 verwendet werden, um die mobile Phase in Zone II zu bestimmen. Alternativ würde, wenn die gewünschte Komponente die langsamste Komponente wäre, der Retentionsfaktor von Komponente N verwendet werden, um die Geschwindigkeit der mobilen Phase in Zone III zu bestimmen.
Weil Desorbensverbrauch und Beschickungsrate zwei der Hauptfaktoren sind, die Systemkosten und Effizienz bestimmen, lässt die Fähigkeit, schnell maximale Beschickungsraten für einen gegebenen Desorbensverbrauch oder minimalen Desorbensverbrauch für eine gegebene Beschickungsrate festzustellen unter Verwendung der vorhergehenden Gleichungen, es zu, schnell und effizient verschiedene Desorbens/Beschickungsverhältnisse zu untersuchen und Systemparameter zu bestimmen, die die ökonomische Effizienz des Systems optimieren. Dies trifft insbesondere für die idealen Systeme zu, die von den obigen Betriebsparametern beeinflusst werden, in denen eine Produktausbeute von 100% angenommen wird.
Massentransferresistenzen: Die vorhergehende Diskussion wurde bisher auf die Entwicklung idealer Systeme beschränkt, in denen es keine signifikanten Massentransferresistenzen gibt. Da es keine Verteilung von Komponenten innerhalb der Zonen gibt, können reine Produkte an beiden Auslassöffnungen für jede Zonenlänge erhalten werden und ohne Beschränkung auf Beschickungsdurchflussrate oder Durchsatz. Theoretisch kann die Beschickungsdurchflussrate so hoch sein, wie es Ausstattung oder Harz zulassen. Dies wird durch die senkrechten Konzentrationswellen in 6a gezeigt. Da die Konzentrationswellen senkrecht sind, können Zonenlängen komprimiert werden und Komponenten werden nicht unabsichtlich von einer Zone zur nächsten wandern.
Im Gegensatz dazu gibt es für nicht ideale Systeme (d.h. Systeme mit Massentransferresistenzen) eine maximale Beschickungsdurchflussrate, die eine Funktion der Zonenlängen, gewünschten Produktreinheiten, Isothermen und Massentransferparameter ist. 6b erläutert diesen Punkt. Wie in 6b gezeigt, bewirken Massentransfereffekte, dass sich Konzentrationswellen über die jeweiligen Zonen ausbreiten (d.h. die Wellen sind nicht mehr senkrecht). Wenn die Konzentrationswellen nicht beschränkt sind, werden sie außerdem eine Kontamination an den Extrakt- und Raffinatöffnungen bzw. -kanälen verursachen.
Die Wellen können auf ihre jeweiligen Zonen beschränkt werden und reine Produkte können an den Extrakt- und Raffinatöffnungen erhalten werden, indem die Zonenlängen erhöht werden oder die Geschwindigkeiten der Kanalbewegung und der mobilen Phase verändert werden. Ein gewisser Grad an Kontamination ist jedoch typischerweise hinnehmbar und sogar vom ökonomischen Standpunkt aus gesehen wünschenswert. Somit kann das SMB auch so entwickelt werden, dass ein spezieller Kontaminierungsgrad zugelassen wird, damit ein ökonomischerer Betrieb des SMBs möglich wird.
Die SMBs der vorliegenden Erfindung können so ausgebildet werden, dass sie sich an Systeme anpassen können, in denen die Trennung durch nicht vernachlässigbare Massentransferresistenzen gehindert wird, unabhängig davon, welcher Massentransfermechanismus oder welche Mechanismen vorherrschen, durch eine Ausdehnung der vorhergehenden Konzepte zur stehenden Welle auf nicht ideale Systeme. Insbesondere werden, um ein System mit signifikanten Massentransferresistenzen (nicht ideale Systeme) zu entwickeln, die Gleichungen 15 bis 19 modifiziert durch Korrekturterme, um die Wellenausbreitung der Komponenten, deren Konzentrationswellen in jeder Zone stehend gehalten werden, die den Massentransfereffekten zuzuschreiben sind, zu berücksichtigen. Die vollständigen Lösungen der linearen Geschwindigkeiten für Mehrkomponententrennung in den vier Zonen in einem SMB, die bezüglich der Effekte des Massentransfers korrigiert sind, finden sich in den Gleichungen 19 und 21 bis 24 bezogen auf das Konzept der stehenden Wellen (6b).
Die Variablen in den vorhergehenden Gleichungen sind wie folgt definiert:

– N bedeutet die Anzahl von Komponenten in dem System nummeriert von niedriger zu hoher Affinität als 1, ..., j, j + 1, ..., N, wobei eine Aufsplittung zwischen Komponente j und j + 1 erwünscht ist
– u₀ ist die interstitielle Geschwindigkeit
– S ist die Querschnittsfläche der Säule
– δ_i(≡ K_eiε_p + (1 – K_eiε_p)α_i) (α_i ist die Aufteilungskonstante zwischen adsorbierter Phase und flüssiger Phase für Komponente i bei unendlich kleiner Konzentration und ε_p ist die Porosität des Teilchens)
– K_ei ist der Größenausschlussfaktor für Komponente i
–
ist das Bettphasenverhältnis
– ε_b ist die interstitielle Betttotfraktion
– F^feed ist die Beschickungsdurchflussrate
– F^des ist die Desorbensdurchflussrate
– L ist die Zonenlänge
– E_b ist der axiale Verteilungskoeffizient
– K_f ist der zusammengefasste Massentransferkoeffizient
– β hat Bezug zu dem Verhältnis von höchster Konzentration zu geringster Konzentration der stehenden Welle in einer spezifischen Zone

Wenn die Produktreinheiten (d.h. die Reinheit der aufgesplitteten Komponenten in Extrakt und Raffinat), Querschnittsfläche der Säule (S), Zonenlängen und Beschickungsdurchflussrate spezifiziert sind, können die Stehende-Wellen-Gleichungen verwendet werden, um die Kanalbewegungsgeschwindigkeit und die linearen Geschwindigkeiten der mobilen Phase in den vier Zonen der SMB zu ermitteln. Diese Gleichungen definieren die Bedingungen der stehenden Welle, wenn sowohl E_b als auch K_f signifikant sind. Sie definieren auch die maximalen linearen Geschwindigkeiten für die Zonen III und IV und die minimalen linearen Geschwindigkeiten für die Zonen I und II für ein System mit linearen Isothermen. Alle geringeren Geschwindigkeiten in den Zonen III und IV und alle höheren Geschwindigkeiten in den Zonen I und II führen zu besseren Produktreinheiten als den spezifisch angegebenen und zu höheren Wiedergewinnungsraten. Solche Ausgestaltungen werden jedoch einen geringeren Durchsatz oder einen höheren Desorbensverbrauch haben als der Aufbau mit stehender Welle. Die Gleichungen definieren auch den minimalen Desorbensverbrauch für eine gegebene Beschickungsrate, da u IV / 0 am höchsten und u I / 0 am geringsten ist von allen möglichen Ausführungen, die die Trennung bei vorgeschriebener Ausbeute und Reinheit garantieren.
Die rechte Seite der Gleichungen 21 bis 24 ist der Massentransferkorrekturterm für jede Zone, der das Ausmaß feststellt, indem die "ideale Geschwindigkeit der mobilen Phase" in jeder Zone verändert werden muss, um den gewünschten Trennungsgrad zu erreichen. Die Massentransferkorrekturfaktoren berücksichtigen die Wellenausbreitung durch zurückgehaltene Komponenten (oder freigesetzte) in jeder Zone. Wie vorher erwähnt, ist die Geschwindigkeit der mobilen Phase, die in jeder Zone zulässig ist, eine Funktion von Zonenlängen, gewünschten Produktreinheiten, Isothermen und Massentransferparametern. Isotherme tragen über den Retentionsfaktor zur Massenzentrumsgeschwindigkeit jeder Konzentrationswelle bei, die in den vier Zonen stehend bleibt. Die verbleibenden Faktoren sind ausschließlich mit Massentransfer verbunden und werden berücksichtigt durch den Massentransferkonekturterm für jede Konzentrationswelle, die in den vier Zonen stehend bleiben muss.
Somit ist L die Zonenlänge, E_b der axiale Verteilungskoeffizient, K_f der zusammengefasste Massentransferkoeffizient, β betrifft das Verhältnis von höchster Konzentration zu geringster Konzentration der stehenden Welle in einer spezifischen Zone (6b) und die verbleibenden Terme sind wie oben definiert. Wiederum können die intrinsischen technischen Parameter E_b und K_f experimentell bestimmt werden durch Elutionschromatogramme mit kleinem Puls oder großem Puls oder in einigen Systemen durch Bezugnahme auf die Literatur. Alternativ kann der zusammengefasste Massentransferkoeffizient, K_f,j ^m für Komponente i in Zone m berechnet werden aus der folgenden Gleichung:
Dieser Parameter fasst die Wirkungen von Filmmassentransfer und Porendiffusion zu einem einzigen Term zusammen (Ruthven, 1984). Der Filmmassentransferkoeffizient (k_f) kann aus Korrelationen in der Literatur abgeschätzt werden (z.B. Wilson und Geankoplis, 1966). Die Porendiffusionsfähigkeit (D_p) wird durch Pulstests abgeschätzt (Wooley et al., 1998; Wu et al., 1998).
Die β-Terme sind der Index der Produkteinheit und Ausbeute und bestimmen schließlich die Gesamtreinheiten und Ausbeuten der Produkte an den Extrakt- und Raffinatöffnungen. Wegen ihrer Beziehung zu den Konzentrationsgradienten innerhalb einer speziellen Zone werden die β-Terme manchmal hier als "Abklingkoeffizienten" bezeichnet. Die β-Terme leiten sich nur als Funktion der Komponentenkonzentrationen innerhalb spezieller Zonen ab. β III / 2 ist z.B. der natürliche Logarithmus des Verhältnisses von Konzentration am Einlass zu Zone III (Cs_max) zu der an der Raffinatöffnung für Komponente (2 (5 und 16). Je höher der β III / 2-Wert ist, desto höher ist die Produktreinheit von Komponente 1 im Raffinat und desto höher die Ausbeute an Komponente 2 im Extrakt. Um eine hohe Ausbeute an Komponente 1 im Raffinat und eine hohe Reinheit von Komponente 2 im Extrakt zu erzielen, ist ein hoher β II / 1-Wert erforderlich. Um eine hohe Reinheit und hohe Ausbeute beider Komponenten sicherzustellen, ist sowohl ein hoher β III / 2 als auch β II / 1-Wert notwendig.
Der Parameter β m / i wird algebraisch somit wie folgt definiert:
worin C_i,max ^m die maximale Konzentration von Komponente i in Zone m im zeitlichen Durchschnitt zeigt.
β-Werte können abgeleitet werden mit dem Wissen über Reinheit und Ausbeute einer der Komponenten, die in einem Zwei-Komponentensystem abgetrennt werden soll, oder mit dem Wissen der Ausbeute aller Komponenten (oder Fraktionen) in einem System mit N Komponenten. Alternativ können β-Werte abgeleitet werden mit dem Wissen über die Reinheit der zwei Komponenten, die getrennt werden sollen durch Massenausgleichanalysen, da das Wissen über die Reinheit der zwei Komponenten, die getrennt werden sollen, Wissen über die Reinheit und Ausbeute beider zu trennender Komponenten beiträgt und umgekehrt.
Eine detaillierte Methode zur Bestimmung der Abklingkoeffizienten für jede Komponente ist hier in den Beispielen angegeben. Für viele Systeme reicht jedoch ein angenäherter β-Wert aus. die β-Werte können angenähert werden unter der Annahme, dass die Konzentration von Komponente 1 an der Raffinatöffnung die gleiche ist, wie die am Einlass zu Zone III (c III / 1) (d.h. es wird angenommen, dass Zone I fast gesättigt ist). Auch kann angenommen werden, dass das Konzentrationsverhältnis der beiden Komponenten am Einlass der Zone I (cIII1 /cIII2 ) das gleiche ist wie das Verhältnis in der Beschickung. Wenn die Komponenten die gleichen Zulaufkonzentrationen haben und βIII2 = βII1 ist, sollte die Reinheit für beide Produkte gleich sein.
Um eine physikalisch sinnvolle Lösung für ν zu erhalten, muss die folgende Gleichung (27) erfüllt sein:
Aus Gleichung 27 können, wenn die Längen der Zonen I bis IV bekannt sind, die maximalen β-Werte erhalten werden, indem F^feed gleich null gelassen wird. Wenn die β-Werte fixiert sind, kann der maximale Wert für F^feed erhalten werden, indem die linke Seite der Gleichung null bleibt. Wiederum ist anzumerken, dass F^feed der aus diesen Gleichungen bestimmt wurde, die niedrigste Desorbensdurchflussrate für F^feed definiert, weil u IV / 0 am höchsten ist und u I / 0 am niedrigsten ist von allen möglichen Ausführungen, die eine Trennung garantieren.
Wenn Produktreinheiten (d.h. die Reinheit der aufgesplitteten Komponenten in Extrakt und Raffinat), Querschnittsfläche der Säule (S), Zonenlängen und Zulaufdurchflussrate spezifiziert sind, können die Gleichungen 19 und 21 bis 24 verwendet werden, um die vier linearen Geschwindigkeiten und die Kanalbewegungsgeschwindigkeit zu ermitteln. Diese Gleichungen definieren die Bedingungen einer stehenden Welle, wenn sowohl E_b als auch K_f signifikant sind. Sie definieren auch die maximalen linearen Geschwindigkeiten für die Zonen III und IV und die minimalen linearen Geschwindigkeiten für die Zonen I und II für ein System mit linearen Isothermen. Jede geringere Geschwindigkeit in Zone III und IV und höhere Geschwindigkeit in Zone I und II führt zu besseren Produktreinheiten und Wiedergewinnungen, als angegeben. Solche Ausführungen haben jedoch einen geringeren Durchsatz und einen höheren Desorbensverbrauch als die Ausführung mit stehender Welle.
Diese Gleichungen können auch verwendet werden, um entweder den maximalen Durchsatz oder den minimalen Desorbensverbrauch zu finden. Durchsatz und Desorbensverbrauch werden in den folgenden Gleichungen definiert:
wobei BV das Gesamtbettvolumen ist, c feed / i die Konzentration von Komponente i (Produkt) in der Beschickung ist und γ das Verhältnis von Desorbensdurchflussrate zu Beschickungsdurchflussrate ist. Je höher die Beschickungsdurchflussrate, desto höher der Durchsatz. Je höher das Verhältnis von Desorbensdurchflussrate zu Beschickungsdurchflussrate, desto höher der Desorbensverbrauch.
Wenn eine pseudobinäre Aufsplittung in Betracht gezogen wird, bei der die gewünschte Komponente die schnellste oder langsamste einer Mehrkomponentenmischung ist, dann wiederum müssten die Gleichungen 19 und 21 bis 24 in geeigneter Weise modifiziert werden. Wenn die gewünschte Komponente die schnellste Komponente wäre, dann würden der Retentionsfaktor und der Massentransferkorrekturterm für Komponente 1 insbesondere verwendet, um die Geschwindigkeit der mobilen Phase in Zone II zu bestimmen. Wenn alternativ die gewünschte Komponente die langsamste Komponente wäre, würden der Retentionsfaktor und der Massentransferkorrekturterm für Komponente N verwendet, um die Geschwindigkeit der mobilen Phase in Zone III zu bestimmen.
Die vorhergehenden Erkenntnisse liefern somit eine Anzahl allgemeiner Methoden, die bei der Entwicklung von Simulated Moving Beds verwendet werden, die unterschiedliche unabhängige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterstützen. All diese Methoden können verwendet werden, um eine hypothetische SMB-Ausgestaltung zu erzielen, die beim Betrieb oder der Computersimulation eines SMB verwendet werden kann.
Somit liefert in einer Ausführungsform die Erfindung ein Verfahren, um ein SMB zur Abtrennung einer gewünschten Fraktion oder Komponente von einer ersten Fraktion oder Komponente in einer Mehrkomponentenmischung von Komponenten, die mit 1 ... j, j + 1, ... N, nummeriert sind, von der niedrigsten bis zur höchsten Affinität zu entwickeln, das umfasst:

a) dass Gleichungen bereitgestellt werden, die die Gestaltung, den Betrieb und intrinsische technische Parameter eines SMB betreffen, das lineare Isothermen aufweist, wobei in den Gleichungen Stehende-Wellen-Bedingungen für alle Zonen in dem SMB angenommen werden;
b) ein erster Satz von Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben wird, die ausreichen, um die intrinsischen technischen Parameter zu bestimmen und die Gleichungen zur Auflösung der Mehrkomponentenmischung in einem ersten SMB zu lösen und
c) die Gleichungen aufgelöst werden.

Bei einer Vier-Zonen-Mehrkomponententrennung werden für die Gleichungen die folgenden Stehende-Wellen-Bedingungen angenommen: In Zone I: die Desorptionswelle von Komponente N, in Zone II: die Desorptionswelle von Komponente j; in Zone III: die Adsorptionswelle von Komponente j + 1 und in Zone IV: die Adsorptionswelle von Komponente 1; wobei die Komponenten mit 1 ... j, j + 1, ... N in der Reihenfolge der steigenden Affinität für die stationäre Phase nummeriert sind wobei eine Aufsplittung erwünscht ist zwischen den Komponenten j und j + 1. Bei einem SMB mit fünf Zonen werden bevorzugt Stehende-Wellen-Bedingungen für den ersten Ring, die bei Strategie S6 in den Tabellen 1 und 2 beschrieben wurden, beachtet (wenn eine Aufsplittung erwünscht ist zwischen den Komponenten j und j + 1). Bei einem Zwei-Ring-SMB werden die Bedingungen einer stehenden Welle, die für die Strategien S1 bis S6 in den Tabellen 1 und 2 angegeben sind, bevorzugt beachtet.
Die Konzentrationswellen bleiben in dem Sinn stehend, dass die Adsorptionswellen und Desorptionswellen in dem System, wenn sie in einem zweidimensionalen Diagramm aufgetragen werden, das sich auf die Komponentenkonzentrationen der Bettposition bezieht (siehe 6b), stehend bleiben, wie bei einem kontinuierlich sich bewegenden Bett. In der Realität werden die Wellen in einer kontinuierlichen Geschwindigkeit in die nachfolgende Zone wandern, bis sie durch die Kanalbewegung in ihre jeweilige Zone zurückgebracht werden. Allgemein gesprochen wurde jedoch experimentell und unter Verwendung von Computersimulationen festgestellt, dass eine Erhöhung der Frequenz der Bewegung und eine Erhöhung der Anzahl von Säulen in den Trennzonen (Zonen I und II) dieses Problem überwindet.
Vom algebraischen Standpunkt aus gesehen, bleiben die Wellen in dem Sinn stehend, dass die Gleichungen eine ideale Geschwindigkeit der mobilen Phase und eine Geschwindigkeit der Kanalbewegung definieren für eine gegebene Beschickungsrate, die modifiziert ist, um die Ausbreitung der Welle aufgrund von Massentransfereffekten auszugleichen. In den Zonen I und II wird die Geschwindigkeit der mobilen Phase erhöht, um das Ausbreiten der Welle zu kompensieren und in den Zonen III und IV nimmt die Geschwindigkeit der mobilen Phase ab, um die Ausbreitung der Wellen zu kompensieren.
Wie oben erwähnt ist einer der primären Vorteile der vorliegenden Erfindung die Fähigkeit, einfach einen Satz algebraischer Gleichungen auflösen zu können, um alle Betriebsparameter eines SMB zu ermitteln, einschließlich der minimalen Desorbensverwendung. Somit liefert in einer weiteren Ausführungsform die Erfindung ein Verfahren, um ein SMB zu entwickeln zur Trennung von Insulin von einer ersten Fraktion oder Komponente in einer Mehrkomponentenmischung, das umfasst:

a) dass Gleichungen bereitgestellt werden, die die Gestaltung, den Betrieb und die intrinsischen technischen Parameter eines SMB unter Bedingungen einer stehenden Welle betreffen, der lineare Isothermen aufweist,
b) ein erster Satz von Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben wird, die ausreichen, um die intrinsischen technischen Parameter zu bestimmen und die Gleichungen zur Auftrennung der Mehrkomponentenmischung in einem ersten SMB zu lösen und
c) die Gleichungen gelöst werden;

In einer weiteren Ausführungsform liefert die Erfindung Verfahren zur Entwicklung von SMBs zur Reinigung von Insulin unter Verwendung der Aufsplittungsregeln der vorliegenden Erfindung. Somit liefert in einer weiteren Ausführungsform die Erfindung ein Verfahren, um ein SMB unter Bedingungen einer stehenden Welle zu entwickeln und zu betreiben, um Insulin von einer schnellen Komponente oder Fraktion und einer langsamen Komponente oder Fraktion zu trennen, wobei das SMB erste und zweite Ringe aufweist, umfassend:

a) dass Aufsplittungsregeln geliefert werden, die vorsehen:
i) wenn nur die gewünschte Komponente oder Fraktion gereinigt wird, dass die schnelle oder langsame Komponente oder Fraktion sich in dem ersten Ring verteilt,
ii) wenn die schnelle und/oder langsame Komponente und/oder Fraktion gereinigt werden, die leichteste Aufsplittung im ersten Ring durchgeführt wird;
b) eine Aufsplittungsstrategie ausgewählt wird basierend darauf, ob eine oder mehrere der schnellen oder langsamen Komponenten und/oder Fraktionen gereinigt werden und das SMB unter Verwendung der ausgewählten Aufsplittungsstrategie betrieben wird.

Frontbildungs- und Extrasäulenwirkungen: Die SMBs der vorliegenden Erfindung können auch so entwickelt werden, dass sie an Frontbildungs- und Extrasäuleneffekte angepasst sind zusätzlich zu Intrasäulenmassentransferwirkungen. Somit werden bei einer weiteren Ausführungsform die Trennungen bei den verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren durch nicht ideale Strömungseffekte behindert, z.B. nicht vernachlässigbare Frontbildungs- und/oder Extrasäuleneffekte (siehe Abschnitt Definitionen zur Erläuterung). Die Trennung würde behindert durch Frontbildungs- und/oder Extrasäuleneffekte, wenn solche Effekte eine signifikante Kontamination zwischen den Zonen verursachen würden, wenn nicht durch die Gestaltung des Systems diese Wirkungen ausgeglichen würden. Numerisch ausgedrückt werden Extrasäuleneffekte als nicht vernachlässigbar angesehen, wenn sie dann, wenn sie mit den vorher beschriebenen Methoden untersucht wurden, dafür sorgen, dass δ_i für eine stehende Welle in einer Zone sich um mehr als 1%, 2%, 5%, 10% oder 20% gegenüber dem Wert, der angenommen worden wäre, ohne Extrasäuleneffekte, verändern würde. Frontbildungs- und/oder Extrasäuleneffekte werden auch als nicht vernachlässigbar angesehen, wenn sie dann, wenn sie mit den vorher beschriebenen Methoden untersucht werden, dafür sorgen, dass sich der Massentransferkorrekturterm für die stehende Welle der Komponente i in irgendeiner Zone um mehr als 1%, 5%, 20%, 50%, 200% oder 1000% gegenüber dem Wert verändert, der angenommen würde ohne die Frontbildungs- und/oder Extrasäuleneffekte.
Um Systeme zu entwickeln mit signifikantem Frontbildungs- und Extrasäulentotvolumen können die Gleichungen 19 und 21 bis 24 in geeigneter Weise modifiziert werden, um den Anstieg der Wellenretentionszeit und eine zusätzliche Wellenausbreitung, die durch diese Phänomene verursacht werden, in Betracht zu ziehen. Der Anstieg der Retentionszeit in linearen Systemen kann berücksichtigt werden, indem die Zeit zu dem Retentionsfaktor δ addiert wird, die eine Welle braucht, um durch das Extrasäulentotvolumen zu gehen. Für Größenausschlusssysteme kann ein modifizierter Retentionsfaktor δ * / i wie folgt verwendet werden:
wobei u₀ die interstitielle Geschwindigkeit ist, S die Querschnittsfläche der Säule ist, V_CSTR das Extrasäulentotvolumen, das mit jeder Säule assoziiert ist (die als kontinuierlich gerührter Tankreaktor modellhaft betrachtet werden kann),
das Bettphasenverhältnis ist, ε_b die interstitielle Betttotfraktion ist, ε_p die Intrateilchentotfraktion ist und L_c die Säulenlänge ist.
Die zusätzliche Wellenausbreitung aufgrund der Dispersion in dem Extrasäulentotvolumen oder die Frontbildung können berücksichtigt werden, indem der Intrasäulendispersionskoeffizient E_b in jeder Zone mit einem Faktor f multipliziert wird, der aus einer Literaturkorrelation von Chung und Wen (1968) für die Strömung in einer gleichmäßig gepackten Säu le abgeschätzt wird. Dieser Faktor kann aus Batch-Chromatographiedaten oder aus SMB-Daten geschätzt werden. Dieser Faktor kann im Bereich von 1 in einem SMB von US-Filter im Pilotmaßstab bis zu 200 bei einigen SMBs von AST (Advanced Separation Technologies) liegen.
Somit können die Frontbildungs- und Extrasäulenwirkungen in einem Vier-Zonen-SMB mit den folgenden Gleichungen berücksichtigt werden:
Im Allgemeinen kann der Faktor f die Dispersion aufgrund von Frontbildung, Schwanzbildung oder anderen nicht idealen Strömungseffekten berücksichtigen.
Gestaltungsoptimierung
Einer der signifikantesten Vorteile des Entwicklungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, mit relativ einfachen Gestaltungs- und Betriebsvariablen zu screenen, um das SMB zu ermitteln, das am wirtschaftlichsten und effizientesten ist. Das Verfahren kann verwendet werden, um SMB-Trennungen von Zwei- und Mehrkomponentenmischungen zu optimieren. Wie im Abschnitt über die Hintergründe der Erfindung in diesem Dokument diskutiert, lieferte der Stand der Technik nur Gleichungen, aus denen der Dreiecksbereich für Trennungen bei einem idealen System abgeleitet werden konnte (was wiederum die relativen Geschwindigkeiten der Kanalbewegung und mobilen Phase in den Zonen II und III des SMB definiert). Jede weitere Entwicklung des Systems, um Massentransferwirkungen zu berücksichtigen oder den minimalen Desorbensverbrauch zu finden, erforderten, dass langwierige und komplexe Computersimulationen oder teure Versuche durchzuführen waren. Wenn es erwünscht war, andere SMB-Ausführungen zu screenen, z.B. durch Veränderung der Säulenkonfigurationen, der Desorbens/Adsorbenskombination oder der Adsorbensteilchengrößen, um die Effizienz des Systems zu verbessern, war es erforderlich, für jede potenzielle Variation die Computersimulationen insgesamt erneut laufen zu lassen.
Die Ausführungsgleichungen der vorliegenden Erfindung vereinfachen diesen Prozess um mehrere Größenordnungen, indem alle Variablen, die mit der Entwicklung eines SMB verbunden sind, zu einem vereinfachten Satz von fünf Gleichungen 19 und 21 bis 24 reduziert werden. Indem die Gleichungen 19 und 21 bis 24 aufgelöst werden, kann man einen vollständigen Satz von Betriebsbedingungen für ein SMB finden, um Mehrkomponentenmischungen in einem nicht idealen System unter linearen Adsorptionsisothermen zu trennen.
Somit können abhängig davon, was bekannt ist über ein Teilchensystem oder angenommen wird für ein Teilchensystem, wiederholt verschiedene Trennstrategien untersucht werden, um die wirtschaftlichste Konfiguration zu finden, indem die folgenden Parameter variiert werden:

– Reinheit und/oder Ausbeute (wenn nicht spezifisch angegeben)
– Kombination von mobiler Phase/stationärer Phase
– Aufsplittstrategien
– Zonenlängen
– Beschickungsdurchflussrate
– Säulenlänge
– Teilchengröße

Eine schematische Zeichnung, die die Beziehung zwischen diesen verschiedenen Parametern zeigt, ist in 8 enthalten. Allgemein gesprochen, nimmt man eine Anzahl von Gestaltungs- und Betriebsparametern an, führt einige Anfangstests und Berechnungen durch, um Retention und Massentransferparameter zu bestimmen und führt einige Anfangsberechnungen durch, um den maximalen Druckabfall, der für das Adsorbens zulässig ist, zu bestimmen (und somit die maximale interstitielle Geschwindigkeit). Aus diesen anfänglichen Annahmen und Bestimmungen kann man die Analyse der stehenden Welle durchführen, um die maximale Beschickungsdurchflussrate, die maximalen Beschickungskonzentrationen, die Zonendurchflussraten und die Kanalbewegungsgeschwindigkeit des SMB zu bestimmen, die bei einer vorgeschriebenen Trennung erreicht werden.
Sobald ein Basissystem ausgewertet worden ist, kann jeder der Gestaltungs- oder Betriebsparameter variiert werden, um zu bestimmen, ob andere Systeme ökonomischer und effizienter wären. Die Ausführung mit stehender Welle vermeidet die Notwendigkeit, komplexe Computersimulationen jedes Mal durchzuführen, wenn Gestaltungs- oder Betriebsparameter variiert werden und lässt zu, dass Variationen einfach ausgewertet werden, indem iterativ die Stehende-Wellen-Gleichungen für jede Auswahl von Variablen aufgelöst werden (nachdem alle Berechnungen oder Versuche, die notwendig sind, um einen neuen Satz von Arbeitsparametern abzuleiten, durchgeführt wurden). Sobald diese Iterationen durchgeführt worden sind, kann man den Durchsatz des Systems pro Bettvolumen und die Rate des Lösungsmittelverbrauchs für jedes auszuwertende SMB-System vergleichen. Da Durchsatz und Lösungsmittelverbrauch die dominanten Überlegungen sind, wenn die ökonomische Effizienz eines speziellen SMB-Systems ausgewertet wird, sowohl auf Betriebs- als auch Kapitalkostenbasis, können sie verwendet werden, um die verschiedenen Systeme auf ökonomische Effizienz zu screenen.
Somit liefert die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen zur Optimierung von SMBs unter Verwendung von Gestaltungsgleichungen der vorliegenden Erfindung, wobei eine Anzahl von Gestaltungsparametern variiert wird. In einer speziellen Ausführungsform liefert die Erfindung ein Verfahren, um ein nicht ideales SMB-System zur Reinigung von Insulin zu optimieren, das lineare Isothermen aufweist, das umfasst:

a) dass Gleichungen bereitgestellt werden, die Gestaltung, Betriebs- und intrinsische technische Parameter unter Bedingungen einer stehenden Welle eines SMB in Beziehung gesetzt werden;
b) ein erster Satz von Gestaltungs- und Betriebsparametern angegeben wird, die ausreichen, um die intrinsischen technischen Parameter zu bestimmen und die Gleichungen für ein erstes SMB aufzulösen;
c) dass ein zweiter Satz von Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben wird, der ausreicht, um die intrinsischen technischen Parameter zu bestimmen und die Gleichungen für ein zweites SMB aufzulösen und
d) die wirtschaftliche Effizienz für zwei oder mehr SMBs ausgewertet und verglichen wird.

Die Bedingungen einer stehenden Welle werden bevorzugt in den Gleichungen, die bei der vorhergehenden Ausführung verwendet werden, beachtet. Außerdem definieren die Gleichungen bevorzugt das minimale Verhältnis von Desorbens zu Beschickung für eine gegebene Beschickungsdurchflussrate.
Wie oben diskutiert, werden die Gestaltungsparameter bevorzugt ausgewählt aus: Zonenlänge, Desorbensart, Adsorbensart, Adsorbensteilchengröße und Aufsplittstrategie und die vorhergehende Methode kann verwendet werden, um Variationen für jeden dieser Ausführungsparameter zu screenen. Natürlich brauchen bei vielen Systemen alternative Aufsplittungsstrategien nicht untersucht werden, weil die Aufsplittregeln bereits durch die vorliegende Erfindung etabliert wurden. Weil die Gleichungen für eine stehende Welle die maximale Beschickungsdurchflussrate für eine gegebene Desorbensdurchflussrate definieren oder eine minimale Desorbensdurchflussrate für eine gegebene Beschickungsdurchflussrate, vermeiden die Gleichungen die Notwendigkeit, die Beschickungsdurchflussrate oder die Desorbensdurchflussrate zu variieren, wenn die Konzeption ausgeführt wird.
Im Hinblick auf die Zonenlänge ist anzumerken, dass die Zonenlänge drei Komponenten hat: die Länge der Säulen, die in dem SMB verwendet werden, die Anzahl der angewendeten Säulen und die Zuordnung der Säulen zu den Zonen. Die Variabilität bei jeder dieser Komponenten kann ausgewertet werden unter Verwendung der Gestaltungsmethode der vorliegenden Erfindung, wie unten genauer diskutiert.
Die in die obigen Gleichungen integrierten Betriebsparameter werden bevorzugt ausgewählt aus: Zonendurchflussraten, Kanalbewegungsgeschwindigkeit, Beschickungsdurchflussrate, Desorbensdurchflussrate. Wiederum kann jeder dieser Parameter in dem Screening-Verfahren der Erfindung variiert werden, um das SMB zu optimieren.
Die intrinsischen technischen Parameter für ein nicht ideales System, das lineare Adsorptionsisothermen aufweist, sind Massentransferparameter und Retentionsparameter. Wie oben diskutiert, können diese Parameter gut modelliert werden und bei den Gleichungen durch den axialen Dispersionskoeffizienten E_b und den zusammengefassten Massentransferkoeffizienten K_f berücksichtigt werden. In gleicher Weise können die Retentionsparameter in den Gleichungen durch den Term δ gut dargestellt werden, da dieser Term in einer linearen Beziehung alle Retentionsphänomene berücksichtigt (Größenausschluss und Adsorption). Es versteht sich jedoch, dass verschiedene Gleichungen und Variable in dem Gebiet des chemischen Ingenieurswesens definiert werden, um diese Wirkungen des Massentransfers zu modellieren oder die relative Retention von Komponenten in einem linearen chromatographischen Prozess und die Erfindung soll all diese Gleichungen und Variablen umfassen.
Ein geradliniger Ansatz, um die ökonomische Effizienz eines Systems zu optimieren, ist in den Beispielen angegeben. Eines der Hauptmerkmale dieses Ansatzes besteht darin, zuerst die maximale Geschwindigkeit der mobilen Phase zu bestimmen, die durch das Adsorbens oder die SMB-Ausstattung zugelassen wird, da das SMB mit der maximal zulässigen Geschwindigkeit der mobilen Phase betrieben werden muss, um den Durchsatz für das System zu maximieren (d.h. innerhalb etwa 85, 90, 95, 97, 98% oder 99% der maximal zulässigen Geschwindigkeit der mobilen Phase). Die meisten Adsorbentien und SMB-Ausstattungen (Ventile, Säulen, Verbindungsstücke und Pumpen) haben eine maximale Druckbeschränkung oder eine Beschränkung der maximalen Durchflussrate. Man kann aus den Gleichungen für die stehende Welle (Gleichungen 19, 21 bis 24 und 27) die maximale Beschickungsdurchflussrate und die Geschwindigkeiten der mobilen Phase berechnen, die das Reinheitserfordernis erfüllen können. Die Geschwindigkeit in jeder Zone sollte die entsprechende maximale Geschwindigkeit, die im Hinblick auf die Grenzen für Druck und Durchflussrate berechnet wurden, nicht überschreiten. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, wird die Beschickungsdurchflussrate bei den Gleichungen für stehende Wellen (Gleichungen 19 und 21 bis 24) reduziert, bis diese Bedingung erfüllt ist. Auf gleiche Weise kann man mit einer Geschwindigkeit für die mobile Phase mit einem geringeren Prozentanteil der maximalen Grenze für die Durchflussrate starten, z.B. 50%, um die Betriebsparameter zu erreichen.
Andere Variable können oft zu Beginn festgelegt werden, um die Anzahl von Variablen weiter zu minimieren, die untersucht werden müssen, wenn das SMB-System optimiert wird. Z.B. kann die Beschickungsdurchflussrate fixiert werden, wegen der Durchsatzerfordernisse oder aufgrund von Beschränkungen der Produktion des Rohmaterials von Seiten des Herstellers. In gleicher Weise sind in vielen Fällen die Kosten für das Rohmaterial so hoch und die Reinheitserfordernisse so anspruchsvoll (z.B. bei pharmazeutischen Anwendungen), dass die Produktreinheit und Ausbeute den Startpunkt im Wesentlichen festlegt.
Beispiele
Beispiel 1 – Reinigungen von Insulin aus einer Mischung von Zinkchlorid/Protein mit hohem Molekulargewicht im Pilotmaßstab
Materialien: Insulinzulauf, der in einer einzelnen Säule verwendet wird und SMB-Versuche wurden in einer Brühe durchgeführt, die HMWP/HPI, Insulin, ZnCl₂ und Wasser enthielt. Eisessig wurde von Mallinckrodt Baker Inc. (Paris, KY) erworben und reines Ethanol von Pharmaco Products Inc. (Brookfield, CT). Destilliertes deionisiertes Wasser (DDW) wurde in einem Milli-Q-System von Millipore (Bedford, MA) erhalten. Acetonitril in HPLC-Qualität wurde von Fisher Scientific (Fairlawn, NJ) erworben. Sulfatpuffer wurde aus Natriumsulfat und 85% Phosphorsäure hergestellt, die von Mallinckrodt Baker Inc. erworben wurden. Natriumchlorid und Zinkchlorid wurden von Mallinckrodt Baker Inc. erworben, Blue Dextran, das bei der Bestimmung der Porosität des Bettes verwendet wurde, wurde von Sigma Chemical Co. (St. Louis, MO) erworben. Die Gelteilchen hatten einen durchschnittlichen Radius von 54 μm. Alle Säulen und Verbindungsstücke wurden von Ace Glass Inc. (Louisville, KY) erworben. Die Säulen hatten einen Durchmesser von 5,10 cm und eine Packungslänge von 13,7 cm.
Eine Vydac-C18-HPLC-Säule (25 cm × 4,6 mm) für die Protein- und Peptidanalyse wurde von Vydac Co. (Hesperia, CA) erworben und verwendet, um die Konzentration von BHI (Biosynthetic Human Insulin) zu bestimmen. Eine Waters-Insulin-HMWP-HPLC-Säule (30 cm × 7,8 mm) wurde von Millipore Corp. (Milford, MA) erworben und verwendet, um die Konzentration von HMWP zu bestimmen.
Ausstattung: Das HPLC-System besteht aus zwei Pumpen (Waters 510), einem einstellbaren Detektor mit einer einzigen Wellenlänge (Waters 486) und einem Injektor (Waters U6K). Ein schnelles Proteinflüssigchromatographie-(FPLC)-system von Pharmacia (Piscataway, NJ) wurde bei den Einzelsäulenversuchen verwendet. Dieses System besteht aus zwei Pumpen (Pharmacia P-500), einer Flüssigchromatographie-Kontrollvorrichtung (Pharmacia LCC-500) und einem Injektionsventil (Pharmacia MV-7). Eine SMB-Einheit im Labormaßstab wurde von Advance Separation Technology (Lakeland, FL) hergestellt. Sie besteht aus einer Kontrolleinrichtung zur Einstellung der Umschaltzeit und einem Rahmen, der ein Rotationsgetriebe, eine Antriebseinrichtung und einen Säulenständer trägt. Zwei Einzelkolbenpumpen (Modell RHV), die von Fluid Metering Inc. (Syosset, NY) erworben wurden, wurden verwendet, um die Durchflussrate für Zone II und Zone IV zu kontrollieren. Die Durchflussraten für Beschickung und Desorbens wurden mit zwei FPLC-Pumpen kontrolliert. Die Durchflussraten waren reproduzierbar und wurden mit ±1% kontrolliert.
Säulenvorbereitung: Etwa 150 g Sephadex-G50-Harz wurde langsam in ein Gefäß gegeben, das 1,8 l DDW enthielt. Das Gefäß wurde mit 70 U/min eine halbe Stunde lang rotiert und dann mit 110 U/min 9,5 h, um ein vollständiges Vermischen von Harz und DDW sicherzustellen. Das DDW wurde dekantiert und 1 n Essigsäure wurde langsam dem Harz zugegeben und 50 Minuten lang bewegt. Dann wurde der Überstand dekantiert und das nasse Harz wurde in eine Glassäule überführt, wo es mit 1 n Essigsäure gewaschen wurde. Nach viermaliger Wiederholung der Waschstufe wurde das Harz in 1 n Essigsäure aufgeschlämmt, bevor die Säule gepackt wurde.
Alle Säulen wurden von Ace Glass Company geliefert und so ausgebildet, dass sie eine Packungshöhe von 13,7 cm ergaben. Jede Säule wurde mit einem Säulenextender zur Vereinfachung des Packens verbunden. Die verlängerte Säule wurde mit 0,5 BV 1 n Essigsäure gefüllt. Die Harzaufschlämmung wurde in die Säule gegossen, bis sie ungefähr zwei Drittel des verlängerten Säulenvolumens erreichte. Überschüssige Flüssigkeit oben auf der Harzpackung wurde entfernt. Zu diesem Zeitpunkt sollte die Harzpackung um 0,8 cm höher sein als die Zielpackungshöhe und das Gewicht der gepackten Säule wurde bestimmt, damit das Gewicht jeder Säule gleich war. Es ist anzumerken, dass das zu diesem Zeitpunkt festgestellte Gewicht höher ist als das Gewicht der fertig gepackten Säule, da die Harzpackung höher ist als die Zielhöhe. Eine Lösung von 20% Ethanol wurde in die Säule gefüllt, bis sie zu drei Viertel der verlängerten Säule gefüllt war. Die Dispersion wurde gut gemischt, indem die Säule geschüttelt wurde. Das Harz wurde dann sich absetzen gelassen. Wenn ein inch Flüssigkeit sich über dem Harz gebildet hatte, wurde die Flüssigkeit vom Boden der Säule mit einer Vakuumpumpe entnommen. Sobald der größte Teil der Flüssigkeit entfernt worden war, wurde der Extender von der Säule getrennt und die Säule mit einer Pumpe verbunden (FPLC-Pumpe, Pharmacia), um das Packungsverfahren fortzusetzen. Eine Lösung von 1 n Essigsäure wurde durch die Säule mit einer Durchflussrate von 1 ml/min 50 min lang nach oben fließen gelassen. Die Durchflussrate wurde nach und nach alle 15 min auf die maximale Durchflussrate (9 ml/min) erhöht. Nach 30 min bei der maximalen Durchflussrate wurde die Fließrichtung verändert, so dass die Flüssigkeit nach unten floss. Die Durchflussrate wurde wiederum auf gleiche Weise erhöht wie bei dem Nach-oben-Fließen. Bei der maximalen Durchflussrate dauerte der Durchfluss nach unten 50 min.
Der HETP-(Höhe äquivalent zu theoretischen Böden)-Test wurde durchgeführt, um die Säuleneffizienz für jede Säule zu testen. Ein 2-ml-Puls Natriumchlorid (5 g/l in 1 n Essigsäure) wurde in die Säule injiziert und anschließend mit 1 n Essigsäure bei maximaler Durchflussrate eluiert. Da der Leitfähigkeitsdetektor eine relativ hohe Durchflussresistenz hat, wurde das Säuleneffluens in zwei Ströme in einem Verhältnis von 8:1 aufgespalten. Die Aufspaltung ist notwendig, um den Druckabfall in der Säule unter 6,89 bar (100 psi) zu halten. Der kleinere Strom wurde durch den Leitfähigkeitsdetektor geleitet. Schließlich wurde die Anzahl der theoretischen Platten bzw. Böden (N) aus dem Leitfähigkeitspeak bestimmt, wobei das Ziel mehr als 150 Böden waren.
Einzelsäulenversuche: Alle Versuche einschließlich der SMB-Versuche wurden bei atmosphärischem Druck (1 bar) und kalter Raumtemperatur (4°C) durchgeführt. Die Beschickungslösung wurde bei 4°C equilibriert und innerhalb von 12 Stunden nach der Bereitstellung der Beschickung verwendet. Vor den Versuchen wurden die Säulen mit 1 n Essigsäure equilibriert. Das Extrasäulentotvolumen wurde bestimmt, indem die Totvolumina der Säulenkappe und der Schläuche getrennt gemessen wurden. Zur Bestimmung des Totvolumens der Säulenkappe wurde die Menge an Wasser, die die Kappe füllte, gemessen. Das Totvolumen der Schläuche wurde gemessen, indem ein Pulstest ohne die Säule nach jedem einzigen Säulenversuch durchgeführt wurde.
Um die Pulstests durchzuführen, wurde eine 2-ml-Schleife mit dem Injektionsventil (Pharmacia MV-7) verbunden. In der Beladungsposition war die Schleife mit einer Beschickungslösung gefüllt. Die Elutionsdurchflussrate wurde kontrolliert von einer Kontrolleinrichtung (Pharmacia LCC-500). Dann wurde das Injektionsventil von der Kontrolleinrichtung in die Injizierposition umgeschaltet, um die Injektion zu starten. Die Datenaufzeichnung wurde gleichzeitig gestartet. Drei Pulstests wurden durchgeführt: NaCl, ZnCl₂ und BHI. Die BHI-Konzentrationen wurden mit dem UV-Detektor bei 294 nm nachgewiesen. Alle Pulstests wurden bei einer Durchflussrate von 6 ml/min durchgeführt.
Für Frontbildungstests wurde 1 n Essigsäure für die Säulenequilibrierung verwendet und anschließend die BHI-Lösung in die Säule gegeben. Nachdem am Säulenauslass ein Konzentrationsplateau erschien, wurde 1 n Essigsäure verwendet, um die Säule zu waschen. Wegen der hohen BHI-Konzentration wurde das Effluens bei einer Wellenlänge von 306 nm überwacht. Drei Frontaltests wurden durchgeführt, jeder bei einer anderen Durchflussrate von 2,0 ml/min, 4,0 ml/min bzw. 8,1 ml/min.
Für Mehrfachfrontentests wurden beide FPLC-Pumpen verwendet. Eine Pumpe lieferte 1 n Essigsäure und die andere die BHI-Lösung. Die zwei Ströme wurden vermischt, bevor sie in die Säule eintraten. Die Gesamtdurchflussrate für den gemischten Strom wurde konstant auf 6 ml/min gehalten. Verschiedene BHI-Zusammensetzungen (20%, 40%, 60%, 80% und 100%) wurden erhalten, indem das Verhältnis der beiden Ströme verändert wurde. Das Verhältnis wurde nur verändert, nachdem ein Konzentrationsplateau am Säulenauslass erreicht war. Das Säuleneffluens wurde bei 310 nm unter Verwendung eines UV-Detektors überwacht.
SMB-Versuche: Die 10 Säulen in dem SMB wurden mit Sephadex-G50-Harz gepackt unter Verwendung der vorher erwähnten Methode. Die Säulenkonfiguration war entweder 2-3-3-2 (es gab 2, 3, 3 und 2 Säulen in den Zonen I, II, III bzw. IV) oder 2-2-4-2. Das Extrasäulentotvolumen wurde bestimmt, indem die Wassermenge gemessen wurde, die die Schläuche und das Drehventil füllte. Vor jedem SMB-Versuch wurden die Durchflussraten der vier Pumpen manuell eingestellt und später periodisch während des Versuchs kontrolliert, um Genauigkeit sicherzustellen. Die Umschaltzeit wurde eingestellt unter Verwendung der SMB-Kontrolleinrichtung. Der Versuch wurde gestartet, indem die Pumpen gleichzeitig angeschaltet wurden. Beschickung und Desorbens wurden kontinuierlich in die Säulen gepumpt. Die Beschickung für Ring I wurde hergestellt, indem rohes Insulinpulver (das ZnCl₂ enthielt) in einer HMWP-Brühe gelöst wurde. Die Beschickung für Ring II war eine binäre Mischung aus BHI und ZnCl₂, die hergestellt wurde, indem das rohe Insulinpulver in 1 n Essigsäure aufgelöst wurde. Das Desorbens war 1 n Essigsäure. Die Proben wurden von der Extraktöffnung und der Raffinatöffnung über die gesamte Umschaltperiode (zwischen zwei Umschaltungen) gesammelt. Daher stellt die Konzentration jeder Probe die durchschnittliche Konzentration über einen Umschaltzeitraum dar. Die Versuche mit Ring I wurden in der Mitte der 45. Stufe gestoppt und der Versuch mit Ring II wurde in der Mitte der 61. Stufe gestoppt. Die Zonenprofile wurden dann erhalten, indem Proben aus den Probeentnahmeöffungen gesammelt wurden, die an jedem Säulenauslass angeordnet waren.
Säulencharakterisierung: Die Ergebnisse der Säulencharakterisierung sind in Tabelle 4 aufgeführt. Es wurde gefunden, dass die Anzahl der theoretischen Böden (N), die mit NaCl-Pulstests abgeschätzt wurde, für alle Säulen größer als 150 Böden war. Tabelle 4: Zusammenfassung der Ergebnisse der Säulencharakterisierung

* Das Gewicht bezieht sich auf das Packungsgewicht für ein durchschnittliches Packungsvolumen von 304 ml, das größer ist als das Endbettvolumen (280 ml).

Pulstests: Die Chromatogramme der Pulstests sind in 9 gezeigt. Das Elutionsvolumen für jeden Puls wird geschätzt aus dem Massenzentrum des Chromatogramms und wird verwendet, um die Säuleneigenschaften und die Größenausschlussfaktoren zu bestimmen. Es ist anzumerken, dass das Extrasäulentotvolumen abgezogen wird, um das Nettoelutionsvolumen über die Säule zu erhalten.
Das Elutionsvolumen eines Blau-Dextran-Pulses ist das Interteilchenvolumen oder Totvolumen (V₀), da das Blau-Dextran-Molekül viel größer ist als die durchschnittliche Harzporengröße und vollständig aus den Teilchen ausgeschlossen wird. Der Leerraum des Betts, ε₀, wird aus dem Totvolumen berechnet wie folgt:
worin BV das Bettvolumen ist (ml).
Das NaCl-Molekül ist kleiner als das Molekül von HPI, BHI oder ZnCl₂ und wird ausgewählt als Tracer, um das Intrateilchenvolumen abzuschätzen. Das Gesamttotvolumen (V_t) einschließlich Interteilchen- und Intrateilchenvolumen wird aus dem NaCl-Puls erhalten. Zusammen mit dem Totvolumen kann das Gesamttotvolumen verwendet werden, um die Teilchenporosität, ε_p, zu berechnen.
Mit dem Leerraum des Betts (ε_p) und der Teilchenporosität (ε_p) können die Größenausschlussfaktoren von BHI und ZnCl₂ wie folgt abgeschätzt werden:
worin Ke der Größenausschlussfaktor ist und V_e das Elutionsvolumen von BHI oder ZnCl₂ ist. Die Werte für ε_b, ε_p, das Extrasäulentotvolumen und Ke sind in Tabelle 5 aufgeführt. Tabelle 5: Zusammenfassung der Ergebnisse der Pulstests in den Säulen im Labor- und Pilotmaßstab

* Der Ke, der aus der Säule im Labormaßstab mit einem kleinen Puls geschätzt wurde, bei dem die Peakkonzentration sehr gering ist, kommt dem intrinsischen Ke sehr nahe. Der Ke für die Säule im Pilotmaßstab ist ein scheinbarer Ke, der konzentrationsabhängig ist.

Die geschätzten Säuleneigenschaften und Größenausschlussfaktoren für die Säulen im Labormaßstab (Tabelle 5) wurden auf ein Modell mit detaillierter Rate angewendet, VERSE, um die Daten der Versuche im Labormaßstab zu simulieren. Die Massentransfer- und numerischen Parameter, die in den Simulationen verwendet wurden, sind in Tabelle 6 aufgeführt. Die simulierten Chromatogramme stimmen gut überein mit den in 9 gezeigten experimentellen Daten.
Sättigungs- und Elutionstests: Während des Pulstests von BHI wird die injizierte BHI-Lösung um mehr als das 25-Fache verdünnt, da das Beschickungsvolumen nur 2 ml ist (0,7% Bettvolumen). Die Verdünnung im SMB ist jedoch gewöhnlich viel geringer als die bei dem Batch-Chromatographieprozess. Außerdem ist der Betrieb des SMB ähnlich einem langen Puls, d.h. eine große Beladungsmenge gefolgt von der Elution. Aus diesen Gründen wurden Tests mit langen Pulsen einschließlich der Sättigung mit BHI-Lösung und der Elution mit 1 n Essigsäure durchgeführt. Tabelle 6: Massentransfer- und numerische Parameter, die in den Simulationen dieser Studie verwendet wurden

* D_∞'s von Blau-Dextran und NaCl wurden von Hritzko et al. (1999) erhalten und bezüglich der Temperatur und Viskosität unter Verwendung der Wilke- und Chang-(1955)-Korrelation eingestellt. D_p von NaCl wird abgeschätzt durch die Mackie- und Meares-Korrelation (1955).
** D_∞'s und von BHI und ZnCl₂ werden durch die Wilke- und Chang-(1955)-Korrelation erhalten. D_p's von BHI und ZnCl₂ werden erhalten, indem die Daten mit VERSE-Simulationen angepasst werden.

10 zeigt die Chromatogramme der Sättigungs- und Elutionstests bei drei verschiedenen Durchflussraten und die Ergebnisse der Simulationen (gestrichelte Linien), wobei der intrinsische Ke mit dem Kleinpulstest geschätzt wurde (Tabelle 5). Die simulierten Chromatogramme sind über den Daten sowohl für die Beladung als auch den Elutionsprozess bei allen drei Durchflussraten.
Mehrfrontentest: Ein Test mit mehreren Fronten wurde zuerst durchgeführt ohne die Säule. Dieser Test soll das Extrasäulentotvolumen bestimmen und die Kalibrierungskurve der UV-Extinktion als Funktion der Konzentration liefern. Das Chromatogramm, das in 11a gezeigt ist, wird verwendet, um das Totvolumen abzuschätzen, das in dem Mischer und den Verbindungsschläuchen vorhanden ist. Die Totzeit jeder Front, die ohne die Säule erhalten wird, wird von der Durchbruchszeit der entsprechenden Front, die mit der Säule erhalten wird, abgezogen. Das Chromatogramm des Mehrfrontentests mit der Säule ist in 11b gezeigt.
Nach dem von Ma et al. (1996) beschriebenen Verfahren kann man die an dem Harz adsorbierte Menge an BHI, die mit jeder Plateaukonzentration assoziiert ist, berechnen. Die Adsorptionsdaten für die Isotherme sind in 11c gezeigt. Ein Anti-Langmuir-Isothermenmodell wurde angewendet, um die Daten einzupassen.
Die Anti-Langmuir-Isothermenparameter wurden in einer Simulation verwendet, um die Testdaten für mehrfache Fronten vorherzusagen. Eine gute Übereinstimmung zwischen der Modellvorhersage und den Daten ist in 11b gezeigt. Da der Kurvenverlauf der Isotherme ziemlich klein ist, kann die Isotherme gut durch eine lineare Adsorptionsisotherme oder eine scheinbare Ke dargestellt werden, die einen höheren Wert hat als der intrinsische Ke. Aus diesem Grund können die Mehrfrontentestdaten mit einem scheinbaren Ke simuliert werden. Die simulierten Chromatogramme mit Adsorption (Anti-Langmuir) und mit dem scheinbaren Ke sind fast identisch (11b). Der Wert des scheinbaren Ke, der für die Simulationen angewendet wird, ist 0,74 (> 0,68, der Wert des intrinsischen Ke von BHI).
Mit den Isothermenparametern und dem scheinbaren Ke von BHI kann man die Simulationen erneut für die Sättigungs- und Elutionsprozesse durchführen (der lange Puls). Die simulierten Chromatogramme mit Adsorption und mit dem scheinbaren Ke kommen den experimentellen Daten näher als die Simulation mit dem intrinsischen Ke (10). Die experimentellen Frontalwellen liegen immer noch hinter der Modellvorhersage, wegen der exzessiven Adsorption während der Anfangsbeladungsperiode. Die Nichtübereinstimmung hat jedoch keinen negativen Einfluss auf die Gestaltung des SMB, da die vorhergesagte Adsorptionswelle vor den experimentellen Daten liegt.
SMB-Versuche: Das Extrasäulentotvolumen in der SMB-Einheit wurde abgeschätzt mit 10,4 ml/Säule oder 3,7% Bettvolumen. Dieses Totvolumen wurde in Betracht gezogen bei Entwicklung der Zonendurchflussraten und Umschaltzeiten des SMB-Prozesses. Die Entwicklungsergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengefasst.
Die maximale interstitielle Geschwindigkeit für das Sephadex-G50-Harz darf 1,28 cm/min nicht überschreiten. Für Säulen im Labormaßstab (5,1 cm im Durchmesser) ist die maximale Zonendurchflussrate etwa 9 ml/min. Diese Durchflussratenbeschränkung wurde angewendet für die Gestaltung sowohl von Ring I als auch Ring II mit den Säulen im Labormaßstab. Da Säulen gleicher Größe in den Versuchen mit Ring I und Ring II verwendet wurden, passte die Extraktdurchflussrate von Ring I nicht zu der Beschickungsdurchflussrate von Ring II, wie in Tabelle 7 gezeigt. Diese Fehlpaarung, die in Betracht gezogen wird bei der Berechnung des gesamten Durchsatzes beeinflusst jedoch nicht die Auswertung des Tandem-SMB-Aufbaus und des Modells.
Der SMB-Versuchsdurchlauf 1 (Ring I) dauerte 21 Stunden oder 45 Zyklen. Die Simulation und die experimentellen Daten der Effluenshistorie an den Raffinat- und Extraktöffnungen und die Säulenprofile in der Mitte des Zyklus beim letzten Zyklus sind in Tabelle 12 ge zeigt. Enge Übereinstimmung zwischen der Modellvorhersage und den experimentellen Daten zeigt, dass die Säuleneigenschaften und Größenausschlussfaktoren, die in den SMB-Gestaltungen verwendet werden, genau sind und das Entwicklungsverfahren robust ist, wenn auch die Simulationen die Daten für die Batch-Frontprozesse nicht genau vohersagen. Tabelle 7: Betriebsbedingungen, die entwickelt wurden, um den Tandem-SMB-Prozess zu testen*

* Der Ke von BHI, der bei diesem Aufbau verwendet wurde, ist der scheinbare Ke (= 0,74) und das Extrasäulentotvolumen pro Säule ist 10,4 ml/Säule oder 3,7% des Bettvolumens.

Von den experimentellen Ergebnissen des SMB, Durchlauf 1, ist das Säulenprofil von BHI (12c) am interessantesten. In Ring I wird eine leichte Frontbildung von BHI in 12c beobachtet. Als Ergebnis geht eine geringe Menge an BHI im Raffinat verloren, wie in 12a gezeigt. Der Verlust an BHI ist jedoch nur 3% (Tabelle 8), was viel weniger ist als bei dem Referenz-Batch-SEC-Prozess (11%). Die Verbesserung der Ausbeute durch SMB-Ring I gegenüber dem Referenz-Batch-SEC-Verfahren wird den Trennungseigenschaften des SMB zugerechnet, d.h. es ist nur eine teilweise Trennung notwendig im SMB. Die überlappende Bande bleibt in den SMB-Säulen. Im Gegensatz dazu wird die überlappende Bande im Batch-Verfahren zurückgeführt. Tabelle 8: Zusammenfassung der ezperimentellen Ergebnisse des SMB

* Die Reinheit in Ring I wird definiert als (C_BHI + C_ZnCl2)/(C_BHI + C_ZnCl2 + C_HMWP) × 100%.
** Die Ausbeute wurde abgeschätzt in Bezug auf die durchschnittliche Konzentration über einen Umschaltzeitraum im letzten Zyklus.
^✝ Der Versuch mit Ring II (Durchlauf 3) erreichte nicht den zyklischen Gleichgewichtszustand. Die Werte in Klammern wurden geschätzt aus den Simulationen bei zyklischem Gleichgewicht.

Die Frontbildung von BHI in Zone III von Ring I kann simuliert werden unter Verwendung eines größeren axialen Dispersionskoeffizienten (E_b). Die Ergebnisse der Simulationen mit unterschiedlichen E_b's für BHI in Zone III sind in 13 aufgetragen. Wenn E_b zunimmt, steigt der Verlust von BHI im Raffinat an (13a) und die Adsorptionswelle von BHI in Zone III breitet sich aus (13c). 13 zeigt, dass die Durchbruchskurve von BHI im Raffinat gut vorhergesagt werden kann, wenn der E_b-Wert 40 Mal größer ist als der durch die Chung- und Wen-Korrelation geschätzte (1968). Um den Verlust an BHI in Ring I zu reduzieren, sollte die Frontbildung in Betracht gezogen werden und der eingesetzte E_b-Wert sollte bei Konzeption mit stehender Welle verwendet werden.
Tabelle 9 zeigt die Ergebnisse der Ausführung von Ring I, bei der die Frontbildung von BHI in Betracht gezogen wird unter Verwendung des angepassten E_b (40 Mal größer als aus der Chung- und Wen-Korrelation abgeschätzt). Eine andere Zonenkonfiguration wurde untersucht bei der Gestaltung mit stehender Welle. Um den Unterschied zwischen dem echt sich bewegenden Bett und dem Simulated Moving Bed zu reduzieren, sind mindestens zwei Säulen pro Zone erforderlich. Für einige Zonenkonfigurationen gibt es keine geeigneten Betriebsbedingungen, die das Erfordernis der Ausbeute erfüllen können (99,99% für BHI). Von den drei Zonenkonfigurationen, die das Erfordernis einer hohen Ausbeute erfüllen können, ergibt 2-2- 4-2 den geringsten Lösungsmittelverbrauch (Verhältnis von Desorbens zu Beschickung), wie in Tabelle 9 gezeigt. Um die Gestaltungsergebnisse zu verifizieren, wurden VERSE-Simulationen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse sind in Tabelle 10 aufgeführt.
Die Zonenkonfiguration 2-2-4-2 und die dazugehörigen Betriebsparameter, die in Tabelle 9 aufgeführt sind, wurden dann auf den SMB-Versuch Durchlauf 2 angewendet. Die experimentellen Daten und die Simulationsergebnisse sind in 14 gezeigt. Im Vergleich zu 12a zeigt 14a, dass der Verlust an BHI im Raffinat signifikant verringert ist. Als Ergebnis steigt die Ausbeute an BHI von 97,0% in Durchlauf 1 auf 99,3% in Durchlauf 2 (Tabelle 8). Die Frontbildung von BHI in Zone III ist gut vorhergesagt und die Adsorptionswelle von BHI ist auf Zone III beschränkt, wie in 14c gezeigt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass ein gut ausgeführtes SMB die BHI-Frontbildung überwinden kann. Weiterhin beweist die enge Übereinstimmung zwischen den Daten und der Modellvorhersage, dass der auf einem Modell basierende Gestaltungsansatz einschließlich der Ausführung mit stehender Welle und die VERSE-Simulation sehr effizient sind. Tabelle 9: Ergebnisse für die Ausführung mit stehender Weller für Ring I mit BHI E_b in Zone III = 40 C&W*

* C&W steht für den Wert, der aus der Chung- und Wen-Korrelation geschätzt wurde. Zonendurchflussraten von weniger als 8,5 ml/min, was 5% geringer ist als der theoretische maximale Wert.

_b

* Der Index "F" bedeutet Beschickung.
** Simulation beendet nach dem 50. Zyklus.

Der Versuch mit Ring-II-SMB (Durchlauf 3) wurde durchgeführt, nach den Versuchen mit Ring-I-SMB. Die Betriebsbedingungen für Ring II sind in Tabelle 7 aufgeführt. Die Versuchsergebnisse für Ring II sind in Tabelle 8 zusammengefasst und die Effluenshistorie und die Säulenprofile sind in 15 aufgetragen. Die Modellvorhersage wurde wiederum mit den experimentellen Daten verifiziert (15). Es ist anzumerken, dass der Ring-II-Versuch (Durchlauf 3) kein zyklisches Gleichgewicht erreichte und die BHI-Konzentration in der letzten Stufe (61. Stufe) wurde verwendet, um die Ausbeute zu berechnen. Da das Modell mit vorübergehenden Daten verifiziert wurde, kann die im Modell vorhergesagte Konzentration bei zyklischem Gleichgewicht (nach 150 Stufen) verwendet werden, um die tatsächliche Ausbeute abzuschätzen. Die geschätzte Ausbeute wird in der Tabelle 8 in Klammern aufgeführt. Die BHI-Konzentration bei zyklischem Gleichgewichtszustand ist höher als bei dem vorübergehenden Zustand. Aus diesem Grund ist die Ausbeute bei zyklischem Zustand höher als die nach der 61. Stufe.
Die Gesamtausbeute, der Durchsatz und der Lösungsmittelverbrauch der SMB-Versuche in Ring I und Ring II (Durchlauf 2 und Durchlauf 3) wurden berechnet. Die Gesamtausbeute ist das Produkt der Ausbeuten der SMB-Durchläufe 2 und 3.
Da die Extraktdurchflussrate von Ring I höher ist als die Beschickungsdurchflussrate von Ring II, ist mehr Harz notwendig in Ring II als in Ring I, so dass Ring I und Ring II im Tandem betrieben werden können. Dies kann geschehen, indem der Durchmesser der Säulen in Ring II erhöht wird, während die interstitiellen Geschwindigkeiten gleich bleiben wie beim dem Versuch mit Ring II. Aus diesem Grund wurde der Gesamtdurchsatz (pro 100 l Bettvolumen) der Tandem-SMB-Versuche wie folgt berechnet:
wobei F_F die Beschickungsdurchflussrate (ml/min) ist, F_E die Extraktdurchflussrate (ml/min), BV für das Bettvolumen (ml) einer einzelnen Säule in den Versuchen steht.
Aus ähnlichen Gründen sollten die unterschiedlichen Bettvolumina für Ring I und Ring II in dem Tandem-SMB bei Abschätzung des Gesamtlösungsmittelverbrauchs beachtet werden. Außerdem ist die Beschickungskonzentration von Ring II (SMB Durchlauf 3) nicht die gleiche wie die Extraktkonzentration (oder Produktkonzentration) von Ring I (SMB Durchlauf 2), wie in Tabelle 8 gezeigt. In dem aktuellen Tandem-SMB sollten diese zwei Konzentrationen gleich sein. Um die endgültige Produktkonzentration des Tandem-SMB aus den einzelnen Versuchen mit Ring I und Ring II abzuschätzen, sollte das Konzentrationsverhältnis zwischen dem Extrakt von Ring I und der Beschickung von Ring II verwendet werden. Die geschätzte Konzentration des Endprodukts (BHI im Raffinat von Ring II) wird angewendet, um den Gesamtlösungsmittelverbrauch zu berechnen wie folgt:
worin F_D die Desorbensdurchflussrate (ml/min) ist, F_R die Raffinatdurchflussrate (ml/min) ist und der Index "Ext" für Extrakt steht und "Raff" für Raffinat steht. Die Einheit der BHI-Konzentration ist g/l.
Die berechneten Ergebnisse sind in Tabelle 8 zusammengefasst. Da der Versuch mit Ring II (Durchlauf 3) keinen zyklischen Gleichgewichtszustand erreichte, ist die berechnete Ausbeute basierend auf dem letzten Datenpunkt in der Kurve der Effluenshistorie niedriger als die Ausbeute bei zyklischem Gleichgewichtszustand. Auf Basis der VERSE-Simulation bei zyklischem Gleichgewichtszustand für Ring II ist die vorhergesehene Ausbeute für Ring II 99,7%. In anderen Worten wird, wenn der Versuch mit Ring II lange genug läuft, um einen zyklischen Gleichgewichtszustand zu erreichen (nach 150 Stufen) der Tandem-SMB-Prozess eine Gesamtausbeute von 99% haben. Der Gesamtdurchsatz des SMB-Prozesses ist 1,19 1/h/100 l BV. All diese Versuchsergebnisse zeigen, dass das SMB-Verfahren effizienter ist als das derzeitige Batch-Verfahren für die BHI-Reinigung. Wenn die maximal zulässige Durchflussrate nicht durch das Harz beschränkt wäre, dann könnte man sogar noch weitere Verbesserungen in Bezug auf die Ausbeute und den Durchsatz gegenüber Batch-Systemen erwarten.
Beispiel 2 – VERSE-Raten-Modell
Um die Validität der verkürzten Ausführungsmethode, die von der Analyse der stehenden Welle abgeleitet ist, zu untersuchen, wurden verschiedene Simulationen in diesen Beispielen durchgeführt. Für Einzelsäulen- und Mehrfachsäulenuntersuchungen wurde ein mathematisches Modell basierend auf der Porendiffusion verwendet. Über die numerischen Lösungen der entsprechenden Gleichungen und ihre Randbedingungen ebenso wie über die numerischen Methoden, die verwendet wurden, um sie zu lösen, wurde bereits berichtet (Berninger et al., 1991; Ma et al., 1996; Whitley, 1990) als VERSE-Modell. Die Gleichungen werden gelöst mit der Methode der orthogonalen Kollokation an finiten Elementen in räumlicher Ausdehnung und DASSL (Petzold, 1982) wird verwendet, um die Zeitdomäne zu integrieren. Das Modell geht von gleichförmigen kugelförmigen Adsorbensteilchen, einer Pfropfenströmung mit konstanter linearer Geschwindigkeit, einem lokalen Gleichgewicht innerhalb des Adsorbens und konstanten Diffusivitäten aus.
Beispiel 3 – Bestimmung der Abklinekoeffizienten
Um eine Konzeption bei Vorliegen einer Massentransferresistenz (Gleichungen 21 bis 24) zu erstellen, ist es notwendig, die Abklingkoeffizienten bzw. Dämpfungskoeffizienten für die stehenden Konzentrationswellen in jeder Zone spezifisch anzugeben. Man kann ausreichend große Abklingkoeffizienten β m / i spezifisch angeben, um eine hohe Reinheit und hohe Ausbeute zu erhalten (Wu et al., 1998; Xie et al., 2000). Es ist jedoch angenehm, β m / i nach der gewünschten Ausbeute für jede Komponente spezifisch angeben zu können. Ein Ansatz, der verwendet werden kann, um die Produktausbeute mit den Werten für β m / i zu vernetzen, wird hier vorgeschlagen. Der Ansatz basiert auf einfachen Materialgleichgewichten rund um die Einlass- und Auslassöffnungen bzw. -kanäle. Für jede Komponente wird angenommen, dass das Konzentrationsprofil flach ist in einer Zone, in der es weder stehend noch gequetscht ist. Der Zulaufkanal wird als Mischkontakt zwischen den Zonen II und III und dem Beschickungseinlass behandelt. Der Desorbenskanal wird als Mischkontakt zwischen den Zonen I und IV und dem Desorbenseinlass behandelt. Um diesen Ansatz zu verwenden, ist es notwendig, die gewünschte Produktausbeute für jede Komponente in der Mischung spezifisch anzugeben. Dies kann durch Y_i für jede Komponente i angegeben werden. 16 zeigt schematische Säulenprofile für die stehenden Komponenten in einem Vier-Zonen-SMB. Für jede Komponente, die in dem Raffinat gewonnen werden soll:

worin C^R _i die zeitmittlere Konzentration der Komponente i an der Raffinatöffnung ist, F die Beschickungsdurchflussrate ist, C^F _i die Konzentration von i in der Beschickungslösung ist, C^E _i die Konzentration von i im Extrakt ist, C^FP _i die Konzentration von i am Zulaufkanal ist (die als verdünnt im Vergleich zu der wahren Beschickung angesehen wird, wegen Rückfluss aus Zone II), C^DP _i die Konzentration von i am Desorbenskanal ist, R die Raffinatdurchflussrate ist und E die Extraktdurchflussrate ist. Für jede aus dem Extrakt zu gewinnende Komponente:
Die Gleichungen 41 bis 48 können angewendet werden, um die Konzentration für jede Komponente an jeder Öffnung bzw. jedem Kanal zu lösen, die wiederum verwendet werden kann, um den Abklingkoeffizienten für jede Zone zu berechnen:
Die Lösung für die Vier-Zonendurchflussraten und die Umschaltzeit (Gleichungen 19 und 21 bis 24) ist iterativ. Die Anfangsannahme der Zonendurchflussraten und Umschaltzeit stammt aus den idealen Gleichungen (Gleichungen 15 bis 19). Diese Parameter werden verwendet, um Massentransferparameter für jede Komponente in jeder Zone zu bestimmen, die wiederum verwendet werden, um die Zonendurchflussraten und die Umschaltzeit neu zu berechnen. Die Berechnung und erneute Substitution wird fortgesetzt, bis die Durchflussraten und die Umschaltzeit sich um weniger als 0,01% bei jeder Stufe ändern.
Nomenklatur

α_i

= Linearer Gleichgewichtsverteilungskoeffizient für Komponente i, ml/ml SV.

c_i

= Konzentration der Komponente i in der mobilen Phase (eine Funktion von z und t), mg/ml

c_pi

= Porenphasenkonzentration der Komponente i (eine Funktion von r und t), mg/ml

C_i,max ^m

= maximale zeitmittlere Konzentration der Komponente i in Zone m, mg/ml

C_i,min ^m

= minimale zeitmittlere Konzentration von Komponente i in Zone m, mg/ml

C DP / i

= Konzentration der Komponente i am Desorbenskanal, mg/ml

C E / i

= Konzentration der Komponente i am Extraktkanal, mg/ml

C FP / i

= Konzentration der Komponente i am Zulaufkanal, mg/ml

C R / i

= Konzentration der Komponente i am Raffinatkanal, mg/ml

D

= Desorbensdurchflussrate, ml/min

D_pi

= Intrateilchendiffusivität der Komponente i, cm²/min

D_A

= Desorbensdurchflussrate am Ring A in einem Zwei-Ring-SMB, ml/min

D_B

= Desorbensdurchflussrate am Ring B in einem Zwei-Ring-SMB, ml/min

D_Gesamt

= Gesamtdesorbensdurchflussrate an einem Zwei-Ring-SMB, ml/min

D ∞ / i

= Brown'sche Diffusivität der Komponente i, cm²/min

E

= Extraktdurchflussrate, ml/min

E_A

= Extraktdurchflussrate am Ring A in einem Zwei-Ring-SMB, ml/min

E_bi ^m

= axialer Dispersionskoeffizient der Komponente i in Zone m, cm²/min

F

= Beschickungsdurchflussrate, ml/min

F

= Durchflussrate in Zone m, ml/min

F_A

= Beschickungsdurchflussrate am Ring A in einem Zwei-Ring-SMB, ml/min

F_B

= Beschickungsdurchflussrate am Ring B in einem Zwei-Ring-SMB, ml/min

j

= Komponentenindex

k_fi ^m

= Filmmassentransferkoeffizient von Komponente i in Zone m, cm/min

K_ei

= Größenausschlusskoeffizient der Komponente i

K_fi ^m

= zusammengefasster Massentransferkoeffizient der Komponente i in Zone m, min^–1

L_c

= Länge der einzelnen Säule, cm

L^m

= Länge der Zone m, cm

n

= Anzahl der Kanalumschaltungen

N

= Zahlenindex der Komponente mit höchster Affinität

N_c ^m

= Anzahl der Säulen in Zone m

P ≡ (1 – ε_b)/ε_b

= Verhältnis von Teilchen zu mobiler Fluidphase

q_i'

= Festphasenkonzentration der Komponente i (eine Funktion von r und t), mg/ml S.V.

R

= Raffinatdurchflussrate, ml/min

R_p

= Teilchenradius, cm

S

= Querschnittsfläche der Säule, cm²

S.V.

= Feststoffvolumen

t

= Zeit, min

t_p

= Zeit, die für die Pulsinjektion erforderlich ist, min

t_ri

= Retentionszeit der Komponente i, min

t_s

= Umschaltzeit, min

t_0i

= Elutionszeit der Komponente i, wobei die Adsorption vernachlässigt wird, min

u₀ ^m

= interstitielle Flüssigkeitsgeschwindigkeit in Zone m, cm/min

V_c

= Gesamtsäulenvolumen (Teilchen + Totvolumen), ml

Y_i

= Ausbeute an Komponente i an dem gewünschten Produktkanal

z

= axialer Abstand entlang des SMB, cm

z₀ ^m

= Position des am weitesten stromaufwärts liegenden Punkts in Zone m, cm

β_i ^m

= Abklingfaktor der stehenden Welle i in Zone m

δ_i ≡ K_eiε_p + (1 – ε_p)α_i

= Retentionsfaktor der Komponente i

Δ_i ^m

= Massentransferkorrekturterm für die stehende Komponente i in Zone m

ε_b

= Intrateilchentotfraktion

ε_p

= Interteilchentotfraktion

ν

= Bewegungsgeschwindigkeit des Feststoffs, cm/min

νA

= Bewegungsgeschwindigkeit des Feststoffs für Ring A in einem Zwei-Ring-SMB, cm/min

ν_B

= Bewegungsgeschwindigkeit des Feststoffs für Ring B in einem Zwei-Ring-SMB, cm/min

Literaturstellen

1. Adachi, S., "Simulated Moving Bed Chromatography for Continuous Separations of Two Components and Its Application to Bioreactors", J. Chromatogr. A, 658, 271 (1994).
2. Archibald, T.G., G.G. McParland, M. Chalker, B. Kelson, A.A. Malik, T.E. Clement und H. Palandoken, "Commercial Scale Counter Current Chromatographic Separation of a Pharmaceutical Intermediate: Achieving Purity When Conventional Chemical Approaches Fail", Paper presented at the Eastern Analytical Symposium and Exposition, Somerset, New Jersey, November (1999).
3. Azevedo, D.C.S. und A.E. Rodrigues, "Design of a Simulated Moving Bed in the Presence of Mass-Transfer Resistances", AIChE J., 45(5), 956 (1999).
4. Balannec, B. und G. Hotier in Preparative and Production Scale Chromatography, G. Ganetsos und P.E. Barker, Herausgeber (Mercel Dekker, New York, 1993), Seiten 301–357.
5. Barker, P.E. und D. Critcher, "The Separation of Volatile Liquid Mixtures by Continuous Gad-Liquid Chromatography", Chem. Eng. Sci., 13, 82 (1960).
6. Berg, C., Trans. Am. Inst. Chem. Eng., 42, 665 (1946).
7. Biressi, G., O. Ludeman-Hombourger, M. Mazzotti, R.-M. Nicoud und M. Morbidelli, "Design and Optimization of a Simulated Moving Bed Units: Role of Deviations from Equilibrium Theory", J. Chromatogr. A, 876, 3 (2000).
8. Blehaut, J., F. Charton und R.-M. Nicoud, LCGC Int. 9(4), 228–238 (1996).
9. Broughton, D.B.; Gerhold, C.G., Continuous Sorption Process Employing Fixed Bed of Sorbent and Moving Inlets and Outlets. US Patent 2,985,589 (1961).
10. Broughton, D.B., "Molex: Case History of a Process", Chem. Eng. Prog., 64, 60 (1968).
11. Broughton, D.B., R.W. Neuzil, J.M. Pharis und C.S. Brearley, "The Parex Process for Recovering Paraxylene", Chem. Eng. Prog., 66, 70 (1970).
12. Ching, C.B., B.G. Lim, E.J.D. Lee und S.C. Ng, "Preparative Resolution of Praziquantel Eantiomers by Simulated Counter-Current Chromatography", J. Chromatogr., 634, 215 (1993).
13. Chung, S.F. und C.Y. Wen, "Longitudinal Dispersion of Liquid Flowing through Fixed and Fluidized Beds", AIChE J., 14, 857 (1968).
14. Collins, R.E., Flow of Fluids Through Porous Materials. Rheinhold, NY (1961).
15. Flodin, P., "Methodological Aspects of Gel Filtration with Special Reference to Desalting Operations", J. Chromatogr., 5, 103 (1961).
16. Fuchs, G., R.-M. Nicoud und M. Bailly in Proceedings of the Ninth Symposium on Preparative Chromatography 'Prep 92' (INPL, Nancy, Frankreich) 205–220 (1992).
17. Hashimoto, K., S. Adachi und S. Shirai, "Continuous Desalting of Proteins with a Simulated Moving-Bed Adsorber", Agric. Biol. Chem., 52, 2161 (1988).
18. Hill, D. in Process Scale Liquid Chromatography, G. Subramanian, Herausgeber (VCH-Weinheim, New York), 78 (1995).
19. Houwing, J. in Process of the First European Symposium on Biochemical Engineering Science, B. Glennon, P.M. Kieran und K.Ch.A.M. Luyben, Herausgeber (ESBES Sekretariat, Universität Dublin, Dublin, Irland), 57 (1996).
20. Huang, S.Y., C.K. Lin, W.H. Chang und W.S. Lee, "Enzyme Purification and Concentration by Simulated Moving Bed Chromatography: an Experimental Study", Chem. Eng. Commun., 456, 291 (1986).
21. Kehde, H., R.G. Fairfield, I.C. Frank und L.W. Zahenstecher, Chem. Eng. Prog., 44, 575 (1948).
22. Lehoucq, S., D. Verheve, A.V. Wouwer, E. Cavoy, "SMB Enantioseparation: Process Development, Modeling, and Operating Conditions", AIChE J., 46, 247 (2000).
23. Ma, Z. und N.-H.L. Wang, "Standing Wave Analysis of SMB Chromatography: Linear Systems", AIChE J, 43(10), 2488 (1997).
24. Maki, H., H. Fukuda und H. Morikawa, "The Separation of Glutathione and Glutamic Acid Using a Simulated Moving-Bed Adsorber System", J. Ferment. Technol., 65, 61 (1987).
25. Maki, H. in Preparative and Production Scale Chromatography, G. Ganetsos und P.E. Barker, Herausgeber (Marcel Dekker, New York), 359–371 (1993).
26. Nicoud, R.-M. in Bioseparation and Bioprocessing, A Handbook, G. Subramanian, Herausgeber (Wiley-VCH, New York, Bd. I), 3–39 (1998).
27. Nicoud, R.-M., "Recovery of Biological Products VIII", Paper presented at the American Chemical Society Meeting, Tucson, Arizona, Oktober (1996).
28. Nicoud, R.M., G. Fuchs, P. Adam, M. Bailly, E. Kusters, F.D. Antia, F. Reuille und E. Schmid, "Preparative Scale Enantiomseparation of a Chiral Epoxide: Comparison of Liquid Chromatography and Simulated Moving Bed Adsorption Technology", Chirality 5, 267 (1993).
29. Pais, L.S., J.M. Loureiro und A.E. Rodrigues, "Separation of 1,1'-bi-2-Naphthol Enantiomers by Continuous Chromatography in Simulated Moving Bed", Chem. Eng. Sci., 52(2), 245 (1997).
30. Parkinson, G., G. Onderey und S. Moor, "Chromatographers Think Big", Chem. Eng., 101, 30 (1994).
31. Pedeferri, M., G. Zenoni, M. Mazzotti, M. Morbidelli, "Experimental Analysis of a Chiral Separation through Simulated Moving Bed Chromatography", Chem. Eng. Sci., 54, 3735 (1999).
32. Ruthven, D.M., C.B. Ching, "Counter-Current and Simulated Counter Current Adsorption Separation Process", Chem. Eng. Sci., 44, 1011 (1989).
33. Schulte, M., L. Britsch und J. Strube, "Continuous Preparative Liquid Chromatography in the Downstream Processing of Biotechnological Products", Acta Biotechnol., 29(1), 345 (2000).
34. Storti G., M. Masi, S. Carra und M. Morbidelli, "Optimal Design of Multicomponent Countercurrent Adsorption Separation Processes Involving Nonlinear Equilibria", Chem. Eng. Sci., 44, 1329 (1989).
35. Storti, G., M. Mazzotti, M. Morbidelli und S. Carra, "Robust Design of Binary Counter-Current Adsorption Separation Processes", AIChE J., 39, 471 (1993).
36. Storti, G., R. Baciocchi, M. Mazzotti und M. Morbidelli, "Design of Optimal Operating Conditions of Simulated Moving Bed Adsorptive Separation Units", Ind. Eng. Chem. Res., 34(1), 288 (1995).
37. Strube, J., U. Altenhoner, M. Meurer, H. Schmidt-Traub und M. Schulte, "Dynamic Simulation of Simulated Moving-Bed Chromatographic Processes for the Optimization of Chiral Separations", J. Chromatogr., 769, 81 (1997).
38. Szepesy, L., Z. Sebestyen, I. Feher und Z. Nagy, "Continuous Liquid Chromatography", J. Chromatogr., 108, 285–297 (1975).
39. van Walsem, J.J. und M.C. Thompson, in Proceedings of the First European Symposium on Biochemical Engineering Science, B. Glennon, P.M. Kieran und K.Ch.A.M. Luyben, Herausgeber (ESBES Sekretariat, Universität Dublin, Dublin, Irland), 27 (1996).
40. Wankat, P.C., Rate-Controlled Separations. Blackie Academic & Professional, NY, 524 (1994).
41. Wilson, E.J. und C.J. Geankoplis, "Liquid Mass Transfer at Very Low Reynolds Numbers in Packed Beds", Ind. Eng. Chem. Fundam., 5, 9 (1966).
42. Wooley, R. Z. Ma und N.-H.L. Wang, "A Nine-Zone Simulating Moving Bed for the Recovery of Glucose and Xylose from Biomass Hydrolyzate", Ind. Eng. Chem. Res., 37(9), 3699 (1998).
43. Wu, D.J., Y. Xie, Z. Ma und N.-H.L. Wang, "Design of Simulated Moving Bed Chromatography for Amino Acid Separations", Ind. Eng. Chem. Res., 37(10), 4023 (1998).
44. Xie, Y., D.J. Wu, Z. Ma und N.-H.L. Wang, "Extended Standing Wave Design Method for Simulated Moving Bed Chromatography: Linear System", Ind. Eng. Chem. Res., 39, 1993 (2000).
45. Yun, T., G. Zhong und G. Guiochon, "Experimental Study of the Influence of the Flow Rates in SMB Chromatography", AIChE J., 43, 2970 (1997).
46. Zhong, G., M.S. Smith und G. Guiochon, "Effect of the Flow Rates in Linear, Ideal, Simulated Moving Bed Chromatography", AIChE J., 43, 2960 (1997).
47. Zhong, G. und G. Guiochon, "Simulated Moving Bed Chromatography: Effects of Axial Dispersion and Mass Transfer Under Linear Conditions", Chem. Eng. Sci., 52, 3117 (1997).

Claims

Verfahren zur chromatographischen Abtrennung von Insulin von einer oder mehreren Komponenten umfassend, dass a) ein simuliertes Wanderbett, das einen ersten Ring, eine stationäre Phase und einen ersten Desorbentstrom aufweist, bereitgestellt wird; b) ein Zulaufstroms, der Insulin und eine erste Komponente oder Fraktion enthält, bereitgestellt wird; c) der erste Desorbentstrom und der Zulaufstrom dem ersten Ring zugeführt werden, unter Bedingungen einer stehenden Welle, um das Insulin von der ersten Komponente oder Fraktion zu trennen und d) dass das im Wesentlichen von der ersten Komponente oder Fraktion abgetrennte Insulin vom ersten Ring entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zulaufstrom ferner eine zweite Komponente oder Fraktion enthält, und die Affinität des Insulins zur stationären Phase zwischen den Affinitäten der ersten und zweiten Komponente und/oder Fraktion zur stationären Phase liegt, ferner umfassend: a) dass das Insulin aus dem ersten Ring und ein zweiter Desorbentstrom zu einem zweiten Ring zugeführt werden, unter Bedingungen, die ausreichend sind, um das Insulin von der zweiten Komponente oder Fraktion zu trennen und b) dass das im Wesentlichen von der zweiten Komponente oder Fraktion abgetrennte Insulin von dem zweiten Ring entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Insulin ein biosynthetisches menschliches Insulin ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Insulin ein Insulinanalogon oder Derivat ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Komponente oder Fraktion Zinkchlorid und die zweite Komponente oder Fraktion ein anderes Protein mit hohem Molekulargewicht als Insulin enthält.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Protein mit hohem Molekulargewicht Proinsulin ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trennung durch Adsorptionschromatographie, Verteilungschromatographie, Ionenaustauschchromatographie, Größenausschlusschromatographie oder Affinitätschromatographie erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trennung mittels Größenausschlusschromatographie erreicht wird und die stationäre Phase ein Größenausschlußgel enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die stationäre Phase quervernetztes Dextran enthält, das ein Wasseraufnahmevermögen von mehr als 4 Gew.-% und einen mittleren Partikelgrößendurchmesser von weniger als ungefähr 100 μm besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Desorptionsmittel Essigsäure enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Desorptionsmittelverbrauch im ersten Ring minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Desorptionsmittelverbrauch im ersten Ring geringer als 110% des minimalen Desorptionsmittelverbrauchs ist, der durch das Ausbilden einer stehenden Welle definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: a) der erste Ring 4 Zonen und 5 oder mehr Säulen, oder 5 Zonen und 6 oder mehr Säulen, aufweist; b) die Säulenanordnung im Wesentlichen den Durchsatz am ersten Ring, oder den Desorptionsmittelverbrauch am ersten Ring optimiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: a) der erste Ring 4 Zonen und 5 oder mehr Säulen, oder 5 Zonen und 6 oder mehr Säulen, aufweist; b) die Zuordnung der Säulen zu den Zonen im Wesentlichen den Durchsatz am ersten Ring, oder den Desorptionsmittelverbrauch im ersten Ring optimiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste Ring 8 oder mehr Säulen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der erste Ring 12 oder mehr Säulen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei es der ersten oder zweiten Komponente oder Fraktion möglich ist, sich über den ersten Ring zu verteilen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: a) das Insulin aus dem ersten Ring, im Wesentlichen abgetrennt von der ersten Fraktion oder Komponente, entnommen wird, und b) der Unterschied in den Affinitäten des Insulins und der ersten Komponente oder Fraktion zur stationären Phase im ersten Ring geringer ist als der Unterschied in den Affinitäten des Insulins und der zweiten Komponente oder Fraktion zur stationären Phase im zweiten Ring.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trennung bei linearen Adsorptionsisothermen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trennung durch nicht vernachlässigbare Massentransfereffekte beeinträchtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Massentransferkorrektur der mobilen Phasengeschwindigkeiten in einer oder mehreren Zonen größer als 2% der idealen mobilen Phasengeschwindigkeiten für eine oder mehr Zonen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Massentransferkorrektur der mobilen Phasengeschwindigkeiten in einer oder mehreren Zonen größer als 10% der idealen mobilen Phasengeschwindigkeiten für eine oder mehr Zonen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trennung durch nicht vernachlässigbare Fronting- und/oder Extra-Säuleneffekte behindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Insulin zu 95% auf volumetrischer Basis von der ersten Fraktion im ersten Ring getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Insulin zu 98% auf volumetrischer Basis von der ersten Fraktion im ersten Ring getrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ausbeute an Insulin auf volumetrischer Basis größer ist als 98%.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mobile Phasengeschwindigkeit in einer oder mehreren Zonen sich der maximal zulässigen Geschwindigkeit für die Zone annähert.
Verfahren zur Gestaltung eines SMB zur Reinigung von Insulin aus einer Zwei- oder Mehrkomponentenmischung umfassend, dass a) Gleichungen bereitgestellt werden, die die Gestaltung, den Betrieb und die intrinsischen technischen Parameter des SMB, das lineare Isothermen aufweist, in Beziehung zueinander bringen, wobei die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen für alle Zonen des SMB ausgehen; b) ein erster Satz an Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben ist, der ausreichend ist, um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen zum Auflösen der Mehrkomponentenmischung in einem ersten SMB zu lösen und c) die Gleichungen gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das SMB einen ersten Ring A aufweist, und die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, und eine Aufteilung zwischen den Komponenten j und j + 1 erwünscht ist, und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA;
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIB; g) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIB und h) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIB; g) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIB und h) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIA, c) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIB; g) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIB und h) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B enthält, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA, c) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIB; g) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIB und h) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das SMB einen Fünfzonenring A und einen Vierzonenring B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit, 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist, und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA, c) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVA; e) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone VA; f) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IB; g) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIB; h) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIIB und i) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das SMB einen Fünfzonenring A und einen Vierzonenring B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit, 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist, und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA, c) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVA; e) die Adsorptionswelle der Komponente i in Zone VA; f) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IB; g) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIB; h) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIB und i) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Mischung binär ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Mischung ein Vielstoffgemisch ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Gleichungen die Minimumrate an Desorptionsmittelverbrauch für eine gegebene Zulaufrate definieren.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der erste Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern ausreichend ist, um den maximal zulässigen Druckabfall über die Säulen des SMB zu ermitteln, und die Gleichungen auf Basis der maximal zulässigen mobilen Phasengeschwindigkeit in einer oder mehrerer Zonen gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Gleichungen auf Basis der maximal zulässigen mobilen Phasengeschwindigkeit in Zone 1 gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Trennung durch nicht vernachlässigbare Massentransferresistenz beeinträchtigt wird und die Gleichungen sich beziehen auf: a) Zonenlänge; b) Zulaufdurchflussrate; c) Desorptionsmitteldurchflussrate; d) Zonendurchflussraten; e) Einlassbewegungsgeschwindigkeit f) Produktreinheit und Ausbeute; g) Massentransferresistenz und h) Komponentenretentionsraten.
Verfahren zur Optimierung eines SMB zur Reinigung von Insulin, wobei das System lineare Isotherme zeigt, umfassend, dass a) Gleichungen bereitgestellt werden, die Gestaltungs-, Betriebs- und intrinsische technische Parameter unter den Bedingungen einer stehenden Welle des SMB, das lineare Isothermen aufweist.; zueinander in Beziehung bringen, b) ein erster Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben ist, der ausreichend ist, um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen zur Trennung der Zwei- oder Mehrkomponentenmischung in einem ersten SMB zu lösen; c) ein zweiter Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben ist, der ausreichend ist um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen zur Trennung der Zwei- oder Mehrkomponentenmischung in einem zweiten SMB zu lösen und d) die ökonomische Effizienz des ersten und zweiten SMBs ausgewertet und verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das SMB einen ersten Ring A aufweist, und die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, eine Aufteilung zwischen den Komponenten j und j + 1 erwünscht ist, und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIB; g) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIB und h) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIB und g) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIB; h) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIB und g) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIB; h) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das SMB zwei Vierzonenringe A und B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit 1 ... j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA; c) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVA; e) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IB; f) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIB; g) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIB; h) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das SMB einen Fünfzonenring A und einen Vierzonenring B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit, 1 ..., j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist, und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA, c) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVA; e) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone VA; f) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IB; g) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIB; h) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIB und i) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei das SMB einen Fünfzonenring A und einen Vierzonenring B aufweist, die Mischung Komponenten nummeriert mit, 1 ..., j ... N in der Reihenfolge der zunehmenden Affinität zur stationären Phase enthält, die gereinigte Komponente j erwünscht ist, und die Gleichungen von stehenden Wellenbedingungen im ersten und zweiten Ring ausgehen für: a) die Desorptionswelle der Komponente N in Zone IA; b) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IIA, c) die Adsorptionswelle der Komponente j + 1 in Zone IIIA; d) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IVA; e) die Adsorptionswelle der Komponente i in Zone VA; f) die Desorptionswelle der Komponente j in Zone IB; g) die Desorptionswelle der Komponente j – 1 in Zone IIB; h) die Adsorptionswelle der Komponente j in Zone IIIB und i) die Adsorptionswelle der Komponente 1 in Zone IVB.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Gleichungen die minimale Desorptionsmittelzulaufrate bei einer gegebenen Zulaufdurchflussrate definieren.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der erste und zweite Satz an Gestaltungs- und Betriebsparametern ausreichend ist, um den maximal zulässigen Druckabfall über die Säulen des ersten und zweiten SMBs zu ermitteln, und die Gleichungen auf Basis der maximal zulässigen mobilen Phasengeschwindigkeit in einer oder mehreren Zonen gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Gleichungen auf Basis der maximalen mobilen Phasengeschwindigkeit in Zone I gelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die ökonomische Effizienz auf dem Desorptionsmittelverbrauch basiert.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die ökonomische Effizienz auf dem Durchsatz basiert.
Verfahren nach Anspruch 42 ferner umfassend, dass: a) ein dritter Satz an Gestaltungs- und Betriebsparametern vorgeschrieben ist, der ausreichend ist, um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen für ein drittes SMB zu lösen und b) die ökonomische Effizienz des dritten SMBs ausgewertet und verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Zuordnung der Säulen zu dem ersten und dem zweiten Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern variiert.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Anzahl an Säulen zwischen dem ersten und dem zweiten Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern variiert.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Länge der Säulen zwischen dem ersten und dem zweiten Satz aus Gestaltungs- und Betriebsparametern variiert.
Verfahren zur Gestaltung und zum Betrieb eines SMBs unter den Bedingungen einer stehenden Welle zur Trennung von Insulin von einer schnellen Komponente oder Fraktion und einer langsamen Komponente oder Fraktion, wobei das SMB erste und zweite Ringe aufweist, umfassend, dass: a) Splittingregeln bereitgestellt werden, die bereitstellen, dass: i) wenn nur die gewünschte Komponente oder Fraktion gereinigt wird, sich die schnelle oder langsame Komponente oder Fraktion im ersten Ring verteilen kann; ii) wenn die schnelle und/oder langsame Komponente und/oder Fraktion gereinigt wird, sie den leichtesten Split im ersten Ring ausbildet; b) eine Splittingstrategie ausgewählt wird, die darauf basiert, dass entweder eine oder mehrere der schnellen oder langsamen Komponenten und/oder Fraktionen gereinigt werden und c) dass das SMB unter Verwendung der ausgewählten Splittingstrategie betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei nur die gewünschte Komponente oder Fraktion gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei die schnelle und/oder langsame Komponente oder Fraktion gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei nicht vernachlässigbare Massentransferresistenzen beachtet werden.
Verfahren nach Anspruch 59, wobei nicht vernachlässigbare Massentransferresistenzen nicht beachtet werden.
Verfahren zur Gestaltung eines SMBs zur Trennung von Insulin von einer ersten Fraktion oder Komponente in einer Zwei-oder Mehrkomponentenmischung umfassend, dass a) Gleichungen bereitgestellt werden, die Gestaltungs-, Betriebs- und intrinsischen technischen Parameter des SMBs, das lineare Isothermen aufweist, unter stehenden Wellenbedingungen in Beziehung zueinander bringen, b) ein erster Satz aus Gestaltung und Betriebsparametern vorgeschrieben wird, der ausreichend ist, um die intrinsischen technischen Parameter zu ermitteln und die Gleichungen zum Auflösen der Mehrkomponentenmischung in einem ersten SMB zu lösen und c) die Gleichungen gelöst werden. d) wobei die Gleichungen die minimale Rate an Desorptionsmittelverbrauch für eine gegebene Zulaufrate definieren.