KR20230098797A - 멤브레인 크로마토그래피용 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명을 요약하면, 크로마토그래피 시스템이 제공된다. 상기 크로마토그래피 시스템은 복수의 성분을 함유하는 공급물 유체를 처리하도록 구성되며, 이때 공급물 유체의 복수의 성분 중 적어도 하나의 성분은 표적 성분이다. 상기 크로마토그래피 시스템은 유체 유동을 제어하도록 구성된 복수의 유체 제어 컴포넌트를 포함하는 유동 경로; 상기 유동 경로에 연결된 적어도 하나의 멤브레인 흡착기이며 상기 표적 성분을 분리하도록 구성되는 고정상을 포함한다. 상기 유동 경로는 표적 성분의 수확이 최적화되도록 구성된다.
Description
본 발명은 멤브레인(membrane) 크로마토그래피용 시스템에 관한 것이다.
바이오-제약 또는 제약 생산은 활성 제약 성분(API)이 추출되는 용액의 정제를 수반한다. 공급물로도 알려진 이러한 용액은 화학-합성적으로 또는 생물-유기적으로 생산될 수 있다. 상기 공급물은 서로 분리될 필요가 있는 복수의 성분, 예를 들어 하나 이상의 표적(target) 성분 및 불순물을 포함한다. 이러한 분리 공정을 수행하는 데 사용되는 기술이 크로마토그래피이다.
크로마토그래피 분리 공정의 세부 사항은, 예를 들어 상호작용 메커니즘, 공정 유형 및 고정상(stationary phase)과 관련된 복수의 이용 가능한 옵션(option)으로부터 선택될 수 있다. 상기 상호작용 메커니즘에 기초할 때, 크로마토그래피는 예를 들어 이온 교환, 소수성 상호작용, 친화성 또는 혼합 모드 크로마토그래피로 분류될 수 있다. 상기 공정 유형은 배취식 또는 연속식 조작과 같은 공정 실행의 시간적 측면 및/또는 고정상에서의 표적 생성물과 분리 매질 사이의 상호 작용 (예컨대 포집(capture), 결합(bind), 및 용리(elute) 또는 관류(flow-through))의 측면과 관련될 수 있다. 크로마토그래피의 고정상은 예를 들어 입자/수지-, 멤브레인-, 모놀리스- 및 섬유-기반이다.
크로마토그래피 공정 단계에서의 가장 큰 차이는 동역학적으로 제한된 고정상과 동역학적으로 제한되지 않는 고정상에서 발생한다. 수지-기반 고정상과 같은 동역학적으로 제한된 고정상은 전형적으로 결합에 약 2분 이상의 체류 시간이 필요한 반면, 멤브레인-기반 고정상과 같은 동역학적으로 제한되지 않는 고정상은 결합에 2분 미만이 필요하다.
크로마토그래피 공정은 일반적으로 복수의 사이클로 구성되며, 각 사이클은 평형화, 로딩(loading), 1회 내지 여러 회의 세척 단계, 용리, 재생 및 제자리 세척(CIP; cleaning in place)으로 구성된다. 평형화에서는, 고정상이, 각각의 표적 물질에 대한 결합 부위가 자유롭게 접근될 수 있어야 하는 로딩 단계를 위해 준비된다. 평형화 완충액은, CIP와 같이, 고정상의 결합 특성에 부정적인 영향을 미치는 이전 단계의 잔류물을 제거한다.
로딩 동안, 성분들의 혼합물을 포함하는 공급물은 고정상과 상호작용하게 되며, 이때 하나 이상의 성분은 고정상에 남아 있고 다른 성분들은 이동하게 된다. 예를 들어, 결합 및 용리 모드에서, 표적 성분은 고정상에 결합해야하고 분리할 성분은 고정상을 지나 이동해야 한다. 비-결합 성분은 세척 단계에서 세정해내어 용리 중에 용리액내 표적 성분 내로 혼입되어 들어가는 것을 방지한다.
용리 동안, 고정상에 대한 물리화학적 환경 특성(pH 값, 전도도)의 변화에 의해 표적 성분이 용리 완충액에 의해 고정상의 결합 부위로부터 벗어나게 되며, 이어서 수집된다. 재생 동안, 용리 단계에서보다 고정상에 대해 더 중요한 환경의 물리화학적 특성의 변화로 난용성 불순물(예를 들어, 지질, 염료, DNA)을 용해시켜 고정상의 결합 능력을 복원시킨다. 재생 단계 후에 조차도 고정상에 남아 있을 수 있는 오염 물질의 바이오버든(bioburden) 감소 및 제거를 위해 CIP 단계가 수행된다. 이는 일반적으로 가성 소다 회(caustic soda lye)를 사용하여 수행된다.
통상적인 크로마토그래피 기술은 컬럼 크로마토그래피이며, 여기서 고정상("분리 매질"이라고도 지칭됨)은 컬럼 또는 관 내에 배치된 수지이다. 분리 메커니즘은 수지의 물리화학적 특성에 의해 결정된다.
컬럼 설계를 위해 조정할 수 있는 두 가지 매개변수는 컬럼의 직경과 분리 매질의 패킹 높이이다. 이는 고정상의 부피를 결정하며, 이것은 공정처리할 공급물의 부피뿐 아니라 그 안에 존재하는 표적 성분의 농도 및 분리 매질의 결합 능력을 기준으로 선택되어야 한다. 공정처리 시간 및/또는 완충액 소비의 비용과 관련된 분리 매질 비용과 같은 영향 요인에 따라, 전체 공급물 부피를 공정처리하기 위해 2 내지 20회의 사이클이 수행되도록 고정상의 부피가 선택된다.
특히, 분리 매질의 패킹 높이는 하기 사항을 만족하도록 선택되어야 한다:
- 컬럼 베드 내의 임의의 비균질성 및 관련된 분리의 효율, 생산성 및 분해능의 감소는 컬럼 통과 동안 공급물로 덮힌 거리에 대해 보상되고;
- 가능한 한 가장 높은 결합 능력을 달성하는 데 필요한 고정상에서의 공급물 체류 시간이 달성되고;
- 패킹된 분리 매질의 압력 강하/배압이 한정된 체류 시간 및 결과적인 유속의 임계값을 초과하지 않음.
예를 들어, 크로마토그래피 컬럼이 3bar의 패킹 압력으로 패킹된 경우, 공정 중에 이 압력이 초과되어서는 안되며, 그렇지 않으면 패킹된 베드가 압축되어 컬럼에 헤드스페이스(즉, 컬럼의 상부 부분과 과압에 의해 압축된 분리 매질의 베드 사이의 액체-충전된 공동)가 형성될 것이다. 이는 공정 및 분리 메커니즘을 손상시킬 수 있다.
컬럼의 직경은 하기 사항을 만족하도록 선택되어야 한다:
- 패킹 높이에 따라, 패킹된 분리 매질의 부피의 양은 공정처리 시간이 가능한 한 짧아지도록 하고(이때, 결합 능력은 패킹된 분리 매질의 부피에 정비례함);
- 공정처리 시간 및 사이클 수에 따라, 필요한 분리 매질의 비용이 주어진 임계값을 초과하지 않음.
컬럼 크로마토그래피의 사이클의 지속 시간은 일반적으로 10분 초과이며, 종종 몇 시간 범위이다. 예를 들어, 항체를 함유하는 공급물을 공정처리하는 단백질 A 컬럼 크로마토그래피의 경우, 패킹 높이가 20cm이고 컬럼 직경이 25cm이고 컬럼 부피가 9.8L이면, 다음 표에 자세히 설명되어 있는 바와 같이, 한 사이클은 거의 4시간이 소요된다.
| 단계 | 부피 [CV] | 유량 [cm/h] | 체류 시간 [분] | 기간 [분] |
| (재)평형화 | 10 | 300 | 4 | 40 |
| 로딩 | 26 | 400 | 3 | 78 |
| 세척 1 | 5 | 300 | 4 | 20 |
| 세척 2 | 5 | 300 | 4 | 20 |
| 세척 3 | 5 | 300 | 4 | 20 |
| 용리 | 5 | 300 | 4 | 20 |
| CIP | 5 | 300 | 4 | 20 |
| 총 | 61 | 해당 없음 | 해당 없음 | 218 |
컬럼 부피 단위로 표현되는 각 단계의 부피는 주어진 단계에 필요한 주어진 유체/매질의 부피를 나타낸다.컬럼 크로마토그래피에 대한 대안은, 고정상이 적어도 하나의 멤브레인 흡착기(absorber)(즉, 수지 상의 것과 유사한 작용기로 유도체화되는 미세다공성 또는 거대다공성 멤브레인)에 의해 제공되는 멤브레인 크로마토그래피이다. 예시적인 멤브레인 흡착기는 유럽 특허 출원 EP 2274081 A1에 개시되어 있다.
멤브레인 흡착기 상의 체류 시간은 수지에 비해 더 짧으며, 그 이유는, 대류가 주로 물질 수송을 담당하여 수지에서 우세한 확산 메커니즘에 비해 더 효율적인 흡착을 유도하기 때문이다. 따라서, 공정의 생산성, 즉 일반적으로 g/(L*h)로 표시되는, 공급물 부피 단위 당 및 시간 단위당 얻어지는 생성물의 양이, 수지-기반 컬럼 크로마토그래피에 비해 3배 초과만큼 증가할 수 있다. 또한, 컬럼 크로마토그래피와 대조적으로, 멤브레인 크로마토그래피에서는 고정상이 거의 완전히 활용된다.
본 발명의 목적은, 예를 들어 수득된 표적 성분(들)의 양, 수득된 표적 성분(들)의 순도, 공정을 수행하는 데 필요한 시간량, 및 공정을 수행하는 데 필요한 자원(예를 들어, 완충액)의 양과 같은 인자 중 하나 이상에 의해 정량화되는, 개선된 공정 품질 및 효율을 갖는 멤브레인 크로마토그래피 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 이러한 목적의 달성은 청구범위의 독립항에 기재되어 있다. 본 발명의 추가적인 개발 내용은 청구범위의 종속항의 주제이다.
일 양태에 따르면, 복수의 성분을 함유하는 공급물 유체를 처리하도록 구성된 크로마토그래피 시스템으로서, 공급물 유체의 복수의 성분 중 적어도 하나의 성분이 표적 성분인, 크로마토그래피 시스템이 제공된다. 상기 크로마토그래피 시스템은
유체 유동을 제어하도록 구성된 복수의 유체 제어 컴포넌트를 포함하는 유동 경로; 및
고정상
을 포함하고; 이때 상기 고정상은 상기 유동 경로에 연결된 적어도 하나의 멤브레인 흡착기이며, 상기 고정상은 표적 성분을 분리하도록 구성되고, 상기 유동 경로는 표적 성분의 수집이 최적화되도록 구성된다.
공급물 유체("공급물"이라고도 지칭됨)는 복수의 성분 또는 물질을 포함하며, 이 중 적어도 하나가 관심 성분, 즉 표적 성분이다. 크로마토그래피 공정의 목적은 표적 성분의 수확, 즉 표적 성분을 공급물 중의 다른 성분과 분리한 다음 표적 성분을 그 공정의 생성물로서 수집하는 것이다.
상기 생성물은 표적 성분으로 실질적으로 이루어지며, 이는 순도, 즉 전체 생성물 내 표적 성분의 상대적인 양(예를 들어, 중량, 질량, 부피 기준)이 100%에 가깝고, 예를 들어 99% 초과임을 의미한다. 생성물의 순도는 예를 들어 제약 및 바이오-제약 분야에서 특히 중요하다.
공급물은 하나 초과의 표적 수확 성분을 포함할 수 있으므로, 크로마토그래피 공정은 하나 초과의 생성물을 산출할 수 있다. 또한, 크로마토그래피 공정을 수행할 때 중간체 및/또는 부산물이 얻어질 수 있으며, 이들이 수집될 수도 있다. 경우에 따라, 상이한 농도들의 표적 성분이 별도로 수집될 수도 있다.
공급물 유체 중의 관심 대상이 아닌 성분("스크랩(scrap) 성분"이라고도 지칭됨)뿐 아니라 크로마토그래피 공정 중에 사용된 기타 물질(예컨대 완충액)은 공정 폐기물을 형성하고, 함께 수집된다.
예시적으로, 공급물 유체는 단백질-함유 용액 또는 세포-함유 용액과 같은 용액일 수 있다. 세포-함유 용액의 예는 바이러스를 함유하는 백신 또는 기타 용액뿐만 아니라 포유동물 세포를 함유하는 용액을 포함한다. 단백질-함유 용액의 예에는 치료용 단백질(예를 들어, 단클론 항체, 효소, 호르몬 등)을 함유한 액체가 포함된다. 이러한 경우, 표적 성분은 특정 유형의 세포 또는 특정 단백질과 같은 용질일 수 있다. 스크랩 성분에는 DNA, 염 및 숙주 세포 단백질(HCP)이 포함될 수 있다.
상기 크로마토그래피 시스템은 유동 경로를 포함한다. 유동 경로는 유체의 유동을 가능하게 하기 위한 수단, 예를 들어 도관 및 용기와 같이 유체를 수용, 이송 및/또는 포함하기 위한 수단, 및 밸브, 펌프, 센서 및 필터와 같이 유체의 유동을 제어하기 위한 수단을 포함한다. 따라서, 유동 경로는 특히, 유체 유동을 제어하도록 구성된 복수의 유체 제어 컴포넌트를 포함한다.
유동 경로는, 하나 이상의 유체가 유동 경로 내로 유도되는 하나 이상의 유입 지점과 하나 이상의 유체가 유동 경로로부터 방출되는 하나 이상의 배출 지점을 연결한다. 유동 경로는, 하나의 유입 지점을 하나의 배출 지점에 연결하는 다른 대체 경로를 포함할 수 있다.
유입 지점으로부터 배출 지점으로 향하는 방향이 유동 경로의 전방 방향이며, 유체 유동의 일반적이고 거시적인 방향이다. "X가 Y 뒤에 위치한다"라는 표현은 X가 유체 경로의 전방 방향에서 Y의 뒤에 있음을 나타낸다. 즉, X는 Y보다 배출 지점에 가깝고 Y보다 유입 지점에서 멀리 떨어져 있다. 유사하게 "X가 Y 앞에 위치한다"는 유체 경로의 전방 방향에서 X가 Y보다 앞에 있음을 나타낸다. 즉, X는 Y보다 유입 지점에 가깝고 Y보다 배출 지점에서 멀리 떨어져 있다.
유동 경로를 통해 흐르는 유체는 하나 이상의 완충액, 세척 유체, (고정상의 상류의) 공급물 유체 및 (고정상의 하류의) 공급물 유체의 분리된 성분을 포함한다. 완충액(또는 "완충 용액")은 산이나 염기를 첨가한 후 pH의 주요 변화를 효과적으로 억제하고 방지하는 수성 용액이다. 이는 약산과 그 짝염기 또는 약염기와 그 짝산의 존재로 인한 것이다. 크로마토그래피 공정은 사이클의 여러 단계에서 서로 다른 완충액을 필요로 할 수 있다.
크로마토그래피 시스템은 고정상을 포함한다. 고정상은, 공급물 유체 내에 처음에 함께 혼합된 스크랩 성분으로부터 표적 성분(들)을 분리하도록 구성된 크로마토그래피 시스템 부분이다. 다른 물질(예를 들어, 희석용 물)과 혼합될 수 있는 공급물 유체 및 완충액은 이동상을 나타낸다. 특히, 고정상은 이동상 내의 표적 성분을 단리하고, 이어서 수집할 수 있다.
구체적으로, 고정상은 적어도 하나의 멤브레인 흡착기이다. 복수의 멤브레인 흡착기의 경우, 이들은 서로의 상부에 적층될 수 있고/있거나 유동 경로의 2개 이상의 대체 경로에 직렬 또는 병렬로 제공될 수 있다. 멤브레인 흡착기(들)는 예를 들어 표적 성분을 흡착할 수 있으며, 이는 나중에 용리에 의해 수집된다. 대안적으로, 표적 성분은 관류(flow-through)로 (즉, 사실상, 멤브레인 흡착기에 의해 이 성분은 흡착되지 않고, 반면 공급물 유체의 다른 성분은 흡착되는 것에 의해) 수득될 수도 있다.
멤브레인 흡착기(들)는 예를 들어, 술폰산 또는 염-용인성(tolerant) 음이온 교환제 또는 페닐을 리간드로 갖는 안정화된 강화(reinforced) 셀룰로오스로 이루어질 수 있다. 다른 재료가 멤브레인 흡착기로 사용될 수 있으며, 다른 물질이 리간드로 사용될 수 있다. 멤브레인 흡착기(들)는, 예를 들어 플라스틱으로 이루어진, 캡슐 또는 프레임에 제공될 수도 있다.
적어도 하나의 멤브레인 흡착기가 유동 경로에 연결된다. 유동 경로에 연결되면, 멤브레인 흡착기는, 유체가 멤브레인 흡착기를 통해 유동될 수 있다는 점에서 유동 경로의 일부가 된다. 예시적으로, 멤브레인 흡착기(들)는 "멤브레인 밸브"로 지칭되는 밸브에 의해 유동 경로에 연결될 수 있다. 예를 들어, 멤브레인 흡착기(또는 멤브레인 흡착기들의 적층체(stack))는 한 쌍의 멤브레인 밸브에 의해 유동 경로에 연결될 수 있으며, 이때 상기 밸브 중 하나는 멤브레인 흡착기 앞에 위치하고 다른 하나는 멤브레인 흡착기 뒤에 위치한다. 이 경우, 유동 경로는 멤브레인 흡착기를 통과하는 경로와 멤브레인 흡착기를 통과하지 않는 대체 경로를 포함할 수 있다. 대안적으로, 멤브레인 흡착기는 유동 경로의 파이프 또는 다른 이송 수단에 직접(즉, 밸브 없이) 연결될 수 있고, 멤브레인 흡착기를 통과하는 경로가 단 하나일 수 있다.
크로마토그래피 시스템에서 고정상으로서 멤브레인 흡착기를 사용하는 것은 등가 부피의 고정상에 대한 컬럼 크로마토그래피와 비교할 때 더 큰 조작 유량 범위를 허용한다. 예시적으로, 수지에서의 조작 유량 범위는 0.05 내지 2 CV/분, 더 바람직하게는 0.1 내지 1 CV/분, 가장 바람직하게는 0.1 내지 0.5 CV/분일 수 있는 반면, 멤브레인 흡착기에서의 조작 유량 범위는 0.5 내지 40 MV/분, 더 바람직하게는 1 내지 30 MV/분, 가장 바람직하게는 3 내지 20 MV/분일 수 있다.
크로마토그래피 시스템의 유동 경로는 멤브레인 흡착기(들)에 의한 표적 성분의 수확이 최적화되도록 구성된다. 유동 경로, 특히 그의 유체 제어 컴포넌트는 멤브레인 흡착기(들)의 조작에 맞게 조정된다. 다시 말해서, 유동 경로내 유체 제어의 동역학은 멤브레인 흡착기(들)의 매우 동적인 특성/거동에 맞게 조정된다. 특히, 유동 경로의 구성적/구조적 설계 및/또는 유동 경로에 의해 실행되는 유체 유동의 제어는 멤브레인 크로마토그래피에 대해 최적으로 구성된다.
크로마토그래피 시스템은, 유체 제어 컴포넌트를 관리하도록 구성된 (예컨대 프로세서를 포함하는) 제어 시스템, 예를 들어 분포된 제어 시스템을 포함하거나 이에 연결되도록 구성될 수 있다. 제어 시스템은 하나 이상의 유체 제어 컴포넌트(예를 들어 센서)로부터 신호를 수신할 수 있고, 하나 이상의 유체 제어 컴포넌트(예를 들어 밸브 및 펌프)에 신호를 송신할 수 있다.
특정 예에서, 복수의 유체 제어 컴포넌트는
상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 연결되고, 표적 성분 수집 용기에 연결되도록 구성된, 제1 배출 밸브; 및
상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 연결되고, 폐기물 수거 용기에 연결되도록 구성된, 제2 배출 밸브
를 포함할 수 있고; 이때 상기 제1 배출 밸브 및 상기 제2 배출 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간(switching time)을 갖는다.
제1 및 제2 배출 밸브는 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 뒤에 위치한다. 특히, 제1 및 제2 배출 밸브는 유동 경로의 끝에 위치할 수 있다.
제1 및 제2 배출 밸브는, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기로부터 각각의 제1 및 제2 배출 밸브로의 유동 경로가 있다는 점에서, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 유체-연통적으로(fluidly) 연결된다. 다시 말해, 유체는 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에서 배출 밸브 쪽으로 유동될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 파이프가 적어도 하나의 멤브레인 흡착기를 배출 밸브에 연결할 수 있다.
일부 예에서, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기와 배출 밸브 사이에 하나 이상의 유체 제어 컴포넌트, 예컨대 센서 및/또는 다른 밸브(예를 들어, 멤브레인 밸브)가 개재될 수 있다.
배출 밸브 중 하나, 예를 들어 제1 배출 밸브는, 예를 들어 배관(tubing)에 의해, 표적 성분 수집 용기에 연결되도록 구성된다. 다시 말해, 제1 배출 밸브는 유동 경로로부터 외부 용기로 표적 성분을 배출하는 전용이다. 제2 배출 밸브는, 예를 들어 배관에 의해, 폐기물 수거 용기에 연결되도록 구성된다. 다시 말해, 제2 배출 밸브는 유동 경로로부터 외부 용기로 폐기물(예를 들어, 사용된 완충액, DNA 등)을 배출하는 전용이다.
따라서, 유동 경로(특히, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기)로부터 배출 밸브로 유입되는 유체에 따라, 하나의 배출 밸브는 개방되고 다른 하나는 폐쇄된다. 각각의 밸브는 (예를 들어 제어 시스템으로부터의) 제어 신호에 따라 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 전환될 수 있다. 예시적으로, 제어 신호는 임의의 주어진 시간에 배출 밸브를 향해 흐르는 유체(의 일부)의 내용물을 결정하는 센서(예를 들어, 멤브레인 흡착기와 배출 밸브 사이에 위치한 자외선(UV) 센서와 같은 흡광도 검출기)에 기초할 수 있다. 유체가 특정의 미리 정의된 임계값을 초과하는 표적 성분의 분자 또는 입자를 포함하는 경우, 상기 유체는 "표적 성분 유체"로 표시될 수 있으며, 그렇지 않은 경우 유체는 "폐기물 유체"로 표시될 수 있다.
밸브의 전환 시간은 밸브가 개방 위치에서 폐쇄 위치로 또는 그 반대로 전환되는 데 필요한 시간이다. 제1 배출 밸브 및 제2 배출 밸브 둘다 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 갖는다. 즉, 제1 및 제2 배출 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초 내에 개방/폐쇄 위치에서 폐쇄/개방 위치로 전환되도록 제어된다.
이 비교적 짧은 전환 시간은 멤브레인 흡착기가 작동될 때 높은 유속이라는 관점에서 두 가지 이점이 있다. 첫 번째로, 제1 배출 밸브가 짧은 시간 안에 폐쇄 상태에서 개방 상태로 전환될 수 있다는 사실은 표적 성분의 잠재적인 손실을 제거하거나 줄이는 데 도움이 된다. 실제로, 제1 배출 밸브가 여전히 폐쇄되어 있는 동안 표적 성분 유체가 제1 배출 밸브가 위치한 유동 경로의 지점에 도달한다면, 표적 성분 유체의 분획이 표적 성분 수집 용기에 정확하게 수집되지 않을 수 있다.
두 번째로, 두 배출 밸브의 전환 시간이 짧다는 사실은 표적 성분의 잠재적인 손실을 더욱 줄이고 역혼합(back-mixing) 문제도 완화하거나 배제한다. 역혼합은 유동 경로의 전방 방향과 다른 방향으로 유체가 이동하는 것으로 인해 유체가 바람직하지 않게 혼합되는 것을 말한다.
멤브레인 흡착기 하류(특히, 출구)에서의 유체의 역혼합은, 표적 성분 유체와 다른 유체의 바람직하지 않은 혼합을 초래한다. 이는 수집된 표적 성분의 순도에 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어 용리 부피를 증가시킬 수 있다. 용리 부피는 용리 시작부터 용리 종료까지의 표적 성분 포함 분획의 부피이며, 따라서 농도를 높이고 후속 단계의 노력(예컨대, 보관실, 공정처리 시간 또는 완충액 소비량)을 줄이기 위해서는 가능한 한 작아야 한다.
역혼합 문제는 컬럼 크로마토그래피보다 멤브레인 크로마토그래피와 더 관련이 있다. 한 가지 이유는 고정상의 부피가 컬럼 크로마토그래피의 경우 더 높다는 것인데, 예를 들어 공정 설계에 따라, 멤브레인 부피 150mL에 대한 등가 컬럼 부피는 10L여서, 용리 부피에서의 상대적인 변화가 컬럼 크로마토그래피에서는 무시될 수 있다. 예를 들어, 150mL 멤브레인 흡착기의 용리 부피가 200mL이고 등가 10L 크로마토그래피 컬럼의 용리 부피가 15L인 경우, 역혼합 유체 50mL가 추가되면 멤브레인 크로마토그래피 시스템의 경우 증가 백분율이 25%이고 컬럼 크로마토그래피 시스템의 경우 0.3%이다.
또한, 전통적인 컬럼 크로마토그래피에 비해 고정상의 부피가 더 작고 사이클당 결합 용량이 더 낮은 것으로 인해, 주어진 부피의 공급물을 공정처리하기 위해서는 컬럼 크로마토그래피에 비해 더 많은 횟수의 멤브레인 크로마토그래피 사이클이 필요하다. 상대적으로 더 많은 횟수의 사이클이 주어지면, 역혼합의 부정적인 영향은 실질적으로 합산되어 멤브레인 크로마토그래피 공정을 비효율적으로 만들 것이다.
배출 밸브의 짧은 (특히, 개방에서 폐쇄로의) 전환 시간은 밸브를 통해 역류할 수 있는 유체의 양을 줄인다. 또한, 두 밸브가 모두 개방되어 있을 수 있는 중첩 기간을 단축하거나 배제하여, 멤브레인 흡착기(들)의 동적 특성과 일치하는 유동 경로의 구성을 더 빠르고 정확하게 변경할 수 있게 한다.
컬럼 크로마토그래피 시스템에서는 빠른 압력 상승에 대해 패킹된 컬럼 베드를 보호하기 위해서는 더 긴 밸브 전환 시간(즉, 약 3초 이상)이 선택된다는 점에 주목해야 한다.
역혼합을 최소화하기 위한 또 다른 방법은 시스템의 불감(dead) 부피를 최소화하는 것이며, 이때 불감 부피는 유동 경로의 부피(즉, 고정상이 없는 시스템)이며, 따라서 유체가 입구로부터 출구로 유동할 때 통과하는 도관, 밸브, 및 다른 모든 요소의 부피의 합으로 주어진다. 따라서, 예시적으로, 불감 부피와 고정상 부피(고정상의 기공률(porosity)은 고려하지 않음) 사이의 비율은 5 미만, 바람직하게는 4 미만, 더욱 바람직하게는 3 미만, 가장 바람직하게는 2 미만일 수 있다. 불감 부피가 작을수록 사이클 기간을 줄이는 데 도움이 된다.
일부 예에서, 유동 경로의 유체 제어 컴포넌트는, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 뒤에 위치된 하나 이상의 추가의 배출 밸브를 더 포함할 수 있다. 각각의 추가의 배출 밸브는 부산물과 같은 다른 성분의 배출 전용일 수 있으며 외부 용기에 연결되도록 구성될 수 있다.
추가의 배출 밸브(들) 또한 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 가질 수 있다.
대안적인 예에서, 제2 배출 밸브는 약 3초 또는 3초 초과의 전환 시간을 가질 수 있지만, 복수의 유체 제어 컴포넌트는 상기 제2 배출 밸브 뒤에 위치된 체크 밸브를 더 포함할 수 있다. 체크 밸브는 유체가 한 방향으로만 흐르도록 하는 밸브이다. 특히, 체크 밸브는 폐기물 유체와 같은 유체가 폐기물 수거 용기 쪽으로만 흐르도록하고 역방향으로는 흐르지 않게 한다. 체크 밸브의 존재는 역혼합 문제를 완화하거나 배제한다.
이러한 예에서, 제1 배출 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 가질 수 있다. 대안적으로, 제1 배출 밸브는 약 3초 또는 약 3초 초과의 전환 시간을 가질 수 있다. 이러한 경우, 선택적으로, 복수의 유체 제어 컴포넌트는 상기 제1 배출 밸브 뒤에 위치된 또 다른 체크 밸브를 더 포함할 수 있다.
특정 예에서, 복수의 유체 제어 컴포넌트는
공급물 유체 공급부에 연결되도록 구성된 제1 유입 밸브;
완충액 공급부에 연결되도록 구성된 제2 유입 밸브
를 추가로 포함할 수 있으며; 이때, 제1 유입 밸브 및 제2 유입 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 갖는다.
제1 및 제2 유입 밸브는 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 앞에 위치한다. 특히, 제1 및 제2 배출 밸브는 유동 경로의 시작 부분에 위치할 수 있다.
제1 및 제2 배출 밸브는, 각각의 제1 및 제2 배출 밸브로부터 적어도 하나의 멤브레인 흡착기로의 유동 경로가 있다는 의미에서, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 유체 연통적으로 연결된다. 다시 말해, 유체는 유입 밸브로부터 적어도 하나의 멤브레인 흡착기로 흐를 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 파이프가 적어도 하나의 멤브레인 흡착기를 유입 밸브에 연결할 수 있다.
일부 예에서, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기와 유입 밸브 사이에 하나 이상의 다른 유체 제어 컴포넌트, 예컨대 펌프, 필터, 센서(예를 들어, UV 센서) 및/또는 다른 밸브(예를 들어, 멤브레인 밸브)가 개재될 수 있다.
제1 유입 밸브는, 예를 들어 배관에 의해, 공급물 유체 공급부에 연결되도록 구성된다. 즉, 제1 유입 밸브는 외부 공급 장치로부터 유동 경로로의 공급물 유입 전용이다. 제2 유입 밸브는, 예를 들어 배관에 의해, 완충액 공급부에 연결되도록 구성된다. 다시 말해, 제2 유입 밸브는 외부 공급 장치로부터 유동 경로로의 완충액 유입 전용이다. 제2 유입 밸브는 각각 상이한 완충액을 제공하는 복수의 완충액 공급부에 연결될 수 있다. 대안적으로, 유동 경로는 각각 복수의 완충액 공급부에 연결되도록 구성된 복수의 (제2) 유입 밸브를 포함할 수 있다.
하나의 예에서, 유동 경로는 2개의 유입 라인을 포함할 수 있는데, 하나는 제1 유입 밸브에서 시작하고 다른 하나는 제2 유입 밸브에서 시작하며, 상기 2개의 유입 라인은 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 앞에서 만나는 유동 경로의 2개의 평행한 분기(branch)를 나타낸다. 복수의 제2 유입 밸브의 경우, 유동 경로는 3개 이상의 유입 라인을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 유동 경로는 단일 유입 라인을 포함할 수 있으며, 그 시작 부분에 제1 및 제2 유입 밸브가 위치된다.
예시적으로, 유동 경로는 적어도 하나의 펌프를 포함할 수 있다. 각각의 유입 라인에는 정의된 유량으로 각 유체의 유동을 진행시키는 펌프가 있을 수 있다. 펌프는 특히, 연결 요소로 인한 추가적인 불감 부피를 피하기 위해, 크로마토그래피 시스템에 통합될 수 있다 (즉, 유동 경로의 고정 요소일 수 있다).
역혼합은 멤브레인 흡착기(들)의 하류에서만 문제가 되는 것이 아니다. 멤브레인 흡착기(들)의 앞 및/또는 그 위에서의 유체의 역혼합은 유체의 특성에 변화를 일으키고, 작은 멤브레인 부피로 인해 표적 성분의 결합 용량 및/또는 용리 프로파일을 감소시킨다. 이전에서 설명한 것과 유사하게, 상류에서의 역혼합도 멤브레인 흡착기에 비해 컬럼의 분리 특성/결합 용량에는 더 적은 정도로 부정적인 영향을 미친다.
유입 밸브의 짧은 전환 시간은 멤브레인 흡착기(들)의 상류에서의 역혼합 문제를 완화하거나 배제한다. 대안적인 예에서, 제1 유입 밸브 및 제2 유입 밸브는 약 3초 또는 약 3초 초과의 전환 시간을 가질 수 있고, 복수의 유체 제어 컴포넌트는 제1 유입 밸브 및 제2 유입 밸브 뒤에 위치된 적어도 하나의 유입 체크 밸브를 더 포함할 수 있다. 예시적으로, 유동 경로가 적어도 하나의 펌프를 포함하는 경우, 적어도 하나의 펌프 뒤에 적어도 하나의 유입 체크 밸브가 위치될 수도 있다.
유입 라인이 복수 개 있는 예에서는 대응하는 체크 밸브가 복수 개 있을 수 있다. 유입 라인이 하나만 있는 예에서는 유입 체크 밸브가 하나만 있을 수 있다.
보다 일반적으로, 크로마토그래피 시스템 내의 모든 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 가질 수 있거나, 대안적으로 크로마토그래피 시스템의 모든 밸브에 후속 체크 밸브가 제공될 수도 있다.
복수의 유입 라인의 경우, 유동 경로는 각각의 유입 라인에 혼합 밸브, 예를 들어 제1 혼합 밸브 및 제2 혼합 밸브를 추가로 포함할 수 있다. 혼합 밸브는 서로 다른 유입 유체 간의 역혼합을 방지할 수 있다.
특정 예에서, 복수의 유체 제어 컴포넌트는, 공급물 유체만을 여과하도록 구성된 필터를 더 포함할 수 있다. 필터는 고정상의 블록킹을 피하기 위해, 특히 입자 분리 및 바이오버든 감소를 위해 사용될 수 있다. 필터는 유동 경로에서 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 앞에 위치할 수 있다. 필터는, 유체를 유동 경로로 유입시키도록 구성된 유입 밸브 뒤에 위치될 수 있다.
예시적으로, 유동 경로는 공급물 유체 전용의 유입 라인("공급물 유입 라인"), 즉 공급물에 대해 독점적으로 사용되는 유입 라인을 포함할 수 있다. 다시 말해, 공급물 유체만 공급물 유입 라인을 통해 유동된다. 필터가 이 공급물 유입 라인에 직접(즉, 밸브 없이) 위치하여 공급물 유체만 이 필터를 통해 유동되도록 할 수도 있다.
다른 예에서, 필터는 상이한 유체들이 흐르는 유동 경로의 일부에 위치될 수 있다. 이 경우, 필터는 두 개의 밸브("필터 밸브")를 통해 도관에 연결되어 공급물만 유동될 수 있는 경로를 생성하고, 유동 경로는 다른 유체에 대한 대체 경로를 제공한다.
공급물 유체만 흐르는 필터의 존재는 역혼합을 줄이거나 배제하는 데 도움이 된다.
특정 예에서, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기는 제1 기공 직경을 갖고 필터는 제2 기공 직경을 가지며, 제2 기공 직경은 제1 기공 직경보다 작다. 예시적으로, 제1 기공 직경은 약 3㎛ 내지 5㎛ 범위일 수 있고, 제2 기공 직경은 약 0.2㎛ 내지 약 0.8㎛ 범위일 수 있다.
이러한 방식으로, 충분히 분산되어 방해받지 않고 관류될 수 있는 공기 버블만 고정상에 도달할 수 있으며, 결합 용량의 감소가 회피된다. 따라서, 컬럼 크로마토그래피 시스템에서 일반적으로 구현되는 버블 트랩이 필요하지 않으므로, 추가적인 불감 부피를 피할 수 있다.
특정 예에서, 복수의 유체 제어 컴포넌트는, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 뒤에 위치된 흡광도 검출기를 추가로 포함할 수 있으며, 이때 흡광도 검출기의 샘플링 속도는 약 0.7초 미만, 바람직하게는 약 0.5초 미만, 보다 바람직하게는 약 0.3초 이하이다.
위에서 언급한 바와 같이, 흡광도 검출기는 표적 성분을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, UV 센서가 정의된 파장(예를 들어, 280nm)에서 흡광도를 기록할 수 있다. 표적 성분의 용리 또는 수집은 이 UV 신호에 의해 제어되는 전용 배출 밸브(제1 배출 밸브)를 개방함으로써 수행된다. UV 센서의 샘플링 속도는 측정 지점의 후속 기록들 사이의 시간 간격에 해당하며, 생성물 회수율과 직접적인 상관 관계가 있다. 약 0.7초 미만, 바람직하게는 약 0.5초 미만, 보다 바람직하게는 약 0.3초 이하의 샘플링 속도는, 멤브레인 크로마토그래피의 높은 유속에서도 수율 손실이 감소되거나 배제되게 한다.
특정 예에서, 복수의 유체 제어 컴포넌트는, 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 앞에 위치된 흡광도 검출기(예컨대 UV 센서)를 더 포함할 수 있다. 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 상류에 있는 흡광도 검출기의 존재는 시스템의 오작동 및/또는 손상을 방지하고, 다음에서 논의되는 바와 같이, 예측을 통한 적응식 공정 제어(adaptive process control)를 가능하게 한다.
UV 신호가 사전 결정된 임계값 위/아래로 변경되면 (예를 들어, 펌프를 중지시킴으로써) 공정을 중지하고, 원인(예를 들어, 비균질성, 미생물 오염, 잘못된 중간 연결)을 제거할 수 있다. 따라서, 생성물 손실 또는 고정상에서의 물리화학적 특성의 변화는, 예를 들어 잘못된 완충액으로 인해서는 발생하지 않는다. 이는 상호 연결된 공정(예를 들어, 품질 편차의 경우 공급물 유체의 배제)과 관련이 있을 수 있다.
예를 들어, 공정이 중지되면, 시스템에 존재하는 유체는, 이미 수집된 표적 성분의 오염/희석을 피하기 위해, 표적 성분 전용 배출 밸브와 상이한 배출 밸브를 통해 배출될 수 있다. 대안적으로, 공정이 중지될 때(예를 들어, 펌프가 완전히 감속될 때), 모든 배출 밸브가 폐쇄될 수도 있다.
예를 들어 공기 센서가 있음에도 불구하고 공기가 유입되었거나, 공기 센서가 고장난 경우에도, 유사한 조치가 취해질 수 있다. 공정이 중지되고 시스템이 배기될 수 있고/있거나 원인(예를 들어, 빈 완충액 저장소, 느슨한 호스 연결)이 제거될 수 있다. 따라서, 고정상 위로의 과도한 공기 유입이 회피될 수 있다.
UV 검출기는 또한, 멤브레인 흡착기의 상류의 유동 경로에 UV 활성 물질이 없을 때, 시스템이 즉시 검출할 수 있도록 해준다. 따라서, 세정 및 세척 부피를 최적화할 수 있다.
추가적으로, 일부 공정 매개변수는 상류 UV 신호에 의해 직접 제어될 수 있다. 예를 들어, 공급물 용액의 조성이 변할 때, 공급물 농도에 따라 체류 시간을 줄이거나 세척 및 용리 단계를 조정할 수 있다. 또 다른 예에서, 로딩량(load quantity)은, 예를 들어 제1 사이클에서 또는 관류(perfusion) 중에, (공급물내 표적 성분의 결합 용량 및/또는 역가(titre)의 사전 입력에 의해) 멤브레인 흡착기에서 생성물-관련 변동 이벤트에서의 UV 신호의 함수로 조정될 수 있다.
예를 들어, 연속적으로 조작되는 관류 바이오-반응기의 농도가 변하는 경우, 이는 고정상 앞의 UV 센서에 의해 기록되고 (예를 들어, 알고리즘, 다중 선형 회귀, 신경망 또는 인공 지능에 의해) 처리될 수 있으며, 변경된 조건에 맞게 공정 매개변수가 조정될 수 있다. 이것은 크로마토그래피 공정의 안전을 보장하고 초기 단계에서 가능한 편차를 표시한다.
멤브레인 흡착기 뒤에 UV 센서가 있는 경우, 멤브레인 흡착기 앞의 UV 신호와 멤브레인 흡착기 뒤의 UV 신호를 비교하여 분리 공정의 품질을 평가할 수 있다. 이것은 추가로 적응식 자동화 공정 제어를 가능하게 하여, 예를 들어 멤브레인 흡착기 앞과 멤브레인 흡착기 뒤의 피크 영역을 비교함으로써 알 수 있는 수율 감소에 기초한 가변적 재생 단계 또는 CIP 단계를 가능하게 할 수 있다.
멤브레인 앞 UV 센서는, 필터가 존재하는 경우, 필터 모니터링 기능을 추가로 제공한다. 예를 들어, UV 신호가 주어진 시간 폭 내에서 크게 변경되면, 이것은 공급물 조성의 변경 또는 필터 파열/결함을 나타낸다. 이 경우, 하류의 유체가 폐기물로 펌핑되고, 공정이 중단되며, 필터가 교체될 수 있다.
또한, 공급물 유체 전용 유입 라인에 필터를 설치하면, 시스템 내에서 2-단 크로마토그래피가 가능할 수 있다. 제1 단은 필터와 멤브레인 흡착기(들) 앞 UV 센서에 의해 제공되는 반면, 제2 단은 멤브레인 흡착기 및 그 뒤의 UV 센서에 의해 제공된다.
마지막으로, 멤브레인 앞 UV 센서는 필적가능한 시스템에 대한 제어 기능을 제공할 수 있다.
일반적으로, 고정상 앞에 센서 기술을 사용하는 이 시스템 구성은 전체 가치 사슬을 따라 통합된 공정 제어를 가능하게 한다.
위에서 설명한 크로마토그래피 시스템, 특히 유동 경로의 특성은 효율성과 품질 측면에서 크로마토그래피 공정을 개선한다. 예를 들어, 전술한 멤브레인 크로마토그래피 시스템은, 예를 들어 약 3분 내지 약 8분의 지속 시간과 약 10초 내지 약 60초의 체류 시간을 갖는 사이클로, 유동 경로내 유체 유동의 높은 동적 제어 및 불감 부피 최소화에 비추어 볼 때, 급속 사이클링 크로마토그래피를 수행하는 데 특히 적합하다.
이하, 예시적인 도면을 참조하여 예시적인 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 다른 특징은 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다. 그러나, 실시형태가 개별적으로 설명되더라도, 상이한 실시형태들의 단일 특징이 추가 실시형태에 결합될 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 예시적인 크로마토그래피 시스템의 개념도를 도시한다.
도 2는 유동 경로의 유입 라인을 개념적으로 도시한다.
도 3은, 유동 경로의 일부 특징의 함수로서, 생성물 손실이 없는 멤브레인 흡착기의 최대 부피의 플롯을 도시한다.
도 4는 최적의 전환 시간을 결정하기 위한 최적화 루틴을 도시한다.
도 5는 크로마토그래피 시스템에서 UV 필터의 다양한 샘플링 속도에 대한 UV 검출 신호 대 부피의 플롯을 도시한다.
도 6은 크로마토그래피 시스템에서 UV 필터의 다양한 샘플링 속도에 대한 UV 검출 신호 대 부피의 확대된 플롯을 도시한다.
도 7은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 UV 검출 신호 대 시간의 플롯을 도시한다.
도 8은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 전도도 신호 대 부피의 플롯을 도시한다.
도 9는 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 정규화된 영역 대 정규화된 부피의 플롯을 도시한다.
도 10은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 UV 검출 신호 및 전도도 신호 대 시간의 플롯을 도시한다.
도 11은 예시적인 크로마토그래피 시스템의 개략도를 도시한다.
도 12는 예시적인 크로마토그래피 시스템의 또 다른 개략도를 도시한다.
도 1은 예시적인 크로마토그래피 시스템의 개념도를 도시한다.
도 2는 유동 경로의 유입 라인을 개념적으로 도시한다.
도 3은, 유동 경로의 일부 특징의 함수로서, 생성물 손실이 없는 멤브레인 흡착기의 최대 부피의 플롯을 도시한다.
도 4는 최적의 전환 시간을 결정하기 위한 최적화 루틴을 도시한다.
도 5는 크로마토그래피 시스템에서 UV 필터의 다양한 샘플링 속도에 대한 UV 검출 신호 대 부피의 플롯을 도시한다.
도 6은 크로마토그래피 시스템에서 UV 필터의 다양한 샘플링 속도에 대한 UV 검출 신호 대 부피의 확대된 플롯을 도시한다.
도 7은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 UV 검출 신호 대 시간의 플롯을 도시한다.
도 8은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 전도도 신호 대 부피의 플롯을 도시한다.
도 9는 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 정규화된 영역 대 정규화된 부피의 플롯을 도시한다.
도 10은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 UV 검출 신호 및 전도도 신호 대 시간의 플롯을 도시한다.
도 11은 예시적인 크로마토그래피 시스템의 개략도를 도시한다.
도 12는 예시적인 크로마토그래피 시스템의 또 다른 개략도를 도시한다.
이하, 도면을 참조하여 실시예를 상세하게 설명한다. 실시예에 대한 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 달리 명시적으로 나타내지 않는 한, 하나의 실시예의 요소는 결합되어 다른 실시예에서 사용되어 새로운 실시예를 형성할 수 있다.
도 1은 예시적인 크로마토그래피 시스템(100)의 개념도를 도시한다. 크로마토그래피 시스템(100)은 유동 경로(110) 및 고정상으로서의 적어도 하나의 멤브레인 흡착기(200)를 포함한다. 유동 경로(110)는 유체가 유동될 수 있는 파이프 및/또는 배관과 같은 도관을 포함하고, 유체의 유동을 조절하도록 구성된 복수의 유체 제어 컴포넌트를 포함한다. 크로마토그래피 시스템(100)은 유체 제어 컴포넌트의 적어도 일부를 관리하도록 구성된 제어 시스템(미도시)을 포함한다. 크로마토그래피 시스템(100)은 특히, 결합 및 용리 방식의 멤브레인 크로마토그래피에 적합할 수 있다.
도 1 및 도 2의 점선 요소는 선택적인 것이다. 유동 경로(110)는 시작 부분에 하나 이상의 유입 라인을 포함할 수 있으며, 복수의 유입 라인의 경우, 유입 라인들은 주(main) 라인 내로 합쳐진다. 도 2에 더 상세히 도시된 바와 같이, 예시적인 유입 라인은, 공급물 유체, 완충액 또는 세척 유체와 같은 유입 유체를 유동 경로로 인도하도록 구성된 적어도 하나의 유입 밸브(120)를 포함한다. 유동 경로(110)가 하나의 유입 라인만을 포함하는 경우, 유입 라인은 적어도 2개의 유입 밸브(120)를 포함하는데, 하나는 공급물 유체 전용이고 다른 하나는 다른 유입 유체 전용이다. 각각의 유입 밸브(120)는 적어도 하나의 유입 유체 공급부에 연결되도록 구성된다.
유입 라인은 펌프(125)를 추가로 포함하고, 유입 밸브(들)(120)와 펌프(125) 사이에 유입 관 내의 공기를 감지하도록 구성된 공기 센서(130)가 설치될 수 있다. 펌프(125) 뒤에, 예를 들어 유입 밸브(들)(120)의 전환 시간이 약 3초이거나 약 3초 초과인 경우, 유입 라인은 체크 밸브(140)를 포함할 수 있다. 체크 밸브(140) 뒤에는, 유입 라인을 모니터링하기 위해 압력 센서 및 유량계와 같은 다른 센서(130)가 설치될 수 있다.
유입 라인이 공급물 유체 전용 라인인 경우, 공급물 유입 라인은, 펌프(125) 뒤의 센서(130) 다음에, 예를 들어 일부 입자를 제거하기 위해 공급물 유체를 여과하도록 구성된 필터(150)를 포함할 수 있다. 특히, 필터는 인라인으로, 즉 밸브 없이, 공급물 입구에 직접 삽입될 수 있다. 대안적으로, 필터(150)는 주 라인에 위치될 수 있다. 필터 위치의 영향에 대한 분석은 이후 도 7 내지 도 10을 참조하여 제공된다.
유동 경로가 복수의 유입 라인을 포함하는 경우, 각각의 유입 라인은 끝 부분에, 즉 주 라인을 다른 유입 라인과 결합하기 전에, 혼합 밸브(145)를 포함할 수 있다. 혼합 밸브의 제공은, 이후 도 10을 참조하여 설명되는 바와 같이, 다른 유체들을 서로 분리하고 역혼합을 방지한다.
도 1로 돌아가서, 유동 경로(110)는, 유입 라인(들) 다음에 주 라인을 포함하며, 여기에 멤브레인 흡착기(들)(200)가 연결된다. 하나의 실시예에서, 하나의 멤브레인 흡착기(200) 또는 멤브레인 흡착기(200)들의 적층체(stack)가 유동 경로(110)에 연결될 수 있다. 다른 예에서는, 두 개의 멤브레인 흡착기(200) 또는 두 개의 멤브레인 흡착기(200)들의 적층체가 병렬로 연결될 수 있다. 2개의 멤브레인 흡착기(200) 또는 2개의 적층체를 병렬로 사용하면 포집 모드와 관류 모드의 조합 또는 멤브레인 부피 및 이에 따른 결합 용량의 증가가 가능해질 수 있다. "멤브레인 부피"라는 용어는 기공률(porosity)을 고려한 단일 멤브레인 흡착기(200) 또는 멤브레인 흡착기(200)들의 적층체의 부피를 의미한다. 예를 들어, 1L의 멤브레인 부피는 200mL의 멤브레인 층과 800mL의 기공률의 결과일 수 있다.
멤브레인 흡착기(들)(200)는 (멤브레인) 밸브에 의해 유동 경로(110)에 연결될 수 있다. 주 라인은, 멤브레인 흡착기(200)가 없는 경로와 멤브레인 흡착기(들)(200)가 연결될 수 있는 하나 또는 두 개의 경로로 분기될 수 있다.
유동 경로(110)의 주 라인은, 필터(150)가 공급물 유입 라인에 위치하지 않는 경우, 멤브레인 흡착기(들)(200)의 상류에 필터(150)를 포함할 수 있다. 필터(150)는 (필터) 밸브에 의해 유동 경로에 연결될 수 있다. 따라서, 주 라인은, 필터(150)가 있는 분기와 필터(150)가 없는 분기의 두 가지 대안적 분기를 가질 수 있다.
유동 경로(110)의 주 라인은, 멤브레인 흡착기(들)(200) 앞 (및 존재하는 경우 필터(150) 뒤)에 하나 이상의 센서(160)를 포함할 수 있다. 특히, 모니터링 기능을 제공하고 시스템의 적응 제어를 가능하게 하기 위해서, 멤브레인 흡착기(들)(200) 앞에 UV 센서가 위치될 수 있다. 다른 센서(160)는 압력 센서, 전도도 센서 및 pH 센서를 포함할 수 있다.
유동 경로(110)의 주 라인은 멤브레인 흡착기(들)(200) 뒤에 하나 이상의 센서(170)를 포함한다. 특히, 적어도 하나의 UV 센서(170)가 멤브레인 흡착기(들)(200)와 배출 밸브 사이에 위치되며, 이때 UV 센서는 멤브레인 흡착기(들)(200)로부터 나오는 유체가 표적 성분을 포함하는지 여부, 이에 따라서 생성물 수집 용기를 향해야 하는지 아니면 다른 출구(예를 들어, 폐기물)를 향해야 하는지 여부를 검출하도록 구성된다. 다른 센서(170)는 압력 센서, 전도도 센서 및 pH 센서를 포함할 수 있다.
UV 센서(170)에 의해 생성된 신호는, 제어 시스템에 의해, UV 센서(170) 뒤 유동 경로의 끝 부분에 위치한 배출 밸브를 제어하는 데 사용된다. UV 센서(170)의 샘플링 속도는 약 0.7초 미만, 바람직하게는 약 0.5초 미만, 더 바람직하게는 약 0.3초 이하일 수 있다. 샘플링 속도에 대한 논의는 이후 도 5 및 도 6을 참조하여 제공된다.
유동 경로(110)는 적어도 2개의 배출 밸브(180, 185) 및 선택적으로 추가의 배출 밸브를 포함하며, 각각의 배출 밸브는 수집 용기에 연결되도록 구성된다. 배출 밸브(180)는 표적 성분 수집 용기에 연결될 수 있고(따라서, "표적 성분 배출 밸브"로 표시됨), 배출 밸브(185)는 폐기물 수거 용기에 연결될 수 있다(따라서, "폐기물 배출 밸브"로 표시됨).
유동 경로(110)는, 폐기물 배출 밸브(185)의 전환 시간이 약 3초이거나 약 3초 초과인 경우, 폐기물 배출 밸브(185) 다음에 체크 밸브(195)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 유동 경로(110)는, 상응하는 배출 밸브의 전환 시간이 약 3초이거나 약 3초 초과인 경우, 각각의 배출 밸브 다음에 각각 체크 밸브를 포함할 수 있다.
크로마토그래피 시스템의 설계에는, (멤브레인 후) UV 센서(170)와 배출 밸브 사이의 유동 경로 부분이 특히 중요하다. 손실 없이 조작될 수 있는 최대 멤브레인 부피는 부피 유량과 관련되며, 빠른 비-동역학적 제한식 고정상의 경우, 크로마토 그래피 시스템은 그에 따라 설계될 수 있다. 이 관계는 하기 공식 (1) 내지 (4)에서 도출될 수 있다.
상기 식에서, 
는 손실이 없는 최대 부피 유량이고, d 및 L은 UV 센서(170)와 배출 밸브 사이의 파이프 직경 및 길이이고, t tot 는 총 신호 전송 시간이다. 총 신호 전송 시간은, UV 센서가 표적 성분의 통과를 감지한 순간부터, 신호가 실행될 때까지(즉, 표적 성분 배출 밸브(180)가 개방될 때까지)의 신호 전송의 모든 시간 지연으로 구성된다. 하기 공식 (5)는 신호 전송, 센서 샘플링 속도 및 밸브 전환 시간을 위해 제어 시스템에 필요한 시간으로의 t tot 의 예시적인 분해를 도시한다.
최대 부피 유량 
는 단위 시간당 멤브레인 부피의 수로 표현될 수 있다:
도 3은, 5 멤브레인 부피/분(MV = 5/분)의 부피 유량에 대해, 생성물 손실이 없는 최대 멤브레인 부피를 파이프 직경 d, 파이프 길이 L, 및 표적 성분 배출 밸브 전환 시간 t switch 의 함수로서 도시한다.
밸브 전환 시간이 증가하고 파이프 길이가 감소함에 따라 가능한 최대 부피 V MA 가 감소한다. 파이프 직경이 증가함에 따라, 감소된 유속으로 인해 더 짧은 파이프 길이로 더 큰 최대 고정상 부피를 얻을 수 있다.
MV = 5/분에서 t cont 가 0.25초이고 파이프 길이가 0.25m라고 가정하여, 하기 표는 생성물 손실이 발생하기 전의 최대 고정상 부피 V MA 를 t tot 의 함수로 도시한다. 총 신호 전송 시간이 증가함에 따라 사용 가능한 고정상 부피가 감소하므로 생성물 손실이 없는 시스템의 작동 범위가 감소한다.
  |
 |
 |
 |
| 0.25 | 0 | 0 | 855 |
| 0.55 | 0 | 0.3 | 388 |
| 1.25 | 0 | 1 | 171 |
| 1.05 | 0,5 | 0.3 | 204 |
| 3.55 | 3 | 0.3 | 60 |
| 1.75 | 0.5 | 1 | 122 |
| 4.25 | 3 | 1 | 50 |
상기 모든 고려사항으로부터, 주어진 멤브레인 부피에 대한 생성물 손실을 최소화하거나 배제하게 될 때 변수 
간에 상호 작용이 있음을 알 수 있다. 따라서, 하기 공식 
과 같은 최적화 루틴이 적용될 수 있으며, 이어서, 이를 사용하여, 예를 들어 다중 선형 회귀 또는 기타의 공식 시스템을 통해 최적치를 도출할 수 있다. 
는 멤브레인 부피이며, 
는 유동 경로 또는 전체 시스템의 불감 부피(예를 들어, 멤브레인 흡착기를 수용하는 캡슐의 빈 부피 포함)이다. 이의 비가 최대화되면, 크로마토그래피 공정의 결과는 주로 크로마토그래피 고정상(예를 들어, 멤브레인 흡착기)의 특성의 영향을 받는다. 상기 비가 작을수록 유동 경로의 영향이 더 커진다.
도 4는 파이프 길이/직경 및 t tot 및 이에 따른 적용 가능한 고정상 부피와 관련하여 최적의 전환 시간을 결정하기 위한 최적화 루틴을 도시한다.
위에서 언급한 바와 같이, 샘플링 속도는 다른 매개변수와 함께 시스템을 최적화하여 생성물 손실을 방지하는데 그 역할을 한다. 도 5 및 도 6은 샘플링 속도가 크로마토그래피 시스템의 성능에 미치는 영향을 도시한다.
도 5는 크로마토그래피 시스템에서 UV 필터의 다양한 샘플링 속도에 대한 UV 검출 신호 대 부피의 플롯을 도시한다.
앞서 언급한 바와 같이, 멤브레인 흡착기 하류의 생성물/표적 분자의 존재는 일반적으로, 주어진 조건("밸브 전환 조건")(즉, 정의된 파장(예를 들어, 280nm)에서의 흡광도가 주어진 임계값, 예컨대 0.05AU를 초과함)이 만족되는지를 체크함으로써 감지된다. 예를 들어 UV 센서에 의해 검출된 흡광도가 상기 임계값을 초과하면, 표적 성분 배출 밸브(180)를 개방 상태로 유지함으로써 생성물을 수집한다.
도 5는 Sartobind® Q로 얻은 BSA의 용리 피크를 도시하며, 두 가지 다른 스캐닝 속도 값에 대한 용리 곡선의 컷 포인트, 즉 1초 및 0.3초를 도시한다. 컷 포인트는, UV 센서가 흡광도가 임계값을 넘었음을 "인식"하는 지점이다.
다른 스캐닝 속도 값의 경우, 컷 포인트는 다른 시간/부피에서 발생하며, 그 차이는 확대된 도 6에 명확하게 도시되어 있다. 약 2525mL에서 상기 조건이 이미 충족되었지만, UV 센서는 두 경우 모두 지연되어 이를 감지한다. 그러나, 유속이 45L/h인 경우, 더 빠른 샘플링 속도에서는 4mL 미만 후에 감지가 발생하고 1.0초의 샘플링 속도에서는 12mL 초과 후에 감지가 발생한다. 유속이 클수록 컷 포인트들 사이의 부피 거리가 더 커진다.
빗금친(hatched) 영역은 생성물이 수집되는 동안의 부피 간격을 나타낸다. 전체 용리 피크의 적분값과 이의 각 빗금친 분획들의 적분값의 차이를 고려하여 생성물 손실을 계산할 수 있다.
| 샘플링 속도 [s] | 손실 [%] |
| 0.3 | 0.1 |
| 1.0 | 1.1 |
따라서, 스캐닝 속도의 감소는 생성물 손실의 감소로 이어진다.샘플링 속도 외에, 도 3 및 도 4를 참조하여, 다른 것들과 조합하여 고려된 또 다른 매개변수는 표적 성분 배출 밸브(180)의 전환 시간이다. 크로마토그래피 시스템의 성능에 미치는 밸브 전환 시간(단독)의 영향은 5가지 테스트를 참조하여 다음에서 설명된다.
생성물 용리는 물 및 물/아세톤(2 내지 5% v/v)을 사용하여 테스트 1, 2 및 3에서 시뮬레이션되며, 그 이유는, 아세톤이 단백질처럼 280nm의 파장에서 광을 흡수하므로 모델로 적합하기 때문이다. 테스트 4 및 5에서, 상기 분석은 0.5M NaCl로 용리된 1L 소 혈청 알부민(BSA)(c=3g/L)이 로딩된 Sartobind® Q를 사용하여 수행된다. 밸브 전환 조건은 모든 실험에서 0.1AU이다. 각 테스트는 최소 3회 이상 수행되었으며, 적절한 분획을 인취하여 분석했으며, 그 결과는 다음 표에 나와 있다.
| 테스트 번호 | 평균 [AU] [g/L] |
표준 편차 [AU] [g/L] |
상대 편차 [%] |
| 1 | 0.161 AU | 0.054 | 33.4 |
| 2 | 0.890 AU | 0.028 | 3.1 |
| 3 | 0.708 AU | 0.021 | 3.0 |
| 4 | 9.7 g/L | 0.400 | 4.0 |
| 5 | 9.7 g/L | 0.300 | 3.3 |
테스트 1 및 2에서 배출 밸브(180 및 185)의 전환 시간은 약 3초로 설정되었다. 테스트 2에서, 체크 밸브(195)가 폐기물 배출 밸브(185) 뒤에 배치되었다. 테스트 3, 4 및 5에서 배출 밸브(180 및 185)의 전환 시간은 약 0.5초로 설정되었다.테스트 2 및 3과 비교하여, 테스트 1은 수집된 분획의 평균 신호 강도가 상당히 낮다. 또한 추출된 분획간 편차는 33.4%로 전체 테스트 중 가장 높다. 체크 밸브(185)의 구현은 0.890 AU의 상당히 더 높은 농도 및 3.1%의 상대 편차로 이어지며, 이는 테스트 1에 비해 상당히 더 낮다. 테스트 3, 4 및 5의 경우, 테스트 2와 유사한 성능이 나타난다.
따라서, 밸브 전환 시간은 재현성과 생성물 농도에 상당한 영향을 미치며, 전환 시간이 낮을수록 더 우수하다. 그러나, 밸브 전환 시간은, 높은 부피 유량으로 액체를 펌핑할 때의 시스템 내의 압력 발생과 같은 안전성 측면으로 인해, 0초에 너무 가까울 정도로 너무 낮지는 않아야 한다. 따라서, 역혼합 및 생성물 손실을 줄이기 위해서, 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 밸브 전환 시간이 선택될 수 있다.
따라서, 시스템(100)의 배출 밸브(180, 185) 뿐만 아니라 선택적인 추가의 배출 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 갖도록 설정된다. 대안적으로, 배출 밸브(180, 185)는 약 3초 이상의 전환 시간을 가질 수 있고, 적어도 폐기물 배출 밸브(185)는 그 뒤에 위치된 체크 밸브(195)를 가질 수 있다. 추가의 배출 밸브가 있는 경우, 그 뒤에 위치하는 체크 밸브도 있을 수 있다. 선택적으로, 표적 성분 배출 밸브(180)도 상응하는 체크 밸브(190)를 가질 수 있다.
또한, 유입 밸브(120)는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 갖도록 제어될 수 있다. 대안적으로, 유입 밸브(120)는 약 3초 이상의 전환 시간을 가질 수 있고, 각각의 유입 라인은 체크 밸브(140)를 포함할 수 있다. 동일한 개념이 시스템(100)의 유동 경로(110) 내에 있는 모든 밸브에 적용된다.
시스템의 설계에서 고려될 수 있는 또 다른 측면은 필터(150)(존재한다면)의 위치이다. 사전-필터의 위치에 따라 역혼합에 차이가 있으며, 이에 대해 아래에서 설명한다.
도 7은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 UV 검출 신호 대 시간의 플롯을 도시한다. 세 가지 구성은 다음과 같다.
A) 전환 시간이 약 3초인 필터 밸브를 통해 주 라인에 연결된 필터 (공급물 유체만 통과)(점선(dotted line))
B) 필터를 주 라인에 직접 삽입 (모든 유체 통과)(실선(solid line))
C) 공급물 유체 유입 라인에 직접 삽입된 필터(파선(dashed line))
각각의 구성으로 동일한 테스트 절차가 수행되며, 테스트 절차는 다음과 같이 구성된다: 물을 사용한 평형화, 2-5%(v/v) 물/아세톤 혼합물 로딩, 물 세척, 물을 사용한 인위적 용리 및 재생. 0.2 AU의 신호에 도달할 때까지 물/아세톤 혼합물을 점진적으로 증가시켜 용리를 수행한 다음, 재생을 시작한다.
구성 A는 약 0.8분에서 신호의 하락을 보인다. 테스트의 추가 과정에서, 용리 피크는 3분에 확인되고, 3.7분에 추가 피크가 확인된다. 로딩 과정 중 농도 감소는, 펌프와 필터 사이의 파이프 부피뿐 아니라 필터 밸브의 전환 시간으로 인한 공급물 용액과 물 사이의 필터에서의 역혼합에 의한 것으로 설명될 수 있다. 이러한 혼합은 로딩 단계에서 원치 않는 동적 농도 프로필을 초래하며, 이는 고정상의 결합 특성에 부정적인 영향을 미친다.
구성 B의 경우, 신호가 로딩 중 감소를 나타내지는 않지만, 일정한 값에 도달하지 못한다. 용리 피크는 구성 A의 피크보다 분명히 더 넓고, 제2 피크도 여기에서 볼 수 있다. 모든 유체가 필터를 통과하기 때문에, 각 유체는 앞서 여과된 유체(들)의 잔류물과 혼합된다. 이러한 내부혼합물은, 시스템의 성능에 부정적인 영향을 미치는 농도의 변화로 이어진다.
구성 C의 경우, 신호는 로딩 단계에서 가파른 상승을 나타내고, 용리 단계에서 날카로운 피크를 나타낸다. 여기에서도 제2 피크가 식별된다. 모든 것을 고려할 때, 이 구성이 유체 역학/역혼합에 대한 최상의 결과를 나타낸다 (신호가 항상 안정적이고 좁은 용리 피크를 도시함).
구성 C가 역혼합 부피가 가장 낮지만, 구성 A는, 피크가 좁으면서도 시스템에서 인라인 희석을 사용할 수 있는 옵견을 갖는다. 구성 A의 성능은 도 8에 도시된 바와 같이 필터 밸브의 전환 시간을 줄임으로써 개선될 수 있다.
도 8은 크로마토그래피 시스템에서 다양한 필터 구성에 대한 전도도 신호 대 부피의 플롯을 도시한다. 특히, 실선은 구성 C를 나타내며, 여기서는 필터가 공급물 유입 라인에 직접 설치된다("인라인 필터"라고도 함). 파선은 필터가 2개의 필터 밸브("온라인 필터"라고도 함)에 의해 주 라인에 연결되는 구성 A를 나타내되, 필터 밸브의 전환 시간이 약 0.5초라는 수정 사항이 있다. 마지막으로, 점선은 온라인 필터와 약 0.5초의 전환 시간이 있는 구성을 나타낸다.
모든 곡선은, 45L/h로 각각의 필터 위치를 통해 서로 다른 물 및 물/아세톤 혼합물을 보냄으로써 얻어졌다. 밸브 전환 시간이 0.5초인 온라인 필터의 성능이 인라인 필터의 성능에 필적함을 알 수 있다. 이는, 인라인 필터 및 온라인 필터에 대한 전도도 정규화된 영역 대 신호 영역 중심 정규화된 부피의 플롯을 보여주는 도 9에서도 볼 수 있다.
구성 C에 대한 구성 B의 덜 만족스러운 성능은 이후 제공되는 공식 7로 표현된 평형 분산 모델을 사용하여 이론적으로 설명될 수 있으며, 여기서 C i 는 공급물 유체 내의 성분 농도이고, u int 는 공급물 유체의 선형 속도(linear velocity)이고, D ax 는 축 방향 분자 확산과 소용돌이 확산 기여도의 합인 축 방향 분산 계수이다.
일반적인 속도 또는 평형 분산 모델에서, 농도는 시간에 따라 변하며, 여기서는 길이(예를 들어, 유동 방향에서의 치수)에 걸친 농도 변화로 계산된다. 또한, 시간에 따른 농도 변화는 대류성 및 확산성/분산성 물질 전달로 나뉜다. 대류성이라는 용어는, 선형 속도 및 길이 변화에 의한 다음 길이 구간으로의 농도 흐름을 기술한다. 확산성/분산성 물질 전달은 축 방향 분산 계수에 의해 기술된다. 축 방향 분산 치수/효과는, 축 방향 분산 계수의 값, 및 길이에 대한 농도의 2차 도함수로 표시되는 단면적을 통한 농도 변화(이는 제2 픽(Fick) 법칙과 유사함)로 설명된다. 길이에 대한 농도의 2차 도함수는 역혼합을 나타낸다.
다시 말해, 시간 경과에 따른 농도의 변화는 선형 속도를 통한 대류성 수송과 축방향 분산 계수를 통한 역혼합에 기인한다. 보다 정확하게는, 유체에 의해 유동되는 부피가 길어질수록 역혼합의 영향이 커진다. 국소적으로 고려된 농도 변화 
는, 하기 공식 8에 기재된 바와 같이, 길이와 축방향 분산 계수의 부분(quotient)에 대한 시간적 농도 변화의 합이 증가함에 따라 증가한다.
상기 식에서,
c= i번째 성분의 농도[g/L/M],
t= 시간 [s],
u= 선형 속도 [mm/s],
x= 세로(longitudinal) 방향 좌표 [mm],
Dax = 축방향 분산 계수 [mm2/s].
구성 C에서와 같이, 필터에 공급물이 영구적으로 독점적으로 흐르면, 필터 내에서 농도 변화 
가 0이므로 시스템의 역혼합이 크게 감소한다.
필터가, 공급물 전용으로 사용되는 유입 라인에 직접 설치되지 않은 경우, 이것은 공급물만 유동되도록 해야 한다. 또한, 이것은 영구적으로 (즉, 전체 사이클 동안) 공급물로 채워져야 한다. 따라서, 필터 밸브의 전환 시간은, 농도 구배를 피하기 위해, 공급물이 필터 밸브로 역으로 이동하는 양에 따라 조정되어야 한다.
모든 구성 A, B 및 C에서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 용리 피크가 감지된다. 도 10은 구성 A에 대한 UV 신호(실선) 외의 전도도 신호(파선)를 도시한다. 전도도 신호는 로딩 시작 시에 작은 피크인 고정상의 결합 용량을 감소시키는 염 신호를 특징으로 한다. 이러한 바람직하지 않은 거동은 역혼합의 효율적인 방지 없이 복수의 유입 라인이 병합되는 것으로 인해 발생한다.
각 유입 라인에 혼합 밸브(145)를 제공하는 것은, 전용 혼합 지점을 생성시키고 다른 매체를 서로 분리하여, 농도 구배가 혼합 지점까지 0(이는 역혼합이 발생할 수 없음을 의미함)이 되도록 한다(공식 7 참조). 온라인 필터의 경우, 혼합 밸브가 있으면, 유입 라인이 만나는 지점과 필터 위치 사이의 거리를 줄일 수 있다.
역혼합을 줄이기 위한 추가 조치는 입구에서 출구까지의 유동 경로의 일반적인 구조와 관련이 있다. 구부러지고 회전하는 유동 경로가 최소화되는 것, 즉 가능한 한 직선인 유동 경로가, 유동 경로의 불감 부피를 줄여 역혼합을 감소시킨다.
도 11 및 도 12는 지금까지 설명한 크로마토그래피 공정을 최적화하기 위한 조치 중 하나 이상이 실행되는 크로마토그래피 시스템의 두 가지 실시예를 도시한다.
도 11은 크로마토그래피 시스템(900)의 예시적인 구현을 도시한다. 시스템(900)이 3개의 유입 라인을 가지며, 각각은 복수의 유입 밸브(901/903/905), 공기 센서(907/909/911), 펌프(913/915/917), 체크 밸브(919/921/923), 압력 센서(925/927/929) 및 유량계(931/933/935)를 포함한다. 하나의 유입 라인은 공급물용이고, 다른 하나는 인라인 희석을 수행하기 위한 물용이며, 마지막 라인은 완충액용이다.
3개의 유입 라인이 합쳐진 후, 유동 경로를 따라 필터(940)가 제공된다. 특히, 유동 경로에는 필터(940)를 연결하기 위한 2개의 필터 밸브(942, 944)가 제공된다. 유동 경로는 필터 바이패스 밸브(946) 및 방출 밸브(948)를 추가로 포함하며, 이들은 유입되는 유체에 대한 대체 경로를 제공한다.
이어서, 2개의 멤브레인 흡착기(또는 2개의 적층체)(960, 961)가 각각 2개의 멤브레인 밸브((962, 963) 및 (964, 965))에 의해 유동 경로에 연결된다. 각 멤브레인 흡착기/각 적층체의 부피는 150mL이다. 멤브레인 흡착기(960, 961) 전후에 압력, 전도도, pH 및 흡광도를 측정하기 위한 센서 세트(950 및 970)가 구현된다. 유동 경로는 멤브레인 바이패스 밸브(966)를 추가로 포함한다.
마지막으로, 폐기물, 최종 생성물 및 다양한 공정 중간체의 배출을 위해 4개의 배출 밸브(980, 985, 990 및 995)가 설치된다.
시스템(900)의 모든 밸브는, 복수의 유입 밸브(901, 903, 905)(이들 뒤에는 체크 밸브(919, 921, 923)가 각각 구현됨)를 제외하고는, 약 3초 미만의 전환 시간을 갖도록 제어된다.
언급한 바와 같이, 기존의 컬럼 크로마토그래피에 비해 고정상의 부피가 작고 이와 관련하여 사이클당 결합 용량이 낮기 때문에, 주어진 양의 공급물을 공정처리하는 데는 더 많은 수의 멤브레인 크로마토그래피 사이클이 필요하다. 그러나, 시스템(900)으로 수행된 단백질 A 크로마토그래피에 대한 하기 표에서 볼 수 있듯이, 각 사이클이 더 짧다.
| 단계 | 부피[MV] | 유량 [MV/분] | 체류 시간 [분] | 기간 [분] |
| (재)평형화 | 12 | 5 | 0.2 | 2.4 |
| 로딩 | 6.7 | 5 | 0.2 | 1.3 |
| 세척 | 5 | 5 | 0.2 | 1 |
| 용리 | ~2 | 5 | 0.2 | 0.4 |
| 재생 | 10 | 5 | 0.2 | 2 |
| CIP | 1 | 5 | 0.2 | 0.2 |
| 총계 | 36.7 | 해당 없음 | 해당 없음 | 7 |
위의 값은 한 단계에서 다음 단계로의 고정된 전이가 있는 결합 및 용리 모드의 멤브레인 크로마토그래피 사이클을 나타낸다. 각 단계의 부피는 멤브레인 부피의 단위로 표시되며, 150mL이다. 단백질-함유 용액의 멤브레인 상의 체류 시간은 20초 이하인데, 이는 대류가 물질 수송을 주로 담당하여 수지에서 우세한 확산 메커니즘 대비 더 효율적인 흡착을 도출하기 때문이다. 동적 결합 시간은 약 20g/L이다.도 9의 시스템(900)으로 실행되는 멤브레인 크로마토그래피의 사이클은 약 7분 동안 지속되는 반면, 컬럼 크로마토그래피를 사용하는 해당 사이클은 앞서 설명한 바와 같이 4시간 초과로 걸린다.
도 12는 크로마토그래피 시스템(1000)의 또 다른 예시적인 구현을 도시한다. 크로마토그래피 시스템(1000)은 2개의 유입 라인을 포함하며, 이들은 각각 복수의 유입 밸브(1001/1003), 공기 센서(1005/1007), 펌프(1009/1011), 압력 센서(1013/1015), 유량계(1017/1019) 및 혼합 밸브(1021/1023)를 포함한다. 하나의 유입 라인은 공급물용이고 다른 하나는 완충액용이다.
2개의 유입 라인이 합쳐진 후, 유동 경로를 따라 필터(1040)가 제공된다. 특히, 유동 경로에는 필터(1040)를 연결하기 위한 2개의 필터 밸브(1042, 1044)가 제공된다. 유동 경로는 필터 바이패스 밸브(1046) 및 배출 밸브(1048)를 추가로 포함하며, 이는 유입되는 유체에 대한 대체 경로를 제공한다.
이어서, 2개의 멤브레인 흡착기(또는 2개의 적층체)(1060, 1061)가 각각 2개의 멤브레인 밸브((1062, 1063) 및 (1064, 1065))에 의해 유동 경로에 연결된다. 각 멤브레인 흡착기/각 적층체의 부피는 150mL이다. 멤브레인 흡착기(1060, 1061) 앞과 뒤에 압력, 전도도, pH 및 흡광도를 측정하기 위한 센서 세트(1050 및 1070)가 구현된다. 유동 경로는 멤브레인 바이패스 밸브(1066)를 추가로 포함한다.
마지막으로, 폐기물, 최종 생성물 및 다양한 공정 중간물의 배출을 위해 4개의 배출 밸브(1080, 1085, 1090 및 1095)가 설치된다.
시스템(1000)의 모든 밸브는 약 3초 미만의 전환 시간을 갖도록 제어된다.
시스템(1000)으로 수행되는 단백질 A 크로마토그래피에 대한 사이클의 각 단계의 기간이 하기 표에 보고된다.
| 단계 | 부피[MV] | 유량 [MV/분] | 체류 시간 [분] | 기간 [분] |
| (재)평형화 | 6.5 | 5 | 0.2 | 1.3 |
| 로딩 | 6.7 | 5 | 0.2 | 1.3 |
| 세척 | 1.8 | 5 | 0.2 | 0.4 |
| 용리 | ~2 | 5 | 0.2 | 0.4 |
| 재생 | 2 | 5 | 0.2 | 0.4 |
| CIP | 1 | 5 | 0.2 | 0.2 |
| 총 | 20 | 해당 없음 | 해당 없음 | 4 |
위의 값은 한 단계에서 다음 단계로의 조건부 전이(예를 들어, 주어진 UV 흡광도 값 또는 전도도 값에 도달했을 때 다음 단계로 이동)가 있는 결합 및 용리 모드에서의 멤브레인 크로마토그래피 사이클을 나타낸다.도 10의 시스템(1000)으로 실행되는 멤브레인 크로마토그래피의 사이클은 약 4분 동안 지속되므로 시스템(1000)은 도 9에 표시된 시스템(900)보다 더 빠르다. 그 이유 중 일부는, 앞서 설명한 바와 같이, 혼합 밸브가 존재하여 유입 라인과 필터 사이의 유동 경로 길이를 줄일 수 있기 때문이다. 또한 조건부 전이는 사이클을 더 짧게 만든다.
지금까지 논의된 구조 설계 및/또는 유동 제어 조치에 의해 달성된 역혼합의 감소는 용리 분획의 낮은 피크 확장 및 이에 따른 용리물 중의 높은 생성물 농도를 제공한다. 따라서, 많은 사이클에 걸쳐 희석액이 축적되지 않으며 크로마토그래피 공정의 효율성과 품질이 향상된다.
Claims (9)
- 복수의 성분을 함유하는 공급물 유체를 처리하도록 구성된 크로마토그래피 시스템으로서,
상기 공급물 유체의 복수의 성분 중 적어도 하나의 성분은 표적(target) 성분이고,
상기 크로마토그래피 시스템은:
유체 유동(fluid flow)을 제어하도록 구성된 복수의 유체 제어 컴포넌트를 포함하는 유동 경로(flow path);
고정상(stationary phase)
을 포함하고,
상기 고정상은 상기 유동 경로에 연결된 적어도 하나의 멤브레인 흡착기(membrane adsorber)이며, 상기 고정상은 표적 성분을 분리하도록 구성되고,
상기 유동 경로는 상기 표적 성분의 수확(harvesting)이 최적화되도록 구성된,
크로마토그래피 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 유체 제어 컴포넌트는:
상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 연결되고, 표적 성분 수집 용기에 연결되도록 구성된, 제1 배출 밸브; 및
상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 연결되고, 폐기물 수거 용기에 연결되도록 구성된, 제2 배출 밸브
를 포함하고; 이때 상기 제1 배출 밸브 및 상기 제2 배출 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간(switching time)을 갖는, 크로마토그래피 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 유체 제어 컴포넌트는:
상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 연결되고, 표적 성분 수집 용기에 연결되도록 구성된, 제1 배출 밸브;
상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기에 연결되고, 폐기물 수거 용기에 연결되도록 구성된, 제2 배출 밸브; 및
상기 제2 배출 밸브 뒤에 위치한 체크 밸브
를 포함하고; 이때 상기 제2 배출 밸브는 약 3초 또는 3초 초과의 전환 시간갖는, 크로마토그래피 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 유체 제어 컴포넌트는:
공급물 유체 공급부에 연결되도록 구성된 제1 유입 밸브;
완충액 공급부에 연결되도록 구성된 제2 유입 밸브
를 추가로 포함하고; 이때 상기 제1 유입 밸브 및 상기 제2 유입 밸브는 약 3초 미만, 바람직하게는 약 1초 미만, 가장 바람직하게는 약 0.5초의 전환 시간을 갖는, 크로마토그래피 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 유체 제어 컴포넌트는:
공급물 유체 공급부에 연결되도록 구성된 제1 유입 밸브;
완충액 공급부에 연결되도록 구성된 제2 유입 밸브;
상기 제1 유입 밸브 및 상기 제2 유입 밸브 뒤에 위치하는 적어도 하나의 유입 체크 밸브
를 추가로 포함하고; 이때 상기 제1 유입 밸브 및 제2 유입 밸브는 약 3초 또는 3초 초과의 전환 시간을 갖는, 크로마토그래피 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 유체 제어 컴포넌트는 공급물 유체만을 여과하도록 구성된 필터를 추가로 포함하는, 크로마토그래피 시스템. - 제5항에 있어서,
상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기는 제1 기공(pore) 직경을 갖고, 상기 필터는 제2 기공 직경을 갖고, 상기 제2 기공 직경은 상기 제1 기공 직경보다 작은, 크로마토그래피 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 유체 제어 컴포넌트는 상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 뒤에 위치된 흡광도 검출기를 추가로 포함하고, 이때 상기 흡광도 검출기의 샘플링 속도는 약 0.7초 미만, 바람직하게는 약 0.5초 미만, 더 바람직하게는 약 0.3초 이하인, 크로마토그래피 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 유체 제어 컴포넌트는 상기 적어도 하나의 멤브레인 흡착기 앞에 위치된 흡광도 검출기를 추가로 포함하는, 크로마토그래피 시스템.
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