Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik

Kristallbruch mechanisch labiler Proteinkristalle in der Mechanischen Flüssigkeitsabtrennung

Projektbeschreibung

Die Bedeutung von biotechnologisch hergestellten Proteinen nahm in den letzten Jahren vor allem für die pharmazeutische Industrie stetig zu. Standardmäßig werden für die Separation, Waschung und Aufkonzentrierung im Downstream-Bereich Chromatographieverfahren eingesetzt. Diese sind allerdings mit den geforderten hohen Titern kaum noch wirtschaftlich betreibbar. Daher findet eine intensive Forschung an neuen Aufarbeitungsmethoden statt. Eine alternative Methode Proteine aufzureinigen und zu konzentrieren ist die Kristallisation. Die geringe mechanische Stabilität der Proteinkristalle stellt die Abtrenntechnik jedoch vor neue Aufgaben. Die Herausforderung besteht darin, den Kristallbruch und dessen Einfluss auf die Eigenschaften eines sich ausbildenden Haufwerks aus Kristallen schon mit geringen Produktmengen zu ermitteln. Dies bietet ein erhebliches Einsparpotential in der Entwicklung der Aufreinigung eines Biopharmazeutikums. Daher ist es ein wesentliches Ziel dieses Forschungsvorhabens, Methoden zu entwickeln, um mit geringen Produktmengen den Einfluss von Kristallbruch auf die mechanische Flüssigkeitsabtrennung bestimmen zu können.

 

Rekonstruierte und segmentierte MicrocomputertomographieDie Mikrocomputertomographie (µCT) ermöglicht es Filterkuchen aus Lysozymkristallen zu analysieren. Nach der Probenvorbereitung und der Vermessung im Zeiss XRadia 520 Versa Computertomograph erfolgt die Auswertung des rekonstruierten Datensatzes mit der 3D Bildbearbeitungssoftware Avizo. Mit dem Tomographen sind Auflösungen bis 700nm und Voxelgrößen bis 70 nm erreichbar. Dies setzt jedoch eine optimal geeignete Probe voraus. Bei biologischen Materialen sind diese Auflösungen oft nicht zu erreichen. Die Herausforderung bei der Auswertung besteht darin, den Datensatz zu reduzieren und die Kristalle von dem Hintergrund zu trennen. Anschließend erfolgt die Vermessung der Kristalle nach Volumen und Kristalldurchmesser.

 

 

Zur Analyse der Filtration kommt eine 3D gedruckte Filtrationszelle für eine optische Laborzentrifuge zum Einsatz. Mit dieser ist der Filterkuchenaufbau, der Durchströmungswiderstand, die Porosität und die Flussdichtefunktion messbar. Die benötigte Probenmenge beträgt dabei lediglich 300µl pro Versuch. Die Filterzelle eignet sich daher auch für Proteine, die noch in der Entwicklung sind und deshalb nur in geringen Mengen vorliegen.
Aus den gemessenen Parametern sind Materialfunktionen ableitbar, die als Eingangsgrößen für Mikro- und Makrostruktursimulationen dienen. Auftretender Partikelbruch ist über optische Methoden vor und nach der Filtration quantifizierbar.

 

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