Material Design Strategie für chromatographische Trennschritte in der Aufreinigung biotechnologischer Produkte

In der vorliegenden Arbeit wurde eine allgemeine Vorgehensweise zum Material Design für den Bereich der Aufreinigung biotechnologischer Produkte mittels chromatographischer Trennschritte entwickelt. Da diese Aufgabe nur unter Ausnutzung des vollen Optimierungspotentials aller beteiligten Parameter gelöst werden kann, ist ein Lösungsansatz entwickelt worden, der die Integration von Verfahrensentwicklung und Materialentwicklung realisiert. Der entwickelte Lösungsansatz umfasst folgende Punkte: . Entwicklung einer Korrelationsgleichung, die den Zusammenhang zwischen der Ligandendichte und der maximalen Bindungskapazität beschreibt. . Erweiterung der Gleichung zur Berechnung des effektiven Diffusionskoeffizienten, um den Einfluss der Poren- und Komponentengröße zu berücksichtigen. . Erarbeitung von radialen lokalen Verteilungsgleichungen, um die Unregelmäßigkeiten der Porengröße, der Porosität und der Ligandendichte zu beschreiben. . Implementierung der entwickelten Korrelationsgleichungen und der erarbeiteten Verteilungsgleichungen in das existierende General Rate Model, um ein Material Design Model als Auslegungstool zu generieren. Im Rahmen von Simulationsstudien wurden mit dem Model virtuelle Experimente mit fünf verschiedenen Ausgangslösungen durchgeführt, um den Einfluss von Strukturparametern (Porengröße, Ligandendichte und Porosität) auf die dynamische Bindungskapazität und auf die Ausbeute und Reinheit zu analysieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die radialen Verteilungen der untersuchten Strukturparameter erhebliche Auswirkungen auf die Trennleistung aufweisen. Für zwei Ausgangslösungen zeigen die stationären Phasen mit unverteilten Strukturparametern die optimalen Ausbeuten und Reinheiten. Da bei zwei weiteren Ausgangslösungen die stationären Phasen mit verteilten Strukturparametern zu besseren Ausbeuten und Reinheiten geführt haben, konnte die Simulation jedoch zeigen, dass diese Auswirkungen je nach Trennsystem ausgenutzt werden können, um bessere Trennleistungen zu erzielen. Die entwickelte Korrelationsgleichung, die den Einfluss der Ligandendichte auf die maximale Bindungskapazität des Adsorptionsgleichgewichts beschreibt, wurde mit experimentellen Daten validiert, und zeigt, dass die Ligandendichte ein Optimierungsparameter ist. Das Optimum wird durch eine von der Zielkomponente abhängigen definierten Ligandenzugänglichkeit und einem Ligandennutzungsgrad festgelegt. Das Material Design Model kann als modellbasiertes Auslegungstool verwendet werden, um den Aufwand der Synthese zu minimieren, oder um die Simulationsergebnisse als Basis für die Festlegung der Syntheseparameter zu nutzen.