Advanced

Modeling and Optimization of an Integrated Column Sequence with In-Line Dilution for Continuous Chromatography of Proteins

Fridlund, Christian LU (2016) KET920 20161
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
In the pharmaceutical industry when proteins are being formed, the solution often consists of different kinds of proteins and these have to be separated to a high degree. A common process for this is chromatography. In this work a system of chromatography columns were coupled in series to separate a mixture of three proteins. The system consisted of three chromatography columns with mixers in between each column. The purpose was to see if in-line dilution of the mobile phase was a possible configuration to achieve compatibility between the columns. To investigate this, a model was constructed in MATLAB and simulation and optimization of the dilution was carried out. After the simulations and optimization were completed some experimental... (More)
In the pharmaceutical industry when proteins are being formed, the solution often consists of different kinds of proteins and these have to be separated to a high degree. A common process for this is chromatography. In this work a system of chromatography columns were coupled in series to separate a mixture of three proteins. The system consisted of three chromatography columns with mixers in between each column. The purpose was to see if in-line dilution of the mobile phase was a possible configuration to achieve compatibility between the columns. To investigate this, a model was constructed in MATLAB and simulation and optimization of the dilution was carried out. After the simulations and optimization were completed some experimental runs were performed to validate the results. The results showed that in-line dilution was a possible configuration and that a good yield and purity of the target protein could be obtained with the proposed system. The experiments also confirmed that in-line dilution was possible, however the results from the simulation and the experiments did not match. The required dilution between the columns from the optimization results was less than the dilution required in the experiments. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Integrerade kolonnsekvenser är ett effektivt system för användning av kromatografi processer, inom läkemedelsindustrin, där olika processer kopplas i serie. Detta medför dock ett problem, och i detta arbete ska ett alternativ undersökas som kan vara en lösning.

I läkemedelsindustrin under tillverkningen utav proteiner, innehåller oftast lösningen från reaktorn flera olika proteiner och dessa måste renas upp till hög grad. En vanlig process för att åstadkomma detta är kromatografi. Kromatografi processer använder olika egenskaper hos protein molekylerna för att få en separation. Detta arbete behandlar speciellt jonbytes kromatografi där den elektriska laddningen hos proteinerna används för att binda in dem till partiklar. Dessa partiklar... (More)
Integrerade kolonnsekvenser är ett effektivt system för användning av kromatografi processer, inom läkemedelsindustrin, där olika processer kopplas i serie. Detta medför dock ett problem, och i detta arbete ska ett alternativ undersökas som kan vara en lösning.

I läkemedelsindustrin under tillverkningen utav proteiner, innehåller oftast lösningen från reaktorn flera olika proteiner och dessa måste renas upp till hög grad. En vanlig process för att åstadkomma detta är kromatografi. Kromatografi processer använder olika egenskaper hos protein molekylerna för att få en separation. Detta arbete behandlar speciellt jonbytes kromatografi där den elektriska laddningen hos proteinerna används för att binda in dem till partiklar. Dessa partiklar är packade i en kolonn där lösningen med proteinerna skickas in. När proteinerna har bundit in till kolonnen, skickas en annan lösning in i kolonnen, som då innehåller en viss salt koncentration. Detta görs för att saltet kommer få de olika proteinerna att lossna från partiklarna i kolonnen och dessa åker ut från kolonnen. Separation åstadkoms då olika proteiner binder in med olika styrkor och kommer därför att lossna från partiklarna vid olika tidpunkter. I detta arbete kopplades kromatografikolonner i serie där tankar sattes mellan varje kolonn. Systemet bestod av tre stycken kopplade kromatografikolonner med mellanliggande utspädning. Målet med arbetet var att undersöka om utspädning till nästa kolonn var möjligt för att åstadkomma kompatibilitet mellan kolonnerna. Då den lösning som kommer ut från den första kolonnen innehåller en hög koncentration av salt får proteinerna svårt att binda in till nästa kolonn. Därför behöver salt koncentration att minskas och utspädning är ett alternativ som kan undersökas.
Anledningen till att detta är önskvärt att undersöka är att lösning på problemet i dagsläget är att sätta in ett ytterligare separationssteg mellan kolonnerna för att ta bort saltet. Detta extra steg är kostsamt och det är därför önskvärt att komma fram till ett alternativ som är skulle minska kostnaderna.
För att kunna undersöka detta skapades en modell av systemet i MATLAB och denna användes för att simulera och optimera utspädningen. När simulering och optimering var avklarad, kördes ett antal experiment för att validera de resultat som framtagits. Resultaten från optimeringen visade att utspädning var en möjlig konfiguration och att systemet gav ett högt utbyte och en ren produkt. Dem experimentella körningarna bekräftade även detta, men resultaten från optimeringen överensstämde inte med resultaten från experimenten. Den utspädning mellan kolonnerna som krävdes enligt optimeringen var mindre än den utspädning som krävdes enligt de experimentella körningarna. Trots detta var resultaten positiva då det är möjligt att köra systemet med utspädning och med detta få en acceptabel separation. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Fridlund, Christian LU
supervisor
organization
course
KET920 20161
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Integrated Column Sequence, Chromatography, In-Line Dilution, Chemical Engineering, kemiteknik
language
English
id
8882081
date added to LUP
2016-06-21 16:04:18
date last changed
2016-06-21 16:04:18
@misc{8882081,
  abstract     = {In the pharmaceutical industry when proteins are being formed, the solution often consists of different kinds of proteins and these have to be separated to a high degree. A common process for this is chromatography. In this work a system of chromatography columns were coupled in series to separate a mixture of three proteins. The system consisted of three chromatography columns with mixers in between each column. The purpose was to see if in-line dilution of the mobile phase was a possible configuration to achieve compatibility between the columns. To investigate this, a model was constructed in MATLAB and simulation and optimization of the dilution was carried out. After the simulations and optimization were completed some experimental runs were performed to validate the results. The results showed that in-line dilution was a possible configuration and that a good yield and purity of the target protein could be obtained with the proposed system. The experiments also confirmed that in-line dilution was possible, however the results from the simulation and the experiments did not match. The required dilution between the columns from the optimization results was less than the dilution required in the experiments.},
  author       = {Fridlund, Christian},
  keyword      = {Integrated Column Sequence,Chromatography,In-Line Dilution,Chemical Engineering,kemiteknik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Modeling and Optimization of an Integrated Column Sequence with In-Line Dilution for Continuous Chromatography of Proteins},
  year         = {2016},
}