Entwicklung, Modellierung und Validierung von integrierten kontinuierlichen Gegenstrom-Chromatographie-Prozessen

Die Entwicklung von wirksamen Medikamenten und deren hochreine Herstellung ist ein aufwendiger und teurer Prozess. Um die hohen Kosten für die Forschung und Entwicklung zu amortisieren, lag der Fokus in der Vergangenheit vor allem auf Medikamenten mit großem Absatzmarkt und hohem Gewinnpotential. Die Zahl dieser Blockbuster Produkte ist allerdings in den vergangenen Jahren stark rückläufig. Eine Chance, diesem Problem zu begegnen, ist der im englischen als „stratified medicine“ bezeichnete Ansatz der Verlagerung weg von Blockbuster Produkten für große Bevölkerungsschichten hin zu pharmazeutischen Produkten für kleinere Bevölkerungsgruppen. Dies bedingt geringere Produktionsmengen und damit kleinere Produktionsanlagen. Die bekannten, auf absatzweise betriebener Chromatographie basierenden Herstellverfahren sind jedoch in kleinerem Produktionsmaßstab häufig nicht wirtschaftlich. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Entwicklung, Modellierung und Validierung von integrierten kontinuierlichen Gegenstrom Chromatographie Prozessen. Für die partikuläre Chromatographie wurde zunächst ein der Mehrsäulen Simulated Moving Bed Chromatographie analoger Einsäulenprozess entworfen. Dieser wurde zur „integrated Counter Current Chromatography“ (iCCC) weiterentwickelt. Diese verschaltet zwei im Batch-Prozess vorhandene Chromatographiesäulen zu einem integrierten, kontinuierlichen Prozess. Beide Konzepte wurden zunächst in Simulationsstudien auf ihre Machbarkeit geprüft. Hierfür kam das General Rate Model zum Einsatz. Die iCCC Verschaltung wurde anschließend in experimentellen Studien geprüft. Als industrierelevantes Stoffsystem wurde Immunglobulin G (IgG) aus fermentativer Herstellung verwendet. Verglichen mit dem Batch-Prozess konnte bei gleicher Reinheit die Ausbeute um bis zu 15 %, die Produktivität um bis zu 233 % gesteigert werden. Für die membrangestütze Chromatographie wurden neben der iCCC auch sequentielle Chromatographieverfahren analysiert. Hierzu wurde zunächst ein neuer fluiddynamischer Ansatz der Modellierung entwickelt und validiert. In den ebenfalls mit dem Stoffsystem IgG durchgeführten Simulationsstudien konnten Produktivitätssteigerungen um bis zu 73 % erreicht werden. Ein Hinderungsgrund für die Implementierung kontinuierlicher Chromatographieverfahren ist die hohe Komplexität bei relativ niedrigem Automatisierungsgrad. Dies liegt häufig daran, dass bestehende Prozess Analyse Technologien die Konzentrationsverläufe der Proteinpeaks nicht genau genug abbilden können. Aus diesem Grund wurde eine auf UV/VIS Spektraldaten basierende inline Konzentrationsmessung (ICM) entwickelt und implementiert. In Versuchen mit einem Proteintestgemisch aus Chymotrypsinogen-A, Cytochrom-C und Lysozym konnte eine Genauigkeit der Messung von 99,98 % festgestellt werden. Bekannte Messmethoden lieferten für denselben Versuch Abweichungen von 16,99 % ± 7,01 % bis 21,27 % ± 15,54 %. Angewendet auf die Konzentrationsmessung von IgG Monomer und Dimer wurde ein „root mean square error of prediction“ (RMSEP) von 0,13 mg/l für IgG Monomer und 0,019 mg/l für IgG Dimer gefunden. Das entspricht einem Fehler von weniger als 0,1 %. Auf Grund der sehr geringen Mess- und Verarbeitungszeit von weniger als 100 ms eignet sich diese Methode für die Steuerung, Regelung und Automatisierung der Chromatographieprozesse.