Towards autonomous antibody purification

Abstract

The vision of antibody purification is to have the whole process fully automatic. It is often desirable to have a continuous process since that reduces the costs for production and the size of the used equipment. It is necessary to supply buffer solutions to the purification steps, and as part of the vision; this should be done automatically. An in-house piece of software called Orbit is used for advanced control of ÄKTA chromatography systems from GE Healthcare, that are used in antibody purification.

An ÄKTA pcc system can be used for continuous processes in the first purification step, which is a capture step based on affinity chromatography. The PCC system has four columns that are used simultaneously; two are loaded continuously, one is eluted, and one is regenerated. The first part of this master thesis was to integrate the ÄKTA pcc system into the Orbit software. The second part was to design a PCC process to demonstrate that Orbit can control the PCC process. Experiments and simulations were done to verify the functionality of the PCC system in Orbit. In the future, the ÄKTA pcc system can be used together with other ÄKTA systems in an antibody purification process where all systems are controlled from Orbit.

The final part of this master thesis was a proof of concept of automatic buffer production. A buffer machine that produces a buffer solution by diluting stock solutions and adjusting pH was developed. The buffer machine was designed to be able to deliver the produced buffer solution to another system, in line with the overall vision for antibody purification.

Abstract (Swedish)

Visionen för upprening av antikroppar är att processen ska vara helautomatisk. Ofta eftersträvas en kontinuerlig process eftersom det i de flesta fall innebär lägre kostnader för produktionen och att utrustningen kan vara mindre. Det är nödvändigt att tillföra mer buffertlösning under processens gång, och som en del av visionen ska även detta göras automatiskt. Orbit är en mjukvara som används av forskargruppen för avancerad kontroll av ÄKTA kromatografisystem från GE Healthcare, system som ofta används för antikroppsupprening.

Det första uppreningssteget är ett ”capture”-steg som baseras på affinitetskromatografi. Ett ÄKTA pcc-system kan användas för att kontinuerligt utföra detta uppreningssteg. PCC-systemet har fyra kolonner som används parallellt, två kolonner laddas kontinuerligt, en elueras och en regenereras. Första delen av examensarbetet var att integrera ÄKTA pcc-systemet i mjukvaran Orbit. Andra delen var att designa en PCC-process i Orbit för att visa att Orbit kan kontrollera en PCC-process. Experiment och simuleringar gjordes för att verifiera funktionaliteten av PCC-systemet i Orbit. I framtiden kan ÄKTA pcc-systemet användas tillsammans med andra ÄKTA-system i en antikroppsuppreningsprocess där alla system kontrolleras av Orbit.

Sista delen av examensarbetet var att visa att konceptet av en automatisk produktion av buffertlösningar är möjlig. En buffertblandare som producerar buffertlösningar genom utspädning av stamlösningar och därefter pH-justering skapades. Buffertblandaren var designad att kunna leverera buffertlösningar till ett annat system, i linje med visionen för antikroppsupprening.

Popular Abstract

Antibodies are a natural part of the immune system and can, for example, be used in pharmaceuticals. They are produced in bioproduction from living organisms and need to be purified before they are used. The vision is that antibodies should be automatically and continuously produced. When antibodies are purified, a lot of buffer solutions are needed. As part of the vision, buffer solutions should be delivered automatically to the antibody purification steps.

Affinity chromatography is a technique where the product of a sample purified by being captured in a column. When all impurities are washed away, the product is released again and have by then been purified. This technique is used in the first antibody purification step, called the capture step. An ÄKTA pcc system from GE Healthcare uses four columns simultaneously to do the capture step continuously. Two of the columns are loaded with product, one is releasing the product it has captured, and one is cleaned to be ready to capture new product. In this master thesis, the ÄKTA pcc system was integrated into a software called Orbit. Orbit is used for advanced control of chromatography systems from GE Healthcare. A PCC process was designed in Orbit, and experiments and simulations were done to demonstrate that Orbit can control the PCC system. The ÄKTA pcc can in the future be used together with other system controlled by Orbit to create a whole automatic antibody purification process.

As proof of concept of automatic buffer production, a buffer machine was developed. The buffer machine produced a buffer solution by diluting stock solutions and adjusting pH. Experiments were done to test the buffer machine and to make the design of the process better. The machine was designed to be able to deliver the buffer solution to a system that is part of an antibody purification step, in line with the overall vision.

Popular Abstract (Swedish)

Antikroppar är en naturlig del av immunförsvaret och kan till exempel användas i mediciner. De produceras i en bioprocess av levande organismer och måste upprenas innan de kan användas. Visionen är att antikroppar ska produceras kontinuerligt och automatiskt. När antikroppar renas upp förbrukas en stor mängd buffertlösningar. Som en del av visionen ska buffertlösningar produceras och levereras automatiskt till uppreningsstegen.

Affinitetskromatografi är en teknik där en produkt renas upp genom att den fångas på en kolonn. När alla orenheter är borttvättade släpps produkten från kolonnen och den har på så vis renats. Denna teknik används i det första uppreningssteget för antikroppar som kallas ”capture”. Ett ÄKTA pcc-system från GE Healthcare använder fyra kolonner samtidigt för att göra detta steg kontinuerligt. Två av kolonnerna laddas med produkt, en av kolonnerna släpper ifrån sig produkt som den har fångat och den sista kolonnen tvättas för att vara redo för en ny laddning av produkt. I detta examensarbete integrerades ÄKTA pcc systemet i en mjukvara som heter Orbit. Orbit används för avancerad kontroll av ÄKTA-kromatografisystem från GE Healthcare. En PCC-process designades i Orbit, därefter utfördes experiment och simuleringar för att visa att Orbit kan kontrollera PCC-systemet. ÄKTA pcc-systemet kan i framtiden användas tillsammans med andra system som är kontrollerade av Orbit för att skapa en helautomatisk upprening av antikroppar.

Som ett bevis av konceptet att automatiskt kunna producera buffertlösningar skapades en buffertblandare. Buffertblandaren producerade buffertar genom att späda stamlösningar och justera pH. Experiment gjordes för att testa buffertblandaren och för att förbättra processdesignen. Buffertblandaren var designad för att kunna leverera buffertlösningar till andra system som är del av uppreningen av antikroppar, i linje med visionen för antikroppsupprening.

• author: Heskebeck, Frida
• supervisor: Niklas Andersson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Chemical engineering, Kemiteknik, Simulation, Chromatography, Periodic counter-current chromatography, Python, PCC
• language: English
• id: 8981399
• date added to LUP: 2019-07-04 11:16:58
• date last changed: 2019-07-04 11:16:58