Modellunterstützte Prozessauslegung unterschiedlicher Grundoperationen am Beispiel von kontinuierlicher Ultrafiltration und absatzweiser Kristallisation

Huter, Maximilian GND

In den zurückliegenden Dekaden nahm die Herstellung nachhaltiger, pharmazeutischer Wertstoffe sowohl aus Pflanzen (engl.: Botanicals) als auch tierischen Zellkulturen (engl.:Biologicals) stark zu. Um aus diesen Ausgangsmaterialien den gewünschten Zielstoff zu isolieren, sind komplexe Prozessketten notwendig, die ein großes finanzielles Optimierungspotential bieten. In dieser Arbeit werden Optimierung zweier unterschiedlicher Prozessschritte durch systematische Prozessauslegung und die Erstellung von dynamischen Prozessmodellen vollzogen. Die Modelle müssen hierbei in der Lage sein alle auftretenden Effekte abzubilden. Weiterhin müssen Modelle einerseits modular vorliegen, um eine Übertragbarkeit zu anderen Systemen zu vereinfachen, und andererseits müssen die Modellparameter mit möglichst wenig Versuchen zu bestimmen sein. Für biologische Prozesse wird eine kontinuierliche Ultrafiltration betrachtet. Diese war lange das Bottleneck für kontinuierliche Bioprozesse und bietet daher ein großes Optimierungspotential. Bei der Modellerstellung wurde hierbei explizit auf die geometrischen Eigenschaften einer kontinuierlichen Ultrafiltration eingegangen. Untersucht wurden in dieser Arbeit die Aufkonzentrierung einer niedrigkonzentrierten Proteinlösung eines monoklonalen Antikörpers sowie einer hochkonzentrierten Serumalbumin-Lösung. Als Gegenstück wurde die absatzweise durchgeführte Kristallisation mit dem Zielstoff Artemisinin betrachtet. Ziel für diese war die Entwicklung eines definierten Prozesses, bei dem neben der Ausbeute auch die Partikelgröße anpassbar sein sollen. Weiterhin galt zu klären, ob der Kristallisationsschritt zu einem früheren Zeitpunkt im Prozess gewinnbringend eingesetzt werden kann und dadurch ein verkürzter, kostengünstigerer Herstellungsweg möglich ist. Für beide Grundoperationen werden schrittweise Prozesse entwickelt und die Parameterbestimmung für die Prozessmodelle dargestellt. Die Modelle wurden im Anschluss validiert und im Falle der Ultrafiltration wird eine modellbasierte Optimierung durchgeführt. Die durchgeführten Arbeiten verdeutlichen, dass eine Prozessmodellierung umso einfacher und gewinnbringender ist, je mehr Variablen inline messbar sind.

In the past decades, the production of sustainable, valuable pharmaceutical substances from both plants (botanicals) and animal cell cultures (biologicals) has increased significantly. In order to isolate the desired target substance from these starting materials, complex process chains are necessary, which offer a large financial optimization potential. This work presents optimization of two different unit operations by systematic process design and the creation of dynamic process models. The models must be able to represent all occurring effects. Furthermore, models have to be modular in order to simplify transferability to other systems and the model parameters have to be determined with as few experiments as possible. For biological processes, continuous ultrafiltration is considered. This has long been the bottleneck for continuous bioprocesses and therefore offers great potential for optimization. The geometric properties of continuous ultrafiltration were explicitly considered in the model development. The concentration of a low-concentration protein solution of a monoclonal antibody and a high-concentration serum albumin solution were investigated in this work. As a counterpart, the batch crystallization with Artemisinin as target component was investigated. The aim for this was to develop a defined process in which, the particle size should also be adjustable not just yield. Furthermore, it had to be clarified whether the crystallization step can be profitably applied earlier in the process. This would result in ashortened, more cost-effective way to isolate Artemisinin. Botch Processes were developed step by step and the parameter determination for the process models was presented. The models were subsequently validated and in the case of ultrafiltration a model-based optimization was performed. The work illustrates that the more variables can be measured inline, the simpler and more profitable process modeling becomes.

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Huter, Maximilian: Modellunterstützte Prozessauslegung unterschiedlicher Grundoperationen am Beispiel von kontinuierlicher Ultrafiltration und absatzweiser Kristallisation. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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