| dc.contributor.advisor | Vana, Philipp Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Ley, Adrian | |
| dc.date.accessioned | 2019-01-11T10:21:40Z | |
| dc.date.available | 2021-01-06T23:50:02Z | |
| dc.date.issued | 2019-01-11 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-002E-E558-6 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7230 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-7230 | |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 540 | de |
| dc.title | Matrix gestützte Polymernetzwerke für die Anwendung in der konvektiven präparativen Chromatographie | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.title.translated | Matrix based polymer networks for the use in convective preparative chromatography | de |
| dc.contributor.referee | Vana, Philipp Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 2019-01-08 | |
| dc.description.abstractger | Durch die Entwicklungen in der Produktion von Biopharmazeutika und der zunehmend steigenden Nachfrage, aufgrund vermehrter Applikationsgebiete, insbesondere für den Einsatz monoklonaler Antikörper (mAb`s), ist die Aufreinigung (Downstream) dieser Produkte in den letzten Jahren zu einer limitierenden Komponente geworden. Bei der Herstellung solcher Biopharmazeutika (Upstream) konnten erstaunliche Fortschritte in Bezug auf die erreichten Titer erzielt werden, wodurch die Aufreinigung zum teuersten Schritt der gesamten Produktion geworden ist. Üblicherweise werden für die Aufreinigung dieser Produkte chromatographische Verfahren genutzt. Wobei die Affinitätschromatographie im product capture einen wesentlichen Schritt darstellt, da in einer Basisoperation eine Reinheit von bis zu >99 % erreicht werden kann.
Hierbei wird am weitaus häufigsten auf stationäre Phasen in Form von porösen Partikeln zurückgegriffen. Diese haben sich in den letzten Jahrzehnten bewährt, verfügen über hohe spezifische Oberflächen und folglich hohe Proteinbindungskapazitäten. Die immer weiter steigende Nachfrage und die Fortschritte im Upstream lassen diese Technologie allerdings sowohl physiko-chemisch, als auch apparativ, an ihre Grenzen stoßen.
Die Entwicklung alternativer stationärer Phasen ist somit ein wesentlicher Weg dieser technischen Limitierung zu entgehen und die Chromatographie als Basisoperation im Downstream rentabler zu machen.
In dieser Arbeit werden zwei Verfahren zur Herstellung solcher alternativer stationärer Phasen vorgestellt und diese auf ihre physiko-chemischen Eigenschaften sowie auf ihre Verwendung im product capture Schritt hin untersucht.
Dabei kann gezeigt werden, dass eine Modifizierung von Zellulosemembranen mit globulären Polymernetzwerkstrukturen über eine verdünnte Fällungspolymerisation zu einer Steigerung der spezifischen Oberfläche und gleichzeitiger Funktionalisierung solcher Membranen führt. Die Morphologie der globulären Polymernetzwerkstrukturen ist im Wesentlichen entscheidend für die spätere Leistung solcher modifizierten Membranen. Es wird gezeigt, dass die Morphologie über die Zusammensetzung der Polymerisationslösung steuerbar ist. Des Weiteren kann der Einfluss der Ausgangsmembran gezeigt werden. Die Optimierung dieser Eigenschaften, hin zu einer besonders hohen Proteinbindungskapazität bei hohen Permeabilitäten, ergibt, im Vergleich zur unmodifizierten Membran, eine Steigerung der Proteinbindungskapazität um ca. 50 %, während die Permeabilität um lediglich ca. 20 % verringert wird.
Die Herstellung von Membranadsorbern aus Polysaccharid basierten Polymernetzwerken eröffnet hingegen die Möglichkeit die Vorteile von porösen Partikeln, die hohe Oberfläche und damit auch die hohe Proteinbindungskapzität sowie die Vorteile der Membranadsorber, den schnellen Massentransfer, zu kombinieren. Hierbei wird insbesondere die Struktur des Polysaccharid basierten Membranadsorbers untersucht. Es wird gezeigt, dass die entstandenen flow-through Poren im Polysaccharid die Eigenschaften dynamische Proteinbindung und Permeabilität maßgeblich beeinflussen. Durch die Struktur der flow-through Poren im Polysaccharid Membranadsorber ist ein schneller Massentransfer in- und aus dem Meso- bzw. Makroporösen Polysaccharidnetzwerk möglich, welcher zu hohen Proteinbindungen bei hohen Permeabilitäten führt.
Durch die Entkopplung der flow-through Porengröße von der spezifischen Oberfläche bzw. der Proteinbindungskapazität ist die sogenannte trade-off Kurve für Membranen bei diesem neu entwickelten Membranadsorber nicht mehr gültig.
In einem theoretischen product capture Schritt ist zudem dargestellt, dass die Produktivität beider Prototypen signifikant oberhalb der eines chromatographischen Mediums aus porösen Partikeln liegt. In diesem theoretischen Beispiel können Steigerungen der Produktivität (g mAb pro h Prozesszeit) um den Faktor 2,5 (Prototyp Kapitel I, mit Polymernetzwerk modifizierte Membran) bzw. um den Faktor 6,9 (Prototyp Kapitel II, makro- & mesoporöser Polysaccharid Membranadsorber) erzielt werden.
Abschließend wird eine neuartige Methode zur Charakterisierung makroporöser Membranen am Beispiel einer lateral-flow Membran beschrieben, welche innerhalb dieser Arbeit auch auf die Polysaccharid Membranadsorber angewendet wird. Die Entwicklung dieser Methode ist für Membranmaterialien, die in getrocknetem bzw. mit Lösungsmittel benetztem Zustand ihre strukturellen Eigenschaften ändern, notwendig. Herkömmliche Methoden arbeiten fast ausschließlich mit getrockneten Proben. Membranen, die für die Aufreinigung von Biopharmazeutika konzipiert sind, sind häufig mit wässrigen Lösungen benetzt. Somit ist eine Methode, welche die Struktureigenschaften auch in benetztem Zustand charakterisieren kann notwendig, um die Struktur der Membran unter applikationsrelevanten Bedingungen zu verstehen. Die Methode baut auf dreidimensionalen Rekonstruktionen der Membranstruktur auf, die durch die Verwendung von Confocal-Laser-Scanning Mikroskopie und Bildbearbeitungsverfahren erhalten werden. Die daran anschließende, computergestützte Bildauswertung ist in Zusammenarbeit mit dem KIT (Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Materialien), innerhalb der dort entwickelten Simulationsumgebung PACE3D, realisiert worden. Es wird gezeigt, dass mithilfe dieser Methode vergleichbare Ergebnisse zu herkömmlichen Methoden erzielt werden, diese allerdings, aufgrund des dreidimensionalen Charakters der Methode, auch lokal und in jede Raumrichtung auswertbar sind. | de |
| dc.description.abstracteng | Due to developments in the production of biopharmaceuticals and the increasing demand, due to increased application areas, especially for the use of monoclonal antibodies (mAb's), the downstream of these products have become a limiting component. In the production of such biopharmaceuticals (upstream), astonishing progress has been made in terms of the titers achieved, making purification the most expensive step of the entire production. Chromatographic methods are usually used to purify these products. Affinity chromatography in product capture is an essential step, as a purity of up to > 99% can be achieved in a basic operation.
By far the most common stationary phases therefore are porous particles. These have proven their worth in recent decades, with high specific surfaces and consequently high protein binding capacities. However, the ever increasing demand and progress in the upstream are pushing this technology to its limits, both physico-chemically and apparatus.
The development of alternative stationary phases is thus an essential way to escape this technical limitation and to make chromatography more profitable as a basic operation in the downstream.
In this work, two methods for the production of such alternative stationary phases are presented and these are examined for their physico-chemical properties as well as for their use in product capture step. It can be shown that modifying cellulose membranes with globular polymer network structures via diluted precipitation polymerization leads to an increase in the specific surface and simultaneous functionalization of such membranes . The morphology of globular polymer network structures is essentially critical to the later performance of such modified membranes. Morphology is shown to be controllable on the composition of the polymerization solution. Furthermore, the influence of the membrane itself can be shown. The optimization of these properties, towards a particularly high protein binding capacity with high permeability, results in an increase in protein binding capacity of about 50% compared to the unmodified membrane, while permeability is reduced only about 20%.
The production of membrane adsorbers made of polysaccharide based polymer networks, on the other hand, opens up the possibility to combine the advantages of porous particles, the high surface area and thus also the high protein binding capacitality as well as the advantages of membrane adsorbers, the fast mass transfer. In particular, the structure of the polysaccharide based membrane adsorber is examined. It is shown that the resulting flow-through pores in the polysaccharide significantly influence the properties of dynamic protein binding and permeability. Due to the structure of the flow-through pores in the polysaccharide membrane adsorber, a rapid mass transfer in and out of the meso or macroporous polysaccharide network is possible, which leads to high protein bonds with high permeability. Due to the decoupling of the flow-through pore size from the specific surface or the protein binding capacity, the so-called trade-off curve for membranes is no longer valid for this newly developed membrane adsorbers.
In a theoretical product capture step it is also shown that the productivity of both prototypes is significantly higher than that of a chromatographic medium of porous particles. In this theoretical example, increases in productivity (g mAb per h process time) of factor of 2.5 (prototype Chapter I, polymer-modified membrane) or by a factor of 6.9 (prototype Chapter II, macro & mesoporous polysaccharide membrane adsorber) can be shown.
Finally, a novel method for characterizing macroporous membranes is described using the example of a lateral-flow membrane, which is also applied to the polysaccharide membrane adsorbers within this work. The development of this method is necessary for membrane materials that change their structural properties in a dried or solve-wetted state. Conventional methods work almost exclusively with dried samples. Membranes designed to purify biopharmaceuticals are often water wetted. Thus, a method that can characterize the structural properties even in wetted condition is necessary to understand the structure of the membrane under application relevant conditions. The method builds on three-dimensional reconstructions of the membrane structure obtained through the use of confocal laser scanning microscopy and image editing techniques. The subsequent computer-aided image analysis was carried out in collaboration with KIT (Karlsruhe Institute of Technology, Institute of Applied Materials), within the PACE3D simulation environment developed there. It is shown that comparable results to conventional methods are obtained using this method, but they can also be evaluated locally and in any direction of space due to the three-dimensional nature of the method. | de |
| dc.contributor.coReferee | Steinem, Claudia Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | Chromatographie, Membran, Affinitätschromatographie | de |
| dc.subject.eng | Chromatography, Membrane, Affinity Chromatography | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-002E-E558-6-7 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Chemie | de |
| dc.subject.gokfull | Chemie (PPN62138352X) | de |
| dc.description.embargoed | 2021-01-06 | |
| dc.identifier.ppn | 1046253859 | |