Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6915

Einsatz magnetischer Separationsverfahren zur biotechnologischen Produktaufarbeitung

Christian Hoffmann

Zusammenfassung
Magnetische Separationsverfahren können unter Verwendung spezieller magnetischer Mikrosorbentien in der biotechnologischen Produktaufarbeitung dafür eingesetzt werden, Bioprodukte in einem Prozessschritt selektiv hinsichtlich gelöster und feststoffhaltiger Störstoffe aus einer komplex zusammengesetzten Biosuspension zu extrahieren. Hierfür wurden in der Arbeit geeignete Magnetseparatoren ausgelegt und konstruiert, die in der Lage sind, Partikeln im Mikrometermaßstab selektiv von Zellen und Zelldebris zu trennen. Mathematische Beschreibungen des Separationsvorgangs wurden entwickelt, Möglichkeiten zur Herstellung geeigneter magneti-scher Mikrosorbentien aufgezeigt und das Separationsverhalten der Magnetseparatoren, die Sorptionseigenschaf-ten der Partikeln und schließlich, an einem Beispiel, die Leistungsfähigkeit des Gesamtverfahrens charakterisiert.

Im Rahmen der Arbeit wurden die magnetischen Separationsverfahren der Hochgradientenmagnetseparation (HGMS), der Offenen-Gradienten-Magnetseparation (OGMS) sowie ein neuartiges Verfahren (Repulsive-Mode Magnetseparation, RMMS) zur Separation magnetischer Mikrosorbentien untersucht, optimiert und verglichen. Die HGMS wurde eingehender untersucht und für eine Verwendung in der Bioproduktaufarbeitung optimiert, wobei wesentliche Fortschritte hinsichtlich der erreichbaren Partikelkapazität und Rückspüleffizienz erzielt werden konnten. Um die Leistungsfähigkeit der Magnetseparation vorauszuberechnen, wurden zusätzlich theore-tische Ansätze entwickelt und mit experimentellen Daten korreliert.

Magnetische Mikrosorbentien wurden im Gramm-Maßstab hergestellt und für die Verwendung als magnetische Affinitätssorbentien optimiert. Die Sorptionseigenschaften, wie Kapazität und Kinetik, der hergestellten Parti-keln wurden anhand weniger Modellproteine untersucht, wobei es gelang, hohe Sorptionskapazitäten und Affini-täten zu erzielen. Schließlich wurde aufbauend auf den HGMS-Untersuchungen eine optimierte Anlage entwi-ckelt und charakterisiert, die eine Integration der Affinitätssorption, der Magnetseparation und der erforderlichen Wasch- und Elutionsschritte ermöglicht. Unter Verwendung einer E. coli-Kultur wurde die Leistungsfähigkeit dieses neuartigen Separationssystems für die Bioproduktaufreinigung demonstriert, wobei eine komplette Zellab-trennung und hohe Produktreinheit des Zielmoleküls erreicht wurden. Mit der vorliegenden Arbeit wurden somit wesentliche Voraussetzungen dafür geschaffen, magnetische Separationsverfahren als neuartigen Verfahrens-schritt in der primären industriellen Bioproduktaufarbeitung einsetzen zu können.

Use of magnetic separation processes for the purification of bio-products

Abstract
Magnetic separation processes can be used in combination with magnetic adsorbent particles to purify bio-products in a single processing step from dissolved and particulate impurities out of a complex biosuspension. In this work, different types of magnetic separators have been designed and built which were able to selectively separate micron-sized particles from cells and cell debris. Mathematical separation models have been developed and possibilities for the manufacture of appropriate magnetic adsorbents have been shown. The magnetic separa-tion performance, adsorption properties and the performance of the overall process have been characterized.

The different magnetic separation technologies of High Gradient Magnetic Separation (HGMS), Open Gradient Magnetic Separation (OGMS) and of a new magnetic separation technology Repulsive Mode Magnetic Separa-tion (RMMS) have been characterized, optimized and compared for their separation performance. HGMS has been investigated in more detail and optimized for the purification of biomolecules. Using HGMS particle holding capacity as well as rinsing efficiency have been considerably improved. In order to predict the magnetic separation performance, theoretical models have been developed and were correlated with experimental data.

Magnetic adsorbents particles were produced in gram scale and were optimized for use as magnetic affinity adsorbents. Adsorption properties of the produced particles including capacity and kinetics, were characterized using model proteins. High adsorption capacities and affinities were achieved with the fabricated magnetic particles. Based on the HGMS results an optimized process was developed and characterized that allows an integration of adsorption, magnetic separation and the necessary wash and elution steps. The performance of this novel separation system was demonstrated using an E.coli cell culture. A complete cell removal and high prod-uct purity could be achieved using the optimized process developed in this work. In conclusion, important preconditions have been created in this work in order to establish magnetic separation technology in primary industrial downstream processing of bio-products.

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