JP2010271300A - Protein separating and refining device using liquid chromatography - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable continuous infusion by a device for controlling a refining step repeatedly that a protein separating and refining step is divided into three steps by shifting each three parallel columns. <P>SOLUTION: The liquid chromatography for separating and refining protein includes a parallel process using three columns in order to continuously conduct a protein refining process including five steps of absorbing objective protein to a column, a cleaning non-specific adsorbate, eluting an objective component, regenerating a column (including the elution of an adsorbate except for the objective component), and balancing (initializing), in which one of the three columns is assigned for the adsorption process of the objective protein to the column, one of the remaining two columns is assigned for the processes of cleaning the non-specific adsorbate and eluting the objective component following the cleaning, and the third column is assigned for the processes of regenerating a column and balancing process following the regeneration, which are time-programmed to repeat the five steps sequentially. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、溶液中の物質の分離精製に関わる分野であって、液体クロマトグラフィーを用いて溶液中の物質を分離精製する装置に関するものである。特に、同一の液体クロマトグラフィーの3本のカラムを並列接続してなる分離精製装置であって、液体クロマトグラフィーへの試料の注入の操作を連続的に行うことを特徴とする、液体クロマトグラフィーによるタンパク質の分離精製装置に関する。   The present invention relates to a field related to separation and purification of substances in a solution, and relates to an apparatus for separating and purifying substances in a solution using liquid chromatography. In particular, a separation / purification apparatus in which three columns of the same liquid chromatography are connected in parallel, and the operation of injecting the sample into the liquid chromatography is continuously performed. The present invention relates to an apparatus for separating and purifying proteins.

液体クロマトグラフィーは取り扱いの容易さ、広範な分析対象、高い分離効率など、優れた性能を有することから、溶液中の物質の分離精製において有力な手段となっている。特に、近年のタンパク質医薬品の市場の広がりに伴い、大腸菌などの宿主細胞で発現させた組み換えタンパク質などの精製に広く利用されている。
タンパク質の分離精製の際に主に用いられる液体クロマトグラフィーによる分離は、いわゆる、回分(バッチ)式の分離である。ここで、回分式とは、一つの充填カラムを使用し、カラムの平衡、カラムへのサンプルの注入、カラムからの目的物の溶出、及びカラムの再生と洗浄からなる操作により、クロマトグラフィーの操作が完結した後、次の分離(バッチ)の工程が行われることを示している。従って、多量の試料を液体クロマトグラフィーで分離精製する場合においては、試料に合わせて巨大な分離カラムを用いる、もしくは、試料をいくつかに分割して、液体クロマトグラフィーの操作を繰り返して行うか、もしくはその組み合わせを行うなどがおこなわれるが、試料を連続的に注入して分離精製を行うこと、すなわち、連続操作を行うことが困難となっている。一方、抗体医薬品などに代表されるように、タンパク質を医薬品として利用することが広く行われるようになり、大量のタンパク質の製造において、培養細胞などで発現生産されたタンパク質の分離精製の効率化が望まれている。医薬品などに用いられるタンパク質においては高純度の標品が求められるために、複数の液体クロマトグラフィーによる分離精製が求められている。上記のように、液体クロマトグラフィーによるタンパク質分離においては、回分式が用いられるため、製造プロセス全体を連続的に作動させることが困難であり、このことが、医薬品タンパク質製造における効率化が進まない一つの要因となっている。
Since liquid chromatography has excellent performance such as ease of handling, a wide range of analysis objects, and high separation efficiency, it has become an effective means for separation and purification of substances in a solution. In particular, with the recent expansion of the protein pharmaceutical market, it has been widely used for purification of recombinant proteins expressed in host cells such as E. coli.
The separation by liquid chromatography mainly used in the separation and purification of proteins is a so-called batch separation. Here, the batch type uses a single packed column, and the operation of the chromatography is performed by the operation of equilibration of the column, injection of the sample into the column, elution of the target substance from the column, and regeneration and washing of the column. Indicates that the next separation (batch) step is performed after the process is completed. Therefore, when separating and purifying a large amount of sample by liquid chromatography, use a huge separation column according to the sample, or divide the sample into several parts and repeat the operation of liquid chromatography. Or, a combination thereof is performed. However, it is difficult to perform separation and purification by continuously injecting a sample, that is, to perform a continuous operation. On the other hand, as represented by antibody drugs and the like, the use of proteins as drugs has become widespread, and in the production of large quantities of proteins, the efficiency of separating and purifying proteins expressed and produced in cultured cells has been increased. It is desired. Proteins used in pharmaceuticals and the like require a high-purity sample, and therefore require separation and purification by a plurality of liquid chromatography. As described above, batch separation is used in protein separation by liquid chromatography, so it is difficult to operate the entire production process continuously. This is one of the reasons why efficiency in pharmaceutical protein production does not advance. This is one factor.

液体クロマトグラフィーの分野において、分離度を高めるために、複数本のカラムを無端円状に連結し、移動相の流れ方向に供給口、抜取口を切り替えていき、擬似的に固定相を移動相の流れに対して逆方向に移動させ目的成分を連続的に分離するシステム(擬似移動床法:Simulated Moving Bed(SMB)法)が、開発され利用されている(特許文献1、2参照)。この方法においては、多数本のカラムを直列に接続し、各液タンクとカラムとの接続配管の途中にロータリーバルブ等を配したシステムとなっている。ロータリーバルブを一定時間(ピリオドタイム)毎に同時に次々と切り替えていき、各液の仕込み口、取り出し口をひとつずつ左へ順次移動させることにより行う。この方法の特徴は、2つ以上の成分を含む溶液から各成分の移動速度の差に応じて2つの画分に分離するための分離に用いられ、8〜16の分離床から構成され、優れたプロセス原理に基づき高い分離精度と効率を得ることが出来ますが、設備構成及び制御が複雑になり建設コストが高価となる。
近年、医薬品タンパク質の精製分離には、タンパク質リガンドを固定化したアフィニティカラムを用いたアフィニティクロマトグラフィーが広く用いられる。アフィニティクロマトグラフィーを用いることにより、特定のタンパク質だけを選択的に精製できるため、分離性の悪い2つの成分を分離する目的で開発されたSMB法を適用してわざわざ複雑な分離システムを組む必要性が無いとのことで、SMB法の適用はあまり行われていない。
一方、液体クロマトグラフィーを用いた分析においては、繰り返し測定の場合があり、その煩雑さと総分析時間を短縮することなどの目的で、複数のカラムを並列することにより、分析の連続化を実現する装置の開発が行われている(特表2008−539395号公報、特表2004−533919号公報)。並列カラムを用いた測定においては、1本のカラムにおいて分離分析を行い、その時間内に並列化したその他のカラムにおいては、カラムの洗浄、平衡化などの操作を行わせている。しかしながら、このような分析を目的とした液体クロマトグラフィー装置においては、サンプルの導入は間歇的であり、連続的にサンプルを導入し、精製分離を行う目的には転用できない、もしくは、サンプルの導入を連続的に行う場合は、カラムを多数用い、サンプル導入と導入の間歇時間(待ち時間)を事実上ゼロにする必要があり、装置としては非常に複雑にしなければならないという問題が生じる。
In the field of liquid chromatography, in order to increase the resolution, a plurality of columns are connected in an endless circle, the supply port and the extraction port are switched in the flow direction of the mobile phase, and the stationary phase is simulated as the mobile phase. A system (simulated moving bed (SMB) method) that moves in the opposite direction to the flow of the gas and continuously separates the target component has been developed and used (see Patent Documents 1 and 2). This method is a system in which a large number of columns are connected in series, and a rotary valve or the like is arranged in the middle of a connection pipe between each liquid tank and the column. The rotary valve is switched one after the other at regular intervals (period time), and the liquid inlet and outlet are sequentially moved to the left one by one. The feature of this method is that it is used for separation to separate into two fractions from a solution containing two or more components according to the difference in the moving speed of each component, and is composed of 8 to 16 separation beds. High separation accuracy and efficiency can be obtained based on the process principle, but the construction and control of the equipment are complicated and the construction cost is high.
In recent years, affinity chromatography using an affinity column on which a protein ligand is immobilized has been widely used for purification and separation of pharmaceutical proteins. Since it is possible to selectively purify only specific proteins by using affinity chromatography, it is necessary to construct a complicated separation system by applying the SMB method developed for the purpose of separating two components with poor separation. The SMB method has not been applied much.
On the other hand, in the analysis using liquid chromatography, there are cases where measurement is repeated, and for the purpose of reducing the complexity and total analysis time, the analysis can be continued by paralleling multiple columns. Devices have been developed (Japanese translations of PCT publication Nos. 2008-539395 and 2004-533919). In measurement using a parallel column, separation analysis is performed on one column, and operations such as column washing and equilibration are performed on other columns that are parallelized within the time. However, in a liquid chromatography apparatus for such an analysis, the introduction of the sample is intermittent and cannot be diverted for the purpose of introducing the sample continuously and performing purification separation, or introducing the sample. In the case of continuous operation, it is necessary to use a large number of columns, and it is necessary to reduce the time (latency) between sample introductions to zero, which causes a problem that the apparatus must be very complicated.

特表2008−539395号公報Special table 2008-539395 特表2004−533919号公報JP-T-2004-533919

抗体医薬品をはじめとして、タンパク質医薬品の利用が拡大するにつれ、バッチプロセスの非効率性が考えられ、連続プロセスへ転換することにより、プロセスの効率化が図れるようになるものと考えられる。特に、多量の試料を処理する場合、できるだけ少量の分離担体を用いて、且つ、多量に試料を連続的に処理することが望まれる。一方、SMBを代表とするこれまでの連続プロセスを可能とするクロマトグラフィーにおいては、その操作性、制御等が複雑である。
このような現況において、本発明者らは、選択性の良いアフィニティクロマトグラフィーを用いることにより、簡便に連続化を達成できる装置の開発が可能であると考えるに至った。すなわち、選択制の良いアフィニティクロマトグラフィーを用いた場合、タンパク質試料の吸着後の、洗浄と溶出に要する時間、すなわち分離時間を、選択制の悪い分離カラムに比べて著しく短縮できること、また、このことにより、1本目のカラムにおいてタンパク質試料の吸着が飽和するに要する時間内に、2本目のカラムにおいて洗浄および分離を完了できること、また、3本目のカラムにおいてカラム、再生および初期平衡化が完了できることになり、この3本のカラムの役割を循環的に変えることにより、タンパク質試料を、連続的に注入し続けることができる。
上記の発想の元に、鋭意検討の結果、3本のアフィニティカラムを並列的に使用し、分離しようとするタンパク質成分を含む溶液を連続的に処理することを可能とする連続注入分離システムを発案するに至った。このような並列化は、単純に3台の液体クロマトグラフィー装置を用いて、構成図1に示されるように、タンパク質注入を選択バルブなどで切り替えることにより達成できるものと考えられる(構成図1)が、このような流路系においては、すべての送液ポンプにタンパク質試料に通液されることになり、異なった種類のタンパク質を取り扱う場合、すべての流路についてタンパク質試料による汚れを取り去ることが(CIPと称される操作)が必要となる。これに対して、本発明者らは、構成図2のような流路系を考案し、3つのポンプそれぞれが送液する溶液を特定化することを考案した(構成図2)。このことにより、タンパク質試料に由来する流路が特定できるとともに、汚染対策が軽減できる。この発案に基づき、分離精製装置を作製し、その動作確認を確認することにより、連続プロセスが達成されることを示し、本発明を完成させた。
As the use of protein drugs including antibody drugs expands, the inefficiency of the batch process can be considered, and it is thought that the process efficiency can be improved by switching to a continuous process. In particular, when a large amount of sample is processed, it is desirable to process the sample continuously in a large amount using as little separation carrier as possible. On the other hand, the operability, control, etc. are complicated in the chromatography which enables the continuous process so far represented by SMB.
Under such circumstances, the present inventors have come to consider that it is possible to develop an apparatus that can easily achieve continuation by using affinity chromatography with good selectivity. In other words, when affinity chromatography with good selectivity is used, the time required for washing and elution after protein sample adsorption, that is, the separation time, can be significantly shortened compared to separation columns with poor selectivity. Thus, within the time required for saturation of protein sample adsorption in the first column, washing and separation can be completed in the second column, and column, regeneration and initial equilibration can be completed in the third column. Thus, by cyclically changing the role of these three columns, the protein sample can be continuously injected.
Based on the above idea, as a result of diligent study, a continuous injection separation system was proposed that can use three affinity columns in parallel to continuously process a solution containing protein components to be separated. It came to do. Such parallelization is considered to be achieved by simply using three liquid chromatography apparatuses and switching protein injection with a selection valve or the like as shown in the configuration diagram 1 (configuration diagram 1). However, in such a flow channel system, the protein sample is passed through all the liquid pumps, and when handling different types of proteins, dirt from the protein sample may be removed from all the flow channels. (Operation called CIP) is required. On the other hand, the present inventors have devised a flow path system as shown in the configuration diagram 2 and devised to specify a solution to be fed by each of the three pumps (configuration diagram 2). As a result, the flow path derived from the protein sample can be specified, and countermeasures against contamination can be reduced. Based on this idea, a separation / purification device was prepared and its operation was confirmed to show that a continuous process was achieved, thereby completing the present invention.

アフィニティカラムクロマトグラフィーもしくは段階的に吸着・溶出を行うクロマトグラフィーに限定することにより、カラムクロマトグラフィーのプロセスを複数の段階に分けることができる。一つのカラムを用いた場合、クロマトグラフィーのステップは、(i)サンプルアプライ(目的タンパク質のカラムへの吸着)、(ii)非特異的吸着物等の洗浄、(iii)目的成分の溶出、(iv)カラム再生化(目的成分以外の吸着物の溶出を含む)、(v)平衡化(イニシャライズ)、の5つのステップに、分けられる。
今、カラムの吸着容量が大きい場合を考えると、注入するサンプル容量に比べて、カラムの平衡化、洗浄、目的成分の溶出、および再生化に用いる溶液の量を少なくすることができる。このことに着目し、同じ流速で通液を行ったとしても、サンプル注入に必要な時間内に、イニシャライズ(平衡化)、洗浄、溶出、再生の操作を組み合わせて行うことが可能となることを発想するに至った。
発明者らは、このことに着目し、クロマトグラフィーのステップ(タイム・ドメイン)を3つに分け、第1ドメインとして、(i)サンプルアプライ(目的タンパク質のカラムへの吸着)のステップ、第2ドメインとして、(ii)非特異的吸着物等の洗浄と(iii)目的成分の溶出のステップ、第3ドメインとして、(iv)カラム再生化と(v)平衡化のステップに分けることで、分離精製の対象となるサンプル溶液を連続的に装置内に注入し、クロマトグラフィーによる精製操作を自動的に且簡便に行うことができることを発案した。この発案により、同じサイズのアフィニティカラムを3本用いることにより、第1のカラムは、第1ドメインの操作を、第2のカラムは、第2ドメインを、第3のカラムは、第3ドメインを行わせ、タイムドメインが終了したら、送液バルブを切り替えることで、各カラムのドメインを、順次、1→2→3→・・・というように連続的に操作できることを考案した。この考案に従えば、連続的にサンプルを注入でき、第2ドメインの溶出ステップのところで間歇的に精製されたタンパク質が回収できることになり、連続注入精製分離システムが構築される。なお、本発明では、操作を単純化したことにより、精製されたタンパク質が連続的に得られるということではないが、精製プロセスにおいて、サンプル注入さえ連続的にできれば、連続工程を構築することは容易であり、間歇的に精製タンパク質を回収することには実際上の不利益は無いものと考えられる。
By limiting to affinity column chromatography or chromatography that performs adsorption / elution stepwise, the column chromatography process can be divided into a plurality of stages. When a single column is used, the chromatography steps include (i) sample application (adsorption of the target protein to the column), (ii) washing of non-specific adsorbate, etc. (iii) elution of the target component, ( It is divided into five steps: iv) column regeneration (including elution of adsorbate other than the target component) and (v) equilibration (initialization).
Considering the case where the adsorption capacity of the column is large, the amount of the solution used for equilibration of the column, washing, elution of the target component, and regeneration can be reduced compared to the sample volume to be injected. Paying attention to this, even if liquids are passed at the same flow rate, it is possible to perform a combination of initialization (equilibration), washing, elution, and regeneration operations within the time required for sample injection. I came up with an idea.
The inventors pay attention to this, and divide the chromatography step (time domain) into three. As the first domain, (i) sample application (adsorption of the target protein to the column) step, The domain is separated by (ii) washing non-specifically adsorbed substances and the like, (iii) elution step of target components, and the third domain is divided into (iv) column regeneration and (v) equilibration steps. It was invented that the sample solution to be purified can be continuously injected into the apparatus and the purification operation by chromatography can be performed automatically and simply. By using three affinity columns of the same size, the first column operates the first domain, the second column operates the second domain, and the third column uses the third domain. When the time domain is completed, it has been devised that the domain of each column can be sequentially operated in order of 1 → 2 → 3 →. According to this device, the sample can be continuously injected, and the protein purified intermittently at the elution step of the second domain can be recovered, so that a continuous injection purification separation system is constructed. In the present invention, the simplified operation does not mean that purified protein can be obtained continuously, but it is easy to construct a continuous process as long as sample injection can be performed continuously in the purification process. Therefore, it is considered that there is no practical disadvantage in intermittently recovering purified protein.

本発明は、タンパク質分離精製用液体クロマトグラフィー装置において、各種溶液リザーバーと、前記各種溶液リザーバーにバルブを介して並列に接続された同一の3本の分離カラムと、前記3本の分離カラムにバルブを介してそれぞれ並列に接続された廃液リザーバーおよび回収用容器と、前記バルブを制御する制御装置とを備えたタンパク質分離精製用液体クロマトグラフィー装置において、液体クロマトグラフィー装置によるタンパク質の分離精製プロセスを、目的タンパク質のカラムへの吸着、非特異的吸着物等の洗浄、目的成分の溶出、カラム再生化、平衡化の5つのステップに分割し、前記5つのステップを、第1ドメインとして目的タンパク質のカラムへの吸着を、第2ドメインとして非特異的吸着物等の洗浄とそれに引き続く目的成分の溶出を、第3ドメインとしてカラム再生化とそれに引き続く平衡化を、各ドメインに割り振り、各ドメインに要する時間を同一に設定するとともに、前記制御装置は、3本の分離カラムのうちの1本には第1ドメインを、残りの2本の分離カラムのうちの1本には第2ドメインを、残りの3本目の分離カラムには第3ドメインを行わせ、かつ、各分離カラムには、第1ドメイン、第2ドメイン、第3ドメインを順次繰り返し行わせるように前記バルブを制御し、目的タンパク質のカラムへの吸着のためのサンプル溶液の注入が3本の分離カラムのいずれかに1本に順次連続して行うようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、上記タンパク質分離精製用液体クロマトグラフィー装置において、上記各種溶液リザーバーは、上記5つのステップにそれぞれ使用される5つの溶液リザーバーR1,R2,R3,R4,R5からなり、上記バルブは、切り替えバルブSW1,SW2,SW3,SW4,SW5と、選択バルブSV1,SV2,SV3とからなり、R1は送液ポンプP1を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給接続され、スイッチバルブSW1によりR2とR3とを切り替えて、送液ポンプP2を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給接続され、スイッチバルブSW2によりR4とR5とを切り替えて、送液ポンプP3を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給接続され、選択バルブSV1,SV2,SV3の下流側には、それぞれ、上記3本の分離カラムC1,C2,C3が接続されており、各分離カラムC1,C2,C3の下流側には、それぞれスイッチバルブSW3,SW4,SW5を介して廃液リザーバーと回収用容器に切り替え可能に接続されていることを特徴とする。
In the liquid chromatography apparatus for protein separation and purification, the present invention provides various solution reservoirs, the same three separation columns connected in parallel to the various solution reservoirs via valves, and the three separation columns. In a liquid chromatography apparatus for protein separation and purification comprising a waste liquid reservoir and a collection container connected in parallel via each of the above and a control device for controlling the valve, a protein separation and purification process by the liquid chromatography apparatus, The target protein is divided into five steps: adsorption to the column, washing non-specific adsorbate, elution of the target component, column regeneration, and equilibration. Adsorption onto the surface, followed by washing of non-specific adsorbate, etc. as the second domain Elution of the target component is assigned to each domain as column regeneration and subsequent equilibration as the third domain, and the time required for each domain is set to be the same. One has the first domain, one of the remaining two separation columns has the second domain, the remaining third separation column has the third domain, and each separation column has Controls the valve so that the first domain, the second domain, and the third domain are sequentially repeated, and injection of the sample solution for adsorption of the target protein to the column is performed in any of the three separation columns. It is characterized in that it is carried out sequentially one by one.
The present invention is also directed to the above-described liquid chromatography apparatus for protein separation and purification, wherein the various solution reservoirs include five solution reservoirs R1, R2, R3, R4, and R5 used for the five steps, respectively. Consists of switching valves SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 and selection valves SV1, SV2, SV3. R1 is connected to selection valves SV1, SV2, SV3 via a liquid feed pump P1, and is connected to switch valve SW1. Is switched between R2 and R3 and supplied to and connected to the selection valves SV1, SV2 and SV3 via the liquid feed pump P2, and is switched between R4 and R5 via the switch valve SW2 and selected via the liquid feed pump P3. , SV2 and SV3 and connected to the selection valves SV1, SV2 and SV3. The three separation columns C1, C2, and C3 are connected to the flow side, respectively, and the waste liquid is connected to the downstream side of the separation columns C1, C2, and C3 via switch valves SW3, SW4, and SW5, respectively. The reservoir and the collection container are switchably connected.

アフィニティカラムは高価であるため、精製スケールが大きくなった場合、カラムサイズを大きくするか、小さなバッチ精製を多数回繰り返して行う必要があるが、本発明の装置を使用することにより、用いるカラムのスケールダウンもしくは繰り返しバッチ精製における労力を大幅に減らすことができ、精製の精度を変えることなく低コスト化、省力化を達成することができる。さらに、タンパク質精製分離において、あらかじめ殺菌などの処理ができない唯一の溶液がタンパク質試料であり、そのため、タンパク質医薬品などのタンパク質精製においては、常にタンパク質溶液を通じた後の装置の洗浄が大きな負担となるが、本装置の場合、タンパク質試料が取り扱われる流路が明確であり、特に、3台の送液ポンプのうち、特定の1台のポンプのみがタンパク質溶液を送液するということで、いわゆるCIPが、単純な並列化もしくは複数の液体クロマトグラフィーを同時に稼働させた場合に比べてCIPの負担を軽減できるという効果が得られる。   Since the affinity column is expensive, when the purification scale becomes large, it is necessary to increase the column size or to repeat small batch purification many times, but by using the apparatus of the present invention, The labor in scale-down or repeated batch purification can be greatly reduced, and cost reduction and labor saving can be achieved without changing the precision of purification. Furthermore, in protein purification separation, the only solution that cannot be sterilized in advance is a protein sample. Therefore, in protein purification of protein pharmaceuticals and the like, it is always a heavy burden to wash the apparatus after passing through the protein solution. In the case of this device, the flow path for handling the protein sample is clear, and in particular, only one specific pump out of the three liquid feed pumps feeds the protein solution. As a result, the effect of reducing the burden of CIP can be obtained as compared with the case where a simple parallel operation or a plurality of liquid chromatographies are simultaneously operated.

図1は、単純に3台の液体クロマトグラフィー装置を利用して、連続化の達成を考えた場合の、流路図を示す。FIG. 1 shows a flow path diagram in the case of considering the achievement of continuity by simply using three liquid chromatography apparatuses. 図2は、本発明の流路図を示す。FIG. 2 shows a flow chart of the present invention. 図3は、図2に示した装置における、バルブ切り替えのタイムプログラムを 示すタイムチャート。FIG. 3 is a time chart showing a valve switching time program in the apparatus shown in FIG. 図4は、実験例1〜5における各種条件を示した図。FIG. 4 is a diagram showing various conditions in Experimental Examples 1 to 5.

本発明を構成する装置は、図2に示した流路図をもって示すことができる。
図において、C1,C2,C3は、それぞれ、分離カラムである。分離カラムC1,C2,C3の下流側には、それぞれスイッチバルブSW3,SW4,SW5が設けられ、スイッチバルブSW3,SW4,SW5は、各分離カラムから出てくる溶液を廃液リザーバー用容器に通液するか、回収用容器に通液するかを切り替える。R1,R2,R3,R4,R5は各種溶液リザーバーで、R1には第1ドメイン(ドメイン1)で使用するサンプル溶液が入っており、送液ポンプP1を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給される。R2には第2ドメイン(ドメイン2)で使用する洗浄用溶液が入っており、R3にはドメイン2で使用する溶出用溶液が入っており、スイッチバルブSW1によりR2とR3とを切り替えて、送液ポンプP2を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給される。R4には第3ドメイン(ドメイン3)で使用する再生用溶液が入っており、R5にはドメイン3で使用する平衡化用溶液が入っており、スイッチバルブSW2によりR4とR5とを切り替えて、送液ポンプP3を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給される。選択バルブSV1,SV2,SV3の下流側には、それぞれ、分離カラムC1,C2,C3が接続されており、選択バルブSV1,SV2,SV3は、分離カラムがどのドメインにあるかに応じて各ドメイン用の溶液を選択して各分離カラムに通液する。各スイッチバルブSW1,SW2,SW3,SW4,SW5、および、各選択バルブSV1,SV2,SV3は、図示しない制御装置によって、後述する図2に示されたタイムプログラムにしたがって動作制御される。
装置の連動においては、R1,R2,R3,R4およびR5で図示される各種溶液のリザーバーからのポンプ(P1,P2,P3)による送液をSV1,SV2およびSV3で示される選択バルブを用いて、C1,C2,C3で示される分離カラムにあらかじめプログラムしたように選択して通液すること、さらに、分離された精製タンパク質は、SW1,SW2,SW3,SW4,SW5のスイッチバルブで、回収したいときだけ回収用の容器に送ることにより、間歇的に回収される。なお、ドメイン2とドメイン3においては、複数の溶液を切り替えて送液することからその切り替えのために、SW1とSW2で示したスイッチバルブを用いることで、あらかじめプログラムすることにより、選択して通液できる。なお、回収が正常に行われているかをモニターするために、回収ラインの途中に紫外線モニター(UVモニター)を付けることにより、クロマトグラフィーのモニタリングを行うことができる。ポンプのオン、オフ、流速やバルブの切り替えなどは、あらかじめコンピュータ等でプログラムしておくことにより制御できる。従って、本装置を用いることにより、サンプルの送液を開始した後は、サンプルが尽きるまで、連続的に作動し、完全自動化により、タンパク質の精製を行うことができる。
The apparatus constituting the present invention can be shown by the flow chart shown in FIG.
In the figure, C1, C2, and C3 are separation columns, respectively. On the downstream side of the separation columns C1, C2, and C3, switch valves SW3, SW4, and SW5 are provided, respectively. The switch valves SW3, SW4, and SW5 pass the solution coming out of each separation column to the waste liquid reservoir container. Or whether to pass through the collection container. R1, R2, R3, R4, and R5 are various solution reservoirs, and R1 contains a sample solution used in the first domain (domain 1), and is supplied to the selection valves SV1, SV2, and SV3 via the liquid feed pump P1. Supplied. R2 contains the washing solution used in the second domain (domain 2), and R3 contains the elution solution used in domain 2. The switch valve SW1 switches between R2 and R3 and sends them. It is supplied to the selection valves SV1, SV2 and SV3 via the liquid pump P2. R4 contains the regenerating solution used in the third domain (domain 3), R5 contains the equilibrating solution used in domain 3, and R4 and R5 are switched by the switch valve SW2, It is supplied to the selection valves SV1, SV2 and SV3 via the liquid feed pump P3. Separation columns C1, C2, and C3 are connected to the downstream sides of the selection valves SV1, SV2, and SV3. The selection valves SV1, SV2, and SV3 are connected to each domain according to which domain the separation column is in. Select a solution for use and pass through each separation column. Each switch valve SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 and each selection valve SV1, SV2, SV3 are controlled by a control device (not shown) according to a time program shown in FIG.
In the interlocking of the devices, liquids sent by the pumps (P1, P2, P3) from the reservoirs of various solutions illustrated by R1, R2, R3, R4, and R5 are used using selection valves indicated by SV1, SV2, and SV3. , C1, C2, and C3, and select and pass through the separation columns as programmed in advance, and the separated purified protein is collected by the SW1, SW2, SW3, SW4, and SW5 switch valves. It is intermittently collected by sending it to the collection container only occasionally. In domain 2 and domain 3, since a plurality of solutions are switched and sent, the switch valves indicated by SW1 and SW2 are used for the switching, so that they can be selected and communicated by programming in advance. Can be liquid. In addition, in order to monitor whether collection | recovery is performed normally, chromatography monitoring can be performed by attaching an ultraviolet monitor (UV monitor) in the middle of a collection line. Pump on / off, flow rate and valve switching can be controlled by programming in advance with a computer or the like. Therefore, by using this apparatus, after starting the liquid feeding of the sample, it is continuously operated until the sample runs out, and the protein can be purified by full automation.

本発明のクロマトグラフィー装置の最少構成としては、図2に示されるように、5つの溶液リザーバー(R1,R2,R3,R4,R5で示す)、3つの同じ性能の送液ポンプ(P1,P2,P3で示す)、3つの同じ分離カラム(C1,C2,C3で示す)、5つのスイッチバルブ(SW1,SW2,SW3,SW4,SW5で示す)、3つの選択バルブ(SV1,SV2,SV3で示す)、廃液リザーバー、回収用容器、および、それらをつなぐ配管で構成される。なお、タンパク質の回収状況をモニターするためのUVモニターは、できる限り装備した方が良いが、必須ではない。図中十字で示されたコネクタは、そこで配管がつながっていることを示すが、コネクタとしては、逆流を防ぐ機能を有するものが望ましい。本装置の動作は、あらかじめプログラムされたバルブの切り替え(一定時間ごとに切り替えられる)により、自動的に行われる。プログラムに必要なパラメータは、非常に単純であり、スイッチバルブSW1,SW2,SW3,SW4,SW5においては、一定時間ごとにシグナルを出し流路を図の1側もしくは2側に切り替えることを、プログラムすれば良く、選択バルブSV1,SV2,SV3においては、一定時間ごとに、それぞれ、3つある流路のうち、1側、2側、もしくは3側のいずれかを選択することを、プログラムすれば良い。バルブとしては、ロータリーバルブやソレノイドバルブなど流路を制御して切り替えることができるものであればどのようなタイプでも使用することができる。   As shown in FIG. 2, the minimum configuration of the chromatography apparatus of the present invention includes five solution reservoirs (indicated by R1, R2, R3, R4, and R5) and three liquid pumps (P1, P2 having the same performance). , P3), three identical separation columns (denoted by C1, C2, C3), five switch valves (denoted by SW1, SW2, SW3, SW4, SW5), three select valves (denoted by SV1, SV2, SV3). As shown), a waste liquid reservoir, a collection container, and a pipe connecting them. A UV monitor for monitoring the protein recovery status should be equipped as much as possible, but is not essential. The connector indicated by the cross in the figure indicates that the pipe is connected there, but it is desirable that the connector has a function of preventing backflow. The operation of the present apparatus is automatically performed by switching a valve programmed in advance (switched at regular intervals). The parameters required for the program are very simple. In the switch valves SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, the program outputs a signal at regular intervals and switches the flow path to the 1 side or 2 side in the figure. The selection valves SV1, SV2 and SV3 may be programmed to select one side, two sides or three sides of the three flow paths at regular time intervals. good. Any type of valve can be used as long as it can control and switch the flow path, such as a rotary valve or a solenoid valve.

図3には、SW1,SW2,SW3,SW4,SW5,SV1,SV2,SV3の切り替えのタイムプログラムを示している。3本の分離カラム(C1,C2,C3)のうち、ある一つのカラム、例えば、C1カラムについて考えると、n回目の精製サイクルとして、時間tn0においてドメイン1の操作が行われ、SV1バルブは、1側が選択され、SW3は1側に選択される、時間tn1において、SV1バルブが1側に、SW1バルブが1側に、SW3バルブは、1側に選択されるというように、それぞれのバルブ位置が選択され、ドメイン2の操作が開始される。このドメイン2においては、時間tn11に、SW1バルブが2側に切り変えられ、溶出のための溶媒が流される。その後、時間tn12に、SW3バルブが1側に切り替えられ、カラムから溶出されるタンパク質が回収されるようになる。タンパク質の溶出・回収を完了する時間すなわち、時間tn13にSW3バルブが、1側に切り替えられ、回収が終了する。その後、時間tn2において、SV1バルブが3側に、SW2バルブが1側に、SW3バルブは、1側に選択されるというように、それぞれのバルブ位置が選択され、ドメイン3の操作が開始される。ドメイン3において、時間tn21にSW2バルブが、2側に切り替えられ、その状態が時間tn3まで続き、ドメイン1から続いたすべての操作が完了し、次の精製サイクル(n+1回目のサイクル)に移る。カラムC2及びC3についても、ドメインのフェーズがそれぞれずれるだけで、同等のバルブ選択操作による精製サイクルが実施される。   FIG. 3 shows a time program for switching between SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, SV1, SV2 and SV3. Considering one of the three separation columns (C1, C2, C3), for example, the C1 column, the domain 1 operation is performed at time tn0 as the nth purification cycle, and the SV1 valve is 1 side is selected, SW3 is selected as 1 side, at time tn1, the SV1 valve is selected as 1 side, the SW1 valve is selected as 1 side, and the SW3 valve is selected as 1 side. Is selected and the operation of domain 2 is started. In this domain 2, at time tn11, the SW1 valve is switched to the 2 side, and the solvent for elution flows. Thereafter, at time tn12, the SW3 valve is switched to the 1 side, and the protein eluted from the column is recovered. At the time when protein elution / recovery is completed, that is, at time tn13, the SW3 valve is switched to the 1 side, and the recovery ends. Thereafter, at time tn2, the respective valve positions are selected such that the SV1 valve is selected on the 3 side, the SW2 valve is selected on the 1 side, and the SW3 valve is selected on the 1 side, and the operation of the domain 3 is started. . In domain 3, at time tn21, the SW2 valve is switched to the 2 side, and this state continues until time tn3. All operations from domain 1 are completed, and the next purification cycle (n + 1 cycle) is started. For the columns C2 and C3, the purification cycle by the equivalent valve selection operation is performed only by shifting the domain phases.

このタイムプログラムにおいて必要なパラメータとしては、いくつかのパラメータを設定する必要がある。ドメイン1からドメイン3までの操作を一つのサイクルとした時に、必要なサイクルの数、N、を設定する。ドメイン1、ドメイン2、ドメイン3それぞれの操作時間は同一にする必要があることから、各ドメインの操作単位時間、Δt(=tn1−tn0,=tn2−tn1,=tn3−tn2)を等しく設定する。ドメイン2及びドメイン3においては、SW1もしくはSW2を用いて、途中で送液する溶液を切り替えることから、切り替えるまでの時間、Δta(=tn01−tn0=tn11−tn1=tn21−tn2)、を設定する。ドメイン2においては、SW3,SW4もしくはSW5を用いて、カラムから出てくる溶液を回収するかもしくは廃液にするかの切り替えを行う必要があるが、タンパク質の溶出のための送液を開始するためにSW1のバルブの位置を図1の右側のラインに切り替えてから、目的のタンパク質がカラムから溶出してくるまでの時間に差があることから回収開始までの待ち時間として、Δtb(=tn02−tn01=tn12−tn11=tn22−tn21)、を設定して、この時間後にSW3,SW4もしくはSW5を図1の右側に切り替える。次に、目的のタンパク質がカラムから溶出し始めて、溶出が終わると同時に回収を終了するために、SW3,SW4もしくはSW5を図1の左側に切り替える。回収に要する時間、Δtc(=tn03−tn02=tn13−tn12=tn23−tn22)、を設定して、この時間後に、SW3,SW4もしくはSW5を図1の左側に切り替える。
このようにして、パラメータとして、N,Δt,Δta,Δtb及びΔtcをそれぞれ設定することにより、図1に示した各種バルブの操作を自動的に行わせるプログラムを作成することができ、作成したプログラムを実行することにより、連続注入を特徴とする本装置を用いたクロマトグラフィーを実施することができる。
It is necessary to set several parameters as necessary parameters in this time program. When the operations from domain 1 to domain 3 are defined as one cycle, the necessary number of cycles, N, is set. Since the operation times of the domain 1, domain 2, and domain 3 need to be the same, the operation unit time of each domain, Δt (= tn1-tn0, = tn2-tn1, = tn3-tn2) is set equal. . In domain 2 and domain 3, a time from switching the solution to be fed on the way to switching is set by using SW 1 or SW 2, Δta (= tn01−tn0 = tn11−tn1 = tn21−tn2) is set. . In domain 2, it is necessary to use SW3, SW4 or SW5 to switch between recovering the solution coming out of the column or turning it into waste liquid, but in order to start liquid feeding for protein elution Since there is a difference in the time from when the position of the SW1 valve is switched to the right line in FIG. 1 until the target protein is eluted from the column, Δtb (= tn02− tn01 = tn12−tn11 = tn22−tn21), and after this time, SW3, SW4 or SW5 is switched to the right side of FIG. Next, SW3, SW4, or SW5 is switched to the left side of FIG. 1 in order to end the recovery when the target protein begins to elute from the column and the elution is completed. A time required for recovery, Δtc (= tn03−tn02 = tn13−tn12 = tn23−tn22), is set, and after this time, SW3, SW4 or SW5 is switched to the left side of FIG.
In this way, by setting N, Δt, Δta, Δtb and Δtc as parameters, it is possible to create a program for automatically operating the various valves shown in FIG. Can be used to carry out chromatography using the apparatus characterized by continuous injection.

本発明の効果の特徴としては、たった3本の同一の分離カラムを用いることで、そのカラムの耐久性が許す限りどのような容量のサンプルでも連続的に処理できることである。また、その処理時間は、カラムのサイズによらず、単位時間に本装置に送液する速度、すなわち、流速によって決められることにある。例えば、短時間の接触時間においても、結合特性が高い分離担体を用いることにより、1サイクルに必要な時間、3×Δt、を短く設定でき、大量の溶液を非常に少量の分離担体で、処理することが可能となる。特に、タンパク質をリガンドとするアフィニティカラムは高価であるため、精製スケールが大きくなった場合、カラムサイズを大きくするか、小さなバッチ精製を多数回繰り返して行う必要があるが、本発明の装置を使用することにより、用いるカラムのスケールダウンもしくは繰り返しバッチ精製における労力を大幅に減らすことができ、精製の精度を変えることなく低コスト化、省力化を達成に貢献することができる。また、担体の寿命を考慮することにより、サイクル数を設計することも可能となり、小容量のカラムを使い捨て使用することも可能となり、異なるロットのタンパク質標品もしくは異なるタンパク質への利用の際に生ずるクロス・コンタミネーションやそれを防ぐための、精製バッチごとのカラムの洗浄(CIP操作)という操作を避けることも可能となる。特に、近年の抗体医薬品製造においては、数万リッター規模の培養上精を処理することが行われ、巨大な分離カラムの利用が行われているが、本発明の装置を用いることにより、精製の精度を変えることなく、少なくとも100倍のスケールダウンを図ることも可能になるだけでなく、精製操作の自動化・省力化も可能になる。
なお、本発明の説明においては、アフィニティクロマトグラフィーの操作について主に説明したが、本装置の利用は、その原理からいって、アフィニティクロマトグラフィーに限定されるものではなく、1本目のカラムにおいてタンパク質試料の吸着が飽和するに要する時間内に、2本目のカラムにおいて洗浄および分離を完了できること、また、3本目のカラムにおいてカラム再生および初期平衡化が完了できることの条件が設定できる場合において、吸着・溶出を行わせることができる担体を活用したクロマトグラフィー、例えば、イオン交換クロマトグラフィー、疎水性クロマトグラフィー、逆相クロマトグラフィーにも適用できることは、明らかである。
A feature of the present invention is that by using only three identical separation columns, any volume of sample can be continuously processed as long as the durability of the column allows. The processing time is determined by the speed at which the liquid is fed to the apparatus per unit time, that is, the flow rate, regardless of the column size. For example, even with a short contact time, by using a separation carrier having high binding characteristics, the time required for one cycle, 3 × Δt, can be set short, and a large amount of solution can be processed with a very small amount of separation carrier. It becomes possible to do. In particular, protein-ligand affinity columns are expensive, so if the purification scale increases, the column size must be increased or small batch purification must be repeated many times. By doing so, it is possible to greatly reduce the labor in scale down or repeated batch purification of the column to be used, and it is possible to contribute to the achievement of cost reduction and labor saving without changing the purification accuracy. In addition, it is possible to design the number of cycles by considering the life of the carrier, and it is possible to use a small-capacity column in a disposable manner, which occurs when using a protein sample in a different lot or a different protein. It is also possible to avoid operations such as cross-contamination and column cleaning for each purification batch (CIP operation) to prevent it. In particular, in recent antibody drug production, culturing on the scale of tens of thousands of liters is performed, and a huge separation column is used. By using the apparatus of the present invention, purification can be performed. Not only can it be scaled down at least 100 times without changing the accuracy, but also the automation and labor saving of the refining operation becomes possible.
In the description of the present invention, the operation of affinity chromatography was mainly described. However, the use of this apparatus is not limited to affinity chromatography based on the principle, and the protein in the first column is not limited. In the time required for the sample adsorption to saturate, it is possible to set the conditions for the completion of washing and separation in the second column and the completion of column regeneration and initial equilibration in the third column. It is clear that the present invention can also be applied to chromatography utilizing a carrier capable of elution, for example, ion exchange chromatography, hydrophobic chromatography, and reverse phase chromatography.

図2の流路図で表される連続注入クロマトグラフィー装置の構成を満たす本装置の一実施例として、必要な部品は、市販のものを用いて作製した。本装置を構成する部品としては、送液ポンプ送液ポンプP1,P2,P3は、フロム社製SP−12−13を用い、選択バルブSV1,SV2,SV3およびスイッチバルブSW1,SW2は、フロム社製ロータリーバルブ401−249型を用い、スイッチバルブSW3,SW4,SW5は、TAKASAGO ELECTRIC,Inc.製のMTV−3−NM6NAを用い、分離カラムC1,C2,C3は、3つとも同じものを用いるが分離する対象ごとに(精製しようとするタンパク質に応じて)選択したものを用い、UVモニターとしては、GE Healthcare製のUV−MIIを用い、溶液リザーバーR1,R2,R3,R4,R5としては、通常のガラスビーカーを用い、各装置をつなぐ配管は、通常の耐圧チューブを用い、各バルブ操作に対して、選択もしくは切り替え信号を伝え作動させるための制御装置としては、Panasonic製のFP−X C60を用いて作製した。
作製した装置の動作確認は、以下に記載するように、実際に精製タンパク質PAA3T、精製タンパク質RRRRG、精製タンパク質ヒトポリクローナル抗体を精製して、バッチプロセスによる精製データと比較することにより正常に作動するか否かの判定を行い、正常に作動するという結果を得た。
As an example of this apparatus satisfying the configuration of the continuous injection chromatography apparatus represented by the flow chart of FIG. 2, necessary parts were produced using commercially available parts. As parts constituting this device, the liquid feed pumps P1, P2 and P3 use SP-12-13 manufactured by From Corporation, and the selection valves SV1, SV2 and SV3 and the switch valves SW1 and SW2 serve as From Corporation. A rotary valve 401-249 type is used, and switch valves SW3, SW4, SW5 are manufactured by TAKASAGO ELECTRIC, Inc. The separation column C1, C2, C3 is the same for all three separation columns C1, C2, and C3, but is selected according to the target to be separated (depending on the protein to be purified), and the UV monitor. As the solution reservoirs R1, R2, R3, R4, and R5, a normal glass beaker is used as the solution reservoirs R1, R2, R3, R4, and R5. As a control device for transmitting a selection or switching signal in response to the operation, an FP-X C60 manufactured by Panasonic was used.
As described below, the operation check of the manufactured device actually works by purifying the purified protein PAA3T, the purified protein RRRRG, and the purified protein human polyclonal antibody, and comparing them with the purified data by the batch process. Judgment was made and the result of normal operation was obtained.

(精製タンパク質PAA3Tのニッケルキレートカラム用いた連続注入精製実験)
アフィニティ担体としてヒスタグタンパク質の精製に広く用いられるニッケルキレートカラム(GEヘルスケア社製のHisTrap HP、カラムサイズ5mL)を用いた。ヒスタグタンパク質としては、本発明者らが既に開発している、抗体結合能を有するタンパク質(以下「PAA3T」と称する、特開2008−115151に記載のプラスミドpAA3Tにコードされている組み換えタンパク質)の高度精製標品を用いた。タンパク質は、0.05MのNaClおよび5mMイミダゾールを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.4)に溶解したものを用いた。注入するタンパク質試料としては、タンパク質濃度、総注入タンパク質量、総注入タンパク質溶液量を図4に示すように設定し、各種条件において、回収されるタンパク質の量、すなわち、回収率を測定した。
本発明においては、3つの並列したカラムを用いているが、それぞれを、A,B,Cカラムとしたとき、Aカラムが第1ドメインにあるとき、Bカラムは第2ドメイン、Cカラムは、第3ドメインにある。各ドメインの時間(Δt)は、それぞれ、10分間であり、その時間がすぎると、溶媒スイッチなどにより次のドメインに移行する。本精製実験における第1ドメインにおけるタンパク質サンプルの注入料は、それぞれ20mLとし、流速2mL/minで注入を行った。すなわち、タンパク質サンプルの送液を10分間行い、溶媒スイッチにより第2ドメインの操作に移った。
第2ドメインは、2つのステップ、洗浄と溶出より構成される、洗浄には、0.5MのNaClおよび20mMイミダゾールを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.4)を用い、流速2mL/minで10mLの送液を行った。次に、溶媒を切り替えることにより、0.5MのNaClおよび250mMイミダゾールを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.4)を用い、流速2mL/minで10mLの送液(5分間)を行い、溶出されるタンパク質を280nmの吸収でモニターすることにより、吸光度が0.01になった時点より、90秒間溶出されるタンパク質溶液を回収した(3mLを回収)。なお、第2ドメインにあるカラムからの出てくる溶液の280nmの吸収を常にモニターしている。その後、溶媒スイッチにより、第3ドメインの操作に移った。
第3ドメインは、再生と再平衡化より構成される。再生には、0.5MのNaClおよび500mMイミダゾールを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.4)を用い、流速2mL/minで10mLの送液(5分間)を行った。次に、0.05MのNaClおよび5mMイミダゾールを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.4)を用い、流速2mL/minで10mLの送液(5分間)を行うことにより、再平衡化を行った。
これで、サイクルが1回終了したことになり、次に、溶媒スイッチにより、第1ドメインに移り、次のステップに移った。この繰り返しを、注入する試料溶液が尽きるまで行い、回収されたタンパク質を測定した。その結果が図4にまとめられている。図4に示されるように、各種条件でも90%以上の回収率でアフィニティ精製工程を作動できることが確認された。
(Continuous injection purification experiment using nickel chelate column of purified protein PAA3T)
A nickel chelate column (Histrap HP manufactured by GE Healthcare, column size 5 mL) widely used for purification of histag protein was used as an affinity carrier. As the histag protein, a protein having an antibody binding ability (hereinafter referred to as “PAA3T”, a recombinant protein encoded by the plasmid pAA3T described in JP-A-2008-115151), which has been already developed by the present inventors, is used. A highly purified sample was used. The protein used was dissolved in 10 mM phosphate buffer (pH 7.4) containing 0.05 M NaCl and 5 mM imidazole. As the protein sample to be injected, the protein concentration, the total injected protein amount, and the total injected protein solution amount were set as shown in FIG. 4, and the amount of recovered protein, that is, the recovery rate was measured under various conditions.
In the present invention, three parallel columns are used. When each of the columns is an A, B, C column, when the A column is in the first domain, the B column is the second domain, and the C column is It is in the third domain. The time (Δt) of each domain is 10 minutes, and when that time is exceeded, the next domain is transferred by a solvent switch or the like. The protein sample injection in the first domain in this purification experiment was 20 mL each, and the injection was performed at a flow rate of 2 mL / min. That is, the protein sample was fed for 10 minutes, and the operation of the second domain was moved by the solvent switch.
The second domain is composed of two steps, washing and elution. The washing uses 10 mM phosphate buffer (pH 7.4) containing 0.5 M NaCl and 20 mM imidazole at a flow rate of 2 mL / min and 10 mL. The liquid was fed. Next, by switching the solvent, 10 mL of solution (5 minutes) was sent at a flow rate of 2 mL / min using a 10 mM phosphate buffer solution (pH 7.4) containing 0.5 M NaCl and 250 mM imidazole and eluted. The protein solution eluted for 90 seconds from the time when the absorbance reached 0.01 was recovered (3 mL was recovered). The absorption at 280 nm of the solution coming out from the column in the second domain is constantly monitored. Thereafter, the operation of the third domain was started by a solvent switch.
The third domain consists of regeneration and rebalancing. For regeneration, a 10 mM phosphate buffer solution (pH 7.4) containing 0.5 M NaCl and 500 mM imidazole was used, and 10 mL of liquid was fed (5 minutes) at a flow rate of 2 mL / min. Next, 10 mM phosphate buffer (pH 7.4) containing 0.05 M NaCl and 5 mM imidazole was used, and re-equilibration was performed by feeding 10 mL (5 minutes) at a flow rate of 2 mL / min. .
With this, the cycle was completed once. Next, the solvent switch was used to move to the first domain and to the next step. This process was repeated until the sample solution to be injected was exhausted, and the recovered protein was measured. The results are summarized in FIG. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the affinity purification process can be operated with a recovery rate of 90% or more even under various conditions.

(大腸菌内で発現させたヒスタグタンパク質RRRRGのニッケルキレートカラム用いた連続注入精製実験)
上記「(精製タンパク質PAA3Tのニッケルキレートカラム用いた連続注入精製実験)」と同様の操作を、大腸菌で発現させたヒスタグタンパク質を用いて行った。ヒスタグタンパク質としては、既に本発明者らが発明し、抗体結合能を有するタンパク質(以下「RRRRG」と称する、特開2008−115151に記載のプラスミドpAA−RRRGにコードされている組み換えタンパク質)を用いた。
組換えプラスミドpAA−RRRGを形質転換した大腸菌JM109株を、2リッターの培地(20gの塩化ナトリウム、20gの酵母エキス、32gのトリプトン、100mgのアンピシリンナトリウムを含んでいる)で、35℃で一晩培養した。その後、培養液を20分間低速遠心(毎分5,000回転)することにより、湿重量約5gの菌体を得た。これを、20mLの10mMのリン酸緩衝液(pH7.0)に懸濁し、フレンチプレス装置により菌体を破砕した後、20分間高速遠心(毎分20,000回転)することにより、上清を分離した。得られた上清にストレプトマイシン硫酸を最終濃度が2%になるように加え20分間撹拌後、20分間高速遠心(毎分20,000回転)することにより、上清を分離した。この後、硫酸アンモニウム処理を行い、得られた上清を、0.05MのNaClおよび5mMイミダゾールを含む10mMリン酸緩衝液(pH7.4)溶液を加え、全量を1100mLとした。このうち、960mLを上記実験例「(精製タンパク質PAA3Tのニッケルキレートカラム用いた連続注入精製実験)」と全く同様にして連続注入精製実験を行ったところ、86mgの精製タンパク質(RRRRGタンパク質)がほぼ均一の状態で得られた。
対照実験として、全量1100mLの試料液のうち20mLを用いて、単一カラムでの精製を行った。単一カラムでの精製は、上記実験例「(精製タンパク質PAA3Tのニッケルキレートカラム用いた連続注入精製実験)」の第1ドメイン、第2ドメイン、第3ドメインでの条件を用いて行った。単一カラムでの精製を別々に3回行った、ところ、毎回約1.7mgの精製タンパク質が得られた。
連続注入精製実験では、960mLの試料液を用いて86mgの精製タンパク質(すなわち、0.089mg/mL試料液)が回収され、単一カラム実験では、3回の実験で60mLの試料液から、5.1mgの精製タンパク質(すなわち、0.085mg/mL試料液)が回収され、連続注入精製を行っても回収量において単一カラムと同等もしくはそれよりも良い結果が得られた。
(Continuous injection purification experiment using nickel chelate column of histag protein RRRRG expressed in E. coli)
The same operation as “(Continuous injection purification experiment using nickel chelate column of purified protein PAA3T)” was performed using a histag protein expressed in E. coli. As the histag protein, a protein having an antibody binding ability already invented by the present inventors (hereinafter referred to as “RRRRRG” and encoded by the plasmid pAA-RRRG described in JP-A-2008-115151) is used. Using.
E. coli strain JM109 transformed with recombinant plasmid pAA-RRRG was grown overnight at 35 ° C. in 2 liters of medium (containing 20 g sodium chloride, 20 g yeast extract, 32 g tryptone, 100 mg ampicillin sodium). Cultured. Thereafter, the culture broth was centrifuged at a low speed for 20 minutes (5,000 revolutions per minute) to obtain bacterial cells having a wet weight of about 5 g. This was suspended in 20 mL of 10 mM phosphate buffer (pH 7.0), the cells were crushed with a French press apparatus, and then centrifuged at high speed (20,000 rotations per minute) for 20 minutes. separated. Streptomycin sulfate was added to the resulting supernatant to a final concentration of 2%, stirred for 20 minutes, and then centrifuged at high speed for 20 minutes (20,000 rotations per minute) to separate the supernatant. Thereafter, ammonium sulfate treatment was performed, and a 10 mM phosphate buffer solution (pH 7.4) containing 0.05 M NaCl and 5 mM imidazole was added to the resulting supernatant to make the total volume 1100 mL. Of these, 960 mL was subjected to a continuous injection purification experiment in exactly the same manner as in the above experimental example "(Continuous injection purification experiment using a nickel chelate column of purified protein PAA3T)". Obtained in the state of.
As a control experiment, purification using a single column was performed using 20 mL of the total 1100 mL sample solution. Purification on a single column was performed using the conditions for the first domain, the second domain, and the third domain in the above experimental example ((Continuous injection purification experiment using a nickel chelate column of purified protein PAA3T)). Purification on a single column was performed 3 times separately, and about 1.7 mg of purified protein was obtained each time.
In continuous injection purification experiments, 86 mg of purified protein (ie, 0.089 mg / mL sample solution) is recovered using 960 mL of sample solution, and in a single column experiment, from 60 mL of sample solution to 5 .1 mg of purified protein (ie, 0.085 mg / mL sample solution) was recovered, and even with continuous injection purification, the recovery amount was equal to or better than that of a single column.

(市販ヒトポリクローナル抗体精製タンパク質のプロテインAアフィニティカラム用いた連続注入精製実験)
アフィニティ担体としてヒト抗体の精製に広く用いられるプロテインAアフィニティ担体(GEヘルスケア社製のMabSelect Sure担体、Tricron10/20カラム(id=1cm)に1mLを充填)を用いた。抗体タンパク質としては、市販の人ポリクローナル抗体(シグマ社より購入、IgG from Hurman Serum,Technical Grade)を用いた。抗体タンパク質は、20mMリン酸緩衝液(pH7.0)に溶解し、濃度を0.2mg/mLに調製したものを用いた。
本精製実験において、3つ各ドメインの時間(Δt)は、それぞれ、37.5分間であり、その時間がすぎると、溶媒スイッチなどにより次のドメインに移行する。本精製実験における第1ドメインにおけるタンパク質サンプルの注入料は、それぞれ15mLとし、流速0.4mL/minで注入を行った。すなわち、タンパク質サンプルの送液を37.5分間行い、溶媒スイッチにより第2ドメインの操作に移った。
第2ドメインは、2つのステップ、洗浄と溶出より構成される、洗浄には、0.25Mのアルギニン塩酸塩、0.75MのNaClを含む20mMリン酸緩衝液(pH7.0)を用い、流速0.4mL/minで10mL(25分間)の送液を行った。次に、溶媒を切り替えることにより、1.0Mのアルギニン酢酸緩衝液(pH3.5)を用い、流速0.4mL/minで5mLの送液(12.5分間)を行い、溶出されるタンパク質を280nmの吸収でモニターすることにより、吸光度が0.01になった時点より、7分間溶出されるタンパク質溶液を回収した(2.1mLを回収)。なお、第2ドメインにあるカラムからの出てくる溶液の280nmの吸収を常にモニターしている。その後、溶媒スイッチにより、第3ドメインの操作に移った。
第3ドメインは、再生と再平衡化より構成される。再生には、0.1Mのグリシン緩衝液(pH2.5)を用い、流速0.4mL/minで5mLの送液(12.5分間)を行った。次に、10mMリン酸緩衝液(pH7.0)を用い、流速0.4mL/minで10mLの送液(25分間)を行うことにより、再平衡化を行った。
これで、サイクルが1回終了したことになり、次に、溶媒スイッチにより、第1ドメインに移り、次のステップに移った。この繰り返しを、注入する試料溶液が尽きるまで行い、回収されたタンパク質を測定した。79mgの人ポリクローナル抗体がpH3.5での溶出画分に回収された。投入したタンパク質の全量が、90mgであることから、回収率が約88%と求められた。単一カラムを用いた精製実験においても、回収率は、85から90%の値が得られており、連続注入することにより回収率に減少は認められなかった。
このように、タンパク質と担体の組み合わせを変えても、連続注入クロマトグラフィーが有効に機能することが判明した。
(Continuous injection purification experiment using protein A affinity column of commercially available human polyclonal antibody purified protein)
As an affinity carrier, a protein A affinity carrier (MabSelect Sure carrier manufactured by GE Healthcare, filled with 1 mL of Triron 10/20 column (id = 1 cm)) widely used for purification of human antibodies was used. A commercially available human polyclonal antibody (purchased from Sigma, IgG from Human Serum, Technical Grade) was used as the antibody protein. The antibody protein was dissolved in 20 mM phosphate buffer (pH 7.0) and the concentration was adjusted to 0.2 mg / mL.
In this purification experiment, the time (Δt) of each of the three domains is 37.5 minutes, and when that time is exceeded, the next domain is transferred by a solvent switch or the like. The protein sample injection in the first domain in this purification experiment was 15 mL each, and the injection was performed at a flow rate of 0.4 mL / min. That is, the protein sample was fed for 37.5 minutes, and the operation was shifted to the second domain by a solvent switch.
The second domain consists of two steps, wash and elution. The wash uses 20 mM phosphate buffer (pH 7.0) containing 0.25 M arginine hydrochloride, 0.75 M NaCl, and a flow rate. 10 mL (25 minutes) of liquid feeding was performed at 0.4 mL / min. Next, by switching the solvent, using 1.0 M arginine acetate buffer (pH 3.5), feeding 5 mL (12.5 minutes) at a flow rate of 0.4 mL / min, the eluted protein By monitoring the absorbance at 280 nm, the protein solution eluted for 7 minutes was recovered from the time when the absorbance reached 0.01 (2.1 mL was recovered). The absorption at 280 nm of the solution coming out from the column in the second domain is constantly monitored. Thereafter, the operation of the third domain was started by a solvent switch.
The third domain consists of regeneration and rebalancing. For regeneration, 0.1 M glycine buffer (pH 2.5) was used, and 5 mL of liquid was fed (12.5 minutes) at a flow rate of 0.4 mL / min. Next, using a 10 mM phosphate buffer (pH 7.0), re-equilibration was performed by feeding 10 mL (25 minutes) at a flow rate of 0.4 mL / min.
With this, the cycle was completed once. Next, the solvent switch was used to move to the first domain and to the next step. This process was repeated until the sample solution to be injected was exhausted, and the recovered protein was measured. 79 mg of human polyclonal antibody was recovered in the elution fraction at pH 3.5. Since the total amount of the input protein was 90 mg, the recovery rate was determined to be about 88%. Even in a purification experiment using a single column, a recovery rate of 85 to 90% was obtained, and no decrease was observed in the recovery rate by continuous injection.
Thus, it has been found that continuous injection chromatography functions effectively even when the combination of protein and carrier is changed.

上記精製実験では、ニッケルキレートカラムとヒスタグタンパク質の組み合わせ、及びプロテインAカラムとヒト抗体との組み合わせについて精製実験を行ったが、他の精製用カラムと各種タンパク質の組み合わせにも適用できるものである。
特に、クロマトグラフィーを用いたバッチプロセスを、連続プロセスに転換することができ、製造工程の革新につながる技術を提供する。
In the above purification experiment, a purification experiment was performed on a combination of a nickel chelate column and a histag protein, and a combination of a protein A column and a human antibody, but it can also be applied to combinations of other purification columns and various proteins. .
In particular, the present invention provides a technology that can convert a batch process using chromatography into a continuous process, leading to innovation in the manufacturing process.

C1〜C3 分離カラム
P1〜P3 送液ポンプ
R1〜R5 溶液リザーバー
SV1〜SV3 選択バルブ
SW1〜SW5 スイッチバルブ
C1-C3 separation column P1-P3 Liquid feed pump R1-R5 Solution reservoir SV1-SV3 Selection valve SW1-SW5 Switch valve

Claims (2)

各種溶液リザーバーと、前記各種溶液リザーバーにバルブを介して並列に接続された同一の3本の分離カラムと、前記3本の分離カラムにバルブを介してそれぞれ並列に接続され廃液リザーバーおよび回収用容器と、前記バルブを制御する制御装置とを備えたタンパク質分離精製用液体クロマトグラフィー装置において、
液体クロマトグラフィー装置によるタンパク質の分離精製プロセスを、目的タンパク質のカラムへの吸着、非特異的吸着物等の洗浄、目的成分の溶出、カラム再生化、平衡化の5つのステップに分割し、前記5つのステップを、第1ドメインとして目的タンパク質のカラムへの吸着を、第2ドメインとして非特異的吸着物等の洗浄とそれに引き続く目的成分の溶出を、第3ドメインとしてカラム再生化とそれに引き続く平衡化を、各ドメインに割り振り、各ドメインに要する時間を同一に設定するとともに、前記制御装置は、3本の分離カラムのうちの1本には第1ドメインを、残りの2本の分離カラムうちの1本には第2ドメインを、残りの3本目の分離カラムには第3ドメインを行わせ、かつ、各分離カラムには、第1ドメイン、第2ドメイン、第3ドメインを順次繰り返し行わせるように前記バルブを制御し、目的タンパク質のカラムへの吸着のためのサンプル溶液の注入が3本の分離カラムのいずれかに1本に順次連続して行うようにしたことを特徴とするタンパク質分離精製用液体クロマトグラフィー装置。
Various solution reservoirs, the same three separation columns connected in parallel to the various solution reservoirs via valves, and a waste liquid reservoir and a collection container connected in parallel to the three separation columns via valves, respectively. And a liquid chromatography device for protein separation and purification comprising a control device for controlling the valve,
The protein separation and purification process using a liquid chromatography apparatus is divided into five steps: adsorption of the target protein to the column, washing of nonspecific adsorbate, elution of the target component, column regeneration, and equilibration. The first domain is the adsorption of the target protein to the column, the second domain is the nonspecific adsorbate washing and the subsequent elution of the target component, the third domain is the column regeneration and the subsequent equilibration Are assigned to each domain, and the time required for each domain is set to be the same, and the control device assigns the first domain to one of the three separation columns and the other two separation columns. One has a second domain, the remaining third separation column has a third domain, and each separation column has a first domain, a second domain. The valve is controlled so that the third and third domains are sequentially repeated, and the sample solution for the adsorption of the target protein to the column is sequentially and sequentially injected into one of the three separation columns. A liquid chromatographic apparatus for protein separation and purification, which is characterized by the above.
前記各種溶液リザーバーは、前記5つのステップにそれぞれ使用される5つの溶液リザーバーR1,R2,R3,R4,R5からなり、前記バルブは、切り替えバルブSW1,SW2,SW3,SW4,SW5と、選択バルブSV1,SV2,SV3とからなり、R1は送液ポンプP1を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給接続され、スイッチバルブSW1によりR2とR3とを切り替えて、送液ポンプP2を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給接続され、スイッチバルブSW2によりR4とR5とを切り替えて、送液ポンプP3を介して選択バルブSV1,SV2,SV3に供給接続され、選択バルブSV1,SV2,SV3の下流側には、それぞれ、前記3本の分離カラムC1,C2,C3が接続されており、各分離カラムC1,C2,C3の下流側には、それぞれスイッチバルブSW3,SW4,SW5を介して廃液リザーバーと回収用容器に切り替え可能に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のタンパク質分離精製用液体クロマトグラフィー装置。   The various solution reservoirs include five solution reservoirs R1, R2, R3, R4, and R5 used for the five steps, respectively. The valves are switching valves SW1, SW2, SW3, SW4, and SW5, and selection valves. SV1, SV2, and SV3. R1 is connected to the selection valves SV1, SV2, and SV3 via the liquid feed pump P1, and is selected via the liquid feed pump P2 by switching between R2 and R3 by the switch valve SW1. Supplyed and connected to the valves SV1, SV2 and SV3, and switched between R4 and R5 by the switch valve SW2, and supplied and connected to the selection valves SV1, SV2 and SV3 via the liquid feed pump P3. The three separation columns C1, C2, and C3 are connected to the downstream side, 2. The protein according to claim 1, wherein downstream of the separation columns C1, C2, and C3 are switchably connected to a waste liquid reservoir and a collection container through switch valves SW3, SW4, and SW5, respectively. Liquid chromatography device for separation and purification.
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