Simulation of periodic counter-current chromatography purification of monoclonal antibodies with column degradation

Abstract

The purification process of monoclonal antibodies (mAbs) for therapeutic drugs is expensive, especially the chromatography step in which the mAbs are separated from other proteins and cells present in the feed. The antibodies are separated from the feed using affinity chromatography, where only the antibodies interact with active sites within the column, whereas the rest passes through the column without stopping. The antibodies leave the column when their chemical environment is changed, and the column is cleaned thoroughly with strong chemicals.
The chemicals are essential in the cleaning process to ensure that there is no contamination between cycles or that there are any antibodies left. The chemicals are however slightly damaging the column, and after many cycles of loading with mAbs, eluting the mAbs and then cleaning, the capacity of the column is reduced.
In this master thesis, periodic counter-current chromatography is modelled and simulated in python with columns that exhibit degradation. Two different controllers and a flow trajectory method is applied, to varying degrees, in different cases to investigate if they can counteract some of the problems that emerge due to the column degradation.
To evaluate the effectiveness of the controllers and the flow trajectory, the performance process variables productivity, yield, and resin utilization were used.
The best case used both controllers, the flow trajectory and had a productivity at 0.18 mg mAb per ml resin and minute, a minimum yield of 94.7% and a maximum resin utilization of 62.5 mg mAb per maximum amount adsorbed mAb at feed concentration.

Abstract (Swedish)

Uppreningsprocessen av monoklonala antikroppar (mAbs) är dyr, speciellt det kromatografisteg där antikropparna separeras från andra protein och celler i lösningen från tidigare steg i processen. Antikropparna separeras från lösningen med hjälp av affinitetskromatografi, där det endast är antikropparna som interagerar med innehåller i kolonnen och stannar kvar, medan resten passerar obehindrat. Antikropparna lämnar kolonnen när den kemiska omgivningen förändras och samlas upp, och kolonnen rengörs med starka kemikalier.
De starka rengöringskemikalierna är nödvändiga för att säkerställa att den inte sker någon kontaminering mellan cykler och att det inte sitter kvar några antikroppar. Kemikalierna skadar dock kolonnens innehåll något, och efter många cykler av antikroppupprening och rengöring, har kapaciteten hos kolonnen minskat.
I detta examensarbete har periodisk motströmskromatografi (PCC) modellerats och simulerats i programvaran Python tillsammans med kolonner som uppvisar degradering. Det används två olika regulatorer och flödestrajektoria, i varierande grad, i olika försök för att undersöka om de kan motarbeta de problem som skapas av degraderingen hos kolonnerna. Om kolonnerna, trots degradering, kan användas effektivt under längre tid till låg kapacitet återstår, är det möjligt att producera den upprenade antikroppen till ett lägre pris.
För att undersöka effektiviteten hos kontrollerna och av flödestrajektorian, kommer processprestandan utvärderas med hjälp av variablerna produktivitet, utbyte och utnyttjandegrad.
Det bästa fallet använde sig av båda kontrollerna, av flödestrajektorian och hade en produktivitet på 0.18 mg mAb per ml resin och minut, ett utbyte på 94.7% och en maximal utnyttjandegrad på 62.5 mg mAb per maximal mängd adsorberad mAb för flödeskoncentrationen.

Popular Abstract

Antibodies are proteins that our bodies produce to protect us from infections. However, it is also possible to produce antibodies artificially in an industrial setting. These antibodies can then be used in a wide variety of research and clinical settings and their potential uses are evolving rapidly.
Artificially produced antibodies are typically produced by cells contained in large bioreactors under conditions where the cells are allowed to multiply. Cells containing antibodies are then continuously harvested. However, they typically need to be further purified after harvest. This can be done using a technique called affinity chromatography. In affinity chromatography, the harvested antibodies, including impurities such as other cell proteins, are fed to a column containing sites that capture the antibodies. After the impurities have been washed away, the antibodies get released from the column through a process of adjusting pH and salt concentrations. The column then needs to be chemically cleaned before it is ready to process more antibodies. Although necessary, the chemical cleaning process damages the column and decreases a column’s ability to capture antibodies over time. It is therefore of interest to find ways in which the process can be run where the impact of the capacity reduction is minimal.
In this project, a so-called periodic counter-current chromatography (PCC) set-up was utilized to investigate ways to counteract the effects of column degradation. A mathematical model of a PCC system with three columns was created, and multiple simulations were performed in different cases to counteract the effects of column degradation.
Two different flowrate controllers and a flowrate trajectory were used in these cases. The flowrate controllers were each set to be fast, slow, or inactive, in different configurations. Each configuration was run twice. Once with flowrate trajectories and once without. The simulations were compared to each other using the processes performance variables productivity, yield and column utilization.
The best case had a productivity of 0.18 mg mAb per ml resin and minute, a yield of 94.7% and resin utilization of 62.5 mg mAb per maximum amount adsorbed mAb at feed concentration. This case was chosen for its high productivity (in the range 0.11 – 0.20), acceptable yield (ranges from 88 – 100%), and good resin utilization (in range 40.2 – 77.5).

Popular Abstract (Swedish)

Antikroppar är proteiner som produceras av våra kroppar för att skydda oss från infektioner. Det är däremot möjligt att producera dessa antikroppar artificiellt. Dessa antikroppar kan sedan användas i en mängd olika forsknings- och kliniska miljöer och deras potentiella användningsområden utvecklas snabbt.
Artificiellt producerade antikroppar produceras vanligtvis av celler i stora bioreaktorer under förhållanden där cellerna tillåts föröka sig. Celler som innehåller antikroppar skördas sedan kontinuerligt. Men de behöver vanligtvis renas ytterligare efter skörd. Detta kan göras med en teknik som kallas affinitetskromatografi. Vid användandet av affinitetskromatografi matas de skördade antikropparna, inklusive föroreningar såsom andra cellproteiner, till en kolonn som innehåller platser som fångar antikropparna. Orenheterna spolas bort och efter justerat pH och salt koncentration släpper antikropparna från de aktiva platserna och fångas upp vid hög koncentration. Kolonnen spolas och renas kemiskt innan den är redo att rena upp mer antikroppar. Den kemiska rengöringen är viktigt men den skadar kolonnen vilket med upprepade cykler leder till en minskad kapacitet hos kolonnen. Det är därför av intresse att hitta sätt som processen kan köras på där påverkan av kapacitetsminskningen blir minimal.
I detta examensarbete användes en set-up kallad periodisk motströmskromatografi (PCC) för att undersöka hur effekterna av kolonndegraderingen kunde motverkas. En matematisk modell av ett PCC-system med tre kolonner skapades och flertalet simulationer utfördes för olika fall där kolonndegraderingens effekter motverkades.
I dessa olika fall användes det två flödesregulatorer och en flödestrajektoria. Flödesregulatorerna var snabba, långsamma eller inaktiva, i olika konfigurationer. Varje konfiguration utfördes två gånger. En gång med flödestrajektoria och en gång utan. Simulationernas processprestanda jämfördes mot varandra med hjälp av variablerna produktivitet, utbyte och utnyttjandegrad.
Det bästa fallet hade en produktivitet på 0.18 mg mAb per ml resin och minut, ett utbyte på 94,7% och en maximal utnyttjandegrad på 62.5 mg mAb per maximal mängd adsorberad mAb för flödeskoncentrationen. Detta fall valdes på grund av sin höga produktivitet (bland resultat inom spannet 0.11 – 0.20), sitt acceptabla utbyte (inom spannet 88 – 100%) och sin goda utnyttjandegrad (i spannet 40.2 – 77.5).

• author: Friberg, Erik
• supervisor: Niklas Andersson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Chemistry
• keywords: Counter-current chromatography, PCC, Monoclonal antibodies, Affinity chromatography, Process control, Chemical engineering, Process simulation
• language: English
• id: 9102373
• date added to LUP: 2022-11-22 10:49:14
• date last changed: 2022-11-22 10:49:14