Optimierung der Protein-präzipitation und -trennung durch hybride Modellierungsansätze
Eine globale Herausforderung
Die fraktionierte Proteinpräzipitation aus Blutplasma ist ein entscheidender Schritt in der biopharmazeutischen Herstellung von Takeda. Eine hohe Produktqualität und eine zuverlässige Proteintrennung zu erreichen, ist jedoch alles andere als trivial. Zahlreiche voneinander abhängige Faktoren, wie Mischdynamik, Scherkräfte und lokale Konzentrationsgradienten, beeinflussen nicht nur die Effizienz der Trennung, sondern auch die strukturelle Integrität der präzipitierten Proteine.
Die Takeda Manufacturing Austria AG trat mit einer klaren Ambition an diese Herausforderung heran: ein optimales Tank- und Rührerdesign in Kombination mit einem optimierten Rührprozess (z. B. Rührgeschwindigkeiten) zu identifizieren, das für jeden Prozessschritt weltweit an allen Produktionsstandorten konsistent umgesetzt werden kann. Die zentralen Anforderungen waren eine robuste Performance und die Erhaltung der Proteinqualität.
Wie das RCPE das Tankdesign durch hybride Modellierung voranbringt
Von der Reaktorkenntnis zur Prozessoptimierung
Unsere Untersuchungen begannen mit einer systematischen Charakterisierung eines Referenzreaktors eines definierten Prozessschritts. Durch die Bestimmung der stationären Betriebsbedingungen wurde eine verlässliche Basis für nachfolgende Studien geschaffen. Anschließend erweiterten wir die Analyse auf transiente Betriebsregime und gewannen Einblicke, wie geometrische Variationen und betriebliche Änderungen die Mischleistung beeinflussen.
Wesentliche Arbeitsschritte umfassten:
Bestimmung der Mischzeiten
Bestimmung der Mischzeiten bei unterschiedlichen Rührerdrehzahlen als Referenzgröße für die Homogenität und als wertvolle Grundlage für Scale-up-Betrachtungen.
Vergleichende Bewertung von Zugabestrategien
Die Ergebnisse zeigten signifikante Verbesserungen: Die Mischzeiten konnten um bis zu 35 % reduziert werden, während Überkonzentrationsspitzen reduziert wurden, die andernfalls die Proteinqualität und -stabilität beeinträchtigen würden.
Erster Erfolg: Validierung des Ansatzes
Ein frühes und wichtiges Ergebnis des Projekts war die Validierung unserer Modellierungsstrategie als Werkzeug zum Vergleich unterschiedlicher Tankgeometrien und Methoden zur Zugabe des Präzipitationsmittels. Die Simulationen zeigten, dass die Art der Zugabe des Präzipitanten ebenso kritisch ist wie das Reaktordesign selbst. Eine unkontrollierte lokale Überdosierung des Präzipitationsmittels führt zu unerwünschter Präzipitation und zu potenzieller Proteindenaturierung. Unser hybrider Ansatz machte eine klare Präferenz für optimierte Verteilungsstrategien deutlich und ermöglichte eine deutlich verbesserte Prozesskonsistenz und Produktqualität.
Ausblick
Ein frühes und wichtiges Ergebnis des Projekts war die Validierung unserer Modellierungsstrategie als Werkzeug zum Vergleich unterschiedlicher Tankgeometrien und Methoden zur Zugabe des Präzipitationsmittels. Die Simulationen zeigten, dass die Art der Zugabe des Präzipitanten ebenso kritisch ist wie das Reaktordesign selbst. Eine unkontrollierte lokale Überdosierung des Präzipitationsmittels führt zu unerwünschter Präzipitation und zu potenzieller Proteindenaturierung. Unser hybrider Ansatz machte eine klare Präferenz für optimierte Verteilungsstrategien deutlich und ermöglichte eine deutlich verbesserte Prozesskonsistenz und Produktqualität.
Ausblick
Das laufende Projekt bewegt sich nun auf den nächsten Meilenstein zu: die Überführung dieser validierten Erkenntnisse in das Design einer optimalen Tankkonfiguration für die Plasmaproteinpräzipitation von Takeda. Darüber hinaus wird eine Äquivalenzabbildung zwischen unterschiedlichen Reaktoren sicherstellen, dass das optimierte Design zuverlässig skaliert und standortübergreifend auf globale Produktionsstätten übertragen werden kann. Dieser Schritt ist von entscheidender Bedeutung, da die Reproduzierbarkeit über verschiedene Standorte hinweg nicht nur Effizienz, sondern auch die Patientensicherheit gewährleistet.
Wirkung und Perspektiven
Durch die kombinierte Anwendung strenger physikalischer Prinzipien und moderner datengetriebener Analytik legt das Projekt eine solide Grundlage für Takedas nächste Generation von Plasmafraktionierungsprozessen. Die ersten Ergebnisse zeigen klar, dass Herausforderungen in der Präzipitationshomogenität und Proteinqualität systematisch adressiert werden können und dass verbesserte Designs in Reichweite liegen.
Der langfristige Nutzen besteht darin, über das globale Produktionsnetzwerk hinweg zuverlässigere, effizientere und besser skalierbare Prozesse zu ermöglichen und damit sowohl die Qualitätssicherung als auch die Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu stärken.
Kontakt
Dr. Gert Breitfuss