Proteinreinigung - Entwicklung von Ultrafiltrationsverfahren

Von der Prozessidee bis zum schlüsselfertigen Industrie-Verfahren.

9 Phasen bei der Projektierung Proteinreinigung

Geheimhaltung

Der erste Schritt einer möglichen Zusammenarbeit ist die Unterzeichnung einer beidseitigen Geheimhaltungsvereinbarung (Non-Disclosure Agreement, NDA). In der Regel erstellt der Auftraggeber das Dokument, das anschliessend von Messinger Engineering gegengezeichnet wird.

Anforderungsanalyse

Nach Unterzeichnung des NDAs setzen sich Auftraggeber und Auftragnehmer zusammen, um die Fragestellung (Aufgabenstellung), Ziele, Besonderheiten und Einschränkungen zu besprechen und in einer Anforderungsanalyse zu dokumentieren. Der Auftragnehmer gibt dabei erste Einschätzungen und fachliche Hinweise zu den membrantechnischen Möglichkeiten. Dieses Gespräch ist für den Auftraggeber völlig unverbindlich. Auf Seiten des Auftraggebers werden die projektleitenden Personen sowie die für die Kommunikation zu verwendende Sprache (Englisch oder Deutsch) festgelegt.

Angebotserstellung

Auf Grundlage des Erstgesprächs erstellt der Auftragnehmer (Messinger Engineering) ein Angebot, das die zu erbringenden Leistungen, die Kosten, den Zeitplan sowie den erforderlichen Aufwand auf Seiten des Auftraggebers umfasst. Das Angebot enthält einen Festpreis sowie die Bedingungen für einen möglichen Projektabbruch, falls die angestrebten Ziele nicht erreicht werden können.

Projektplan

Bei Zustimmung zum Angebot, bestätigt durch die Auftragserteilung, erstellt der Auftragnehmer den Verfahrensbeschrieb und Projektplan. Diese Dokumente enthalten alle relevanten Informationen zum zu entwickelnden Verfahren. Insbesondere umfasst der Verfahrensbeschrieb biochemische Daten, Angaben zu den verwendeten Membranen, Prozessparameter, den Systemaufbau, Laborversuche, Skalierungsstrategien (Scaling-up), die Massen- und Energiebilanz des angestrebten Systems sowie eine Kostenschätzung. Der Verfahrensbeschrieb berücksichtigt bereits GMP-, FDA- oder ISO-Anforderungen zukünftiger Prozessvalidierungen.

Prozessmodell

Auf Basis des Verfahrensbeschriebs wird ein Prozessmodell entworfen, das webbasiert ist, eine Datenbank integriert und die Simulation clientseitig ausführt. Zudem werden die erforderlichen Laborversuche zur Absicherung des Prozesses detailliert beschrieben, einschliesslich des erforderlichen Aufwands, des Zeitrahmens und der zu erwartenden Ergebnisse.

Versuche

Die erforderlichen Versuche werden gemäss einem gemeinsam abgestimmten Versuchsplan am Standort des Auftraggebers durchgeführt. Messinger Engineering stellt nach Möglichkeit die benötigten Laboranlagen bereit oder unterstützt, sofern vorhanden, die Fachpersonen des Auftraggebers bei der Nutzung bereits vorhandener Anlagendie Anlagen. Besonderer Wert wird darauf gelegt, dass während der Versuchsdurchführung spezifisches Prozess-Know-how entwickelt und auf den Auftraggeber übertragen wird. Die Analytik erfolgt durch den Auftragnehmer, wobei Art und Umfang der Analysen in Abstimmung mit dem Auftraggeber festgelegt werden.

Kontinuierliche Validierung

Während der gesamten Projektphase werden Informationen kontinuierlich verifiziert, ergänzt und zwischen den Beteiligten ausgetauscht. Diese Aktualisierungen werden fortlaufend im eingangs erwähnten Verfahrensbeschrieb dokumentiert.

Basic Engineering

Parallel dazu wird das webbasierte Prozess- und Systemmodell kontinuierlich angepasst und im Hinblick auf die industrielle Produktion weiter verfeinert (Basic Engineering).

Abschlussbericht

Das Projekt wird mit einem Abschlussbericht abgeschlossen, der alle im Auftrag vereinbarten Zielsetzungen dokumentiert. Darüber hinaus enthält der Bericht in technisch-wissenschaftlich präziser und übersichtlicher Form auch neue Erkenntnisse, die zu Beginn des Projekts noch nicht ersichtlich waren.

Exploratives Engineering

Widersprüche eliminieren, statt an unnötigen Kompromissen arbeiten

Die Herausforderung beim Scaling-up eines Ultrafiltrationsprozesses zur Proteinreinigung liegt in der gezielten Anpassung und Optimierung aller Faktoren, die die Membranleistung, Produktqualität und Prozesskosten bestimmen.

Anstatt über mehr oder weniger zufällige Tastversuche herauszufinden, wie ein Prozess funktionieren soll, schauen wir von Anfang an darauf, wie er bestmöglich funktionieren kann, indem alle Möglichkeiten ermittelt werden.

In der klassischen Ingenieurspraxis werden technische Probleme häufig durch Kompromisse gelöst – mit dem Nachteil, dass eine Verbesserung in einem Bereich oft mit Einbussen in einem anderen einhergeht.

Beispiel: Für die Reinigung eines Proteins wird die Lösung über eine Ultrafiltrationsmembran getrennt.

Der klassische Widerspruch: Eine kleine Porengrösse der UF-Membran hält das Protein zurück, reduziert aber auch die Durchflussrate und kann zu Ausfällungen an und in der Membran führen. Eine grössere Porengrösse erhöht den Durchfluss, erhöht aber auch das Fouling und lässt eventuell Proteinmoleküle durch (was die Ausbeute senkt und zu anderen Problemen führt). Anschliessend an die Konzentrierung erfolgt die Diafiltration (Auswaschen mit Wasser / Puffer). Hier verstärken sich die technischen Widersprüche, weil das zuvor konzentrierte Protein sich durch zu starkes Auswaschen verändern kann (zB Tertiär-Struktur bei Enzymen), Produktverluste auftreten u.a.

Protein oder Peptid?

Ein Protein besteht aus einer oder mehreren Polypeptidketten, die aus Aminosäuren aufgebaut sind. Die untere Grenze für das Molekulargewicht eines Proteins liegt in der Regel bei etwa 5.000 Dalton (5 kDa). Polypeptide mit einem Molekulargewicht unter 5 kDa werden als Peptide bezeichnet. Zur Isolierung, Reinigung und Konzentration eines Peptides aus einer Salzlösung wird die Nanofiltration verwendet. Zur Isolierung, Reinigung und Konzentration eines Proteins aus einer Salzlösung wird die Ultrafiltration verwendet.