Optimierung der
Proteinpräzipitation
und -trennung durch
hybride Modellierungsansätze
Success Story: Twin4Pharma
Die fraktionierte Proteinpräzipitation aus Blutplasma ist ein entscheidender Schritt in der biopharmazeutischen Herstellung. Eine hohe Produktqualität und eine zuverlässige Proteintrennung zu erreichen, ist jedoch alles andere als trivial. Zahlreiche voneinander abhängige Faktoren, wie Mischdynamik, Scherkräfte und lokale Konzentrationsgradienten, beeinflussen nicht nur die Effizienz der Trennung, sondern auch die strukturelle Integrität der präzipitierten Proteine.
Ein pharmazeutischer Partner trat mit einer klaren Ambition an diese Herausforderung heran: ein optimales Tank- und Rührerdesign in Kombination mit einem optimierten Rührprozess (z. B. Rührgeschwindigkeiten) zu identifizieren, das weltweit an allen Produktionsstandorten für jeden Prozessschritt konsistent umgesetzt werden kann. Die zentralen Anforderungen waren eine robuste Leistungsfähigkeit und die Erhaltung der Proteinqualität.
Wie das RCPE das Tankdesign durch hybride Modellierung voranbringt
Im Rahmen des Twin4Pharma-Moduls trägt das RCPE durch die Entwicklung fortschrittlicher Prozessmodelle bei, die physikalisch basierte Simulationen mit datengetriebenen Methoden kombinieren. Dieser hybride Ansatz ermöglicht es, das Verhalten von Tanks und Rührern in silico zu untersuchen und Korrelationen zwischen Reaktordesign, Rührstrategie und kritischen Produktergebnissen – wie Trennbarkeit, Filtrierbarkeit und Präzipitationsspezifität – herzustellen.
Wesentliche Merkmale
Von der Reaktorkenntnis zur Prozessoptimierung
Unsere Untersuchungen begannen mit einer systematischen Charakterisierung eines Referenzreaktors für einen definierten Prozessschritt. Durch die Bestimmung seiner stationären Bedingungen wurde eine verlässliche Grundlage für weitere Studien geschaffen. Anschließend erweiterten wir die Analyse auf instationäre Betriebszustände, um zu verstehen, wie geometrische Variationen und betriebliche Änderungen die Mischleistung beeinflussen.
Wesentliche Arbeitsschritte umfassten:
Bestimmung der Mischzeiten bei unterschiedlichen Rührerdrehzahlen als Referenzgröße für Homogenität und als wertvolle Grundlage für Scale-up-Betrachtungen.
Vergleichende Bewertung von Zugabestrategien. Die Ergebnisse zeigten deutliche Verbesserungen: Die Mischzeiten konnten um bis zu 35 % reduziert werden, während gleichzeitig Überkonzentrationsspitzen verringert wurden, die sonst die Proteinqualität und -stabilität beeinträchtigen könnten.
Erster Erfolg: Validierung des Ansatzes
Ein frühes und wichtiges Ergebnis des Projekts war die Validierung unserer Modellierungsstrategie als Werkzeug zum Vergleich unterschiedlicher Tankgeometrien und Zugabemethoden des Präzipitationsmittels. Die Simulationen zeigten, dass die Art der Zugabe des Präzipitants ebenso entscheidend ist wie das Reaktordesign selbst.
Eine unkontrollierte lokale Überdosierung des Präzipitationsmittels führt zu unerwünschter Präzipitation und potenzieller Denaturierung der Proteine. Unser hybrider Ansatz zeigte eine klare Präferenz für optimierte Verteilungsstrategien und ermöglichte so eine deutlich verbesserte Prozesskonsistenz und Produktqualität.
Ausblick
Das laufende Projekt bewegt sich nun auf den nächsten Meilenstein zu: die Überführung dieser validierten Erkenntnisse in das Design einer optimalen Tankkonfiguration für die Plasmaproteinpräzipitation. Darüber hinaus wird eine Äquivalenzabbildung zwischen verschiedenen Reaktoren sicherstellen, dass das optimierte Design zuverlässig skaliert und auf globale Produktionsstandorte übertragen werden kann. Dieser Schritt ist entscheidend, da Reproduzierbarkeit über Standorte hinweg nicht nur Effizienz, sondern auch Patientensicherheit gewährleistet.
Wirkung und Perspektiven
Durch die kombinierte Anwendung physikalisch fundierter Prinzipien und moderner datengetriebener Analytik legt das Projekt eine solide Grundlage für die nächste Generation von Plasmafraktionierungsprozessen. Die ersten Ergebnisse zeigen klar, dass Herausforderungen in Bezug auf Präzipitationshomogenität und Proteinqualität systematisch adressiert werden können – und dass verbesserte Designs in greifbare Nähe rücken.
Der langfristige Nutzen besteht darin, weltweit zuverlässigere, effizientere und besser skalierbare Prozesse zu ermöglichen und so sowohl die Qualitätssicherung als auch die Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu stärken.
Kontakt
Dr. Caroline Schober
- +43 676 403 3215
- caroline.schober@rcpe.at
