Dokument: Model based process analysis and scale-up in membrane chromatography

Titel:	Model based process analysis and scale-up in membrane chromatography
Weiterer Titel:	Modell basierte Prozessanalyse und Hochskalierung in Membranchromatographie
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=30282
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20140826-143643-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ghosh, Pranay kumar [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,40 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.08.2014 / geändert 11.08.2014
Beitragende:	Prof. Dr. Wolfgang Wiechert [Gutachter] Prof. Dr. Lercher, Martin [Gutachter]
Stichwörter:	Modeling, scale-up, membrane, chromatography, downstream processing, biotechnology
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Membrane chromatography (MC) is gaining wider acceptance in downstream processing of biopharmaceuticals. MC offers the advantage of higher operational flow-rates and thus, provides an attractive alternative to traditionally employed packed bed chromatography. With increased commercial usage, in-depth understanding of different mechanisms within MC capsules is desirable in order to achieve optimum performance. MC capsules are characterized by the sharpness of their breakthrough curves (BTCs). However, BTCs frequently suffer from tailing near the saturation. Furthermore, the degree of tailing differs not only between MC capsules from different vendors but also varies between MC capsules at lab and large scales from the same vendor. A lab scale MC capsule, built as a physical scale-down model of a large scale MC capsule, therefore, cannot be accurately used for optimization of large scale purification process. Hence, mathematical model-based approaches are required for holistic process analysis and scale-up in MC. Several works have been performed in modeling BTC behavior of MC capsules in the past. However, although, the traditionally used modeling approach works in performing stand-alone process analysis in MC on one scale of operation, it completely fails in providing a holistic model based scale-up. Hence, in this work, two advanced modeling approaches, the zonal rate model (ZRM) and the computational fluid dynamics (CFD), are developed for providing model based scale-up in MC capsules. Both modeling approaches have been shown to accurately predict the breakthrough performances of large scale MC capsules as compared to the traditionally used modeling approach. MC capsules exhibit several non-idealities at different scales: Non-ideal hydrodynamics, non-ideal protein adsorption and non-linear scaling, all influencing the shape of measured BTCs. The developed modeling approaches holistically capture these non-idealities and decouple their influence on the observed BTCs. Thus, the developed models are universal in nature and can be applied for rational model-based process design employing MC capsules with different flow configurations, membrane types and scales. Membranchromatographie (MC) Membrane findet in der Aufarbeitung biopharmazeutischer Wirkstoffe zunehmend Akzeptanz. MC bietet den Vorteil höherer Flussraten und ist deshalb eine attraktive Alternative zur traditionell eingesetzten Festbettchromatographie. Mit zunehmender kommerzieller Nutzung wird ein vertieftes Verständnis verschiedener Mechanismen in MC-Kapseln erforderlich, um optimale Prozessperformanz zu erreichen. MC-Kapseln sind durch die Form ihrer Durchbruchskurven (DBK) charakterisiert. Die DBK flachen jedoch oft in der Nähe des Sättigungsbereiches ab. Darüber hinaus unterscheidet sich dieses Abflachen nicht nur zwischen MC-Kapseln verschiedener Hersteller, sondern auch zwischen MC-Kapseln des gleichen Herstellers auf Labor- und Produktions-Skalen. Eine MC-Kapsel auf der Labor-Skala, hergestellt als physikalisches, herunterskaliertes Modell einer MC-Kapsel auf der Produktionsskala, kann daher nicht für eine präzise Optimierung von Aufreinigungsprozessen auf der Produktionsskala verwendet werden. Deshalb werden mathematische, modell-basierte Ansätze für eine holistische Prozessanalyse und Hochskalierung in der Membranchromatographie benötigt. In der Vergangenheit wurden verschiedene Arbeiten zur Modellierung des DBK-Verhaltens von MC-Kapseln durchgeführt. Obwohl der traditionell angewendete Modellierungsansatz funktioniert, um einzelne Prozessanalysen von MC-Kapseln auf ein und derselben Skala durchzuführen, versagt er bei der holistischen, modell-basierten Hochskalierung dennoch vollständig. Deshalb werden in dieser Arbeit zwei weiterentwickelte Modellierungsansätze, das Zonale Ratenmodell (ZRM) und Computational Fluid Dynamics (CFD), für die modellbasierte Hochskalierung von MC-Kapseln eingesetzt. Es wird gezeigt, dass beide Modellierungsansätze die DBK von MC-Kapseln auf der Produktionsskala präzise vorhersagen können, im Gegensatz zum traditionell angewandten Modellierungsansatz. MC-Kapseln auf verschiedenen Skalen weisen unterschiedliche Nichtidealitäten auf, die die Form der gemessenen DBK beeinflussen: Nichtideale Hydrodynamik, nichtideale Proteinadsorption und nichtlineare Skalierung. Die weiterentwickelten Modellierungsansätze erfassen diese Nichtidealitäten und entkoppeln ihren Einfluss auf die beobachteten DKB. Deshalb sind die entwickelten Modelle von universeller Natur und können für eine rationale, modell-basierte Prozessauslegung verwendet werden, unter Verwendung von MC-Kapseln mit verschiedenen Flussschemata, Membrantypen und auf unterschiedlichen Skalen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	26.08.2014
Dateien geändert am:	26.08.2014
Promotionsantrag am:	16.12.2013
Datum der Promotion:	27.05.2014