Herstellung und Charakterisierung von Polymernetzwerken im Kontext der präparativen Membranchromatographie
Preparation and characterization of polymer networks in the context of preparative membrane chromatography
von Stella Weber
Datum der mündl. Prüfung:2022-02-22
Erschienen:2022-03-04
Betreuer:Prof. Dr. Philipp Vana
Gutachter:Prof. Dr. Philipp Vana
Gutachter:Prof. Dr. Andreas Janshoff
Zum Verlinken/Zitieren:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9097
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Format:PDF
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Zusammenfassung
Englisch
Preparative chromatography is an essential part in the industrial purification of biopharmaceuticals and thus allows the targeted therapy of severe diseases like cancer, multiple sclerosis or rheumatism. It enables the separation of target molecules from cell cultures with high degree of purity and yield. Typically, porous beads are used as stationary phase which exhibit large limitations in mass transport by what processes become inefficient and expensive. In contrast, convective chromatographic media allow fast purification, like e.g. membrane adsorbers, which are however limited in their binding capacity. In the present work, a multimodal (mixed-mode) membrane was developed that, due to its structure, exhibits considerably higher to equivalent binding capacities at much shorter processing times in comparison to state of the art materials. For a targeted development of the performance-determining structure, the raw material agarose as well as the membrane-formation-process were investigated systematically to identify essential controlling parameters. The diameter of the pores in the nanometer scale accessible by diffusion was adjustable by the agarose concentration in the emulsion process. The organic phase, consisting of an organic solvent and at least one surfactant, formed pores in the micrometer scale which are responsible for the convective flux through the membrane. It was shown that a minimum amount of surfactant was necessary for obtaining a bicontinous structure and that this critical concentration was depending on the applied organic solvent. An increase of surfactant concentration lead to larger convective pores along with an increase in the membrane’s permeability. Moreover, the ratio of pore and bridge diameters could be controlled by the volumetric amount of organic phase so that the diffusive pathlength and thus the accessibility of the stationary phase was specifically regulated. Eventually, N-Benzyl-N-methylethanolamine was immobilized on the membrane surface as a multimodal ligand and the chromatographic membrane performance was studied with γ-globulin as a model protein. In doing so, almost triple binding capacities resulted from the membrane in comparison to the beads at up to 95% shorter processing times under identical buffer conditions. Therefore, it was shown that a membrane structure, which allows an adequate convective and at the same time diffusive mass transport, represents a suitable approach to significantly increase the overall productivity in preparative mixed-mode chromatography via shorter separation times and simultaneously high binding capacities and thus to reduce incidental processing costs.
Keywords: membrane chromatography; preparative chromatography; mixed-mode chromatography
Deutsch
Die präparative Chromatographie ist ein essentieller Bestandteil zur industriellen Aufreinigung von Biopharmazeutika und ermöglicht damit die gezielte Therapie von schwerwiegenden Krankheiten wie Krebs, Multiple Sklerose oder Rheuma. Sie dient der Auftrennung von Zielmolekülen aus Zellkulturen mit hohem Reinheitsgrad und hoher Ausbeute. Dazu werden üblicherweise poröse Beads als stationäre Phase verwendet, welche jedoch starke Limitierungen im Massentransport aufweisen, wodurch Prozesse ineffizient und teuer werden. Dem gegenüber stehen konvektive chromatographische Medien, wie z.B. Membranadsorber, die schnelle Auftrennungsgeschwindigkeiten zulassen, jedoch in ihrer Bindungskapazität limitiert sind. In der vorliegenden Arbeit wurde eine multimodale (Mixed-Mode) Membran entwickelt, die aufgrund ihrer Struktur im Vergleich zu State of the Art Materialien deutlich höhere bis gleichwertige Bindungskapazitäten bei zugleich stark verkürzten Prozesszeiten aufweist. Für die gezielte Entwicklung der leistungsbestimmenden Struktur wurde sowohl das Ausgangsmaterial Agarose als auch der Membranbildungsprozess systematisch untersucht, um essentielle Steuerparameter zu identifizieren. Die Größe der diffusiven Poren im Nanometer-Bereich ließ sich dabei über die Agarosekonzentration im Emulsionsprozess einstellen. Die organische Phase, bestehend aus einem Lösungsmittel und mindestens einem Tensid, bildete Poren im Mikrometer-Bereich, die für den konvektiven Fluss durch die Membran verantwortlich sind. Es konnte gezeigt werden, dass eine Mindestmenge Tensid zum Erhalt einer bikontinuierlichen Struktur nötig war und dass diese kritische Konzentration abhängig vom verwendeten organischen Lösungsmittel ist. Eine Zunahme der Tensidkonzentration führte zu einer Vergrößerung der konvektiven Poren, einhergehend mit einer steigenden Permeabilität der Membran. Zudem konnte das Verhältnis aus Poren- und Stegdurchmessern über die volumetrische Menge organischer Phase eingestellt und die diffusive Weglänge und damit die Erreichbarkeit der stationären Phase gezielt gesteuert werden. Schließlich wurde N-Benzyl-N-Methylethanolamin als multimodaler Ligand auf der Membranoberfläche immobilisiert und die chromatographische Leistungsfähigkeit der Membran mit γ-Globulin als Modellprotein analysiert. Dabei resultierten nahezu dreifache Bindungskapazitäten der Membran im Vergleich zu den unter identischen Bedingungen vermessenen Beads bei bis zu 95% kürzeren Prozesszeiten. Anhand dessen konnte gezeigt werden, dass eine Membranstruktur, die einen ausreichend hohen konvektiven und gleichzeitig diffusiven Stofftransport ermöglicht, eine geeignete Herangehensweise darstellt, die allgemeine Produktivität in der präparativen Mixed-Mode Chromatographie durch kürzere Trennzeiten und gleichzeitig hohen Bindungskapazitäten bedeutend zu steigern und somit u.a. entstehende Prozesskosten zu verringern.
Schlagwörter: Membranchromatographie; präparative Chromatographie; Mixed-Mode Chromatographie