机理模型能够简化您的工艺开发项目。该模型可在实验室规模与生产规模之间轻松实现放大与缩小。为了以直接的方式应用基于模型的放大与缩小，您必须了解底层效应的规模依赖性、选择正确的规模进行模型校准，并理解放大如何融入机理建模工作流程。
放大与缩小时哪些效应与规模有关？
不同的物理与热力学效应会在您的层析柱中发生（图 1），这些效应会体现在您的层析图谱中。
流体动力学效应具有规模依赖性
受规模影响的流体动力学效应包括对流、轴向扩散、传质和孔内扩散。
- 对流由泵流量引入，将进样脉冲从柱入口推至出口。
- 轴向扩散发生在颗粒间空隙中，导致峰展宽。
- 传质限制在分子穿过颗粒周围层流边界层时可能引起峰不对称及进一步展宽。
- 孔内扩散与传质效应取决于填料及分子大小。孔内扩散描述分子在颗粒孔道内的扩散行为。
并非所有这些流体动力学效应对每个工艺都同等重要。
由于柱几何、系统死体积和流速在不同规模下不同，流体动力学效应随规模变化。放大层析方法时，通常保持停留时间或线性流速恒定。若保持线性流速不变，轴向扩散将有更多时间来平滑峰形；若保持停留时间不变，较高流速可能导致孔可及性降低，从而出现更多峰拖尾并降低填料利用率。机理建模的一大优势是无需在这两种“折衷”之间做选择，而可通过仿真得出最佳方案。
吸附作用与规模无关
热力学效应不具有规模依赖性。因此，一旦生物分子到达孔内配体，其所发生的吸附作用以及描述分子–配体相互作用的等温线参数都不会随规模变化。吸附模型参数从极小规模（如0.6 mL机械臂小柱）到台式规模，再到生产柱均保持不变。因此，您在台式规模进行的校准实验所得的吸附模型参数可直接转移至大规模实验。
图 1. 层析柱中效应的示意图。
应选择何种规模进行机理模型校准？
在典型的机理层析建模工作流程中，关键步骤之一是模型校准（图 2）。
图 2. 机理建模工作流程，突出校准步骤。
理论上，您可以在任何规模进行模型校准；实际上，由于系统与柱表征能力不同，不同规模的数据质量存在差异。
图 3. 从小规模（左）到大规模（右）模型校准主导不确定性的示意图。
您可使用滤板实验测定等温线，但滤板或机械臂小柱校准无法获得流体动力学效应信息；此时需额外关联式来指定扩散与传质系数（参见2017年HTPD会议报告）。
使用机械臂小柱时，评估装填质量及精确测定轴向扩散较困难，且无法正确监测流量中断，这些均会给校准带来不确定性。
在生产规模，由于不希望向生产系统引入额外物质（如葡聚糖），系统与柱表征并不容易。因此，您需在小规模测定孔隙率、载量、传质限制等填料特性，并外推至生产规模。此外，未知的系统死体积及柱属性批间差异也会引入额外不确定性。故不建议仅用生产规模实验进行模型校准。
若使用台式规模（5–20 mL柱），您可获得最高质量的校准数据。在此规模下，模型校准所需的系统与柱表征参数易于获得，且可高精度外推。总体而言，机理建模中数据质量优于数据数量，因此台式规模是进行校准实验的首选。
in silico放大如何影响模型校准的实验工作量？
基于模型的放大/缩小可减少实验工作量。生物分子的结合行为与规模无关，因此用于基于模型放大/缩小的模型校准流程与单一规模下的工艺优化或表征流程相似。
图 4 展示了从实验室规模放大到中试规模的示例流程。两规模均需进行系统与柱表征实验，但描述分子–配体相互作用的所有参数可通过实验室规模实验获得，然后直接转移至中试规模，无需在中试规模再进行分子实验。
图 4. 基于模型放大的校准工作流程示意图。
为考虑不同规模间的流体动力学效应变化，应尽可能详细地表征系统与柱，以降低模型不确定性。系统表征包括流体动力学组件（系统死体积、管路）以及孔隙率、轴向扩散系数、离子交换层析的离子容量等。由于模型具有机理性质，对于已充分表征的系统，可外推至其他柱尺寸与属性。
机理建模的优势
基于模型的放大方法克服了大规格工艺开发中负载材料需求高的问题。要利用in silico放大与缩小，您需表征并考虑规模依赖性效应。对这些效应的表征将有助于您优化并转移工艺至另一规模、研究工艺稳健性并简化根本原因调查。
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