В фармацевтической, биотехнологической и химической промышленности процессы разделения и очистки веществ непосредственно влияют на качество конечного продукта, экономику производства и его масштабируемость. С возрастанием требований к чистоте соединений и переходом к непрерывным производственным процессам традиционные подходы к препаративной хроматографии все чаще демонстрируют ограничения: низкую эффективность использования колонки, высокие затраты растворителей и сложность масштабирования.

Именно поэтому промышленность активно переходит к более производительным и ресурсоэффективным технологиям. Одна из них – хроматография с имитированным подвижным слоем (Simulated Moving Bed, SMB), подход, позволяющий организовать непрерывный процесс разделения с максимально эффективным использованием сорбента и повышенным выходом целевого продукта.

Решения KNAUER для непрерывной хроматографии

Системы AZURA® SMB от немецкой компании KNAUER реализуют современный подход к препаративной хроматографии, обеспечивая гибкое, масштабируемое и экономически эффективное разделение как малых, так и больших молекул.

Компания KNAUER с 1962 года разрабатывает и производит научные приборы для жидкостной хроматографии. Портфель производителя охватывает системы и компоненты для аналитической ВЭЖХ / (У)ВЭЖХ, препаративной ВЭЖХ, быстрой белковой жидкостной хроматографии (FPLC), многоколоночной хроматографии / имитированного подвижного слоя (SMB), осмометрии, а также системы для производства липидных наночастиц (LNP).

Важно, что компания не только поставляет оборудование, а и развивает инновационные подходы к непрерывным процессам, что подтверждено, в частности, победами в Немецкой награде за инновации в 2022 и 2023 годах.

Логическим продолжением фокуса на инновациях становится развитие решений в области непрерывной хроматографии, где KNAUER предлагает высокоэффективные технологии для масштабированного разделения и очистки веществ. Одна из таких технологий – SMB.

Хроматография SMB – это метод препаративной хроматографии для разделения и очистки бинарных смесей с высокой производительностью и чистотой. Системы KNAUER AZURA® SMB используются в различных отраслях, таких как фармацевтическая или химическая промышленность. SMB идеально подходит для применения в производстве высокочистых химических веществ (малых молекул), например, ксилита, а также в биоинженерии для производства белков (больших молекул), например, антител. Два представленных режима разделения демонстрируют гибкость модульной концепции систем AZURA SMB для очистки малых и больших молекул.

Преимущества SMB

Хроматография с имитированным подвижным слоем – эффективный инструмент для разделения бинарных и псевдобинарных смесей на отдельные чистые вещества или фракции. В отличие от традиционной препаративной хроматографии этот подход реализует непрерывный процесс разделения и одновременной экстракции двух потоков (экстракта и рафината), что непосредственно влияет на производительность и экономику процесса.

Ключевые преимущества SMB-технологии:

Непрерывность процесса.

В отличие от циклических одноколонковых систем SMB работает в непрерывном режиме, что позволяет стабильно получать продукт с заданными характеристиками без простоев между циклами.

Более высокий выход и чистота продукта.

Одновременное разделение и отбор двух фракций обеспечивает более полное извлечение целевого вещества, что повышает общий выход очищенного продукта.

Более эффективно использование сорбента.

В классических одноколонковых системах только часть сорбента реально участвует в разделении, тогда как значительная часть объема колонки остается неиспользованной. В SMB-процессе задействован практически весь слой сорбента, что повышает эффективность и производительность системы.

Снижение потребления растворителей.

Благодаря непрерывности процесса и оптимизированному массообмену SMB позволяет достигать необходимой степени очистки с меньшими объемами элюентов, что снижает эксплуатационные расходы.

Меньший износ сорбента.

Оптимальные условия работы и равномерная нагрузка на сорбент способствуют продлению срока его службы – это важный фактор для экономики процесса.

Более высокая продуктивность по сравнению с классическими системами.

Благодаря непрерывному режиму и полному использованию колонки SMB демонстрирует значительно лучшую продуктивность при тех же или меньших ресурсных затратах.

Особое преимущество систем KNAUER AZURA® SMB – гибкость конфигурации. Модульная архитектура (рис. 1) позволяет адаптировать систему под конкретные задачи по очистке:

Базовая конфигурация из восьми колонок (по две на зону) может быть изменена в зависимости от требований процесса
Возможна регулировка количества колонок в каждой зоне для оптимизации разделения
Система поддерживает работу как в открытом, так и в закрытом цикле, что расширяет варианты ее применения

Благодаря этому SMB-технология может быть точно сконфигурирована под конкретное вещество, матрицу и производственные условия, обеспечивая максимальную эффективность процесса очистки.

Рис. 1. Система AZURA® SMB

Применение SMB для очищения ксилита

Рис. 2. Пример схемы настройки процесса SMB с четырьмя насосами, выходами и входами, восемью колонками, четырьмя зонами, с указанием скорости потока, давления и времени цикла; программное обеспечение PurityChrom® MCC

Применение классического процесса SMB из восьми колонок в режиме открытого цикла (рис. 2) показано на примере очистки ксилита из ферментационной смеси, полученной во время непрерывного культивирования.

Ксилит – это сахарный спирт ксилозы, который по большей части используется в пищевой промышленности как заменитель глюкозы, например, в жевательных резинках. Классический метод его получения – химическое превращение ксилозы, выделенной из березы, в ксилит.

В этом случае для превращения ксилозы из гидролизата гемицеллюлозы в ксилит использовался штамм дрожжей Candida. Анализ ферментационной смеси методом ВЭЖХ показал, что превращение ксилозы в ксилит произошло успешно и что применение процесса SMB целесообразно.

Для процесса разделения были выбраны специальные колонки на полимерной основе, поскольку они предназначены для разделения сахаров, а в качестве элюента использовалась вода. После определения параметров метода был разработан и запущен процесс SMB. Анализ двух исходных потоков – экстракта и рафината – методом ВЭЖХ показал, что ксилит был успешно отделен и очищен (рис. 3 и 4). За один час было очищено 1,8 г ксилита с чистотой 99 % и выходом 100 %.


Рис. 3. Препаративная хроматограмма ферментационной смеси; инъекция: светло-голубая линия – 0,5 мл, голубая линия – 1,0 мл, темно-синяя линия – 2,0 мл	Рис. 4. Наложены аналитические хроматограммы: рафинат (синяя линия); экстракт / ксилит (светло-голубая линия); отходы (голубая линия)

Применение SMB для очистки биомолекул

Системы AZURA® SMB также эффективны для непрерывной очистки белков, в частности, антител. В этом случае используется процесс многоколоночного захвата (MCCP, Multi-Column Capture Process).

Ключевые преимущества подхода:

Гибкая настройка количества колонок для разных стадий (связывание, промывка, элюирование, регенерация)
Сокращение времени очищения
Уменьшение расходов на сорбенты и растворители
Возможность интеграции детекторов для мониторинга процесса

Система поддерживает быстрое переключение между классическим SMB и MCCP, что расширяет спектр применений.

Рис. 5. Пользовательский интерфейс программного обеспечения процесса MCCP

Технические возможности AZURA® SMB

Система предназначена для разделения бинарных смесей в масштабе от сотен граммов до килограммов и ориентирована на непрерывную работу с максимальной производительностью.

Основные характеристики:

До восьми колонок (Ø до 30 мм)
Максимальное давление: 130 бар
Диапазон расхода: 0,1–1000 мл/мин
Варианты исполнения: нержавеющая сталь или биосовместимые материалы
Поддержка разных типов детекторов (УФ, рефрактометрический, флуоресцентный)

Модульная конструкция обеспечивает простую замену компонентов (насосы, проточные кюветы) и компактность системы, что очень важно для лабораторного пространства.

Доступность в Украине

В Украине официальный дистрибьютор решений KNAUER – компания «Химлаборреактив», которая обеспечивает полный цикл сопровождения:

Подбор и поставку оборудования
Установку и ввод в эксплуатацию
Сервисное обслуживание
Методическую поддержку и обучение персонала

Это обеспечивает эффективное внедрение и стабильную работу систем AZURA® SMB в реальных лабораторных условиях.

Анастасия Рябченко,
team-lead отдела аналитического оборудования направления «Хроматография»