Modeling the chromatographic separations of proteins at manufacturing scale is important since downstream processing costs are often dominant. At such scales, the columns are highly overloaded heightening the challenge of predicting performance. In this work, the separation of a monoclonal antibody monomer-dimer mixture is conducted by gradient elution chromatography with ceramic hydroxyapatite (CHT) columns Type I and Type II under overloaded conditions. Phosphate gradients are shown to be preferable over sodium chloride gradients since the latter result in undesirable pH transitions generated within the column itself. Using sodium phosphate gradients separation is obtained with both CHT types, achieving approximately 90% recovery at 99% monomer purity starting with a mixture containing 30% dimer at total protein loads up to 30 mg/mL. Because of its higher binding capacity, even higher loadings can be obtained with CHT Type I without monomer breakthrough. A hybrid model is developed to describe the separation. The model, based on an empirical description of two-component, competitive isotherms at low sodium phosphate concentration coupled with the stoichiometric displacement model at higher sodium phosphate concentrations, is in good agreement with the experiments using the linear driving force (LDF) approximation to describe adsorption/desorption kinetics. The same LDF rate coefficient predicts the separation at loadings between 0.8 and 30 mg/mL. The model developed in this work can be used as a general tool to optimize operating conditions, understand what factors limit performance, and compare different operating modes.

在生产规模上对蛋白质的色谱分离进行建模非常重要，因为下游加工成本通常占主导地位。在这样的规模下，色谱柱极度超载，这给预测性能带来了挑战。在这项工作中，单克隆抗体单体-二聚体混合物的分离是通过梯度洗脱色谱法在超载条件下用陶瓷羟基磷灰石（CHT）I型和II型色谱柱进行的。磷酸盐梯度显示出比氯化钠梯度更好，因为后者会导致色谱柱本身产生不希望的pH跃迁。两种CHT类型均使用磷酸钠梯度分离，从总蛋白负载量高达30 mg / mL的含30％二聚体的混合物开始，在99％单体纯度下可实现约90％的回收率。由于其较高的结合能力，使用I型CHT可以获得更高的负载量，而不会发生单体穿透。开发了一个混合模型来描述分离。该模型基于两组分竞争性等温线在低磷酸钠浓度下的经验描述，以及在较高磷酸钠浓度下的化学计量位移模型，与使用线性驱动力（LDF）近似描述的实验非常吻合吸附/解吸动力学。相同的LDF速率系数可预测在0.8至30 mg / mL的负载量下分离。这项工作中开发的模型可以用作优化运行条件，了解哪些因素会限制性能以及比较不同的运行模式的通用工具。使用I型CHT，即使没有单体突破也可以获得更高的负载量。开发了一个混合模型来描述分离。该模型基于对两组分，低磷酸钠浓度下竞争性等温线的经验描述，以及较高磷酸钠浓度下的化学计量位移模型，与使用线性驱动力（LDF）近似进行描述的实验非常吻合吸附/解吸动力学。相同的LDF速率系数可预测在0.8至30 mg / mL的负载量下分离。这项工作中开发的模型可以用作优化运行条件，了解哪些因素会限制性能以及比较不同的运行模式的通用工具。使用I型CHT，即使没有单体突破也可以获得更高的负载量。开发了一个混合模型来描述分离。该模型基于对两组分，低磷酸钠浓度下竞争性等温线的经验描述，以及较高磷酸钠浓度下的化学计量位移模型，与使用线性驱动力（LDF）近似进行描述的实验非常吻合吸附/解吸动力学。相同的LDF速率系数可预测在0.8至30 mg / mL的负载量下分离。这项工作中开发的模型可以用作优化运行条件，了解哪些因素会限制性能以及比较不同的运行模式的通用工具。开发了一个混合模型来描述分离。该模型基于两组分竞争性等温线在低磷酸钠浓度下的经验描述，以及在较高磷酸钠浓度下的化学计量位移模型，与使用线性驱动力（LDF）近似描述的实验非常吻合吸附/解吸动力学。相同的LDF速率系数可预测在0.8至30 mg / mL的负载量下分离。这项工作中开发的模型可以用作优化运行条件，了解哪些因素会限制性能以及比较不同的运行模式的通用工具。开发了一个混合模型来描述分离。该模型基于对两组分，低磷酸钠浓度下竞争性等温线的经验描述，以及较高磷酸钠浓度下的化学计量位移模型，与使用线性驱动力（LDF）近似进行描述的实验非常吻合吸附/解吸动力学。相同的LDF速率系数可预测在0.8至30 mg / mL的负载量下分离。这项工作中开发的模型可以用作优化运行条件，了解哪些因素会限制性能以及比较不同的运行模式的通用工具。低磷酸钠浓度下具有竞争性的等温线，以及较高磷酸钠浓度下的化学计量的位移模型，与使用线性驱动力（LDF）近似描述吸附/解吸动力学的实验非常吻合。相同的LDF速率系数可预测在0.8至30 mg / mL的负载量下分离。这项工作中开发的模型可以用作优化运行条件，了解哪些因素会限制性能以及比较不同的运行模式的通用工具。低磷酸钠浓度下具有竞争性的等温线以及较高磷酸钠浓度下的化学计量位移模型与使用线性驱动力（LDF）近似描述吸附/解吸动力学的实验吻合良好。相同的LDF速率系数可预测在0.8至30 mg / mL的负载量下分离。这项工作中开发的模型可以用作优化运行条件，了解哪些因素会限制性能以及比较不同的运行模式的通用工具。