Auswahl von Medien für die Ionenaustauschchromatographie

Der Prozess der Trennung und Reinigung von Biomakromolekülen durch Ionenaustauschchromatographie erfolgt hauptsächlich unter Nutzung der Dissoziationseigenschaften verschiedener Moleküle, der Nettoladung von Ionen und der elektrischen Differenz der Oberflächenladungsverteilung. Es hat sich zu einer der am häufigsten verwendeten Reinigungstechniken zur Trennung und Reinigung von Biochemikalien, Proteinen, Peptiden und anderen Substanzen entwickelt.

Bei der Trennung und Reinigung wird von der Kolonne eine hohe Beladungskapazität, einfache Bedienung und lange Lebensdauer gefordert. Das Trennmedium ist der wichtigste Faktor. Daher ist die Auswahl des Trennmediums besonders wichtig.
 

1. Sortenauswahl:

Ein passender  Ionenaustauschchromatographiemedium  sollte entsprechend der Art der Ladung, der Größe des Moleküls, den physikalisch-chemischen Eigenschaften und der Mikroumgebung des zu trennenden und zu reinigenden Zielprodukts ausgewählt werden. Bei anorganischen kleinen Molekülen ist die Wahl des Trennmediums relativ einfach, bei Biomakromolekülen müssen jedoch mehr Faktoren berücksichtigt werden.

Biomakromoleküle wie Proteine ​​bestehen aus einer Vielzahl von Aminosäuren, die unter verschiedenen pH-Bedingungen unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen, und Biomakromoleküle haben spezifische Anforderungen an die am besten geeignete pH-Umgebung. Daher ist es notwendig, zunächst das Zielprotein usw. zu verstehen. Der elektrische Punkt und die geeignete Mikroumgebung wählen entsprechend diesen Bedingungen die geeignete Ionenaustauscherart aus.

Ob man sich für einen Kationenaustauscher oder einen Anionenaustauscher entscheidet, hängt hauptsächlich von der Ladung des abgetrennten Materials bei seinem stabilen pH-Wert ab. Ist es positiv geladen, wird der Kationenaustauscher ausgewählt; bei negativer Ladung wird der Anionenaustauscher ausgewählt. Beispielsweise liegt der isoelektrische Punkt des zu trennenden Proteins bei 4 und der stabile pH-Bereich liegt bei 6–9. Da das Protein zu diesem Zeitpunkt negativ geladen ist, sollte zur Trennung ein Anionenaustauscher ausgewählt werden.
 

2. Skelettauswahl: 

Der geeignete Matrix-Ionenaustauscher sollte entsprechend der Ausbeute des Zielprodukts, der erforderlichen Reinheit und dem wirtschaftlichen Wert ausgewählt werden.

Das Allzweck-Polystyrol-Ionenaustauschharz zeichnet sich durch eine stabile Struktur, einen niedrigen Preis und eine hohe Gesamtaustauschkapazität aus und eignet sich für den Extraktions- und Trennungsprozess allgemeiner biochemischer Produkte wie Antibiotika, organische Säuren, tierische oder pflanzliche Ressourcen. Für einige Gentechnikprodukte mit hoher Wertschöpfung, die eine hohe Auflösung und hohe Produktreinheit erfordern, werden weiterhin biochemische Trennmedien auf Zellulose-, Dextran- und Agarosebasis benötigt.

Cellulose-Ionenaustauscher sind relativ kostengünstig, weisen jedoch eine geringe Auflösung und Stabilität auf und eignen sich für die anfängliche Trennung und Massenvorbereitung. Die Auflösung und der Preis des Dextran-Ionenaustauschers sind moderat, aber der äußere Einfluss ist groß und das Volumen kann sich mit der Änderung der Ionenstärke und des pH-Werts stark ändern, was sich auf die Auflösung auswirkt. Agarose-Ionenaustauscher haben eine gute mechanische Stabilität und eine hohe Auflösung, sind aber teurer.

Das ideale Trennmedium sollte nicht nur leicht adsorbierbar, sondern auch leicht eluierbar sein. Wenn das Zielprodukt nicht empfindlich auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Werts reagiert, kann ein starkes Medium mit starker Ladung oder eine starke Alkalität mit hoher Ladungsdichte in Betracht gezogen werden. Wenn diese Faktoren empfindlich sind, sollten schwache oder schwach alkalische Schwachmedien verwendet werden. Wenn die makromolekulare Substanz adsorbiert wird, ist die Verbindung relativ stark und oft schwierig zu eluieren. Wenn raue Bedingungen zur Denaturierung von Makromolekülen eingesetzt werden, sollte ein Medium mit einer niedrigen Dichte funktioneller Gruppen ausgewählt werden.

Stark saures oder stark alkalisches Medium mit weitem pH-Bereich. Es wird häufig zur Trennung kleiner Moleküle oder zur Trennung bei extremem pH-Wert verwendet. Aufgrund seiner starken elektrischen Eigenschaften denaturiert es jedoch manchmal leicht oder verliert einige empfindliche Biomoleküle lebend. Schwach saure oder schwach alkalische schwache Medien weisen ein breites Spektrum an Selektivität auf und sind nicht einfach, Proteine ​​zu inaktivieren. Daher eignen sie sich grundsätzlich zur Trennung von Makromolekülen wie Proteinen, allerdings ist ihr pH-Bereich eng.
 

3. Auswahl der Partikelgröße:

Die Größe des Trennmediums hat einen erheblichen Einfluss auf die Auflösung und Flussrate der Ionenaustauschchromatographiesäule. Im Allgemeinen hat das Trennmedium eine kleine Partikelgröße und eine hohe Auflösung, aber das Gleichgewichtsion hat eine lange Gleichgewichtszeit und eine langsame Strömungsgeschwindigkeit; Wenn die Partikelgröße groß ist, hat die Säule eine relativ hohe Durchflussrate und einen geringen Druckabfall, aber die Auflösung ist gering und die Belastung ist gering. Daher eignet sich das Trennmedium aus großen Partikeln für eine präparative Trennung im großen Maßstab, die für die Auflösung nicht erforderlich ist, und das Trennmedium aus kleinen Partikeln eignet sich für eine Feintrennung, die eine hohe Auflösung oder eine Verfeinerungsstufe des Produkts erfordert.