Advanced

Performance analysis of a PEGylation process -Process comparison of a tubular reactor with recirculation to a conventional batch reactor

Torbica, Boris LU (2015) KET920 20142
Chemical Engineering
Abstract
Since the rise of therapeutical proteins, there has been a growing interest in biopharmaceuticals over the years. Research was made to combat various protein weaknesses like fast degradation and low solubility. A discovery in the 1970s suggested that an attachment of polyethylene glycol (PEG) on protein surfaces would solve the specific problems. Today this process is known as PEGylation and is widely used in biopharmaceutical industry.

Because of strict pharmaceutical regulations, the PEGylation process is currently performed in batch reactors. These in turn are often connected to Ion Exchange Chromatography (IEC) as a purification step after reaction. However, this type of PEGylation process set-up is not so efficient. Major losses... (More)
Since the rise of therapeutical proteins, there has been a growing interest in biopharmaceuticals over the years. Research was made to combat various protein weaknesses like fast degradation and low solubility. A discovery in the 1970s suggested that an attachment of polyethylene glycol (PEG) on protein surfaces would solve the specific problems. Today this process is known as PEGylation and is widely used in biopharmaceutical industry.

Because of strict pharmaceutical regulations, the PEGylation process is currently performed in batch reactors. These in turn are often connected to Ion Exchange Chromatography (IEC) as a purification step after reaction. However, this type of PEGylation process set-up is not so efficient. Major losses are made due to batch being a non-continuous process and not recirculating unreacted biopharmaceuticals. One suggestion to improve the process is by implementing a tubular reactor system and a recirculation stream.

Models were created, one for a batch system and one for the tubular system. Sensitivity analyses were made for every part in the systems to enhance production. Cases were made for each system and then weighed against each other. After selecting best case for each process schematic, the two processes were then compared to each other.

The results show a clear improvement of the tubular schematics compared to the batch schematics. Productivity was increased by 71%, from 0.0126 to 0.0216 g/h. The product system yield of was increased by 11%, from 0.43 to 0.46. Waste formation was able to be reduced by 42%, from 0.25 to 0.15. These numbers show a clear potential for tubular reactor systems implemented with recirculation. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Uppkomsten av läkemedelsproteiner har haft betydelsefull påverkan på läkemedelsindustrin. Så kallad PEGylering är en vanlig efterbehandling av dessa proteiner. Idag kännetecknas PEGylering av en stillastående process som är tidsödande med stora förluster. Kan man med nytänk ämnas lösa dessa problem?

Tillverkningsprocessen och användningen av terapeutiska (läkande) proteiner har varit relativt framgångsrik. Och med genteknikens framsteg ökar intresset allt mer för nyttjandet av dessa proteiner. Dock har användningen inte alltid varit problemfri. Första problemet som upptäcktes var att läkemedelsproteinerna lätt bröts ner. Med hjälp av ett speciellt ämne som kallas för PolyEtyleneGlykol (PEG) kunde detta problem åtgärdas. PEG består... (More)
Uppkomsten av läkemedelsproteiner har haft betydelsefull påverkan på läkemedelsindustrin. Så kallad PEGylering är en vanlig efterbehandling av dessa proteiner. Idag kännetecknas PEGylering av en stillastående process som är tidsödande med stora förluster. Kan man med nytänk ämnas lösa dessa problem?

Tillverkningsprocessen och användningen av terapeutiska (läkande) proteiner har varit relativt framgångsrik. Och med genteknikens framsteg ökar intresset allt mer för nyttjandet av dessa proteiner. Dock har användningen inte alltid varit problemfri. Första problemet som upptäcktes var att läkemedelsproteinerna lätt bröts ner. Med hjälp av ett speciellt ämne som kallas för PolyEtyleneGlykol (PEG) kunde detta problem åtgärdas. PEG består främst av kolatmomer i kedjor som man binder in på ett läkemedelsprotein i en process som kallas för PEGylering. Kedjan agerar då som ett tillfälligt skydd från yttre påverkan för proteinet. Dessa PEG-kedjor går att fästa på flera olika ställen på proteinet beroende på hur många speciella platser som finns tillgängliga.

På grund av hårda regleringar i läkemedelsbranschen utförs PEGylering idag för enkelhetens skull i stora kärl, kallade batch-reaktorer. Detta är en stillastående process. Processen går till på det viset att man blandar ihop läkemedlet, PEG:en och andra kemikalier som behövs för PEGyleringsprocessen och låter dessa reagera. Efter att reaktionen pågått i en viss tid stoppas reaktionen och den önskade produkten renas upp ur blandningen. I snitt hinner 40% av proteinen PEGyleras till den grad man vill åstadkomma innan alltför många biprodukter bildas. Däremot går det åt en hel del tid till att rengöra reaktorn efter användning och annat arbete vid hanteringen av utrustningen. Detta är vad man kallar för spilltid som annars hade kunnat utnyttjats för reaktion.

Idag arbetas det därför med att utveckla nya metoder på att försöka snabba på processen och förhindra förluster. Ett nytt och mer hållbart förslag att hantera läkemedelsbehandlingen är att gå över till en rörlig process. Med rörlig process menas att man pumpar läkemedlet med PEG och resterande ingredienser och låter dem reagera medan de färdas i ett rör, en så kallad tubreaktor. Med detta maskineri kan man avbryta processen tidigare och med lättare möjligheter även återvinna icke-PEGylerat läkemedel. Tack vare detta slipper man slänga icke-PEGylerat läkemedel. Simuleringsresultat visade att man kunde minska reaktionstiden och ändå öka utbytet med 11 % av produkten samt öka produktionshastigheten med hela 71 %. Samtidigt minskades utbytet av biprodukter med 42 %.

Det lyckade försöket att simulera PEGylering i en tubreaktor visar stora möjligheter i att effektivisera läkemedelsprocessen. Flera designmöjligheter öppnas upp som tidigare inte var genomförbara. Med detta system kan man både spara in tid och samtidigt rädda läkemedel som annars kasserats.

En hel del arbete kvarstår. Eftersom det rör sig om läkemedel måste fler simuleringar och experiment utföras. Många faktorer som måste tas hänsyn till innan detta kan användas i industrin. Mer hållbar och framförallt säker teknik måste tas fram innan det kan godkännas för bruk. Däremot pågår det en hel del forskning kring detta område och resultaten som visat verkar lovande! (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Torbica, Boris LU
supervisor
organization
course
KET920 20142
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Ion Exchange Chromatography, Recirculation, Tubular reactor, Tube reactor, PEGylation, PEG Polyethylene glycol, IEC, Optimisation, Chemical Engineering, kemiteknik
language
English
id
8052030
date added to LUP
2015-10-09 08:20:03
date last changed
2015-10-09 08:20:03
@misc{8052030,
  abstract     = {Since the rise of therapeutical proteins, there has been a growing interest in biopharmaceuticals over the years. Research was made to combat various protein weaknesses like fast degradation and low solubility. A discovery in the 1970s suggested that an attachment of polyethylene glycol (PEG) on protein surfaces would solve the specific problems. Today this process is known as PEGylation and is widely used in biopharmaceutical industry. 

Because of strict pharmaceutical regulations, the PEGylation process is currently performed in batch reactors. These in turn are often connected to Ion Exchange Chromatography (IEC) as a purification step after reaction. However, this type of PEGylation process set-up is not so efficient. Major losses are made due to batch being a non-continuous process and not recirculating unreacted biopharmaceuticals. One suggestion to improve the process is by implementing a tubular reactor system and a recirculation stream. 

Models were created, one for a batch system and one for the tubular system. Sensitivity analyses were made for every part in the systems to enhance production. Cases were made for each system and then weighed against each other. After selecting best case for each process schematic, the two processes were then compared to each other. 

The results show a clear improvement of the tubular schematics compared to the batch schematics. Productivity was increased by 71%, from 0.0126 to 0.0216 g/h. The product system yield of was increased by 11%, from 0.43 to 0.46. Waste formation was able to be reduced by 42%, from 0.25 to 0.15. These numbers show a clear potential for tubular reactor systems implemented with recirculation.},
  author       = {Torbica, Boris},
  keyword      = {Ion Exchange Chromatography,Recirculation,Tubular reactor,Tube reactor,PEGylation,PEG Polyethylene glycol,IEC,Optimisation,Chemical Engineering,kemiteknik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Performance analysis of a PEGylation process -Process comparison of a tubular reactor with recirculation to a conventional batch reactor},
  year         = {2015},
}