WO2015135575A1 - Chromatographiekartusche und chromatographievorrichtung - Google Patents

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WO2015135575A1
WO2015135575A1 PCT/EP2014/054745 EP2014054745W WO2015135575A1 WO 2015135575 A1 WO2015135575 A1 WO 2015135575A1 EP 2014054745 W EP2014054745 W EP 2014054745W WO 2015135575 A1 WO2015135575 A1 WO 2015135575A1
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permeable
functionalized
adsorption material
chromatography
cartridge according
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PCT/EP2014/054745
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Marcelo FERNÁNDEZ-LAHORE
Poondi Rajesh Gavara
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ChiPro GmbH
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Publication date
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    • G01N30/6069—Construction of the column body with compartments or bed substructure

Definitions

  • the invention relates to a chromatography cartridge for purifying and / or filtering biological or chemical substances having an inlet, an outlet, a passage surface and a functionalized one
  • An adsorption material wherein the adsorption material comprises a functionalized plant fiber, a synthetic fiber or a functionalized animal fiber, and a chromatography device.
  • Chromatography is a proven tool in pharmacy, chemistry and biotechnology. Purification can be done both in closed systems and in open systems.
  • the adsorbent is introduced into columns or cartridges, especially in closed systems.
  • Such pillars and cartridges are offered on the market by different companies in different shapes and variations.
  • the purification process also consists of two steps, namely the adsorption step, in which the target proteins are bound, and the solution step, in which the bound proteins are in turn dissolved.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • Chromatography cartridge for cleaning and / or for Filtering biological or chemical substances having an inlet, an outlet, a passage surface and a functionalized adsorbent material, wherein the adsorption material comprises a functionalized plant fiber, a functionalized synthetic fiber or a functionalized animal fiber, wherein the passage area is completely covered by the functionalized adsorption material, so that a liquid to be processed on a path from the inlet to the outlet completely with the adsorption material in a physical and / or chemical exchanging contact occurs.
  • a cartridge can be provided through which a liquid biomass, in particular ⁇ a bacterial or yeast culture, passes, with any target molecules, such as the desired protein adsorb on the fibers. Subsequently, the adsorbed molecules can be removed from the cartridge, for example with a suitable solvent.
  • a sturdy, sturdy, long-throw, compact, easy-to-design cartridge can be provided.
  • the yield and / or the quality of the yield can be increased.
  • the process duration and the energy input can be reduced.
  • the cost of pumps can be reduced because the present cartridge can be operated with simple and therefore inexpensive pumps.
  • the "chromatography cartridge”, also called column, may be a component in which filter and / or adsorption materials are introduced, with which substances dissolved in a solvent are filtered, adsorbed and / or retarded.
  • filter and / or adsorption materials are introduced, with which substances dissolved in a solvent are filtered, adsorbed and / or retarded.
  • analysis apparatus such as HPLC (High Performance Liquid
  • Downstream Processing includes all mechanical, thermal, electrical and physico-chemical processes that allow separation of the product. In biotechnology in particular, all processes are included which are used in particular for separating fermentation products from a fermentation broth of a biotechnological process or for separating proteins from a cell culture.
  • the solution to be separated containing the target molecules is introduced via the "inlet.” This is carried out in particular at pressures of between 1.0 bar and 20.0 bar, preferably 1.0 bar to 8.0 bar, more preferably between 1.2 bar and 2.0 bar. Precisely that these low pressures can be used, the technical requirements for the pumps are lower than the pump requirements of the prior art.
  • Target molecules in this context are, in particular, the molecules that are to be recovered, for example, in bacterial cultures, these are the desired proteins and, in a fermentation broth, the desired fermentation products.
  • the "passage area” corresponds in particular to the area which results from a section perpendicular to a flow direction from the inlet to the outlet, In particular, the passage area corresponds to the areas of the perforated layers (see FIGS. 1 and 3).
  • the "adsorbent material” includes both natural fiber such as plant fiber and animal fiber as well as synthetic fiber, and may alternatively or additionally serve both as a filter and as a (classical) adsorption material.
  • Plant fiber includes all vegetable fibers that can be processed into fabrics, fabrics, fleeces or knitted fabrics, in particular cotton fibers.
  • Animal fiber includes all animal fibers that can be processed into fabrics, fabrics, fleeces or knitted fabrics, in particular (wool) wool.
  • Synthetic fiber includes in particular polyethersulfone (CoPES), polyamide (CoPA), polyester (PE), polypropylene (PP) and combinations thereof.
  • the adsorbent material to be used can be treated ("functionalized") according to the teaching of WO2008 / 107196A2, whereby the relevant content of WO2008 / 107196A2 forms part of the present application
  • An analogous application of the teaching of WO2008 / 107196A2 to other fibers is Replacing, supplementing or additionally, processed (functionalized) fibers can be mixed with synthetic supporting fibers and processed several times, in particular four times, mechanically and then further processed into a nonwoven by aerodynamic nonwoven forming the crosslinking of the fibers is increased.
  • the needle-punched fleece can be cut so that the cut fleeces are optimally adapted to the cartridge.
  • the "liquid to be processed” also includes retarding (retarding) liquids to be adsorbed and filtered, and it should be noted that the adsorbing, filtering and retarding of this document are analogous includes both the liquid solvent and the target molecules.
  • Suitable solvents are in particular water and / or organic solvents such as, for example, benzene and toluene.
  • All molecules can be used as the "target molecule.”
  • they include organic molecules, such as proteins, fermentation products, and hormones.
  • the chromatography cartridge comprises a support fiber, in particular a synthetic fiber.
  • the fleece Due to the support fiber, the fleece can be given a resilient effect and / or a desired stability.
  • the backing fiber can be either a functionalized synthetic fiber or another additional synthetic fiber. In particular, it is about
  • Two-component fibers which can form a crosslinked structure by thermal treatment.
  • the functionalized fibers can then be embedded in this crosslinked structure.
  • a diffuser also called a shower head, with a head space and a permeable layer can be arranged between the inlet and the adsorption material.
  • the diffuser has no central and / or no openings on the edge, since on the one hand the pressure is distributed better (more homogeneously) and (flow) disturbances by side walls are minimized.
  • Headspace is the part of the diffuser that the solvent-target molecule mixture occupies after ingestion.To ensure effective distribution of the solvent-target molecule mixture, the headspace should have a small volume.
  • “permeable layers” are to be understood as meaning layers which on the one hand are impermeable to the adsorption material but on the other hand surmountable by the solvent / target molecule mixture In a simple embodiment this is a layer of polypropylene small bores (eg 0.5mm) through which holes the fibers can not get through but liquids can pass through.
  • the permeable layer has a layer area with a Schicht configurationmquestwert and the headspace a headspace volume with a
  • a particularly effective cartridge in which the solvent-target molecule mixture is evenly distributed in the cartridge.
  • the hydrodynamics thus achieved increases the efficiency and reduces the necessary buffer volume for elution, as well as the loss of target molecule.
  • the dynamic binding capacity and resolution is increased.
  • the "slice surface value A s " essentially corresponds to the number of times the surface of the permeable layer of the shower head in mm 2 .
  • the "headspace volume measurement value V K " corresponds to the number value of the volume of the headspace in mm 3 .
  • the "headspace height h K " corresponds to a theoretical height assuming that the headspace volume is formed by a parallelepiped This theoretical height has a numerical value in mm It should be noted that the headspace volume can take quite complex forms, however, the theoretical assumption allows a consistent assessment of headspace volume.
  • the cartridge has a first permeable intermediate layer, wherein the intermediate layer has on the inlet side functionalized adsorption material.
  • the cartridge has a second, third, fourth, fifth, sixth permeable intermediate layer or further permeable intermediate layers, the second, third, fourth, fifth, sixth permeable intermediate layer or the further permeable intermediate layers each having inlet-side functionalized adsorption material , [49]
  • a cartridge of different lengths can be provided, which additionally or alternatively has excellent packing properties.
  • the individual intermediate layers may each be arranged on a spacing element.
  • the "spacer element”, also referred to here as a spacer, makes it possible to produce adsorption material and permeable layers constant or with changed distances and thus adsorption material thicknesses, and the spacer elements can be screwed together so that an introduced adsorption material can be pressed with a defined force.
  • the cartridge has a reducer which reduces the passage area on the outlet side.
  • the "reducer” can be conical or parabolic, and the most important criterion for the shape is that the solvent or target molecule is effectively delivered to the outlet.
  • the reducer may include a first, second, third, fourth, fifth, sixth permeable reducing intermediate layer or further permeable Reduction intermediate layers, wherein the second, third fourth, fifth, sixth permeable
  • Reduction intermediate layer or the other permeable Reduzier proceedings slaughter each have inlet side functionalized adsorbent material.
  • intermediate reduction layers are in turn designed to be permeable in the sense of the present specification. Basically, adsorption material is arranged between two intermediate reduction layers.
  • the cartridge has a permeable outlet layer.
  • the solvent or target molecule can be passed out of the cartridge without washing out adsorbent material.
  • the object is achieved by a chromatography apparatus, in particular for chromatography and / or analysis and / or purification and / or filtration, wherein the chromatography apparatus comprises a previously described chromatography cartridge.
  • Chromatography device in the present sense usually includes a pump which carries the solvent-target molecule mixture through the cartridge.
  • the chromatography device may comprise a HPLC (High Performance Liquid Chromatograph) or a GC (Gas Chromatograph).
  • HPLC High Performance Liquid Chromatograph
  • GC Gas Chromatograph
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a
  • Figure 3 is a schematic representation of a
  • a cylindrical cartridge 101 has a cartridge body 131 closed by a cartridge inlet cap 133 and a cartridge outlet cap 135. Furthermore, the cartridge has an inlet 103 on the end face and an outlet 105 opposite it. After the inlet 103, the diffuser 107 is arranged. The shower head 107 is followed by a gap 110.
  • two spacers 113 are arranged.
  • the first spacer 113a is bolted to the second spacer 113b or - alternatively plugged together.
  • the reducer 119 is flanged.
  • O-rings 333 are respectively provided at the junctions of the space 110, the spacers 113a, b and the reducer 119 for sealing brought in.
  • the outlet 105 is arranged.
  • the diffuser 107 has a head space 111 and a grid 109.
  • the headroom 111 has a volume of 2ml.
  • the grid 109 consists of a 2mm thick plate with a circle diameter of 54mm. On the plate are introduced in a homogeneous and at regular intervals of 2.4mm holes 116 with a drill diameter of 0.5mm.
  • the spacer 113 is formed by a ring 114, which is open on one side and bounded on the opposite side by a permeable layer 115.
  • the permeable layer has an analogous structure to that of the grid 109.
  • functionalized cotton fibers are arranged, which fill the entire volume of the spacer 116.
  • the cotton fibers used were treated according to the teaching of WO2008 / 107196A2, wherein the relevant content of WO2008 / 107196A2 is part of the present application.
  • the cotton fibers are functionalized.
  • the spacer 113 has a thread with which it screwed with other spacers can be. Alternatively, the spacer 113 is plugged together with other spacers.
  • the reducer 119 has on the input side the diameter of the spacer 113b and reduces the diameter in the direction of the outlet 105.
  • the reducer 119 has equidistantly a plurality of permeable
  • Reduzier diarrhea silken 123 are densely packed between which also functionalized cotton fiber.
  • the reducing intermediate layers 123 are dispensed with.
  • the reducer 119 On the input side, the reducer 119 is open and on the output side it is bounded by a permeable end layer 121.
  • This permeable cover layer 121 is constructed analogously to the grid 109.
  • the cotton fibers processed according to the teaching of WO2008 / 107196A2 are processed into a nonwoven fabric. Alternatively, pretreatment (mercerization) takes place before treatment.
  • pretreatment takes place before treatment.
  • WO2008 / 107196A2 processed cotton fiber mixed with synthetic supporting fibers and repeatedly, in particular four times, mechanically digested and further processed by aerodynamic nonwoven forming into a nonwoven.
  • the resulting fabric is needled at least twice to increase the cross-linking of the fibers. Then a thermal binding takes place, so that the mechanical stability of the fleece is increased and the fleece receives a springback function.
  • a functionalized filter 117 made of cotton in the form of a nonwoven is needled at least twice to increase the cross-linking of the fibers. Then a thermal binding takes place, so that the mechanical stability of the fleece is increased and the fleece receives a springback function.
  • This functionalized filter 117 is located at the corresponding positions in the spacers 113 and the reducer 119, so that after assembling all the components and a corresponding closing a cartridge 101 is present.
  • the cartridge 101 thus produced is connected to a chromatograph or a pump.
  • the connection is made by hoses, which are slipped over the inlet and the outlet and then closed with a clamp.
  • the solvent with the desired molecules, in particular proteins or hormones, are pressed through the cartridge 101 at a pressure between 1, 1 bar and 1, 7 bar.
  • the target molecules adsorb to the matrix (supported and functionalized fibers).
  • the solvent then flows off via the outlet.
  • ie Solution eg saline solution

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Abstract

Ein Nachteil bekannter Säulen/Kartuschen ist, dass im Betrieb ein Gegendruck aufgrund der verwendeten Adsorptionsmittel erzeugt wird. Dieser Gegendruck kann dazu führen, dass empfindliche Moleküle, wie beispielsweise Proteine, denaturiert, verändert oder zerstört werden. Dies kann zur Folge haben, dass entweder die Qualität oder die Ausbeute eingeschränkt ist. Die Erfindung betrifft somit eine Chromatographiekartusche zum Aufreinigen von biologischen oder chemischen Stoffen mit einem Einlass, einem Auslass, einer Durchtrittsfläche und einem funktionalisierten Adsorptionsmaterial, wobei das Adsorptionsmaterial eine funktionalisierte Pflanzenfaser oder eine funktionalisierte Tierfaser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsfläche vollständig von dem funktionalisiertem Adsorptionsmaterial abgedeckt ist, so dass eine zu filternde Flüssigkeit auf einem Weg von dem Einlass zu dem Auslass vollständig mit dem Adsorptionsmaterial in einem physikalisch und/oder chemischen austauschendem Kontakt tritt.

Description

Chromatographiekartusche und Chromatographievorrichtung
[Ol] Die Erfindung betrifft eine Chromatographiekartusche zum Aufreinigen und/oder Filtern von biologischen oder chemischen Stoffen mit einem Einlass, einem Auslass, einer Durchtrittsfläche und einem funktionalisierten
Adsorptionsmaterial, wobei das Adsorptionsmaterial eine funktionalisierte Pflanzenfaser, eine Synthetikfaser oder eine funktionalisierte Tierfaser aufweist, und eine Chromatographievorrichtung .
[02] Das Aufreinigen biologischer oder
Pharmazeutischer/chemischer Moleküle mittels
Chromatographie ist in der Pharmazie, der Chemie und der Biotechnologie ein bewährtes Mittel. Das Aufreinigen kann sowohl in geschlossenen Systemen als auch in offenen Systemen erfolgen.
[03] Um hohe Durchsatzraten oder sehr saubere Ergebnisse zu erhalten, wird insbesondere bei geschlossenen Systemen das Adsorptionsmittel in Säulen oder Kartuschen eingebracht. Derartige Säulen und Kartuschen werden am Markt von unterschiedlichen Unternehmen in unterschiedlichsten Formen und Variationen angeboten.
[04] Es gibt Säulen/Kartuschen mit einer axialen oder radialen Fließrichtung, wobei typische Säulen/Kartuschen eine zylindrische Form mit einer Einlassseite und einer Auslassseite haben. [05] In Säulen und Kartuschen des Standes der Technik werden zumeist kugelförmige Adsorptionsmittel „gepackt". Der Aufbau und das Design können sehr komplex sein, dies führt in der Regel zu mangelnder Verlässlichkeit und größerer Ausfallwahrscheinlichkeit der Säulen / der Kartuschen im Betrieb.
[06] Ein weiterer Nachteil der bekannten Säulen/Kartuschen ist, dass im Betrieb ein ausreichend hoher Gegendruck unter anderem aufgrund der verwendeten Adsorptionsmittel erzeugt werden muss. Dieser Gegendruck wird mit teuren und aufwändigen Pumpen realisiert. Dies führt zu erhöhtem Energiebedarf und zu höherer Prozessdauer. Zudem sind die verwendeten Pumpen teuer in der Anschaffung und im Unterhalt .
[07] Insbesondere bei der Gewinnung von Proteinen sind zwei aufwändige Schritte notwendig. So müssen beispielsweise Bakterien, welche das Ziel-Protein herstellen, abfiltriert werden, bevor der eigentliche, ebenfalls aufwändige, Aufreinigungsprozess starten kann. Der Aufreinigungsprozess wiederum besteht grundsätzlich ebenfalls aus zwei Schritten, zum einen der Adsoptionsschritt , bei dem die Ziel-Proteine gebunden werden, und zum anderen der Lösungsschritt, bei dem die gebundenen Proteine wiederum gelöst werden.
[08] Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern .
[09] Gelöst wird die Aufgabe durch eine
Chromatographiekartusche zum Aufreinigen und/oder zum Filtrieren von biologischen oder chemischen Stoffen mit einem Einlass, einem Auslass, einer Durchtrittsfläche und einem funktionalisierten Adsorptionsmaterial, wobei das Adsorptionsmaterial eine funktionalisierte Pflanzenfaser, eine funktionalisierte Synthetikfaser oder eine funktionalisierte Tierfaser aufweist, wobei die Durchtrittsfläche vollständig von dem funktionalisiertem Adsorptionsmaterial abgedeckt ist, so dass eine zu verarbeitende Flüssigkeit auf einem Weg von dem Einlass zu dem Auslass vollständig mit dem Adsorptionsmaterial in einem physikalisch und/oder chemischen austauschendem Kontakt tritt.
[10] Somit kann eine Kartusche bereitgestellt werden, durch die eine flüssige Biomasse, insbesondere eine Bakterien¬ oder Hefenkultur, hindurchtritt, wobei etwaige Zielmoleküle, wie das gewünschte Protein, an den Fasern adsorbieren. Anschließend können die adsorbierten Moleküle, beispielsweise mit einem geeigneten Lösungsmittel, aus der Kartusche entfernt werden.
[11] Daraus folgt, dass die aufwändigen Schritte des Filtrierens und Aufreinigens in einem einzelnen (Prozess- ) Schritt durchgeführt werden können.
[12] Auch kann eine robuste, stabile, auf langen Einsatz ausgelegte, kompakte, mit einem einfachen Aufbau versehende Kartusche bereitgestellt werden.
[13] Zudem kann die Ausbeutemenge und/oder die Qualität der Ausbeute erhöht werden. [14] Zudem kann die Prozessdauer und der Energieeinsatz verringert werden. Auch können die Kosten für Pumpen verringert werden, da die vorliegende Kartusche mit einfachen und somit kostengünstigen Pumpen betrieben werden können .
[15] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[16] Die „Chromatographiekartusche", auch Säule genannt, kann ein Bauteil sein, in welchem Filter- und/oder Adsorptionsmaterialien eingebracht sind, mit denen in einem Lösungsmittel gelöste Stoffe gefiltert, adsorbiert und/oder verzögert (retendiert) werden. Neben den „klassischen" Anwendungsszenarien des Aufreinigens , können derartige Kartuschen beispielsweise in Analyseapparaturen wie beispielsweise HPLC (High Performance Liquid
Chromatography ) oder GC (Gas Chromatography ) eingesetzt werden .
[17] Das „Aufreinigen" , englisch „Downstream Processing", umfasst alle mechanischen, thermischen, elektrischen und physiko-chemischen Verfahren, die eine Abtrennung des Produktes zulassen. Insbesondere sind in der Biotechnologie alle Verfahren mit umfasst, die insbesondere zur Abtrennung von Fermentationsprodukten aus einer Fermentationsbrühe eines biotechnologischen Prozesses oder zur Abtrennung von Proteinen aus einer Zellkultur angewandt werden.
[18] Über den „Einlass" wird die zu separierende Lösung, welche die Zielmoleküle enthält eingebracht. Dies erfolgt insbesondere mit Drücken zwischen 1,0 bar und 20,0 bar, bevorzugt 1,0 bar bis 8,0 bar, besonders bevorzugt zwischen 1,2 bar und 2,0 bar. Gerade dadurch, dass diese niedrigen Drücke verwendet werden können, sind die technischen Anforderungen an die Pumpen geringer als die Pumpenanforderungen nach dem Stand der Technik.
[19] „Zielmoleküle" in diesem Zusammenhang sind insbesondere die Moleküle, welche gewonnen werden sollen. Bei Bakterienkulturen sind dies beispielsweise die gewünschten Proteine und in einer Fermentationsbrühe die gewünschten Fermentationsprodukte .
[20] An dem „Auslass" werden die separierten Stoffe (Lösungsmittel und/oder Zielmolekül) ausgeschieden
[21] Die „Durchtrittsfläche" entspricht insbesondere der Fläche, welche sich durch einen Schnitt rechtwinklig zu einer Duchflussrichtung vom Einlass zum Auslass ergibt. Insbesondere entspricht die Durchtrittsfläche den Flächen der perforierten Schichten (siehe Fig. 1 und 3) .
[22] Das „Adsorptionsmaterial" umfasst sowohl natürliche Faser wie beispielsweise Pflanzenfaser und Tierfaser als auch synthetische Faser. Es kann alternativ oder zusätzlich sowohl als Filter als auch als (klassisches) Adsorptionsmaterial dienen.
[23] „Pflanzenfaser" umfasst sämtliche pflanzlichen Fasern, welche zu Geweben, Stoffen, Vliesen oder Gewirke verarbeiten lassen. Insbesondere sind Baumwollfaser umfasst . [24] „Tierfaser" umfasst sämtliche tierische Fasern, welche zu Geweben, Stoffen, Vliesen oder Gewirke verarbeiten lassen. Insbesondere sind (Schafs-) Wollfaser umfasst.
[25] „Synthetikfaser" umfasst insbesondere Polyethersulfon (CoPES), Polyamid (CoPA) , Polyester (PE) , Polypropylen (PP) und deren Kombinationen.
[26] Das zu verwendende Adsorptionsmaterial kann gemäß der Lehre der WO2008/107196A2 behandelt („funktionalisiert" ) werden, wobei der diesbezügliche Inhalt der WO2008/107196A2 Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. Ein analoges Anwenden der Lehre der WO2008/107196A2 auf andere Faser ist ebenfalls umfasst. Ersetzend, ergänzend oder zusätzlich können bearbeitete ( funktionalisierte ) Faser mit synthetischen Stützfasern gemischt und mehrfach, insbesondere viermal, mechanisch aufgeschlossen und durch aerodynamisches Vliesbilden zu einem Vlies weiterverarbeitet werden. Anschließend kann das entstandene Gewebe (Vlies) wenigstens zweimal genadelt werden, damit die Vernetzung der Fasern erhöht wird.
[27] Dann kann das genadelte Vlies zugeschnitten werden, so dass die zugeschnittenen Vliese optimal an die Kartusche anpassbar sind.
[28] Vor dem Zuschneiden kann ein thermisches Binden erfolgen, damit die mechanische Stabilität des Vlieses erhöht wird und das Vlies eine Rückfederungs Funktion erhält. So kann das Vlies (synthetische)
Zweikomponentenfasern aufweisen, welche bei bestimmten Temperaturen schmelzen und ein räumliches Netz ausbilden, in welches funktionalisierte Fasern eingebettet sind. Somit kann abschließend ein optimiertes Vlies vorliegen, welches „funktionalisiert" ist.
[29] Eine „vollständige Abdeckung" ist dann erreicht, wenn eine zu filtrierende / retendierende / adsorbierende Flüssigkeit mit einem Lösungsmittel und einem Zielmolekül beim Durchleiten vom Einlass zum Auslass zwingend in einem physio-chemischen austauschenden Kontakt mit dem Adsorptionsmaterial gelangt.
[30] Die „zu verarbeitende Flüssigkeit" umfasst auch zu retendierende (verzögernde), zu adsorbierende und zu filtrierende Flüssigkeiten. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Adsorbieren, das Filtrieren und das Verzögern für das vorliegende Dokument analog zu verstehen sind. Die Flüssigkeit umfasst sowohl das flüssige Lösungsmittel als auch die Zielmoleküle.
[31] Als Lösungsmittel kommen insbesondere Wasser und/oder organische Lösungsmittel wie beispielsweise Benzol und Toluol in Betracht.
[32] Als „Zielmolekül" können sämtliche Moleküle eingesetzt werden. Insbesondere sind organische Moleküle umfasst. Dazu zählen beispielsweise Proteine, Fermentationsprodukte und Hormone .
[33] Unter „austauschender Kontakt" werden physikalische und/oder chemische Prozesse verstanden, welche das Lösungsmittel und/oder die Zielmoleküle mit dem Adsorptionsmaterial durchführen. [34] In einer weiteren Ausführungsform weist die Chromatographiekartusche eine Stützfaser, insbesondere eine Synthetikfaser , auf.
[35] Durch die Stützfaser kann dem Vlies eine federnde Wirkung und/oder eine gewünschte Stabilität aufgeprägt werden .
[36] Die Stützfaser kann sowohl eine funktionalisierte Synthetikfaser oder eine weitere zusätzliche Synthetikfaser sein. Insbesondere handelt es sich um
Zweikomponentenfasern, welche durch thermische Behandlung eine vernetzte Struktur ausbilden können. Insbesondere können in dieser vernetzten Struktur dann die funktionalisierten Fasern eingebettet sein.
[37] Um eine homogene Druckverteilung des Lösungsmittel- Zielmolekülen-Gemischs in der Kartusche zu gewährleisten, kann zwischen dem Einlass und dem Adsorptionsmaterial ein Diffusor, auch Duschkopf genannt, mit einem Kopfraum und einer permeablen Schicht angeordnet sein.
[38] Besonders vorteilhaft ist, wenn der Diffusor keine mittige und/oder keine Öffnungen am Rand aufweist, da zum einen der Druck besser (homogener) verteilt wird und ( Strömungs- ) Störungen durch Seitenwände minimiert werden.
[39] Als „Kopfraum" ist der Teil des Diffusors, den das Lösungsmittel-Zielmolekül-Gemisch nach dem Einlass einnimmt. Um eine effektive Verteilung des Lösungsmittel- Zielmolekül-Gemischs zu gewährleisten, sollte der Kopfraum ein kleines Volumen aufweisen. [40] Unter „permeable Schichten" werden für das gesamte vorliegende Dokument Schichten verstanden, welche zum einen für das Adsorptionsmaterial undurchlässig, jedoch zum anderen von dem Lösungsmittel-Zielmolekül-Gemisch überwindbar sind. In einer einfachen Ausführungsform ist dies eine Schicht aus Polypropylen, welche kleine Bohrungen (z.B. 0,5mm) aufweisen. Durch die Bohrungen können die Fasern nicht hindurchgelangen, jedoch können Flüssigkeiten hindurchtreten .
[41] In einer Ausführungsform weist die permeable Schicht eine Schichtfläche mit einem Schichtflächemmaßwert und der Kopfraum ein Kopfraumvolumen mit einem
Kopfraumvolumenmaßwert auf und ein Quotient aus Kopfraumvolumenmaßwert und Schichtflächenmaßwert entspricht einem Kopfraumhöhenwert , wobei der Kopfraumhöhenwert wenigstens 20mal kleiner, insbesondere 40mal, 50mal oder 60mal kleiner, ist als der Schichtflächenmaßwert.
[42] Somit kann eine besonders effektive Kartusche bereitgestellt werden, bei der das Lösungsmittel- Zielmolekül-Gemisch gleichmäßig in der Kartusche verteilbar ist. Die so erreichte Hydrodynamik steigert die Effizienz und verringert das notwendige Puffervolumen zur Elution, sowie den Verlust an Zielmolekül. Zudem wird die dynamische Bindungskapazität und die Auflösung erhöht.
[43] Der „Schichtflächemmaßwert As" entspricht im Wesentlichen dem Zahlwert der Fläche der permeablen Schicht des Duschkopfs in mm2. [44] Der „Kopfraumvolumenmaßwert VK" entspricht dem Zahlwert des Volumens des Kopfraums in mm3.
[45] Der „Kopfraumhöhenwert hK" entspricht einer theoretischen Höhe bei der Annahme, dass das Kopfraumvolumen durch einen Quader gebildet wird. Diese theoretische Höhe weist einen Zahlwert in mm auf. Es sei darauf hingewiesen, dass das Kopfraumvolumen durchaus komplexe Formen annehmen kann, jedoch ermöglicht die theoretische Annahme eine einheitliche Bewertung des Kopfraumvolumens .
[46] Der „Quotient Q" ist das Verhältnis des Kopfraumvolumenmaßwerts zu dem Schichtflächemmaßwert und weist die Einheit [mm] auf. Mathematisch kann das wie folgt beschrieben werden: Q=VK/As=hK.
[47] Um eine homogene Befüllung der Kartusche mit Vlies zu ermöglichen und um für das eingefüllte Vlies ausreichend mechanische Unterstützung zu gewährleisten, weist die Kartusche eine erste permeable Zwischenschicht auf, wobei die Zwischenschicht einlassseitig funktionalisiertes Adsorptionsmaterial aufweist.
[48] In einer weiteren Ausführungsform weist die Kartusche eine zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste permeable Zwischenschicht oder weitere permeable Zwischenschichten auf, wobei die zweite, dritte vierte, fünfte, sechste permeable Zwischenschicht oder die weiteren permeablen Zwischenschichten jeweils einlassseitig funktionalisiertes Adsorptionsmaterial aufweisen. [49] Somit kann eine Kartusche unterschiedlicher Länge bereitgestellt werden, welche zusätzlich oder alternativ über hervorragende Packungseigenschaften verfügt.
[50] Um die Zwischenschichten definiert zu beabstanden, können die einzelnen Zwischenschichten je an einem Abstandselement angeordnet sein.
[51] Das „Abstandselement", vorliegend auch Distanzstück genannt, ermöglicht es, Adsorptionsmaterial und permeable Schichten konstant oder mit veränderten Abständen und somit Adsorptionsmaterialdicken herzustellen. Zudem können die Abstandselemente miteinander verschraubbar sein, sodass ein eingebrachtes Adsorptionsmaterial mit definierter Kraft gepresst werden kann.
[52] In einer Ausführungsform weist die Kartusche ein Reduzierstück auf, welches die Durchtrittsfläche auslassseitig reduziert.
[53] So kann das Lösungsmittel definiert zum Auslass geleitet werden.
[54] Das „Reduzierstück" kann sowohl konisch oder auch parabelförmig ausgestaltet sein. Wichtigstes Kriterium für die Form ist, dass das Lösungsmittel oder das Zielmolekül effektiv zum Auslass geleitet werden.
[55] Um das Adsorptionsmaterial auch im Reduzierstück optimal zu verteilen, kann das Reduzierstück eine erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste permeable Reduzierzwischenschicht oder weitere permeable Reduzierzwischenschichten aufweisen, wobei die zweite, dritte vierte, fünfte, sechste permeable
Reduzierzwischenschicht oder die weiteren permeablen Reduzierzwischenschichten jeweils einlassseitig funktionalisiertes Adsorptionsmaterial aufweisen.
[56] Die „Reduzierzwischenschichten" sind wiederum permeable im Sinne der vorliegenden Schrift ausgestaltet. Grundsätzlich ist zwischen zwei Reduzierzwischenschichten Adsorptionsmaterial angeordnet.
[57] In einer weiteren Ausführungsform weist die Kartusche eine permeable Auslassschicht auf. Somit kann das Lösungsmittel oder der Zielmolekül aus der Kartusche geleitet werden, ohne dass Adsorptionsmaterial ausgewaschen wird .
[58] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Chromatographievorrichtung, insbesondere zum Chromatographieren und/oder zum Analysieren und/oder zum Aufreinigen und/oder zum Filtrieren, wobei die Chromatographievorrichtung eine zuvor beschriebene Chromatographiekartusche aufweist.
[59] Chromatographievorrichtung im vorliegenden Sinne umfasst meist eine Pumpe, welche das Lösungsmittel- Zielmolekül-Gemisch durch die Kartusche befördert. Zudem kann die Chromatographievorrichtung ein HPLC (High Performance Liquid Chromatograph) oder ein GC (Gas Chromatograph) umfassen. [60] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
Chromatographiekartusche in einer geschnittenen Seitenansicht,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines
Diffusors der Chromatographiekartusche mit einer Bemaßung in mm und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines
Distanzstücks in einer perspektivischen Ansicht .
[61] Eine zylindrische Kartusche 101 weist einen Kartuschenkörper 131 auf, welcher durch einen Kartuscheneinlassdeckel 133 und einen Kartuschenauslass- deckel 135 abgeschlossen ist. Weiterhin weist die Kartusche stirnseitig einen Einlass 103 und gegenüberliegend einen Auslass 105 auf. Nach dem Einlass 103 ist der Diffusor 107 angeordnet. Auf den Duschkopf 107 folgt ein Zwischenraum 110.
[62] Nach dem Zwischenraum 110 sind zwei Distanzstücke 113 angeordnet. Das erste Distanzstück 113a ist mit dem zweiten Distanzstück 113b verschraubt oder - alternativ zusammengesteckt. An das zweite Distanzstück 113b ist das Reduzierstück 119 angeflanscht. An den Übergängen von Zwischenraum 110, den Distanzstücken 113a, b und dem Reduzierstück 119 sind zum Abdichten jeweils O-Ringe 333 eingebracht. Am Ende des Reduzierstücks 119 ist der Auslass 105 angeordnet.
[63] Das Gesamtsystem von Einlass 103, Duschkopf 107, Zwischenraum 110, den Distanzstücken 113a/b, Reduzierstück 119 und Auslass 105 wird vom Kartuschenkörper 131 und den Kartuscheneinlassdeckel 133 und Kartuschenauslassdeckel 135 fixiert .
[64] Die Einzelbestandteile der Kartusche 101 sind wie folgt aufgebaut.
[65] Der Diffusor 107 weist einen Kopfraum 111 und ein Gitter 109 auf. Der Kopfräum 111 hat ein Volumen von 2ml. Das Gitter 109 besteht aus einer 2mm starken Platte mit einem Kreisdurchmesser von 54mm. Auf der Platte sind im homogen und im regelmäßigen Abstand von 2,4mm Bohrungen 116 mit einem Bohrdurchmesser von 0,5mm eingebracht.
[66] Das Distanzstück 113 wird durch einen Ring 114 gebildet, welcher einseitig offen und gegenüberseitig mit einer permeablen Schicht 115 begrenzt ist. Die permeable Schicht ist analog aufgebaut wie das Gitter 109. In dem Distanzstück 113 sind funktionalisierte Baumwollfasern angeordnet, welche das gesamte Volumen des Distanzstücks 116 ausfüllen. Die verwendeten Baumwollfasern wurden gemäß der Lehre der WO2008/107196A2 behandelt, wobei der diesbezügliche Inhalt der WO2008/107196A2 Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. Die Baumwollfasern sind funktionalisiert . Das Distanzstück 113 weist ein Gewinde auf, mit dem es mit weiteren Distanzstücken verschraubt werden kann. Alternativ wird das Distanzstück 113 mit weiteren Distanzstücken zusammengesteckt.
[67] Das Reduzierstück 119 weist eingangsseitig den Durchmesser des Distanzstücks 113b auf und verringert den Durchmesser in Richtung Auslass 105. Das Reduzierstück 119 weist äquidistant mehrere permeable
Reduzierzwischenschichten 123 auf zwischen denen ebenfalls funktionalisierte Baumwollfaser dicht gepackt sind. In einer alternativen Ausgestaltung wird auf die Reduzierzwischenschichten 123 verzichtet.
[68] Eingangsseitig ist das Reduzierstück 119 offen und es wird ausgangsseitig von einer permeablen Abschlussschicht 121 begrenzt. Diese permeable Abschlussschicht 121 ist analog wie das Gitter 109 aufgebaut.
[69] Das Funktionalisieren der Baumwollfaser erfolgt wie folgt .
[70] Die gemäß der Lehre der WO2008/107196A2 bearbeiteten Baumwollfaser werden zu einem Vlies verarbeitet. Alternativ erfolgt vor dem Behandeln eine Vorbehandlung (Mercerization) . Dazu werden gemäß der Lehre der WO2008/107196A2 bearbeitete Baumwollfaser mit synthetischen Stützfasern gemischt und mehrfach, insbesondere viermal, mechanisch aufgeschlossen und durch aerodynamisches Vliesbilden zu einem Vlies weiterverarbeitet.
[71] Anschließend wird das entstandene Gewebe wenigstens zweimal genadelt, damit die Vernetzung der Fasern erhöht wird. Dann erfolgt ein thermisches Binden, damit die mechanische Stabilität des Vlieses erhöht wird und das Vlies eine Rückfederungs-Funktion erhält. Somit liegt abschließend ein funktionalisierter Filter 117 aus Baumwolle in Form eines Vlieses vor.
[72] Anschließend werden aus dem genadelten und thermisch behandelten Gewebe kreisrunde Teile herausgeschnitten, welche optimal an die Distanzstücke 113 oder einzelnen Reduzierzwischenschichten 123 des Reduzierstücks 119 angepasst sind.
[73] Dieser funktionalisierte Filter 117 wird an die entsprechenden Positionen in den Distanzstücken 113 und dem Reduzierstück 119 verortet, so dass nach einem Zusammenfügen aller Bestandteile und einem entsprechenden Verschließen eine Kartusche 101 vorliegt.
[74] Die so hergestellte Kartusche 101 wird an ein Chromatographen oder einer Pumpe angeschlossen. Der Anschluss erfolgt durch Schläuche, welche über den Einlass und den Auslass gestülpt und anschließend mit einer Schelle verschlossen werden.
[75] Das Lösungsmittel mit den gewünschten Molekülen, insbesondere Proteine oder Hormone, werden mit einem Druck zwischen l,lbar und l,7bar durch die Kartusche 101 gepresst. Die Zielmoleküle adsorbieren an der Matrix (gestützten und funktionalisierte Fasern) . Anschließend fließt das Lösungsmittel über den Auslass ab.
[76] Abschließend werden die gebundenen (adsorbierten) Zielmoleküle eluiert, d.h., dass diese mit einer geeigneten Lösung (z.B. Salzlösung) aus der Matrix herausgelöst werden .
Bezugs zeichenliste
101 Kartusche
103 Einlass
105 Auslass
107 Duschkopf
109 Gitter
110 Zwischenraum
111 Kopfräum
113 Distanzstück
113a erstes Distanzstück
113b zweites Distanzstück
114 Ring
115 permeable Schicht
115a erste permeable Schicht
115b zweite permeable Schicht
116 Bohrung
117 funktionalisierte Faserschicht
119 Reduz ierstück
121 permeable Abschlussschicht
123 ReduzierZwischenschicht
131 Kartuschenkörper
133 Kartuscheneinlassdeckel
135 Kartuschenauslassdeckel
333 O-Ring

Claims

Patentansprüche :
1. Chromatographiekartusche (101) zum Aufreinigen von biologischen oder chemischen Stoffen mit einem Einlass (103), einem Auslass (105), einer Durchtrittsfläche und einem funktionalisierten Adsorptionsmaterial (117), wobei das Adsorptionsmaterial eine funktionalisierte Pflanzenfaser, eine funktionalisierte Synthetikfaser oder eine funktionalisierte Tierfaser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsfläche vollständig von dem funktionalisiertem Adsorptionsmaterial abgedeckt ist, so dass eine zu verarbeitende Flüssigkeit auf einem Weg von dem Einlass zu dem Auslass vollständig mit dem Adsorptionsmaterial in einem physikalisch und/oder chemischen austauschendem Kontakt tritt.
2. Chromatographiekartusche nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch eine Stützfaser, insbesondere eine Synthetikfaser .
3. Chromatographiekartusche nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlass und dem Adsorptionsmaterial ein Diffusor (107) mit einem Kopfraum (111) und einer permeablen Schicht (109) angeordnet ist.
4. Chromatographiekartusche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die permeable Schicht eine Schichtfläche mit einem Schichtflächemmaßwert und der Kopfraum ein Kopfraumvolumen mit einem Kopfraumvolumenmaßwert aufweist und ein Quotient aus Kopfraumvolumenmaßwert und Schichtflächenmaßwert einem Kopfraumhöhenwert entspricht, wobei der Kopfraumhöhenwert wenigstens 20mal kleiner, insbesondere 40mal, 50mal oder 60mal kleiner, ist als der Schichtflächenmaßwert.
5. Chromatographiekartusche nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste permeable Zwischenschicht (115a) , wobei die Zwischenschicht einlassseitig funktionalisiertes Adsorptionsmaterial aufweist .
6. Chromatographiekartusche nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zweite (115b), dritte, vierte, fünfte, sechste permeable Zwischenschicht (115) oder durch weitere permeable Zwischenschichten, wobei die zweite, dritte vierte, fünfte, sechste permeable Zwischenschicht oder die weiteren permeablen Zwischenschichten jeweils einlassseitig funktionalisiertes Adsorptionsmaterial aufweisen .
7. Chromatographiekartusche nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Zwischenschichten je an einem Abstandselement (113) angeordnet sind.
8. Chromatographiekartusche nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Reduzierstück (119), welches die Durchtrittsfläche auslassseitig reduziert.
9. Chromatographiekartusche nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste permeable Reduzierzwischenschicht (123) oder durch weitere permeable Reduzierzwischenschichten, wobei die zweite, dritte vierte, fünfte, sechste permeable Reduzierzwischenschicht oder die weiteren permeablen Reduzierzwischenschichten jeweils einlassseitig funktionalisiertes Adsorptionsmaterial aufweisen.
10. Chromatographiekartusche nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine permeable Auslassschicht (121).
11. Chromatographievorrichtung insbesondere zum Chromatographieren und/oder zum Analysieren und/oder zum Aufreinigen und/oder zum Filtern, gekennzeichnet durch eine Chromatographiekartusche nach einem der vorherigen Ansprüche .
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