תהליכי הפרדה למוצרים ביולוגיים ניתוח ואופטימיזציה של תהליכים כרומטוגרפיים פרופ' גדעון פלמינגר המחלקה למיקרוביולוגיה מולקולרית ולביוטכנולוגיה אוניברסיטת ת"א 1 The Chromatograph ic Process 2 פרמטרים המשמשים באנליזה ובאופטימיזציה של תהליכים כרומטוגרפיים (1) k ' ns nm (2) R R Capacity Factor nm 1 Re lative Mobility nm ns 1 k ' tm t u o x t m t s t R uo ns - No. of moles of Protein x in the Stationary Phase nm - No. of moles of Protein x in the Mobile Phase to - Retention time for unretained compounds tR - Retention time for Protein x u - Linear velocity of the Solvent ux - Linear velocity of Protein x 3 שיקולים סטטיסטיים • עבור חלבון בעל נתונה: – בכל רגע נתון היחס בין מספר המולים בפאזה הניידת לבין סה"כ המולים של החלבון שווה ל - – הסיכוי של מולקולה מסוימת להיות בפאזה הניידת ברגע נתון שווה ל - Stm= t0 ts S(tm+ts)= tR = t0/tR t0 tm 4 פרמטרים המשמשים באנליזה ובאופטימיזציה של תהליכים כרומטוגרפיים + t R t o VR Vo (5) k ' to Vo 5 The Correlation of the Capacity Factor (k’) and Affinity Constant (Ka) 6 Effect of Sample Load on k’ 7 The Correlation of the Capacity Factor (k’) and Distribution Constant (KD) 8 Evaluation of Chromatographic Behavior Theoretical Plate tR and VR vary from one compound to the other. L is common to all compounds separated on a column 9 The Theoretical Plate 10 Diffusion 11 Effect of Linear Velocity on Peak Broadening Van Deemter Equation 12 Peak Broadening 13 Peak Broadening (Cont.) 14 Peak width 15 Peak Broadening (Cont.) 16 Velocity vs. Pressure 17 Spherical and irregular HPLC Packings 18 Peak Tailing 19 Evaluation of Peak Tailing 20 Causes for Peak Tailing • • • • Overloading Poor Column packing (Channeling) Mixed Retention Mechanism Poor Equilibration and/or Slow Mass Transfer • Extra-Column Effects • Micelle Formation 21 Resolution + *k1/k1 1 22 Two-Peak Separatio n 23 Separation Optimization 24 The Correlation between k’ and tw K=tR/to-1 25 tw=4to/N Effect of Solvent Strength 26 Effect of Selectivity () 27 Effect of Efficiency (N) 28 Effect of temperature on RP If DG<0 and T Then Ka and k’ Peaks usually become sharper at higher temperatures 29 HPLC - וFPLC 30 The HPLC Chromatographic System Damp Automatic Control BackPressure Regulator 31 Problems Derived from High Pressure Chromatography • • • • • • 32 Need for Pressure Control/Monitoring. Stainless Steel Columns. High Pressure/Low Stroke Volume Pumps. High Pressure Mixing. High Pressure Injectors. Need for Gas Bubbles Elimination – Degassing and/or Back Pressure Regulator. The FPLC Computer Control Injector Pump A Mixer Fraction Collector Pump B Column Buffer A Buffer B Conductivity Meter 33 UV Monitor FPLC vs. HPLC HPLC • High Pressure Operation • Uses Mostly Reversed and Normal Phase Chromatographies Often with Organic Solvents – Applicable to small proteins, peptides and low MW molecules. • Highest advantage – High Resolution. FPLC • Medium Pressure Operation. • Uses Mostly Ion Exchange, Hydrophobic, Affinity and Gel Chromatographies in aquous buffers – Highly applicable to proteins. • Highest Advantage – Ease of Operation and Versatility. 34