SI20011A - Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov - Google Patents

Abstract

Konstrukcija cevnih modulov večjih volumnov podaja način kako skonstruirati cevni modul poljubnega volumna, pri katerem je struktura polimera homogena. Prav ta rešitev omogoča uporabo cevnih modulov v industriji, kjer so zahtevani večji volumni aktivnega materiala za preparativno čiščenje biomolekul. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov je rešena tako, da za konkreten sistem polimerne mešanice izračunamo toplotno prevodnost polimerne mešanice Lambda T in specifično sproščeno toploto S na osnovi oblike temperaturnega profila polimerizacije enake polimerne mešanice v palici. S polimerizacijo enake mešanice pri različnih temperaturah določimo maksimalno dovoljeno temperaturno spremembo, ki ohranja nespremenjeno strukturo polimera. Tako dobljene podatke uporabimo pri numeričnem reševanju enačbe 1 ali analitični rešitvi enačbe 2 oziroma, v primeru večjih zunanjih toplotnih uporov, pri rešitvi ustrezno modificiranih enačb. Tako lahko na osnovi izbranega zunanjega polmera določimo maksimalno debelino polimerne cevi. Konstrukcija cevnega modula poteka tako, da pripravimo več polimernih kosov v obliki cevi (1, 2, 3), natančno definirane debeline, z enakimi ali različnimi kemijsko aktivnimi skupinami, tako da jih lahko vstavimo enega v drugega, torej, da se zunanji premer notranje cevi prilega notranjemu premeru zunanje cevi (4). Tako pripravljen cevni modul vstavimo v odgovarjajoče ohišje.ŕ

Description

KONSTRUKCIJA CEVNEGA MODULA VEČJIH VOLUMNOV

Predmet izuma je konstrukcija cevnega modula večjih volumnov uporabnega za preparativno ločevanje in biokonverzijo.

Čiščenje in izolacija molekul, posebno biopolimerov, predstavlja še danes eno najdražjih stopenj v njihovem pridobivanju. Med biopolimere prištevamo oligopetide in polipeptide, proteine, encime, lektine, protitelesa, nukleinske kisline, polisaharide, oligonukleotide ter polinukleotide.

Obstaja več metod čiščenja kot npr. izsoljevanje z nevtralnimi solmi, s spreminjanjem pH vrednosti, z elektroforezo in z uporabo kromatografskih metod.

Verjetno prva separacija proteinov je bila izvedena leta 1954 (A.J.P. Martin in R.L.M. Synge, Biochem. J., 35 (1941) 1358) na DEAE celulozi. Od tedaj je potekal intenziven razvoj tako kromatografskih nosilcev, kot tudi različnih kemijsko aktivnih skupin za ločevanje. Konec petdesetih let je predstavilo podjetje Pharmacia (Uppsala, Švedska) zamrežen dekstranski gel za t.i. gelsko filtracijo (angl. size-exclusion chromatography) za ločevanje proteinov in nukleinskih kislin (Nem. patent 1,292,883; GB patent 974,054). Njegovo uporabo v kromatografiji je omejevala predvsem nizka mehanska stabilnost. Leta 1976 je objavljena prva ločitev peptidov na osnovi t.i. kromatografije reverzne faze (K. Tsuji, J.H. Robinson, J. Chromatogr., 112 (1976) 663), čemur so sledili mnogi članki o ločevanju proteinov s pomočjo kromatografije, tako na osnovi gelske filtracije, ionsko-izmenjevalne kromatografije ter kromatografije na reverzni fazi. Uporabljeni nosilci so bili mehansko zelo stabilni in so omogočali visoke pretoke ter s tem krajšanje časa ločevanja. Imeli so zgradbo kroglastih delcev premera nekaj 10 do 100 pm z visoko poroznostjo, kar je imelo za posledico veliko specifično površino ter s tem povezano visoko kapaciteto vezave biopolimerov.

Biopolimeri so velike molekule (tipično nekaj 10 do nekaj 100 kDa), zato je njihov difuzijski koeficient nizek (reda velikosti 10’⁷ m²/s). Ker večina procesa ločevanja poteka v porah delčnih nosilcev, znotraj katerih tekočina miruje, potujejo molekule do aktivne površine na osnovi difuzije, ki hitrosti ločevanja omejuje. Zato so bili razviti nosilci različnih struktur, s katerimi naj bi odpravili težave povezane z difuzijo. Prvo tako rešitev predstavljajo neporozni delci (za pregled glej npr. W.-C. Lee, J. Chromatogr. B, 699 (1997) 29), kjer ves proces ločevanja poteka na površini neporoznega delca. To omogoča izredno hitre analize biopolimerov (nekaj sekund), vendar je njihova poglavitna slabost nizka specifična površina in zato nizka kapaciteta vezave. Drugo rešitev predstavljajo t.i. pretočni delci (N.B. Afeyan, N.F. Gordon, I. Mazsaroff, L. Varady, S.P. Fulton, Υ.Β. Yang, F.E. Regnier, J. Chromatogr., 519 (1990) 1). Njihova značilnost je, da imajo poleg zaprtih por tudi pretočne pore. Za razliko od neporoznih delcev imajo višjo specifično površino ter kapaciteto vezave in boljše hidrodinamske lastnosti od poroznih delcev. Ker pa imajo delčno strukture, se med delci še vedno nahaja prazen prostor. Le-ta predstavlja nižji upor tekočini zato jo večina (preko 90%) še vedno teče okoli delcev. Naslednji korak v razvoju nosilcev predstavljajo monoliti. Za razliko od prej omenjenih nosilcev, ki so v obliki delcev, so monoliti sestavljeni iz enega kosa poroznega polimernega materiala, ki vsebuje pretočne pore (US Patent, 4,889,632; US Patent 4,923,610). Ker znotraj nosilca ni praznega prostora, je celotna tekočina prisiljena teči skozi pretočne pore. Odlikujejo se po sposobnosti hitre separacije biopolimerov (primerljivi z neporoznimi delci), nizkim povratnim pritiskom tudi pri višjih pretokih ter visoki kapaciteti. Njihovo uporabo v industrijskih aplikacijah so dosedaj omejevale težave priprave monolita s homogeno strukturo večjih dimenzij, kot tudi slabša mehanska stabilnost. Rešitvi teh dveh problemov sta predmet tega patenta.

Cevni moduli so zgrajeni iz ohišja, podrobno opisanega v patentni prijavi št. P9800058, ki zagotavlja mehansko stabilnost in dobro distribucijo ter poroznega polimera v obliki večplastne cevi. Vsako plast predstavlja monolitni porozni polimer, ki vsebuje majhne pore premera pod 200 nm kot tudi velike pore premera do 2500 nm.

Poroznost monolitnega poroznega polimera je med 30 in 90%. Monolitni porozni polimer vključuje polimer polivinilnega monomera izbranega izmed divimlbenzena, divinilnaftalena, divinilpiridina, alkilen dimetakrilata, alkilen diakrilata, hidroksialkilen dimetakrilata, hidroksialkilen diakrilata, oligoetilen glikol dimetakrilata, oligoetilen glikol diakrilata, vinilestra polikarboksilne kisline, diviniletra, pentaerytritol di-, tri- ali tetrametakrilata ali akrilata, trimetiloilpropan trimetakrilata ali akrilata, alkilen bis akrilamida ali metakrilamida oziroma njihovih mešanic.

Monolitni porozni kopolimer vključuje poleg polivinil monomera tudi monovinil monomer. Slednji je izbran iz skupine, ki vključuje stiren, stiren s substitucijo na obroču, vinilnaftalen, akrilate, metakrilate, vinilacetat, vinilpirolidon oziroma njihovo mešanico.

Poleg monomerov vsebuje začetna monomema mešanica še radikalski iniciator, ki ga skupaj z monomeri raztopimo v inertnem organskem topilu iz skupine alkoholov, estrov karboksilnih kislin ali ketonov oziroma njihove kombinacije, s katerimi dosežemo različno poroznost končnega polimera.

Radikalski iniciator izberemo iz skupine azo spojin, peroksidov, hidroperoksidov, redoks sitemov ali podobno.

Na monolitni porozni polimer lahko s kemijsko modifikacijo vnesemo reaktivne kemijske skupine kot npr. alilne, amino, sulfonatne, hidrogensulfonatne, hidroksilne, ali alkilne dolžine do 18 atomov. Prav tako lahko nanje imobiliziramo različne ligande kot npr. peptide, proteine, oligonukleotide, itd.

Delovni volumen cevnega modula opisanega v patentni prijavi št. P-9800058 je premajhen za uporabo v večini industrijskih procesov. Volumen lahko v primeru cevnega modula povečujemo na dva načina: z daljšanjem cevnega modula ali z večanjem njegovega premera. Kljub temu, da je s stališča kvalitete ločevanja bolj primerna prva možnost, pa se moramo zavedati, da volumen z daljšanjem narašča linearno, medtem ko z večanjem premera narašča kvadratno. Dodaten problem pri daljšanju cevnega modula je neenakomerna porazdelitev vzorca, saj je pot, ki jo mora vzorec prepotovati, da bi prekril celotno površino od začetka do konca cevnega modula, zelo dolga. Iz tega neizogibno sledi, da mora nadaljnje povečevanje, vsaj do neke mere, temeljiti na večanju premera.

Pri tem se pojavi problem zagotavljanja homogenosti strukture polimera. Polimerizacija je namreč eksotermen proces. Pri suspenzijski polimerizaciji ta pojav ni posebno problematičen, saj je prisotno mešanje, hkrati pa so kapljice, znotraj katerih polimerizacija poteka, majhne. Pri polimerizaciji večjih cevnih modulov pa pride do generiranja večje količine toplote, kar ima za posledico ustvarjanje temperaturnega profila znotraj polimerizacijske raztopine. Pri polimerizaciji monolitnega poroznega polimera, iz katerega so cevni moduli narejeni, lahko pride do gel-efekta, zato je generiranje toplote v kratkem času še toliko večje. Ker je struktura porazdelitve por od temperature močno odvisna, določa priprava polimera s homogeno strukturo zgornjo temperaturo znotraj polimerne zmesi, ki ne sme biti presežena med polimerizacijo.

Prav tako je za vzpostavitev nadzorovane strukture potrebno mirovanje monomeme mešanice. Iz tega sledi, da bo temperaturni profil znotraj polimera tekom polimerizacije odvisen od količine specifične generirane toplote, toplotne prevodnosti polimerne zmesi ter debeline polimernega sloja. Ker sta prva dva faktorja karakeristiki posameznega polimernega sistema, nanju ne moremo vplivati. Zatorej moramo določiti debelino sloja, znotraj katerega je sprememba temperature dovolj nizka, da ne vpliva na homogenost strukture polimera. Maksimalno temperaturo znotraj monolitnega poroznega polimera, ki ima obliko cevi, termostatiranega na temperaturo polimerizacije na notranji in zunanji strani, pri danem notranjem in zunanjem polmeru, izračunamo na osnovi poznavanja toplotne prevodnosti polimerne mešanice in sproščene specifične toplote na osnovi enačbe:

τ = τ + ¹max ^Α0 ^τ

4/1,

	f /	\2)
		-
ln	k	(r λ	-1
	2ln	—
	v	kV )	J

(1) r„ - notranji premer (m) r_z - zunanji premer (m)

T_o - temperatura polimerizacije (K)

T_max - maksimalna dosežena temperatura znotraj polimera (K)

S - specifična sproščena toplota (W/m ) λτ - toplotna prevodnost polimerne mešanice (W/mK)

V primerih, ko je premer dovolj velik, daje napaka sprejemljiva, lahko namesto enačbe 1 uporabimo enačbo za ravno ploščo, ki se glasi:

= T in

S·

2-2_T

(2)

Gornji dve enačbi ne vključujeta zunanjega toplotnega upora modela, v katerem polimerizacija poteka, kot tudi ne toplotnega upora mejnega sloja medija, v katerega je model z mešanico monomerov vstavljen. V primeru, ko so ti upori znatni, moramo gornje enačbe ustrezno modificirati.

Iz enačbe 1 oziroma 2 lahko za predpisano dovoljeno maksimalno temperaturo določimo maksimalno debelino sloja polimera.

Po izumu je konstrukcija cevnega modula večjih volumnov rešena tako, da za konkreten sistem monomeme mešanice med polimerizacijo v trenutku, ko je dosežena maksimalna temperatura izračunamo toplotno prevodnost (λτ) in specifično sproščeno toploto (S). S polimerizacijo enake mešanice pri različnih temperaturah določimo maksimalno dovoljeno temperaturno spremembo, ki ohranja željeno strukturo monolitnega poroznega polimera. Tako dobljene podatke uporabimo pri reševanju enačb 1 ali 2, oziroma v primeru velikih zunanjih toplotnih uporov ustrezno modificiranih enačb. Na osnovi izbranega zunanjega polmera določimo debelino monolitne porozne polimerne cevi. Konstrukcija cevnega modula je prikazana na sliki 1 in poteka tako, da pripravimo več monolitnih poroznih polimernih kosov v obliki cevi (1,2,3), natančno definirane debeline, tako da jih lahko vstavimo enega v drugega, torej, da se zunanji premer notranje cevi prilega notranjemu premeru zunanje cevi (4). Čeprav so prikazane le tri plasti, lahko modul skonstruiramo iz poljubnega Števila plasti.

Tako pripravljen večplastni cevni modul vstavimo v ustrezno veliko ohišje podrobno opisano v patentni prijavi P-9800058. Ker s takim načinom priprave število plasti ni omejeno, lahko pripravimo CIM cevni modul poljubnega volumna.

Aleš ŠTRANCAR za BIA d.o.o

Claims (8)

1. PATENTNI ZAHTEVEK

   1. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, da večplastno porozno polimerno cev vstavimo v ustrezno ohišje.
2. 2. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, da večplastno porozno polimerno cev sestavimo iz poljubnega števila monolitnih poroznih polimernih cevi natančno definirane debeline, tako da jih lahko vstavimo eno v drugo in se med seboj tesno prilegajo, da med njimi ni vmesnega prostora ter tvorijo večplastno porozno cev z notranjim premerom, ki je enak cevi z najmanjšim notranjim premerom in zunanjim premerom, ki je enak cevi z največjim zunanjim premerom.
3. 3. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, da vsaka večplastna porozna polimerna cev vsebuje vsaj eno funkcionalno skupino, ki je lahko enaka pri vseh monolitnih poroznih ceveh, ali pa imajo različne monolitne porozne cevi različne funkcionalne skupine, ki so lahko razvrščene znotraj večplastne porozne polimerne cevi v poljubni kombinaciji.
4. 4. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, da je debelina monolitne porozne polimerne cevi manjša ali kvečjemu enaka debelini, ki jo izračunamo za konkreten sistem polivinilnega monomera, monovinilnega monomera, iniciatorja ter porogenov s tem, da določimo tekom polimerizacije toplotno prevodnost polimerne mešanice (λ_τ), specifično sproščeno toploto (S) ter maksimalno dovoljeno temperaturno spremembo, ki ohranja zaželjeno strukturo polimera, na osnovi enačb 1 ali 2 oziroma ustrezno modificiranih enačb.
5. 5. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, da monolitna porozna polimerna cev vsebuje polimer polivinilnega monomera, ki je izbran izmed divinilbenzena, divinilnaftalena, divinilpiridina, alkilen dimetakrilata, alkilen diakrilata, hidroksialkilen dimetakrilata, hidroksialkilen diakrilata, oligoetilen glikol dimetakrilata, oligoetilen glikol diakrilata, vinilestra polikarboksilne kisline, diviniletra, pentaerytritol di-, tri- ali tetrametakrilata ali akrilata, trimetiloilpropan trimetakrilata ali akrilata, alkilen bis akrilamida ali metakrilamida oziroma njihovih mešanic.
6. 6. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, da monolitna porozna polimerna cev vsebuje polimer monovinilnega monomera, izbran iz skupine, ki vključuje stiren, stiren s substitucijo na obroču, vinilnaftalen, akrilate, metakrilate, vinilacetat, vinilpirolidon oziroma njihovo mešanico.
7. 7. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, da monolitna porozna polimerna cev vsebuje majhne pore premera pod 200 nm kot tudi velike pore premera večjega od 600 nm in vse do 2500 nm.
8. 8. Konstrukcija cevnega modula večjih volumnov označena s tem, daje poroznost monolitne porozne polimerne cevi med 30 in 90%.