Purification of pharmaceuticals and nutraceutical compounds by sub- and supercritical extraction and chromatography

Abstract

This thesis discusses the use of sub- and supercritical fluids as the medium in extraction and chromatography.

Super- and subcritical extraction was used to separate essential oils from herbal plant Angelica archangelica. The effect of extraction parameters was studied and sensory analyses of the extracts were done by an expert panel. The results of the sensory analyses were compared to the analytically determined contents of the extracts.

Sub- and supercritical fluid chromatography (SFC) was used to separate and purify high-value pharmaceuticals. Chiral SFC was used to separate the enantiomers of racemic mixtures of pharmaceutical compounds. Very low (cryogenic) temperatures were applied to substantially enhance the separation efficiency of chiral SFC. The thermodynamic aspects affecting the resolving ability of chiral stationary phases are briefly reviewed.

The process production rate which is a key factor in industrial chromatography was optimized by empirical multivariate methods. General linear model was used to optimize the separation of omega-3 fatty acid ethyl esters from esterized fish oil by using reversed-phase SFC. Chiral separation of racemic mixtures of guaifenesin and ferulic acid dimer ethyl ester was optimized by using response surface method with three variables per time. It was found that by optimizing four variables (temperature, load, flowate and modifier content) the production rate of the chiral resolution of racemic guaifenesin by cryogenic SFC could be increased severalfold compared to published results of similar application.

A novel pressure-compensated design of industrial high pressure chromatographic column was introduced, using the technology developed in building the deep-sea submersibles (Mir 1 and 2). A demonstration SFC plant was built and the immunosuppressant drug cyclosporine A was purified to meet the requirements of US Pharmacopoeia. A smaller semi-pilot size column with similar design was used for cryogenic chiral separation of aromatase inhibitor Finrozole for use in its development phase 2.

Ylikriittinen teknologia mahdollistaa ympäristöystävällisten liuottimien, kuten hiilidioksidin käytön lääkeaineiden ja terveysvaikutteisten aineiden tuotannossa. Toisin kuin monet orgaaniset liuottimet, korkeapaineinen hiilidioksidi on hinnaltaan edullinen, myrkytön, palamaton ja ennen kaikkea helposti kierrätettävissä. Tämä väitöskirja keskittyy korkeapainehiilidioksidin käyttöön uutto- ja kromatografialiuottimena arvokomponenttien erotuksessa. Hiilidioksidia voidaan käyttää sellaisenaan lipofiilisten yhdisteiden kuten haihtuvaöljyjen, rasvahappomonoestereiden tai triglyseridien prosessoinnissa. Sen ominaisuuksia voidaan helposti muokata, lisäämällä siihen alkoholeja, mikä tekee hiilidioksidista liuotuskykyisen monille lääkeaineille.

Korkeapainehiilidioksidi on hyvä liuotin, mm. Väinönputken (Angelica), katajanmarjan ja pomeranssinkuoriöljyjen uutossa. Sitä on käytetty myös kolesterolin poistoon mm. meijerituotteista ja munankeltuaisjauheesta. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan uutto-olosuhteiden vaikutusta Väinönputkesta uutetun juuriesanssin laatuun.

Vaitöskirjassa käsitellään myös yli- ja alikriittisen hiilidioksidin käyttöä korkeapainekromatografian liikkuvana faasina, joko sellaisenaan tai alkoholimodifioituna. Silika- ja C18-käänteisfaaseilla erotettiin syklosporiineja (hylkimisen estoaineita elinsiirroissa) ja omega-3 rasvahappojen monoestereitä, vastaavasti. Kiraalisia eli epäsymmetrisiä molekyylejä erotettiin peilikuvaisomeereistansa käyttäen kiraalisia stationäärifaaseja ja eluenttina nestemäistä hiilidioksidia hyvin kylmissä olossa. Prosessien ajo-olosuhteiden optimointiin kehitettiin empiirinen tilastollinen menetelmä, joilla laskennalliset tuotantonopeudet saatiin maksimoitua.

Työssä kehitettiin myös rakenteeltaan täysin uusi painekompensoitu korkeapainekolonni, käyttäen hyväksi Suomessa kehitettyjen syvänmeren sukelluslaitteiden (Mir 1 ja 2) rakentamisessa saavutettua teknologiaa. Näiden kolonnien ympärille rakennettiin koetehdasmittainen kromatografiaprosessi bioteknisesti tuotettujen syklosporiinien erottamiseksi.