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Mehrsäulenchromatographie

Biologika der Zukunft: Mit kontinuierlicher Chromatographie zum Erfolg

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Mehrsäulenchromatographie für kontinuierliche Prozesse

Das Prinzip der kontinuierlichen Prozessführung lässt sich auch in der Chromatographie umsetzen. Eine kontinuierliche Chromatographie kann einerseits als Teil eines durchgehend kontinuierlichen Prozesses eingesetzt werden (s. Abb. 1) oder als kontinuierlicher Prozessschritt in einen Batch-Prozess integriert werden.

Anstelle einer großen Säule, wie in der Batch-Chromatographie üblich, wird in der kontinuierlichen Mehrsäulenchromatographie (Multicolumn-Chromatography, MCC) mit mehreren wesentlich kleineren Säulen gearbeitet. Während der Mehrsäulenchromatographie werden alle Schritte einer Batch-Chromatographie simultan verteilt auf mehreren Säulen durchgeführt.

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Eine der Säulen befindet sich in der primären Beladungszone und wird mit der Proteinlösung beladen. Zur effizienteren Nutzung der Säule wird sie über die im Batch-Prozess erzielte Bindungskapazität hinaus beladen. Diese liegt typischerweise bei etwa 140% der Bindungskapazität in einem Batch-Prozess. Das bei der Überladung durchbrechende Protein wird auf einer zweiten, frischen Säule gebunden, die hinter die Beladungssäule geschaltet wird.

Sobald eine Säule komplett beladen ist, wird sie gewaschen, eluiert, regeneriert und äquilibriert und kann anschließend erneut beladen werden. Die Säulen durchlaufen den Chromatographieprozess wie auf einem Karussell wieder und wieder. Dabei befinden sich stets mindestens zwei der Säulen in der Beladungszone, während die anderen Säulen die Wasch-, Elutions- und Regenerationsschritte durchlaufen (s. Abb. 2).

Vorteile und Nachteile der Mehrsäulenchromatographie

Die größten Vorteile der kontinuierlichen Mehrsäulenchromatographie liegen in der effizienteren Beladung der Sorbentien, der Verkürzung der Kontaktzeit und der besseren spezifischen Produktivität. Mit dem gleichen Einsatz an Sorbens kann die Prozessleistung um 50 bis 80% erhöht werden. Darüber hinaus verringert sich aufgrund der kleineren Säulen der Pufferverbrauch. Der Einsatz von kleinen vorgepackten Säulen macht zudem Edelstahlsäulen und Packsysteme überflüssig und lässt das Packen von Säulen und dessen Validierung entfallen. Mit der Verwendung von Single-Use-Systemen lassen sich zudem Reinigungs- und Spüllösungen sowie Zeit zur Reinigung und Validierung einsparen.

In einfachen Schritten zum kontinuierlichen Prozess

Eine existierende Batch-Chromatographie kann mit einfachen Methoden in eine kontinuierliche Mehrsäulenchromatographie übersetzt werden, ohne dass Sorbens oder Puffersystem angepasst werden müssten. Pall Life Sciences verfügt über eine standardisierte Methode, mit der eine Batch-Chromatographie in zwei simplen Schritten auf einen kontinuierlichen Prozess umgestellt werden kann.

In einem ersten Schritt werden auf einer einzelnen Säule Breakthrough-Kurven mit dem Zielprotein ermittelt. Basierend auf dem Van-Klinkenberg-Modell werden die Kurven anschließend mit einem speziellen Software Tool analysiert und die statische Bindungskapazität und der Massentransferkoeffizient abgeleitet [2]. Erstere zeigt, wie viel Protein maximal gebunden werden kann, während der Massentransferkoeffizient Hinweise auf die nötige Kontaktzeit gibt. Darauf basierend kann in einem zweiten Schritt die Korrelation zwischen Bindungskapazität und Kontaktzeit für das Zielprodukt ermittelt werden. So lässt sich, abhängig von Rahmenbedingungen wie Anzahl der Batches pro Jahr, Kontaktzeit oder Produkttiter ein geeignetes Setting evaluieren.

Das erste skalierbare Single-Use-MCC-System

Das erste Single-Use-System, das die MCC-Technologie nutzt, ist das Cadence-Bio-SMB-System von Pall Life Sciences. Das Prozessentwicklungssystem kann mit bis zu 16 Säulen, das GMP-kompatible Prozesssystem mit bis zu acht Säulen betrieben werden. Die patentierte Single-Use-Ventilkassette erlaubt das einfache Hinzufügen von Säulen, da die notwendigen Verbindungen bereits vollständig in der Kassette vorhanden sind. Zusätzlich erlaubt die Kassette den vollautomatischen Betrieb verschiedener chromatographischer Prozesse wie Affinität, Ionenaustausch Hydrophobe Interaktion oder Größenausschluss.

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