疏水相互作用色谱(SWAC)等温线结合盐依赖性水活性提升蛋白质洗脱曲线的模型预测精度

本研究针对疏水相互作用色谱(HIC)中蛋白质结合机制复杂、现有等温线模型预测不准确的问题，开发了新型盐依赖性水活性(SWA)等温线模型。通过整合水分子释放机制与盐浓度效应，该模型在计算机模拟和实验数据中消除了不合理预测，使洗脱峰位置、高度和偏度的预测精度平均提高2.8倍（最高达5.6倍），并成功集成至CADET模拟平台，为生物制药纯化工艺优化提供了可靠工具。

　　

在生物制药领域，疏水相互作用色谱(HIC)因其与离子交换色谱(IEC)的正交选择性而成为关键纯化技术。然而，由于水分子释放、盐浓度变化等复杂机制，传统HIC等温线模型常产生反直觉预测——例如降低盐浓度反而增强蛋白质结合，或洗脱峰位置随样品浓度剧烈偏移。这些缺陷严重限制了模型在工艺开发中的指导价值。

为解决这一难题，研究人员通过系统分析现有水分子处理机制，发现问题的根源在于将释放的水分子活性与固定相蛋白浓度(q)错误关联。基于热力学原理，研究团队创新性地提出盐依赖性水活性(SWA)模型，将水分子活性与流动相环境直接关联。该模型通过引入盐浓度依赖的渗透系数Φ_NaCl
和水摩尔质量M_W
，建立了更符合物理实际的平衡关系式。

研究采用多维度验证策略：首先通过计算机模拟批量吸附数据，证明SWA模型消除了WHS等温线在低蛋白浓度下的异常结合现象；随后利用牛血清白蛋白(BSA)和溶菌酶的实验数据，证实其洗脱曲线预测误差显著降低。特别值得注意的是，模型成功预测了不同梯度长度(5-120CV)下的洗脱行为，且不受浓度单位选择的影响——这是WHS模型无法实现的特性。

关键技术方法包括：1) 基于CADET-Core v4.4.0构建色谱动力学模型；2) 采用U_NSGA3遗传算法进行等温线参数优化；3) 使用?kta pure 25系统进行梯度洗脱实验验证；4) 通过五次多项式插值处理渗透系数数据。实验样本包括Butyl Sepharose 4 FF、Phenyl Sepharose 6 FF等三种树脂，在pH 6.0-8.0范围内测试了BSA和溶菌酶的洗脱特性。

4.1 水分子处理机制的突破
研究发现传统WHS等温线将水活性与q^nβ
关联导致根本性缺陷：当q>1 mol/m³
时，盐浓度增加反而强化结合作用。SWA模型通过ln(a_W
)=-2Φ_NaCl
M_W
c_s
重新定义水活性，解决了这一矛盾。

4.3 统一等温线框架的开发
建立的统一(UNI)等温线整合了Mollerup、Deitcher和SWA模型的优势参数，可灵活切换为简化形式。扩展版本还引入pH效应参数k_a,lin,i
和n_lin,i
，适用于多组分体系。

4.4 性能验证
在溶菌酶/Butyl Sepharose体系，SWA模型使洗脱峰位置预测误差降低82%。对BSA体系，虽然所有模型都难以完美拟合拖尾峰，但SWA仍保持最优的R²
=0.983。

这项研究通过物理化学原理的创新应用，解决了HIC建模领域长期存在的尺度敏感性问题。SWA等温线不仅显著提升预测精度，其CADET实现更为工业界提供了即用的模拟工具。未来通过引入温度、多盐种等扩展参数，该框架有望成为生物工艺数字孪生的核心组件。论文成果发表于《Journal of Chromatography A》，为质量源于设计(QbD)理念的实践提供了关键技术支撑。