周期的向流クロマトグラフィー

周期的逆流クロマトグラフィー（PCC ）は、アフィニティークロマトグラフィーを準連続的に実行する方法です。今日、このプロセスは主にバイオ医薬品産業^[1]および研究開発における抗体の精製に使用されています。抗体を精製する場合、プロテインAがアフィニティーマトリックスとして使用されます。ただし、周期的逆流プロセスは、あらゆるアフィニティータイプのクロマトグラフィーに適用できます。^[2]

従来のアフィニティークロマトグラフィーでは、ターゲット物質（生成物）がアフィニティー物質によって保持できなくなるまで、単一のクロマトグラフィーカラムに供給物質をロードします。次に、吸着された生成物を含む樹脂を洗浄して不純物を除去します。最後に、純粋な生成物を別のバッファーで溶出します。特に、カラムにロードする供給物質が多すぎると、生成物が突き抜けて、結果として生成物が失われる可能性があります。したがって、収率を最大化するには、カラムに部分的にのみロードすることが非常に重要です。

周期的逆流クロマトグラフィーは、複数のカラムを使用することでこの問題を解決します。PCC プロセスは、2 つ以上のカラムを使用して実行できます。^[3]次の段落では、2 カラムバージョンの PCC について説明しますが、より多くのカラムを使用する他のプロトコルも同じ原理に基づいています (以下を参照)。個々のプロセスステップを示す図を右側に示します。ステップ 1 は、いわゆるシーケンシャルローディングフェーズであり、カラム 1 と 2 が相互接続されています。カラム 1 にサンプル (赤) が完全にロードされ、そのブレイクスルーがカラム 2 で捕捉されます。ステップ 2 では、カラム 1 の洗浄、溶出、洗浄、再平衡化が行われる一方で、カラム 2 へのロードは別々に続行されます。ステップ 3 では、カラム 1 の再生後、カラムが再び相互接続され、カラム 2 に完全にロードされ、そのブレイクスルーがカラム 1 で捕捉されます。最後に、ステップ 4 では、カラム 2 の洗浄、溶出、洗浄、再平衡化が行われる一方で、カラム 1 へのロードは別々に続行されます。この循環プロセスは継続的に繰り返されます。

2本以上のカラムを用いた周期的向流クロマトグラフィーには、いくつかのバリエーションがあります。これらの場合、追加のカラムは、ローディング中にフィードストリーム内に配置され、より長いカラムを使用したのと同じ効果があります。あるいは、追加のカラムは、ローディング中に空いているスタンバイモードにしておくことができます。このモードは、メインプロセスが洗浄およびクリーニングプロトコルの影響を受けないことをさらに保証しますが、実際にはこれが必要になることはほとんどありません。一方、十分に活用されていないカラムは、そのようなプロセスの理論上の最大生産性を低下させます。一般的に、さまざまなマルチカラムプロトコルの利点と欠点は議論の対象です。^[4]しかし、疑いなく、単一カラムバッチプロセスと比較して、周期的向流プロセスは生産性を大幅に向上させます。

連続クロマトグラフィー実行の時間スケールでは、カラムの健全性、バッファーの品質、フィード力価 (濃度)、フィード組成などの重要なプロセス パラメータの変化が見られることがよくあります。このような変化により、ロードされたフィード材料の量に応じて、最大カラム容量が変化します。したがって、各プロセス サイクルで安定した品質と収量を達成するには、個々のプロセス ステップのタイミングを調整する必要があります。手動での変更は原理的には考えられますが、現実的ではありません。より一般的には、動的プロセス制御アルゴリズムがプロセス パラメータを監視し、必要に応じて自動的に変更を適用します。

現在使用されているダイナミック プロセス コントローラには、2 つの異なる動作モードがあります (右の図を参照)。最初のモードは DeltaUV と呼ばれ、最初のカラムの前と後ろにある検出器からの 2 つの信号の差を監視します。最初のロード中は、2 つの信号に大きな差がありますが、不純物がカラムを通過するにつれて差は小さくなります。カラムが不純物で完全に飽和し、追加の製品のみが保持されると、信号の差は一定値になります。製品がカラムに完全に捕捉されている限り、信号の差は一定のままです。製品の一部がカラムを通過するとすぐに (上記と比較)、差は小さくなります。したがって、製品の通過のタイミングと量を判断できます。2 つ目のモードは AutomAb と呼ばれ、最初のカラムの後ろにある単一の検出器の信号のみが必要です。最初のロード中は、より多くの不純物がカラムを通過するにつれて信号が増加します。カラムが不純物で飽和し、製品がカラムに完全に捕捉されている限り、信号は一定のままです。生成物の一部がカラムを通過するとすぐに（上記と比較）、信号は再び増加します。これにより、生成物の通過のタイミングと量を再び判定できます。

理論上は、どちらの反復も同じように機能します。実際には、2 つの同期信号が必要であり、1 つの検出器を精製されていないフィード材料にさらす必要があるため、DetaUV アプローチは AutomAb よりも信頼性が低くなります。

2017年現在、GE Healthcareは3カラム周期的逆流クロマトグラフィーに関する特許を保有しており、この技術は同社のÄkta PCC装置で使用されている。^{[引用が必要]}同様に、ChromaConは最適化された2カラムバージョン（CaptureSMB）の特許を保有している。^{[引用が必要]} CaptureSMBはChromaConのContichrom CUBEで使用されており、YMCのEcoprime Twinシステムでもライセンス供与されている。周期的逆流クロマトグラフィーが可能なシステムのその他の製造業者には、NovasepとPallがある。^{[引用が必要]}