第117期連續流層析MCSGP在大麻二酚（CBD）純化的應用

2019年03月07日來源：管理員

大麻二酚（cannabidiol，CBD）可用于治療多種病癥及緩解疼痛。最近，FDA批準了一種高純度CBD制劑（Epidiolex）用于治療癲癇。從大麻植物中提取的CBD粗提物含有大量其它物質，包括精神活性物質四氫大麻酚（tetrahydrocannabinol，THC），由于THC在大多數國家是受管控的，因此純化CBD時必須要求將THC降低至100-1000 ppm。傳統的CBD純化方法，即單柱層析，是以犧牲CBD收率為代價將THC含量降低至該水平的，浪費了大量目標產物。通過Multi-column Counter-current Solvent Gradient Purification（MCSGP，多柱逆流溶劑梯度純化）可有效解決該問題，能夠分離出高純度、高收率、高產量的目標產物，且純化效率顯著優于單柱層析。本文闡述如何從預處理的大麻植物提取物中獲得高純度CBD，并將THC含量降低至要求范圍內。

介紹

在大麻二酚（CBD）的生產中，THC及其它植物性雜質（如蠟質和色素）很難去除，需要經過一系列的預處理和純化步驟，才能從大麻中提取獲得高純度、低THC含量的CBD產品。

從大麻提取物中純化CBD需要進行預處理，包括植物的粉碎、干燥、CO₂提取、脫羧和蒸餾、層析和結晶。為了將大麻相關雜質（主要是THC）降低至100 ppm，必須采用層析方法。提取物中的蠟質和其它雜質會對層析填料造成污染，所以必須在層析之前通過預處理將這些雜質去除干凈。大麻素類物質的水溶性較差，需要采用反相層析進行純化，相關工藝的有機溶劑用量很大。一些雜質與CBD產品出峰有重疊部分，分離具有挑戰性。采用單柱層析，需要在純度和收率之間做出權衡，兩者此消彼長，若要獲得高純度的CBD，通常收率都很低。如何在獲得高純度的產品的同時，保證高收率，是該工藝所面臨的難點。

MCSGP原理

Multi-column Counter-current Solvent Gradient Purification（MCSGP）是采用雙柱進行連續純化，可以解決單柱層析時純度和收率無法同時保證的問題。

采用MCSGP，可將含有不純組分的產品回收再純化，進行循環式的層析操作，從而最大限度地提純產品，使得純度和收率二者兼得。

圖1. 傳統單柱層析（左）：重疊組分被舍棄；MCSGP（右）：重疊組分被在線回收，再次純化。

材料和方法

工藝步驟：大麻是在室內受控環境下生長的，需對大麻進行采摘、干燥、預處理和純化。

圖2. CBD工藝步驟

層析樣品：

層析的上樣樣品是蒸餾液和甲醇的混合物，CBD純度為85.2%，濃度為250 g/L。該結果通過Agilent 1100型高效液相，采用C8反相柱測得，測定波長為230 nm，標準進樣量為10 μL。經測定，上樣樣品中的THC含量為4.8%（48,000 ppm）。

圖3. 上樣樣品分析圖譜

層析純化：

同時采用單柱層析和雙柱MCSGP純化CBD，測定280 nm處紫外吸收值。層析柱內徑10 mm，柱床高度150 mm，柱床體積11.9 mL，裝填介質為C18反相填料。每次上樣體積為0.37 mL。以70% B進行等度洗脫，洗脫流速305 cm/h（即4 mL/min），洗脫時長90 min。洗脫完畢后進行層析柱清洗。所有操作均在室溫（25℃±3℃）進行。該條件下，層析柱的反壓為50 bar。

單柱層析結果

層析過程圖譜見圖4和圖5。分段收集洗脫產物，并進行液相分析（圖5）。

圖4. C18純化CBD過程圖譜，顯示UV280 nm、CBD濃度、THC含量（THC含量在10min左右開始顯著升高）

圖5. 層析過程圖譜局部放大，顯示目標物（CBD）和主要雜質濃度

MCSGP設計

MCSGP采用與單柱工藝相同的層析柱、溶劑及基本工藝參數。

圖6. MCSGP工藝設計流程圖

STEP 1：根據分段收集及液相分析結果，對單柱層析圖譜進行區域劃分設計（圖7）。

圖7. 單柱層析圖譜進行區域劃分設計

A：CBD濃度2.7 g/L（2,000 mAU）時開始進行回收（recycle）；

B：CBD濃度13.3 g/L（10,000 mAU）時開始收集目標產物（product）；

? ? ? ?C：紫外值降低至最大峰值90%時結束收集目標產物，并再次開始回收；

D：6 min后，結束回收。

STEP 2：設定層析柱規格及上樣量。MCSGP所用2根層析柱的規格與單柱層析完全相同。

STEP 3：設定基本工藝參數。MCSGP基本工藝參數與單柱層析完全相同。

STEP 4：設定cycle次數，MCSGP向導軟件自動顯示上樣總量，自動生成StartUP及ShutDown方法。如因環境條件（溫度等）造成出峰漂移等，可選擇開啟MControl過程控制功能，保證工藝穩定性。

MCSGP向導軟件可自動計算回收階段的在線稀參數，并可顯示所需進料的總體積、溶劑和運行時間等。

MCSGP操作

為了優化MCSGP工藝，在不同的操作條件下進行了多次運行，對產品洗脫區和回收區的劃分進行了細微調整，最終確定出最佳條件，并以該條件運行MCSGP。圖8顯示了最終用于CBD純化的MCSGP運行圖譜，總計運行了8個cycle，由圖可見cycle重現性良好。

圖8. MCSGP運行圖譜，總計運行8個cycle。該圖僅顯示柱1的UV變化，藍色

和綠色區域為回收區，位于藍色和綠色之間的紅色區域為目標產物收集區。

圖9. MCSGP各cycle的疊加圖譜

圖9各cycle重疊性良好，表明MCSGP功能運行穩定，各cycle的產率、產品濃度及純度均保持穩定。保留時間和峰形的變化由MControl自動補償，MControl根據紫外線閾值啟動CBD收集，當紫外值降低至最大峰值90%時結束收集。

使用分析液相測定MCSGP每個cycle洗脫產物（2個/cycle，每柱各1個）的純度和產物濃度。圖10顯示，CBD產品的純度大于99.5%。

圖10. MCSGP純化所得CBD液相分析圖譜

單柱層析與MCSGP的對比

從收率、純度、產率、產品濃度和溶劑消耗等方面對單柱層析和雙柱MCSGP進行了計算和比較，MCSGP在各方面均表現出明顯優勢。

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圖11. 純度 - 收率曲線

圖11為單柱層析與MCSGP收率對比圖。已規定最大THC含量為100 ppm，在這一水平，單柱層析的CBD收率僅為52%，而MCSGP的CBD收率為94%，比單柱層析高出80%。

圖12. 純度 - 產率曲線

MCSGP可用于不同工藝要求。如果對目標產品的純度要求并不高，采用MCSGP可使產率進一步提高。比如某企業要求THC含量上限為1000 ppm時，收率水平不得低于85%，用MCSGP代替單柱層析后，產率由原來的8 g/L/h提高到了60 g/L/h以上。而另一工藝情況為，當從單柱層析轉換為MCSGP時，保持產率不變，雜質THC含量可從1000 ppm降低至100 ppm。見圖12純度 - 產率曲線。