DE102022208467A1 - Modular device and method for the continuous production of biotechnological products - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts, wobei die Vorrichtung einen modularen Aufbau mit einzelnen miteinander verbundenen Modulen aufweist, wobei die Module mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, mindestens ein Pumpenmodul, und mindestens ein Dosierungsmodul umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass vom ersten bis zum letzten Modul ein ununterbrochener kontinuierlicher Produktstrom ermöglicht wird. Die Erfindung betriff ferner ein Verfahren zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts in einer Vorrichtung mit einem modularen Aufbau mit einzelnen miteinander verbundenen Modulen, wobei die Module mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, mindestens ein Pumpenmodul, und mindestens ein Dosierungsmodul umfassen.The present invention relates to a device for the continuous purification of a biotechnological product, the device having a modular structure with individual modules connected to one another, the modules comprising at least one tandem separation module, at least one pump module, and at least one dosing module, characterized in that the Device is designed in such a way that an uninterrupted continuous product flow is possible from the first to the last module. The invention further relates to a method for the continuous purification of a biotechnological product in a device with a modular structure with individual modules connected to one another, the modules comprising at least one tandem separation module, at least one pump module, and at least one dosing module.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufreinigung von biotechnologischen Produkten, wobei die Vorrichtung einen modularen Aufbau mit einzelnen miteinander verbundenen Modulen aufweist.The invention relates to a device for the continuous purification of biotechnological products, the device having a modular structure with individual modules connected to one another.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Ein Verfahren zur Herstellung von biopharmazeutischen und biologischen Produkten umfasst in der Regel upstream bei kontinuierlicher Prozessführung eine Perfusionskultur und Zellrückhaltesystem oder bei semikontinuierlicher Prozessführung eine Fed-Batch-Kultur.A process for the production of biopharmaceutical and biological products usually includes a perfusion culture and cell retention system upstream in the case of continuous processing or a fed-batch culture in the case of semi-continuous processing.
Downstream umfasst ein solches Verfahren in der Regel die Schritte Zellabtrennung bzw. die Abtrennung der Zellbruchbestandteile, Puffer- bzw. Medienaustausch bevorzugt mit Konzentrierung, BioBurden-Reduzierung bevorzugt mit Sterilfilter, und Capture Chromatographie. Üblicherweise werden weitere Schritte zur Reinigung des Produktstroms durchgeführt, insbesondere eine Virusinaktivierung, Neutralisation, optional eine weitere BioBurden-Reduzierung (mit Sterilfilter). Angesichts der hohen Qualitätsstandards bei der Herstellung von Biopharmazeutika folgen üblicherweise darüber hinaus weitere Schritte: Chromatographische Zwischen- und Feinreinigung, BioBurden Reduzierung z.B. mit Sterilfilter, Virenfiltration sowie Pufferaustausch und bevorzugt Konzentrierung.Downstream, such a process usually includes the steps of cell separation or the separation of cell fraction components, buffer or media exchange, preferably with concentration, bioburden reduction, preferably with a sterile filter, and capture chromatography. Usually, further steps are carried out to clean the product stream, in particular virus inactivation, neutralization, optionally further BioBurden reduction (with sterile filter). Given the high quality standards in the production of biopharmaceuticals, further steps usually follow: chromatographic intermediate and fine cleaning, bioburden reduction, e.g. with sterile filters, virus filtration as well as buffer exchange and, preferably, concentration.
Um in der Proteinaufreinigung von monoklonalen Antikörpern (mAb) eine hohe Reinheit zu gewährleisten, werden üblicherweise drei aufeinander folgende Chromatographie-Schritte praktiziert. Im ersten Schritt der Aufreinigung soll der mAb in größtmöglicher Ausbeute aus dem verunreinigten Überstand isoliert werden (Capture). Stand der Technik ist die Aufreinigung über die Affinitätschromatographie. Die Antikörper verfügen über eine Region, die spezifisch an Protein A bindet. Die Protein A Chromatographie erreicht hohe Ausbeuten (>90%) und ein Großteil der Verunreinigungen, Wirtzell-Proteine (host cell proteins, HCP) und DNA, werden hier schon abgetrennt. In diesem Schritt erfolgt zumeist auch die erste Virusinaktivierung. Die Elution erfolgt durch Reduzierung des pH-Wertes (< 3). Bevor das Eluat wieder neutralisiert wird, wird es über einen längeren Zeitraum auf niedrigem pH-Wert gehalten, um die Virusinaktivierung durchzuführen.In order to ensure high purity in the protein purification of monoclonal antibodies (mAb), three consecutive chromatography steps are usually practiced. In the first step of the purification, the mAb should be isolated from the contaminated supernatant in the highest possible yield (capture). The state of the art is purification using affinity chromatography. The antibodies have a region that specifically binds to protein A. Protein A chromatography achieves high yields (>90%) and a large part of the impurities, host cell proteins (HCP) and DNA, are already separated here. The first virus inactivation usually occurs in this step. Elution occurs by reducing the pH value (< 3). Before the eluate is neutralized again, it is kept at a low pH value for a longer period of time in order to carry out virus inactivation.
Aufgrund des meist großen Batchvolumens (>2000 L) werden dafür auch großvolumige Chromatographie-Säulen benötigt (Durchmesser> 1m). Das Chromatographie-Gel macht dabei einen signifikanten Anteil der Produktionskosten aus. Die Verwendung von Protein A kann auch problematisch für die Produktqualität sein. Aus Sicht der geforderten Qualitätsattribute ist Protein A auch ein wichtiger Aspekt. Es kann sich aus dem Material lösen und findet sich dann im Eluat.Due to the usually large batch volume (>2000 L), large-volume chromatography columns are also required (diameter> 1m). The chromatography gel accounts for a significant portion of the production costs. The use of Protein A can also be problematic for product quality. From the perspective of the required quality attributes, Protein A is also an important aspect. It can dissolve from the material and is then found in the eluate.
Im Bereich der Chromatographie gibt es Bestrebungen eine kontinuierliche Prozessführung zu gewährleisten. Bekannte Methoden dafür sind die Simulated Moving Bed Chromatography (SMBC) oder die Periodic Counter Current Chromatography (PCCC). Diese Methoden ahmen eine kontinuierliche Prozessführung nach, in dem mehrere Säulen seriell miteinander verschaltet sind. Der Produktstrom bleibt stets diskontinuierlich.In the field of chromatography, there are efforts to ensure continuous process control. Well-known methods for this are Simulated Moving Bed Chromatography (SMBC) or Periodic Counter Current Chromatography (PCCC). These methods imitate a continuous process control in which several columns are connected to each other in series. The product flow always remains discontinuous.
Nachteile der bekannten kontinuierlichen bzw. semikontinuierlichen Systeme sind dass diese Systeme nur kurze Prozess-Laufzeiten von wenigen Stunden gewährleisten können. Die Systeme können in der Regel nicht während des Prozesses geöffnet und wieder in den Ur-Zustand rücküberführt werden und erlauben deshalb keine In-Process Maintenance. Es sind entweder unsterile Multi-use Systeme oder sind voll sterilisierbare Single-Use Systeme (Agilitech).The disadvantages of the known continuous or semi-continuous systems are that these systems can only guarantee short process times of a few hours. The systems generally cannot be opened during the process and returned to their original state and therefore do not allow in-process maintenance. They are either non-sterile multi-use Systems or are fully sterilizable single-use systems (Agilitech).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Entwicklung von Tandem-Abtrennungsmodulen, die zur Anwendung einer Vorrichtung mit einem real kontinuierlichen Produktstrom geeignet sind und sowohl betrieben als auch gewartet werden, ohne den Massenfluss zu unterbrechen. Ferner basiert die Erfindung auf geeigneten Steuerungs- und Überwachungskonzepten für einen voll automatisierten Betrieb, die beispielsweise über erfindungsgemäße Pumpenmodule den Produktstrom steuern und einen kontinuierlichen Produktstrom gewährleisten, ohne den Einsatz von Behältern zwischen aufeinanderfolgenden Modulen.The present invention is based, among other things, on the development of tandem separation modules that are suitable for using a device with a truly continuous product flow and can be both operated and maintained without interrupting the mass flow. Furthermore, the invention is based on suitable control and monitoring concepts for fully automated operation, which, for example, control the product flow via pump modules according to the invention and ensure a continuous product flow without the use of containers between successive modules.
Folglich betrifft die die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts, wobei die Vorrichtung einen modularen Aufbau mit einzelnen miteinander verbundenen Modulen aufweist, wobei die Module mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, mindestens ein Pumpenmodul, und mindestens ein Dosierungsmodul umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass vom ersten bis zum letzten Modul ein ununterbrochener kontinuierlicher Produktstrom ermöglicht wird.Consequently, according to a first aspect, the invention relates to a device for the continuous purification of a biotechnological product, the device having a modular structure with individual modules connected to one another, the modules comprising at least one tandem separation module, at least one pump module, and at least one dosing module, characterized in that the device is designed in such a way that an uninterrupted, continuous product flow is made possible from the first to the last module.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung Tandem-Abtrennungsmodul zur Verwendung in einem Verfahren zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts, dadurch gekennzeichnet, dass das Tandem-Abtrennungsmodul zwei identische Durchflussabtrennungseinheiten, ausgewählt aus Filter und Chromatographie-Säulen, in Parallelschaltung umfasst, wobei die zwei Durchflussabtrennungseinheiten alternierend mit dem Produktstrom verbindbar sind, und wobei das Tandem-Abtrennungsmodul mindestens einen Drucksensor aufweist, die mit der Steuerung des Moduls verbunden sind, und besonders bevorzugt sterilisierbar ausgestaltet ist.According to a second aspect, the invention relates to a tandem separation module for use in a process for the continuous purification of a biotechnological product, characterized in that the tandem separation module comprises two identical flow separation units, selected from filters and chromatography columns, connected in parallel, the two flow separation units can be alternately connected to the product stream, and wherein the tandem separation module has at least one pressure sensor, which is connected to the control of the module, and is particularly preferably designed to be sterilizable.
Über ein optional enthaltenes erfindungsgemäßes Probenentnahmemodul wird eine Probeentnahme ohne Massenflussunterbrechung erreicht.Using an optionally included sampling module according to the invention, sampling is achieved without interrupting the mass flow.
Folglich betrifft die Erfindung gemäß einem dritten Aspekt Probenentnahmemodul zur Verwendung in einem Verfahren zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts, ausgestaltet ist, um eine Probe aus einem kontinuierlichen System zu entnehmen, ohne dabei den Produktstrom zu unterbrechen, wobei das Probenentnahmemodul bevorzugt einen Probenaufnahmebehälter und einen Pufferbehälter, die mit dem Produktstrom simultan verbindbar angeordnet sind, umfasst, so dass gleichzeitig und in gleichen Maße Flüssigkeit aus dem Produktstrom in den Probenaufnahmebehälter und Puffer aus dem Pufferbehälter in den Produktstrom fließen kann.Consequently, according to a third aspect, the invention relates to a sampling module for use in a method for the continuous purification of a biotechnological product, which is designed to remove a sample from a continuous system without interrupting the product flow, wherein the sampling module preferably has a sample receiving container and a buffer container , which are arranged to be simultaneously connectable to the product stream, so that liquid can flow from the product stream into the sample receiving container and buffer from the buffer container into the product stream at the same time and to the same extent.
Zur Ausgestaltung der Vorrichtung sind die einzelne Module bevorzugt zu Einrichtungen zusammengefasst, die für die Durchführung der einzelnen Schritte des Aufreinigungsverfahren geeignet sind, beispielsweise eine DNA-Abtrennungseinrichtung, eine Proteinabtrennungseinrichtung, eine Konzentrierungseinrichtung, oder eine Umpufferungseinrichtung, eine Resolubilisierungseinrichtung.To design the device, the individual modules are preferably combined into devices that are suitable for carrying out the individual steps of the purification process, for example a DNA separation device, a protein separation device, a concentration device, or a buffering device, a resolubilization device.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts in einer Vorrichtung mit einem modularen Aufbau mit einzelnen miteinander verbundenen Modulen, wobei die Module mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, mindestens ein Pumpenmodul, und mindestens ein Dosierungsmodul umfassen, umfassend die folgenden Schritte:
- - kontinuierliches Zuführen eines das biotechnologische Produkt und Verunreinigungen enthaltenden Produktstroms zu einer ersten Aufreinigungseinrichtung der Vorrichtung, wobei die Einrichtung mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, gegebenenfalls mindestens ein Dosierungsmodul und gegebenenfalls ein Durchmischungsmodul umfasst;
- - ununterbrochener kontinuierlicher Transport des Produktstroms von einem Modul der Aufreinigungseinrichtung zum Nächsten,
- - kontinuierliches Ausgeben des Produktstroms mit reduzierten Verunreinigungen aus der Einrichtung.
- - continuously feeding a product stream containing the biotechnological product and impurities to a first purification device of the device, the device comprising at least one tandem separation module, optionally at least one dosing module and optionally a mixing module;
- - uninterrupted, continuous transport of the product stream from one module of the purification device to the next,
- - Continuous output of the product stream with reduced impurities from the facility.
FIGURENCHARACTERS
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1 zeigt schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Tandem-Abtrennungsmodule: A) ein Tandem-Tangentialfluss-Filtration (TFF) Modul, umfassend zwei parallel geschaltete TFF; B) ein Tandem- Dead-End-Filter-Modul, umfassend zwei parallel geschaltete Dead-End-Filter.1 shows schematic representations of the tandem separation modules according to the invention: A) a tandem tangential flow filtration (TFF) module, comprising two TFFs connected in parallel; B) a tandem dead-end filter module comprising two dead-end filters connected in parallel. -
2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Dosierungsmoduls.2 shows a schematic representation of the dosage module according to the invention. -
3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Probenentnahmemoduls.3 shows a schematic representation of the sampling module according to the invention. -
4 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Durchmischungsmoduls.4 shows a schematic representation of the mixing module according to the invention. -
5 zeigt ein Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung und Aufreinigung von Antikörpern. Die einzelnen Module sind benannt und Module der gleichen Art in der Reihenfolge, in der sie im Prozess zum Einsatz kommen, fortlaufend nummeriert. Gleiche Nummern bei Pumpen geben die Zugehörigkeit zu einem gemeinsamen Pumpenmodul an.5 shows a flowchart of a device according to the invention for the production and purification of antibodies. The individual Different modules are named and modules of the same type are numbered consecutively in the order in which they are used in the process. Same numbers on pumps indicate that they belong to a common pump module. -
6 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung und Aufreinigung von Antikörpern, aufgrund der Übersichtlichkeit aufgeteilt auf die Abschnitte A-F. Die Vorrichtung umfasst angebunden an den Bioreaktor eine Zellabtrennungseinrichtung enthaltend ein Tandem-TFF-Modul (6 A) ; eine DNA-Abtrennungseinrichtung, enthaltend ein Dosierungsmodul (6 A) , ein Durchmischungsmodul, ein Tandem-Dead-End-Modul und ein Probennahme-Modul (6 B) ; eine Proteinabtrennungseinrichtung, enthaltend ein Dosierungsmodul, zwei Durchmischungsmodule und ein Tandem-TFF-Modul (6 C) , eine Konzentrierungs- und Umpufferungseinrichtung, enthaltend ein Probennahmemodul, ein Durchmischungsmodul und ein Tandem-TFF-Modul (6 D) ; einer Virusinaktivierungseinrichtung, enthaltend ein Dosierungsmodul und ein Durchmischungsmodul (6 E) Umpufferungseinrichtung, enthaltend ein Durchmischungsmodul (6 F) . Die Nummern an den Pumpen zeigen die Zugehörigkeit zu einem Pumpenmodul. Zu- und Abläufe der einzelnen Module sind gekennzeichnet sowie die Positionen von Volumenstrom- und Drucksensoren.6 shows a schematic representation of a device according to the invention for the production and purification of antibodies, divided into sections AF for clarity. The device includes a cell separation device connected to the bioreactor containing a tandem TFF module (6A) ; a DNA separation device containing a dosage module (6A) , a mixing module, a tandem dead-end module and a sampling module (6 B) ; a protein separation device containing a dosing module, two mixing modules and a tandem TFF module (6C) , a concentration and buffering device containing a sampling module, a mixing module and a tandem TFF module (6D) ; a virus inactivation device containing a dosage module and a mixing module (6 E) Rebuffering device, containing a mixing module (6 F) . The numbers on the pumps indicate which pump module they belong to. The inlets and outlets of the individual modules are marked as well as the positions of volume flow and pressure sensors. -
7 zeigt ein Flussdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Solubilisierung und Aufreinigung von Inclusion Bodies. Die einzelnen Module sind benannt und Module der gleichen Art in der Reihenfolge, in der sie im Prozess zum Einsatz kommen, fortlaufend nummeriert. Gleiche Nummern bei Pumpen geben die Zugehörigkeit zu einem gemeinsamen Pumpenmodul an.7 shows a flow chart of a device according to the invention for solubilizing and purifying inclusion bodies. The individual modules are named and modules of the same type are numbered consecutively in the order in which they are used in the process. Same numbers on pumps indicate that they belong to a common pump module.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts, wobei die Vorrichtung einen modularen Aufbau mit einzelnen miteinander verbundenen Modulen aufweist, wobei die Module mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, mindestens ein Pumpenmodul, und mindestens ein Dosierungsmodul umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass vom ersten bis zum letzten Modul ein ununterbrochener kontinuierlicher Produktstrom ermöglicht wird.According to a first aspect, the invention relates to a device for the continuous purification of a biotechnological product, the device having a modular structure with individual modules connected to one another, the modules comprising at least one tandem separation module, at least one pump module, and at least one dosing module, characterized in that that the device is designed in such a way that an uninterrupted, continuous product flow is possible from the first to the last module.
Der Begriff „Produktstrom“ meint im Rahmen der Erfindung das Fluid aus einer heterogenen Zellkultur-Fluid-Mischung, welche das Produkt enthält, sowie das Ergebnis jeder anderen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens, also das zwischen den einzelnen Modulen strömende Fluid des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei diese Produktströme unterschiedliche Konzentrationen und Reinheitsgrade aufweisen können.In the context of the invention, the term “product stream” means the fluid from a heterogeneous cell culture fluid mixture which contains the product, as well as the result of all other process steps of the process according to the invention, i.e. the fluid of the process according to the invention flowing between the individual modules, whereby these Product streams can have different concentrations and degrees of purity.
Unter einem kontinuierlichen Verfahren versteht man im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten, bei dem der Ausgangsstrom eines vorgelagerten Schrittes einem nachgelagerten Schritt zugeführt wird. Der nachgeschaltete Schritt beginnt mit der Verarbeitung des Produktstroms, bevor der vorgeschaltete Schritt abgeschlossen ist. Typischerweise wird bei einem kontinuierlichen Prozess ein Teil des Produktstroms immer in der Produktionslinie befördert und als „kontinuierlicher Produktstrom“ bezeichnet.In the context of the invention, a continuous process is understood to mean a process for carrying out at least two successive process steps, in which the output stream of an upstream step is fed to a downstream step. The downstream step begins processing the product stream before the upstream step is completed. Typically, in a continuous process, a portion of the product stream is always carried in the production line and is referred to as a “continuous product stream.”
Der Begriff „geschlossen“ bedeutet im Rahmen der Erfindung die Fahrweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen modularen Anlage, welche so gefahren werden, dass das Produkt, welches mit diesem Verfahren und dieser modularen Anlage produziert und/oder aufbereitet wird, nicht an die Raumumgebung exponiert wird. In das erfindungsgemäße geschlossene Verfahren und die entsprechende erfindungsgemäße geschlossene modulare Anlage können von außen Materialien, Gegenstände, Puffer und dergleichen zugegeben werden, wobei aber diese Zugabe in einer solchen Weise erfolgt, dass eine Exposition des produzierten und/oder aufbereiteten Produktes an die Raumumgebung vermieden wird.In the context of the invention, the term “closed” means the operation of the method according to the invention and the modular system according to the invention, which are operated in such a way that the product that is produced and/or processed using this method and this modular system is not exposed to the room environment becomes. In the closed process according to the invention and the corresponding closed modular system according to the invention, materials, objects, buffers and the like can be added from the outside, but this addition is carried out in such a way that exposure of the produced and / or processed product to the room environment is avoided .
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung in Module unterteilt. Diese Module haben jeweils eigene verfahrenstechnische Funktionen. Es ist möglich, einzelne Module auszutauschen, hinzuzufügen oder deren Reihenfolge zu ändern. In der Vorrichtung gibt es Verbindungsleitungen zwischen den verschiedenen Modulen der Vorrichtung. Die Module sind steril zusammenschließbar. Dabei können bevorzugt die Module durch Verschweißen oder durch aseptische Konnektoren wie Steam Thru Connectors®, oder Opta® SFT Sterilkonnektor miteinander verbunden werden. According to the invention, the device is divided into modules. These modules each have their own process engineering functions. It is possible to replace, add or change the order of individual modules. In the device there are connecting lines between the various modules of the device. The modules can be locked together in a sterile manner. The modules can preferably be connected to one another by welding or using aseptic connectors such as Steam Thru Connectors® or Opta® SFT sterile connectors.
Dieser ununterbrochene kontinuierliche Produktstrom wird durch eine geeignete Kombination der Module und eine Steuerung und Regelung der Fließgeschwindigkeit des Produktstroms von einem Modul zum nächsten erreicht.This uninterrupted, continuous product stream is achieved through a suitable combination of modules and control and regulation of the flow rate of the product stream from one module to the next.
Die Vorrichtung ist gemäß einer Ausführungsform hinsichtlich eines automatischen Erreichens und Aufrechterhaltens eines Fließgleichgewichts des Produktstroms und/oder hinsichtlich einer Druckverteilung in der Vorrichtung selbstregulierend ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass bei laufendem Betrieb ohne Unterbrechung des Produktstroms Funktionselemente der Module gewartet oder ausgetauscht werden können.According to one embodiment, the device is designed for automatic achievement chens and maintaining a flow equilibrium of the product flow and / or self-regulating with regard to a pressure distribution in the device. According to one embodiment, the device is designed such that functional elements of the modules can be serviced or replaced during ongoing operation without interrupting the product flow.
Für die Automatisierung der Vorrichtung können alle Pumpenmotoren der Vorrichtung aufeinander angepasst und durch manuelle Stellwertvorgabe gesteuert werden. Dazu sind eine oder mehrere Pumpen in einem Pumpenmodul zusammengefasst.To automate the device, all pump motors of the device can be adapted to one another and controlled by manual control value specification. For this purpose, one or more pumps are combined in a pump module.
Gemäß einer Ausführungsform der Vorrichtung weist das Pumpenmodul eine oder mehrere Pumpen und Volumenstromsensoren auf, die mit der Steuerung des Pumpenmoduls verbunden ist, und konstante Flussraten gewährleisten. Bevorzugt ist jede Pumpe mit einem zugeordneten Volumenstromsensor verbunden. Die Volumenstromsensoren sind besonders bevorzugt Ultraschallvolumenstromsensoren. Insbesondere handelt es sich um nicht-invasiven Clamp-On Ultraschallsensoren, also Ultraschallsensoren, die an der Außenseite des Rohres angeklemmt werden (engl. „clamp-on‟), wodurch kein Eingriff in den Produktstrom erforderlich ist. Gemäß einer Ausführungsform weist das Pumpenmodul eine Rahmen mit Halterungen für die einzelnen Pumpen und die Volumenstromsensoren auf.According to one embodiment of the device, the pump module has one or more pumps and volume flow sensors, which are connected to the control of the pump module and ensure constant flow rates. Each pump is preferably connected to an assigned volume flow sensor. The volume flow sensors are particularly preferably ultrasonic volume flow sensors. In particular, these are non-invasive clamp-on ultrasonic sensors, i.e. ultrasonic sensors that are clamped to the outside of the pipe (“clamp-on”), which means that no intervention in the product flow is necessary. According to one embodiment, the pump module has a frame with holders for the individual pumps and the volume flow sensors.
Aufgabe des Pumpenmoduls ist es, über einen langen Prozesszeitraum konstante Flussraten zu gewährleisten. Die Pumpen eines Pumpenmodul können aufeinander angepasst werden durch die Einstellung von einfachen linearen Beziehungen zwischen den Pumpen bezüglich der Pumprate (P) oder der erzeugten volumetrischen Flussrate
Durch eine Rückkopplungsschleife wird gegebenenfalls die Pumpendrehzahl an die gewünschte Flussrate angepasst. Die verwendeten Pumpen können magnetisch gekoppelte Pumpen oder Peristaltikpumpen sein. Die Pumpen eines Pumpenmoduls sind insbesondere unterschiedlichen Einrichtungen der Vorrichtung zugeordnet. Jede Pumpe hat einen Zulauf einen Ablauf, der über aseptische Konnektoren mit den zugeordneten Modulen bzw. den Verbindungsleitungen verbunden ist.If necessary, the pump speed is adjusted to the desired flow rate using a feedback loop. The pumps used can be magnetically coupled pumps or peristaltic pumps. The pumps of a pump module are in particular assigned to different devices of the device. Each pump has an inlet and an outlet that is connected to the assigned modules or connecting lines via aseptic connectors.
Die eingestellten Flussraten bzw. Fließgeschwindigkeiten variieren regelmäßig von Verfahrensschritt zu Verfahrensschritt um jeweils das technisch/ökonomische Optimum für den Verfahrensschritt zu erreichen. Die Fließgeschwindigkeit kann im Bereich von 0,5 ml/min bis 100 ml/min liegen. Beispielsweise kann die Fließgeschwindigkeit bei 0,5 ml/min, 1,0 ml/min, 1,5 ml/min, 2,0 ml/min, 2,5 ml/min, 3,0 ml/min, 4,0 ml/min, 5,0 ml/min, 6,0 ml/min, 7,0 ml/min, 8,0 ml/min, 9,0 ml/min, 10,0 ml/min, 11,0 ml/min, 12,0 ml/min, 13,0 ml/min, 14,0 ml/min, 15,0 ml/min, 16,0 ml/min, 17,0 ml/min, 18,0 ml/min, 19,0 ml/min, 20,0 ml/min, 25,0 ml/min, 30,0 ml/min, 35,0 ml/min, 40,0 ml/min, 45,0 ml/min, 50,0 ml/min, 55,0 ml/min, 60,0 ml/min, 65,0 ml/min, 70,0 ml/min, 75,0 ml/min, 80,0 ml/min, 85,0 ml/min, 90,0 ml/min, 95,0 ml/min, oder 100 ml/min liegen. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Fließgeschwindigkeit während des gesamten Verfahrens im Bereich von 1,0 ml/min bis 80 ml/min liegen. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Fließgeschwindigkeit während des gesamten Verfahrens im Bereich von 2,0 ml/min bis 60 ml/min liegen.The set flow rates or flow speeds vary regularly from process step to process step in order to achieve the technical/economic optimum for each process step. The flow rate can range from 0.5 ml/min to 100 ml/min. For example, the flow rate can be 0.5 ml/min, 1.0 ml/min, 1.5 ml/min, 2.0 ml/min, 2.5 ml/min, 3.0 ml/min, 4.0 ml/min, 5.0 ml/min, 6.0 ml/min, 7.0 ml/min, 8.0 ml/min, 9.0 ml/min, 10.0 ml/min, 11.0 ml /min, 12.0 ml/min, 13.0 ml/min, 14.0 ml/min, 15.0 ml/min, 16.0 ml/min, 17.0 ml/min, 18.0 ml/ min, 19.0 ml/min, 20.0 ml/min, 25.0 ml/min, 30.0 ml/min, 35.0 ml/min, 40.0 ml/min, 45.0 ml/min , 50.0 ml/min, 55.0 ml/min, 60.0 ml/min, 65.0 ml/min, 70.0 ml/min, 75.0 ml/min, 80.0 ml/min, 85.0 ml/min, 90.0 ml/min, 95.0 ml/min, or 100 ml/min. According to one embodiment, the flow rate throughout the process is in the range of 1.0 ml/min to 80 ml/min. According to one embodiment, the flow rate throughout the process is in the range of 2.0 ml/min to 60 ml/min.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Module einzeln und unabhängig voneinander geregelt. Es besteht in diesem Fall keine Kommunikation zwischen den Modulen, um Fehlerfortpflanzung bzw. Fehlsteuerung zu vermeiden. Alternativ ist es auch möglich die Steuerung mit einem Advanced Process Control System zu verknüpfen. Dieses erlaubt eine Optimierung des Verfahrens und kann beispielsweise eine modelprädiktive Steuerung, eine Softsensorikund fortgeschrittene Real-time Spektroskopie-Verfahren ermöglichen.According to one embodiment, the modules are controlled individually and independently of one another. In this case there is no communication between the modules in order to avoid error propagation or incorrect control. Alternatively, it is also possible to link the control with an Advanced Process Control System. This allows the process to be optimized and can, for example, enable model predictive control, soft sensing and advanced real-time spectroscopy methods.
Unter Regelung im Sinne der Anwendung versteht man die Messung der zu beeinflussenden Größe (Regelgröße) und einen kontinuierlichen Vergleich mit dem gewünschten Wert (Sollwert). Entsprechend der Abweichung errechnet ein Regler eine Stellgröße, die so auf die Regelgröße einwirkt, dass sie die Abweichung minimiert und die Regelgröße ein gewünschtes Zeitverhalten annimmt. Dies entspricht einem geschlossenen Wirkungsablauf.Control in the application sense means the measurement of the variable to be influenced (controlled variable) and a continuous comparison with the desired value (setpoint). According to the deviation, a controller calculates a manipulated variable that acts on the controlled variable in such a way that it minimizes the deviation and the controlled variable assumes a desired time behavior. This corresponds to a closed sequence of effects.
Im Vergleich dazu bezeichnet Steuerung den Vorgang in einem System, bei dem eine oder mehrere Eingangsgrößen aufgrund systemeigener Gesetzmäßigkeiten die Ausgangsgrößen beeinflussen. Kennzeichnend für die Steuerung ist der offene Wirkungspfad oder ein geschlossener Wirkungspfad, bei dem die von den Eingangsgrößen beeinflussten Ausgangsgrößen nicht ständig und nicht wieder über dieselben Eingangsgrößen auf sich selbst einwirken.In comparison, control refers to the process in a system in which one or more input variables influence the output variables based on the system's own laws. The characteristic feature of the control is the open effect path or a closed effect path, in which the output variables influenced by the input variables do not constantly and do not act on themselves again via the same input variables.
Die einzelnen Module können direkt oder indirekt jeweils über ein geeignetes Kopplungselement, vorzugsweise steril, miteinander gekoppelt sein.The individual modules can each be coupled to one another directly or indirectly via a suitable coupling element, preferably sterile.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Tandem-Abtrennungsmodul zwei identische Durchflussabtrennungseinheiten in Parallelschaltung, wobei die zwei Durchflussabtrennungseinheiten alternierend mit dem Produktstrom verbindbar sind.According to one embodiment, the tandem separation module comprises two identical flow separation units connected in parallel, wherein the two flow separation units can be connected alternately to the product stream.
Die Durchflussabtrennungseinheiten sind ausgewählt aus Filtern und Chromatographie-Säulen. Insbesondere handelt es sich um ein Tandem-Tangentialfluss-Filter (TFF) oder einen Tandem-Dead-End-Filter. Entsprechend werden die Module als Tandem-TFF-Modul oder Tandem-Dead-End-Filter-Modul bezeichnet. Bei der Tangentialflussfiltration wird die zu filtrierende Suspension parallel einer Membran oder eines Filtermediums gepumpt und das Permeat (auch Filtrat genannt) quer zur Fließrichtung abgezogen. Die aufgrund der turbulenten Strömung an der Filteroberfläche auftretenden Scherkräfte lassen sich in Abhängigkeit vom Volumenstrom variieren.The flow separation units are selected from filters and chromatography columns. In particular, it is a tandem tangential flow filter (TFF) or a tandem dead-end filter. Accordingly, the modules are referred to as tandem TFF modules or tandem dead-end filter modules. In tangential flow filtration, the suspension to be filtered is pumped parallel to a membrane or filter medium and the permeate (also called filtrate) is drawn off transversely to the direction of flow. The shear forces that occur on the filter surface due to the turbulent flow can be varied depending on the volume flow.
Durch die hohe Geschwindigkeit wird weitgehend vermieden, dass sich ein Filterkuchen (Deckschicht oder Fouling) aus den abzutrennenden Feststoffpartikeln auf der Membran aufbaut. Er würde den Filtrationswiderstand und damit den Druckverlust über den Filter erhöhen, was die Filterleistung reduziert.The high speed largely prevents a filter cake (top layer or fouling) from building up on the membrane from the solid particles to be separated. It would increase the filtration resistance and thus the pressure loss across the filter, which reduces the filter performance.
Während beim Dead-End-Filter die abzuscheidenden Feststoffe als Filterkuchen gewonnen werden, kann in der Querstromfiltration der Feststoff nur soweit konzentriert werden, dass die Suspension noch pumpbar ist. Der rückgeführte Teil des Flüssigkeitsstroms wird Retentat genannt.While in the dead-end filter the solids to be separated are obtained as filter cakes, in cross-flow filtration the solids can only be concentrated to such an extent that the suspension can still be pumped. The returned portion of the liquid stream is called retentate.
Alternativ können Chromatographie-Säulen als Durchflussabtrennungseinheiten eingesetzt werden, die ein Chromatographieharz mit funktionellen Gruppen aufweisen, die nicht an das gewünschte biotechnologische Produkt binden. Stattdessen sollten die Chromatographie-Säulen Harze aufweisen die an die anzureichernden Verunreinigungen im Produktstrom binden.Alternatively, chromatography columns can be used as flow separation units that contain a chromatography resin with functional groups that do not bind to the desired biotechnological product. Instead, the chromatography columns should have resins that bind to the impurities to be enriched in the product stream.
Wichtig ist, dass die Tandem-Abtrennungsmodule keine Chromatographiesäulen aufweisen, die einen Elutionsschritt benötigen, da sonst keine kontinuierliche Prozessführung möglich ist. Insbesondere weist die gesamte Vorrichtung keine Abtrennungsmodule mit Elutionsschritt auf.It is important that the tandem separation modules do not have any chromatography columns that require an elution step, otherwise continuous process control is not possible. In particular, the entire device does not have any separation modules with an elution step.
Das Tandem-Abtrennungsmodul kann mindestens einen Drucksensor enthalten. Drucksenoren sind vorzugsweise mit der Steuerung der Vorrichtung oder des Moduls verbunden. Über den Drucksensor kann die Beladung des Filters oder der Chromatographiesäule gemessen werden.The tandem separation module can contain at least one pressure sensor. Pressure sensors are preferably connected to the control of the device or module. The load on the filter or chromatography column can be measured using the pressure sensor.
Das Tandem-Abtrennungsmodul ist so aufgebaut, dass es eine sterile Parallelschaltung der Durchflussabtrennungseinheiten (Filter oder Chromatographie) gewährleistet. Das Modul kann aus Edelstahl bestehen und somit bei 121 °C und 1.1 bar bedampft werden. Das Modul umfasst vorzugsweise ein Sterilization-In-Place (SIP) System. Dadurch ist das Modul vollständig sterilisiert. Sobald eine Durchflussabtrennungseinheit ausgetauscht werden muss, kann die Steuerung automatisch auf die zweite Einheit schalten. Die erste Durchflussabtrennungseinheit kann gewaschen und entnommen werden. Ein gegebenenfalls vorab sterilisierter Filter oder eine gegebenenfalls vorab sterilisierte Chromatographie-Säule wird dann als Ersatz in die erste Durchflussabtrennungseinheit eingesetzt. Anschließend kann ein Sterilisationsschritt erfolgen, in dem die während des Austauschs offenen Flüssigkeitsleitungen sterilisiert und optional zusätzliche die Durchflussabtrennungseinheit werden. Danach kann die Einheit mit Puffer befüllt werden und in den Hauptstrom geschaltet werden, wenn die parallele Einheit des Moduls vorzugsweise ausgetauscht werden muss.The tandem separation module is designed to ensure sterile parallel connection of the flow separation units (filter or chromatography). The module can be made of stainless steel and can therefore be steamed at 121 °C and 1.1 bar. The module preferably includes a Sterilization-In-Place (SIP) system. This means the module is completely sterilized. As soon as a flow separation unit needs to be replaced, the control can automatically switch to the second unit. The first flow separation unit can be washed and removed. An optionally pre-sterilized filter or an optionally pre-sterilized chromatography column is then inserted as a replacement into the first flow separation unit. A sterilization step can then take place in which the liquid lines that are open during the exchange are sterilized and optionally additionally become the flow separation unit. The unit can then be filled with buffer and switched to the main stream if the module's parallel unit preferably needs to be replaced.
Zur Überwachung der Sterilisation kann das Tandem-Abtrennungsmodul einen Temperatursensor aufweisen. Die Steuerung der Ventile erfolgt automatisch.To monitor sterilization, the tandem separation module can have a temperature sensor. The valves are controlled automatically.
Das Tandem-Dead-End-Filter-Modul ist in
Das Tandem-Chromatographie-Modul ist analog zu dem Tandem-Dead-End-Modul aufgebaut. Auch hier erfolgt eine Drucküberwachung, vorzugsweise eine Überwachung des Differentialdrucks.The tandem chromatography module is constructed analogously to the tandem dead-end module. Here too, pressure is monitored, preferably the differential pressure is monitored.
Das komplexeste Tandem-Abtrennungsmodul ist das Tandem-TFF-Modul (
Bei den Tangential-Filtern handelt es sich bevorzugt um Hohlfaserfilter oder Membranen. Diese können eine Fläche im Bereich von 100 cm2 - 900 cm2 aufweisen. Die Tangential-Filter verfügen über einen Zulauf und zwei Abläufe für Permeat und Retentat.The tangential filters are preferably hollow fiber filters or membranes. These can have an area in the range of 100 cm 2 - 900 cm 2 . The tangential filters have via an inlet and two outlets for permeate and retentate.
Aufgrund der vorhandenen Retentat-Ablaufs werden mehr Ventile benötigt und gegebenenfalls eine Trennung der beiden Permeat-Abläufe notwendig (aufgrund des Sterilisation-Prozesses). Als Steuerungsgröße dient der Transmembran-Druck (TMP). Dieser ergibt sich aus den gemessenen Drücken des Zulaufs, des Retentats und des Permeats.
- pF = Druck Zulauf
- pf = Druck Permeat
- pR= Druck Retentat
- p F = pressure inlet
- p f = pressure permeate
- p R = pressure retentate
Alternativ kann auch der Differentialdruck also der Quotient aus dem Zulaufdruck und dem Retentatdruck
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Tandem-Abtrennungsmodul zur Verwendung in einem Verfahren zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts bereit, das zwei identische Durchflussabtrennungseinheiten, ausgewählt aus Filter und Chromatographie-Säulen, in Parallelschaltung umfasst, wobei die zwei Durchflussabtrennungseinheiten alternierend mit dem Produktstrom verbindbar sind, und wobei das Tandem-Abtrennungsmodul mindestens einen Drucksensor, der mit der Steuerung des Moduls verbunden ist, und besonders bevorzugt sterilisierbar ausgestaltet ist.According to a second aspect, the invention provides a tandem separation module for use in a process for the continuous purification of a biotechnological product, which comprises two identical flow separation units, selected from filters and chromatography columns, connected in parallel, the two flow separation units being alternately connectable to the product stream are, and wherein the tandem separation module has at least one pressure sensor, which is connected to the control of the module, and is particularly preferably designed to be sterilizable.
Das Tandem-Abtrennungsmodul gemäß dem zweiten Aspekt ist insbesondere wie im ersten Aspekt beschrieben.The tandem separation module according to the second aspect is in particular as described in the first aspect.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Dosierungsmodul ausgebildet, um eine kontinuierliche Dosierung von Zugabestoffen zu gewährleisten. Das Dosierungsmodul kann einen Versorgungsbehälter und einen Zwischenbehälter aufweisen. Zwischen diesen ist bevorzugt eine Filtereinheit angeordnet. Diese ist vorteilhafterweise mit einem Drucksensor ausgestattet ist.According to one embodiment, the dosing module is designed to ensure continuous dosing of additives. The dosing module can have a supply container and an intermediate container. A filter unit is preferably arranged between these. This is advantageously equipped with a pressure sensor.
Aufgabe des Dosierungsmoduls (
Neben dem mindestens einen Tandem-Abtrennungsmodul, mindestens einen Pumpenmodul, und mindestens einen Dosierungsmodul weist die Vorrichtung bevorzugt mindestens ein Probenentnahmemodul und/oder oder ein Durchmischungsmodul auf.In addition to the at least one tandem separation module, at least one pump module, and at least one dosing module, the device preferably has at least one sampling module and/or a mixing module.
Gemäß ist einer Ausführungsform ist das Durchmischungsmodul ausgebildet, um mehrere Teilströme mit einer geringen Verweilzeitverteilung zu vermischen. Die mittlere Verweilzeit berechnet als Quotient des Fluidvolumens im Reaktor zum austretenden VolumenstromDie mittlere Verweilzeit ist ein Maß dafür, wieviel Zeit die Reaktionsmasse im Mittel benötigt, um einen Reaktor zu durchströmen. Dabei können allerdings die effektiven Verweilzeiten einzelner Teilchen sehr unterschiedlich sein, wodurch sich eine Verweilzeitverteilung ergibt.According to one embodiment, the mixing module is designed to mix several partial streams with a low residence time distribution. The average residence time is calculated as the quotient of the fluid volume in the reactor to the exiting volume flow. The average residence time is a measure of how much time the reaction mass requires on average to flow through a reactor. However, the effective residence times of individual particles can be very different, which results in a residence time distribution.
Je nach durchzuführender Reaktion kann für das entsprechende Durchmischungsmodul eine für die Reaktion geeignete Verweilzeit über die Dimensionierung des Durchmischungsmoduls und Einstellung der Fließgeschwindigkeit definiert werden. Im Verfahren gemäß Beispiel 1 liegen die mittleren Verweilzeiten im Bereich von 5 min bis 60 min. Für eine homogene Umsetzung bzw. Vermischung soll die Varianz der Verweilzeit möglichst geringgehalten werden. Das Durchmischungsmodul weist bevorzugt einen Röhrenreaktor auf. Schon bei einer geringen Strömungsgeschwindigkeit von unter 3 ml/min ist die Varianz der Verweilzeit eines Röhrenreaktors mit einem Volumen von 2 L nur etwa halb so groß wie bei einem Rührkessel mit gleichem Volumen. Zudem kann bei höheren Fließgeschwindigkeiten die Varianz der Verweilzeit noch weiter reduziert werden. Bei einer Fließgeschwindigkeit von 7.5 ml/min ist die Varianz nur halb so groß wie bei etwa 3 ml/min. Bei dem Röhrenreaktor handelt es sich insbesondere um ein Schlauchsystem mit Mischeinsatz. Vorzugsweise ist das Durchmischungsmodul ein Einwegartikel.Depending on the reaction to be carried out, a residence time suitable for the reaction can be defined for the corresponding mixing module by dimensioning the mixing module and setting the flow rate. In the process according to Example 1, the average residence times are in the range from 5 minutes to 60 minutes. For a homogeneous reaction or mixing, the variance in the residence time should be kept as low as possible. The mixing module preferably has a tubular reactor. Even at a low flow rate of less than 3 ml/min, the variance in the residence time of a tubular reactor with a volume of 2 L is only about half as large as that of a stirred tank with the same volume. In addition, at higher flow speeds, the variance in residence time can be reduced even further. At a flow rate of 7.5 ml/min the variance is only half as large as at around 3 ml/min. The tubular reactor is, in particular, a hose system with a mixing insert. Preferably the mixing module is a disposable item.
Der Begriff „Einwegartikel“ bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass die entsprechenden produktberührenden Teile, insbesondere Apparate, Behälter, Filter und Verbindungselemente, zum einmaligen Gebrauch mit anschließender Entsorgung geeignet sind, wobei diese Behälter aus Kunststoff oder Metall bestehen können. Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff auch wiederverwendbare Gegenstände, beispielsweise aus Stahl, die nur einmal im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden und danach nicht mehr im Verfahren verwendet werden. Solche gebrauchten Einwegartikel können dann im erfindungsgemäßen Verfahren auch als „disposabel“ oder „Single Use“ Artikel bezeichnet werden („SU-Technologie“).In the context of the invention, the term “disposable item” means that the corresponding parts that come into contact with the product, in particular apparatus, Containers, filters and connecting elements, which are suitable for single use with subsequent disposal, these containers can be made of plastic or metal. In the context of the invention, the term also includes reusable objects, for example made of steel, which are only used once in the method according to the invention and are then no longer used in the method. Such used disposable items can then also be referred to as “disposable” or “single-use” items in the method according to the invention (“SU technology”).
Gemäß einer Ausführungsform weist das Durchmischungsmodul ein Spektrometer zur Bestimmung der volumetrischen Konzentration und/oder der Vermischungseffizienz auf.According to one embodiment, the mixing module has a spectrometer for determining the volumetric concentration and/or the mixing efficiency.
Das Durchmischungsmodul (
Gemäß einer Ausführungsform ist das Probenentnahmemodul ausgestaltet, um eine Probe aus dem kontinuierlichen System zu entnehmen, ohne dabei den Produktstrom zu unterbrechen. Gemäß einer Ausführungsform weist das Probenentnahmemodul einen Probenaufnahmebehälter und einen Pufferbehälter auf, die mit dem Produktstrom simultan verbindbar angeordnet sind, so dass gleichzeitig im gleichen Maße Flüssigkeit aus dem Produktstrom in den Probenaufnahmebehälter und Puffer aus dem Pufferbehälter in den Produktstrom fließen kann.According to one embodiment, the sampling module is designed to remove a sample from the continuous system without interrupting the product flow. According to one embodiment, the sampling module has a sample receiving container and a buffer container, which are arranged to be simultaneously connectable to the product stream, so that at the same time liquid can flow from the product stream into the sample receiving container and buffer can flow from the buffer container into the product stream to the same extent.
Aufgabe des Probenentnahmemoduls ist es, eine Probe aus einem kontinuierlichen System zu ziehen, ohne dabei den Massenfluss zu unterbrechen. Bei der Probenentnahme wird der Produktstrom weg von der Prozessrichtung in ein Probeentnahmegefäß umgelenkt. Simultan öffnet sich der Weg zu einem Pufferbehälter der den fehlenden Volumenstrom in der Hauptleitung in Prozessrichtung ersetzt. Nach erfolgter Probeentnahme dreht das Ventil wieder auf die Eingangsstellung und der Produktstrom fließt wieder in Prozessrichtung zum nächsten Modul. Der Füllstand des Pufferbehälters kann dabei gravimetrisch überwacht werden. Die Puffer-Flussrate kann über einen Ultraschall-Clamp-on-Sensor überwacht werden und die Pumpe über einen Feedback-Loop gesteuert werden.The task of the sampling module is to take a sample from a continuous system without interrupting the mass flow. During sampling, the product flow is diverted away from the process direction into a sampling vessel. At the same time, the path to a buffer container opens which replaces the missing volume flow in the main line in the process direction. After the sample has been taken, the valve turns back to the input position and the product flow flows again in the process direction to the next module. The fill level of the buffer container can be monitored gravimetrically. The buffer flow rate can be monitored via an ultrasonic clamp-on sensor and the pump can be controlled via a feedback loop.
Gemäß einem dritten Aspekt stellt die Erfindung ein zuvor beschriebenes Probenentnahmemodul bereit.According to a third aspect, the invention provides a previously described sampling module.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Durchführung mehrerer Aufreinigungsschritte ausgebildet. Dafür weist die Vorrichtung bevorzugt mehrere aus den Modulen aufgebaute Einrichtungen auf.According to one embodiment, the device is designed to carry out several purification steps. For this purpose, the device preferably has several devices constructed from the modules.
Ein Beispiel solch einer Einrichtung ist eine Zellaufschluss- bzw Zellabtrennungseinrichtung. Diese enthält insbesondere ein Dosierungsmodul, ein Durchmischungsmodul und ein Tandem-Abtrennungsmodul. Ein Beispiel solch einer Einrichtung ist eine DNA-Abtrennungseinrichtung. Diese enthält insbesondere ein Dosierungsmodul, ein Durchmischungsmodul und ein Tandem-Abtrennungsmodul. Ein weiteres Beispiel solch einer Einrichtung ist eine Proteinabtrennungseinrichtung. Diese enthält insbesondere ein Dosierungsmodul, ein Durchmischungsmodul und ein Tandem-Abtrennungsmodul. Ein weiteres Beispiel solch einer Einrichtung ist eine Konzentrierungseinrichtung. Diese enthält insbesondere ein Tandem-Abtrennungsmodul. Ein weiteres Beispiel solch einer Einrichtung ist eine Umpufferungseinrichtung. Diese enthält insbesondere ein Dosierungsmodul, ein Durchmischungsmodul und ein Tandem-Abtrennungsmodul. Ein weiteres Beispiel solch einer Einrichtung ist eine Resolubilisierungseinrichtung. Diese enthält insbesondere ein Dosierungsmodul und ein Durchmischungsmodul. Ein weiteres Beispiel solch einer Einrichtung ist eine Virusinaktivierungseinrichtung. Diese enthält insbesondere ein Dosierungsmodul und ein Durchmischungsmodul.An example of such a device is a cell disruption or cell separation device. This contains in particular a dosing module, a mixing module and a tandem separation module. An example of such a device is a DNA separation device. This contains in particular a dosing module, a mixing module and a tandem separation module. Another example of such a device is a protein separation device. This contains in particular a dosing module, a mixing module and a tandem separation module. Another example of such a device is a concentration device. This contains in particular a tandem separation module. Another example of such a device is a buffering device. This contains in particular a dosing module, a mixing module and a tandem separation module. Another example of such a device is a resolubilization device. This contains in particular a dosing module and a mixing module. Another example of such a device is a virus inactivation device. This contains in particular a dosing module and a mixing module.
Aufgrund der modularen Bauweise kann die Vorrichtung in einfacher Weise für die Aufreinigung jeder Art von Proteinen oder Nukleinsäuren angepasst. Beispielsweise kann der Aufbau - wie in Beispiel 2 gezeigt - in einfacher Weise an die Aufreinigung von Proteinen aus Inclusion Bodies angepasst werden. Genau so können je nach Bedarf mehr Proteinaufreinigungseinrichtungen eingesetzt werden, um ggf. eine höhere Reinheit zu erreichen.Due to the modular design, the device can be easily adapted for the purification of any type of protein or nucleic acid. For example, the structure - as shown in Example 2 - can be easily adapted to the purification of proteins from inclusion bodies. In exactly the same way, more protein purification devices can be used as required in order to achieve higher purity if necessary.
Die Vorrichtung enthält vorzugsweise keine Zwischentanks zwischen den Modulen und/oder Einrichtungen. Ein Verzicht auf Zwischentank wird durch den dauerhaften Betrieb ohne Unterbrechung für den Austausch von Materialien, den Verzicht auf Aufreinigungsmodule, die einen Elutionsschritt erfordern, sowie geeigneten zueinanderpassende Fließgeschwindigkeiten der einzelnen Prozessabschnitte erreicht.The device preferably does not contain any intermediate tanks between the modules and/or devices. Eliminating the need for an intermediate tank is achieved through continuous operation without interruption for the exchange of materials, the elimination of purification modules that require an elution step, and suitable, matching flow rates for the individual process sections.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontinuierlichen Aufreinigung eines biotechnologischen Produkts in einer Vorrichtung mit einem modularen Aufbau mit einzelnen miteinander verbundenen Modulen, wobei die Module mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, mindestens ein Pumpenmodul, und mindestens ein Dosierungsmodul umfassen, umfassend die folgenden Schritte:
- - kontinuierliches Zuführen eines das biotechnologische Produkt und Verunreinigungen enthaltenden Produktstroms zur einer ersten Aufreinigungseinrichtung der Vorrichtung, wobei die Einrichtung mindestens ein Tandem-Abtrennungsmodul, gegebenenfalls mindestens ein Dosierungsmodul und gegebenenfalls ein Durchmischungsmodul umfasst;
- - ununterbrochener kontinuierlicher Transport des Produktstroms von einem Modul der Aufreinigungseinrichtung zum Nächsten, und
- - kontinuierliches Ausgeben des Produktstroms mit reduzierten Verunreinigungen aus der Einrichtung.
- - continuously feeding a product stream containing the biotechnological product and impurities to a first purification device of the device, the device comprising at least one tandem separation module, optionally at least one dosing module and optionally a mixing module;
- - uninterrupted, continuous transport of the product stream from one module of the purification device to the next, and
- - Continuous output of the product stream with reduced impurities from the facility.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist das biotechnologische Produkt ein Protein oder eine Nukleinsäure. Das Protein kann ausgewählt sein aus einem Blutgerinnungsfaktor, einem Peptid-Hormon, einem Wachstumsfaktor, einem Interferon, einem Interleukin-Analogon, oder einem Impfstoff, oder einem Antikörper, bevorzugt Antikörper der Klassen IgG1-4, IgM und IgG, IgE, oder Derivaten davon. According to one embodiment of the method, the biotechnological product is a protein or a nucleic acid. The protein can be selected from a blood clotting factor, a peptide hormone, a growth factor, an interferon, an interleukin analogue, or a vaccine, or an antibody, preferably antibodies of classes IgG1-4, IgM and IgG, IgE, or derivatives thereof .
Das Protein kann ferner ein Protein zur Verwendung als Nahrungsmittel sein. Die Nukleinsäure kann ausgewählt sein aus DNA, RNA, wie Antisense-RNA, oder Antisense-Oligonukleotiden.The protein may also be a protein for food use. The nucleic acid can be selected from DNA, RNA, such as antisense RNA, or antisense oligonucleotides.
Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren ohne Lagerung des Produktstroms in Zwischentanks realisiert und/oder ohne Elutionschromatographie ausgeführt. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Vorrichtung eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt.According to one embodiment, the process is implemented without storing the product stream in intermediate tanks and/or carried out without elution chromatography. According to an embodiment of the method, the device is a device according to the first aspect.
Gemäß einer Ausführungsform wird in der Aufreinigungseinrichtung eine Flow-Through-Chromatographie oder eine Proteinfällung gefolgt von einer Filtration, beispielsweise eine Dead-End- oder Tangentialfluss-Filtration, verwendet.According to one embodiment, flow-through chromatography or protein precipitation followed by filtration, for example dead-end or tangential flow filtration, is used in the purification device.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Tandem-Abtrennungsmodul zwei identische Durchflussabtrennungseinheiten auf, ausgewählt aus Filter und Chromatographie-Säulen, in Parallelschaltung und einen Drucksensor auf. Eine der beiden Durchflussabtrennungseinheiten steht mit dem Produktstrom in Verbindung und bei Überschreiten eines Schwellenwerts für den Druck als Maß für das Erreichen der Füllkapazität der Durchflussabtrennungseinheit, wird der Produktstrom auf die andere Durchflussabtrennungseinheit umgeschaltet. Diese Umschaltung kann automatisch erfolgen oder von einer Bestätigung des Operateurs der Anlage abhängig sein. Bei einem Tandem-TFF-Modul wird der Transmembrandruck (TMP), der Diffferentialdruck
Beim Druckanstieg existiert kein konkreter Schwellenwert, sondern ein z.B.: exponentieller Anstieg signalisiert das Erreichen der Füllkapazität. Als zusätzliche Sicherheitsfunktion kann in der Regel schon unterhalb des Schwellenwerts ein Alarmsignal ausgelöst werden.When the pressure increases, there is no specific threshold value, but rather an exponential increase, for example, signals that the filling capacity has been reached. As an additional safety function, an alarm signal can usually be triggered below the threshold value.
Dann kann die erste Durchflussabtrennungseinheit unter Sterilisation der Verbindungstücke gegen eine neue Durchflussabtrennungseinheit ausgetauscht werden.Then the first flow separation unit can be exchanged for a new flow separation unit while sterilizing the connecting pieces.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden Zugabestoffe, wie der Präzipitant für die Fällung, über ein Dosierungsmodul dem Produktstrom zugeführt. Das Dosierungsmodul weist dabei einen Versorgungsbehälter und einen Zwischenbehälter auf, zwischen denen eine Filtereinheit angeordnet ist, die mit einem Drucksensor ausgestattet ist. Der Zwischenbehälter wird mit dem Produktstrom verbunden und gleichzeitig der Versorgungsbehälter vom Produktstrom getrennt, wenn der Versorgungsbehälter leer ist und/oder der Druck an der Filtereinheit einen Schwellenwert überschreitet. Druck an der Filtereinheit oberhalb des Schwellenwerts zeigt eine Kontamination des Dosierungsmoduls an.According to one embodiment of the method, additives, such as the precipitant for the precipitation, are fed to the product stream via a dosing module. The dosing module has a supply container and an intermediate container, between which a filter unit is arranged, which is equipped with a pressure sensor. The intermediate container is connected to the product stream and at the same time the supply container is separated from the product stream when the supply container is empty and/or the pressure at the filter unit exceeds a threshold value. Pressure at the filter unit above the threshold indicates contamination of the dosing module.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird über ein Probenentnahmemodul, umfassend einen Probenaufnahmebehälter und einen Pufferbehälter, eine Probe aus dem Produktstrom entnommen, ohne dabei den Produktstrom zu unterbrechen. Dabei werden der Probenaufnahmebehälter und der Pufferbehälter mit dem Produktstrom simultan verbunden, so dass gleichzeitig Flüssigkeit aus dem Produktstrom in den Probenaufnahmebehälter und im gleichen Maße Puffer aus dem Pufferbehälter in den Produktstrom fließt.According to one embodiment of the method, a sample is removed from the product stream via a sampling module, comprising a sample receiving container and a buffer container, without interrupting the product flow. The sample receiving container and the buffer container are connected to the product stream simultaneously, so that at the same time liquid flows from the product stream into the sample receiving container and to the same extent buffer flows from the buffer container into the product stream.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind alle in Modulen eingesetzten, produkt-berührten Einheiten oder Elemente keimreduziert. Der Begriff „keimreduziert“ meint im Rahmen der Erfindung einen Zustand reduzierter Keimzahl, also einer Zahl an Mikroorganismen pro Flächen- oder Volumeneinheit von nahezu Null. Bevorzugt kann die Keimreduktionsmethode ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Gamma-Bestrahlung, Beta-Bestrahlung, Autoklavieren, Ethylenoxid (ETO)- Behandlung, Ozon-Behandlung (O3), Wasserstoffperoxid-Behandlung (H2O2) und Steam- in-place (SIP) Behandlung.In a further embodiment of the method according to the invention, all units or elements used in modules that come into contact with the product are germ-reduced. In the context of the invention, the term “germ-reduced” means a state of reduced number of germs, i.e. a number of microorganisms men per unit area or volume of almost zero. The germ reduction method can preferably be selected from the group consisting of gamma irradiation, beta irradiation, autoclaving, ethylene oxide (ETO) treatment, ozone treatment (O 3 ), hydrogen peroxide treatment (H 2 O 2 ) and steam-in- place (SIP) treatment.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Aufreinigung einen oder mehrere der folgenden Schritte in dafür geeigneten Eirichtungen: Zellabtrennung, DNA-Abtrennung, Proteinabtrennung, Umpufferung, Proteinkonzentration und Virusinaktivierung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das biotechnologische Produkt ein Antikörper und das Verfahren umfasst jeden der genannten Schritte. Gemäß einer Ausführungsform der Antikörperaufreinigung liegt die Fließgeschwindigkeit in der Zell-Abtrennungseinrichtung im Bereich von 5 ml/min bis 10 ml/min, bevorzugt im Bereich von 6 ml /min bis 9 ml/min, besonders bevorzugt im Bereich von 6,5 ml /min bis 7,5 ml/min. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Fließgeschwindigkeit in der DNA-Abtrennungseinrichtung im Bereich von 5 ml/min bis 10 ml/min, bevorzugt im Bereich von 6 ml /min bis 9 ml/min, besonders bevorzugt im Bereich von 7 ml Imin bis 8 ml/min. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Fließgeschwindigkeit in der Protein-Abtrennungseinrichtung im Bereich von 7 ml/min bis 14 ml/min, bevorzugt im Bereich von 8 mlImin bis 12 ml/min, besonders bevorzugt im Bereich von 9 ml /min bis 11 ml/min. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Fließgeschwindigkeit in der Umpufferungseinrichtung, der Konzentrierungseinrichtung und der Virusinaktivierungseinrichtung im Bereich von 0.5 ml/min bis 5,0 ml/min, bevorzugt im Bereich von 1,0 ml /min bis 3,0 ml/min, besonders bevorzugt im Bereich von 1,0 ml /min bis 2,0 ml/min.According to one embodiment of the method, the purification comprises one or more of the following steps in suitable devices: cell separation, DNA separation, protein separation, rebuffering, protein concentration and virus inactivation. In a preferred embodiment, the biotechnological product is an antibody and the method includes each of the steps mentioned. According to one embodiment of the antibody purification, the flow rate in the cell separation device is in the range from 5 ml/min to 10 ml/min, preferably in the range from 6 ml/min to 9 ml/min, particularly preferably in the range from 6.5 ml/min. min to 7.5 ml/min. According to one embodiment, the flow rate in the DNA separation device is in the range from 5 ml/min to 10 ml/min, preferably in the range from 6 ml/min to 9 ml/min, particularly preferably in the range from 7 ml/min to 8 ml/min. min. According to one embodiment, the flow rate in the protein separation device is in the range from 7 ml/min to 14 ml/min, preferably in the range from 8 ml/min to 12 ml/min, particularly preferably in the range from 9 ml/min to 11 ml/min . According to one embodiment, the flow rate in the buffering device, the concentration device and the virus inactivation device is in the range from 0.5 ml/min to 5.0 ml/min, preferably in the range from 1.0 ml/min to 3.0 ml/min, particularly preferably in the range of 1.0 ml / min to 2.0 ml / min.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Fließgleichgewicht der kontinuierlichen Aufreinigung über einen Zeitraum von mindestens einer Woche, bevorzugt mindestens 4 Wochen, besonders bevorzugt mindestens 3 Monaten, vorzugsweise mindestens 6 Monaten aufrechterhalten. Eine derart lange Laufzeit von mehreren Wochen kontinuierlichem Betriebs wird ermöglicht durch den geschlossenen und keimreduzierten Betrieb der Vorrichtung, sowie die Möglichkeit der Wartung der einzelnen Module und den Materialaustausch im laufenden Betrieb etwa durch den Einsatz der Tandem-Abtrennungsmodule mit Durchflusseinheiten.According to one embodiment of the method, the steady state of the continuous purification is maintained over a period of at least one week, preferably at least 4 weeks, particularly preferably at least 3 months, preferably at least 6 months. Such a long running time of several weeks of continuous operation is made possible by the closed and germ-reduced operation of the device, as well as the possibility of maintaining the individual modules and exchanging materials during ongoing operation, for example through the use of tandem separation modules with flow units.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die kontinuierliche Aufreinigung mit einer kontinuierlichen Proteinherstellung gekoppelt. Die kontinuierliche Proteinherstellung kann in einem kontinuierlich betriebenen Bioreaktor durchgeführt werden.According to one embodiment of the method, the continuous purification is coupled with continuous protein production. Continuous protein production can be carried out in a continuously operated bioreactor.
BEISPIELEEXAMPLES
Beispiel 1 - Aufreinigung von monoklonalen Antikörpern (mAbs) aus ZellkulturüberständenExample 1 - Purification of monoclonal antibodies (mAbs) from cell culture supernatants
Die mAb-Aufreinigung kann aus den folgenden 6 Prozessschritten bestehen:
- • Zellaufschluss bzw. Zellabtrennung
- • DNA Abtrennung bzw. Fällung
- • (selektive) Protein Fällung
- • Konzentrierung
- • Waschen & Umpuffern
- • Resolubilisierung
- • Neutralisation
- • Cell disruption or cell separation
- • DNA separation or precipitation
- • (selective) protein precipitation
- • Concentration
- • Washing & rebuffering
- • Resolubilization
- • Neutralization
Ein schematischer modularer Aufbau der Vorrichtung für die kontinuierliche Aufreinigung von monoklonalen Antikörpern ist in
Die aus dem Bioreaktorprozess gewonnene Zellsuspension wird zunächst durch Filtration von den Zellen befreit (Zellabtrennungseinrichtung) und in die DNA-Abtrennungseinrichtung, enthaltend ein Dosierungsmodul, ein Rohrreaktor-Modul und ein Tandem-Dead-End-modul sowie Pumpen eines Pumpenmoduls überführt.The cell suspension obtained from the bioreactor process is first freed from the cells by filtration (cell separation device) and transferred to the DNA separation device, containing a dosing module, a tubular reactor module and a tandem dead-end module as well as pumps of a pump module.
Über das Dosierungsmodul wird aus einer CaCl2 Stock-Lösung die CaCl2 Konzentration im Produktstrom auf 100 mM eingestellt. Gegebenenfalls ist vorher die Addition einer minimalen Konzentration von Phosphat in den Überstand notwendig. Die Reaktionszeit der DNA-Fällung beläuft sich auf wenige Minuten. Eine optimale Mischung sowie die notwendige Verweilzeit wird über die Länge des Rohrreaktor-Moduls erreicht. Das Präzipitat wird anschließend in dem Tandem Dead-End-Modul über Tiefenfilter (23 cm2 bis 250 cm2) abgetrennt. Über den Druck (max. 2 - 2.5 bar) wird System überwacht und bei Fouling des Filters automatisiert auf den zweiten Filter geschaltet. Der Filter kann ausgetauscht werden, die Wegstrecke bedämpft (121°C, 1.1 bar) und wieder steril in das System eingefügt werden (Funktional geschlossenes System).The dosing module is used to adjust the CaCl 2 concentration in the product stream to 100 mM from a CaCl 2 stock solution. It may be necessary to add a minimal concentration of phosphate to the supernatant beforehand. The reaction time for DNA precipitation is a few minutes. An optimal mixture and the necessary residence time are achieved over the length of the tubular reactor module. The precipitate is then separated in the tandem dead-end module using depth filters (23 cm 2 to 250 cm 2 ). The system is monitored via the pressure (max. 2 - 2.5 bar) and automatically switched to the second filter if the filter fouls. The filter can be replaced, the distance dampened (121°C, 1.1 bar) and reinserted into the system in a sterile manner (functionally closed system).
Die Proteinpräzipitation erfolgt in einer Proteinabtrennungseinrichtung, enthaltend ein Dosierungsmodul, für die Zugabe chaotroper Substanzen. Die mAb Fällung erfolgt bei einer PEG 6000 (Polyethylenglycol) Konzentration von 12 - 15 Vol.-%. Auch diese Substanz wird aus einer ca. 50 Vol.-% Stocklösung über ein Dosierungsmodul hinzugefügt. Die Reaktionszeit dieser Fällung beträgt rund 20 min und die optimale Verweilzeit und Mischung wird wie im ersten Schritt über ein Rohrreaktor-Modul ermöglicht.The protein precipitation takes place in a protein separation device containing a dosing module for the addition of chaotropic substances. The mAb precipitation takes place at a PEG 6000 (polyethylene glycol) concentration of 12 - 15% by volume. This substance is also added from an approx. 50 vol.% stock solution via a dosing module. The reaction time for this precipitation is around 20 minutes and, as in the first step, the optimal residence time and mixing is achieved via a tubular reactor module.
Die Konzentrierung (5-20-fach) erfolgt in einer Umpufferungseinrichtung mit einem Tandem TFF System. Dabei wird kontinuierlich Flüssigkeit entzogen und neues präzipitiertes Protein hinzugefügt. Auch hier wird über den Druck bzw. den Transmembran-Druck das System überwacht und bei erhöhtem Fouling der Membran (Druckanstieg) automatisiert auf den zweiten Filter geschaltet. Der nicht verwendete Filter kann ausgetauscht werden und die Wegstrecke bedampft und wieder steril in das System eingefügt werden (funktional geschlossenes System).The concentration (5-20 times) takes place in a buffering device with a tandem TFF system. Fluid is continuously removed and new precipitated protein is added. Here, too, the system is monitored via the pressure or transmembrane pressure and, if there is increased fouling of the membrane (pressure increase), it is automatically switched to the second filter. The unused filter can be replaced and the path can be steamed and reinserted into the system in a sterile manner (functionally closed system).
Umpuffern bzw. Waschen des Präzipitats erfolgt in einer Umpufferungs-Einrichtung analog zur Konzentrierung außer, dass noch eine zusätzliche Leitung mit einem wässrigen Puffer (z.B.: 100 mM MOPS Puffer) an das TFF-System angeschlossen ist. Es wird ein Umpufferungsfaktor von 10 angestrebt, um das Präzipitat größtmöglich vom Überstand und den restlichen löslichen Medien und Zellkulturbestandteilen zu befreien. Auch hier wird das System über den Druck überwacht und weist die oben genannte Redundanz auf.Rebuffering or washing of the precipitate is carried out in a rebuffering device analogous to concentration, except that an additional line with an aqueous buffer (e.g.: 100 mM MOPS buffer) is connected to the TFF system. A rebuffering factor of 10 is aimed for in order to free the precipitate as much as possible from the supernatant and the remaining soluble media and cell culture components. Here too, the system is monitored via pressure and has the redundancy mentioned above.
Das Präzipitat wird im nächsten Schritt gelöst. Dies kann bei niedrigem pH (< 3,2) erfolgen. Die Reaktion selber benötigt nur eine kurze Verweilzeit kann aber auf 1 h verlängert werden um simultan eine Virusinaktivierung durchzuführen. Die optimale Durchmischung und Verweilzeit wird durch die Länge des Rohrreaktor-Moduls bestimmt. Im letzten Schritt wird die Lösung neutralisiert (pH = 7).The precipitate is dissolved in the next step. This can be done at low pH (<3.2). The reaction itself only requires a short residence time but can be extended to 1 h in order to simultaneously carry out virus inactivation. The optimal mixing and residence time is determined by the length of the tubular reactor module. In the last step the solution is neutralized (pH = 7).
Die Zugabe der einzelnen Lösungen erfolgt über die Dosierungs-Module. Alle Durchflüsse werden mit Flusssensoren überwacht und über die dazugehörigen Pumpen gesteuert. Das System befindet sich kontinuierlich im Fließgleichgewicht. Es gibt keine Zwischenbehälter, die sich negativ auf die Verweilzeit auswirken.The individual solutions are added via the dosing modules. All flows are monitored with flow sensors and controlled via the associated pumps. The system is continuously in equilibrium. There are no intermediate containers that have a negative impact on the residence time.
Beispiel 2 - Aufreinigung und Resolubilisierung von Inclusion BodiesExample 2 - Purification and resolubilization of inclusion bodies
Die Inclusion Body (IB) Aufreinigung und Resolubilisierung umfasst die folgende Schritte:
- • IB Solubilisierung
- • IB Refolding
- • Proteinlösung umpuffern
- • Proteinlösung aufkonzentrieren
- • IB solubilization
- • IB refolding
- • Rebuffer protein solution
- • Concentrate protein solution
Ein schematischer modularer Aufbau der Vorrichtung für die kontinuierliche Prozessierung von Inclusion Bodies ist in
IBs, auch Einschlusskörper genannt, entstammen aus einem mikrobiellen Prozess, nämlich der Proteinexpression in Bakterien, insbesondere Escherichia Coli. Bei der Expression kommt es zur Falschfaltung des in großen Mengen produzierten Zielproteins, zur Aggregation und damit zur Bildung der IBs, in denen das Zielprotein zwar nicht richtig gefaltet, dafür aber in hoher Reinheit vorliegt. Nach dem Aufbrechen der Zelle können die IBs durch Zentrifugieren von Zellbruchbestandteilen und dem restlichen Medium abgetrennt werden.IBs, also called inclusion bodies, arise from a microbial process, namely protein expression in bacteria, particularly Escherichia Coli. During expression, the target protein produced in large quantities is misfolded, aggregation occurs and thus the formation of IBs, in which the target protein is not folded correctly but is present in high purity. After cell rupture, the IBs can be separated from cell debris and remaining medium by centrifugation.
Das IB Pellet liegt als Slurry mit einem hohen Proteinanteil vor. Bei Bedarf kann dem IB Slurry Puffer hinzugefügt werden und diese auf einen gewünschten End-Proteinanteil gebracht werden.The IB pellet is available as a slurry with a high protein content. If necessary, buffer can be added to the IB Slurry and brought to the desired final protein proportion.
Der verdünnte Slurry wird in die kontinuierliche Anlage über Pumpen eingebracht. Im ersten Prozessschritt kommt es zur Solubilisierung der IBs mit einem chaotropen oder neutralem Detergenz in hoher Molarität, z.B.: 8 M Guanidin Hydrochlorid oder 6 M Harnstoff. Je nach Produkt, falls Di-Sulfidbrückenbindungen ausgebildet werden müssen, muss dieser Prozess bereits unter reduzierenden Bedienungen stattfinden. Dies geschieht zumeist unter Zugabe von Dithiothreitol (DTT), z.B.: 100 mM.The diluted slurry is introduced into the continuous system via pumps. In the first process step, the IBs are solubilized with a chaotropic or neutral detergent in high molarity, e.g.: 8 M guanidine hydrochloride or 6 M urea. Depending on the product, if di-sulfide bridge bonds have to be formed, this process must already take place under reducing operations. This usually happens with the addition of dithiothreitol (DTT), e.g.: 100 mM.
Nach erfolgter Solubilisierung kommt es zum Refolding des Proteins. Mittels Umpufferung, zum Beispiel mit einem 100mM Tris-HCI Puffersystem mit stabilisierenden Zusätzen wie 300 mM NaCl und 50 mM Arginin bei einem pH von 7 wird das solubilisierte Protein in ihre aktive Form gefaltet.After solubilization, the protein refolds. By rebuffering, for example with a 100mM Tris-HCl buffer system with stabilizing additives such as 300 mM NaCl and 50 mM arginine at a pH of 7, the solubilized protein is folded into its active form.
Im letzten Schritt wird die (zumeist) aus dem Prozess kommende verdünnte Proteinlösung aufkonzentriert.In the last step, the (usually) diluted protein solution coming from the process is concentrated.
Die verwendeten Tandemfiltermodule entsprechen denen aus Beispiel 1. Ferner kommen dieselben Kontrollstrategien zur Anwendung. Aufgrund der Größe der IBs kommen allerdings (Hohlfaser)-Filtermembranen mit einem unterschiedlichen Cut-Off zum Einsatz. Für das erste Tandem TFF Modul, wo das Zielprotein noch im aggregierten Festzustand vorliegt, kommt eine Hohlfaser-Membran mit einem Cut-Off von 0,2 µm zur Verwendung. Ab dem Solubilisierungsschritt werden Membranen, abhängig von der Größe des Zielproteins, mit Cut Offs von 3-10 kDa verwendet.The tandem filter modules used correspond to those from Example 1. The same control strategies are also used. However, due to the size of the IBs, (hollow fiber) filter membranes with a different cut-off are used. For the first tandem TFF module, where the target protein is still in the aggregated solid state, a hollow fiber membrane with a cut-off of 0.2 µm is used. From the solubilization step onwards, membranes with cut-offs of 3-10 kDa are used, depending on the size of the target protein.
Theoretisch kann jedes Protein, welches sich in E. coli exprimieren lässt und als IB vorliegt, mit diesem Prozess Setup kontinuierlich aufgereinigt werden. Beispiel für industrierelevante Produkte sind Insulin, FAb-Fragmente (Fragmente von monoklonalen Antikörpern) und Casein.Theoretically, any protein that can be expressed in E. coli and is present as IB can be continuously purified with this process setup. Examples of industry-relevant products are insulin, FAb fragments (fragments of monoclonal antibodies) and casein.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.With regard to further advantageous embodiments of the device according to the invention, in order to avoid repetitions in general Reference is made to part of the description and to the attached claims.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.Finally, it should be expressly pointed out that the exemplary embodiments of the device according to the invention described above only serve to discuss the claimed teaching, but do not limit it to the exemplary embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2014137903 [0008]WO 2014137903 [0008]
- EP 3093335 A1 [0009]EP 3093335 A1 [0009]
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