Entwicklung und Etablierung einer TFF-Anlage zur Durchführung und Überwachung automatisierter Konzentrations- und Diafiltrationsprozesse

Abstract

Tangentialflussfiltrationen, auch bekannt als Querstromfiltrationen, gelten in der Biotechnologie und der pharmazeutischen Wirkstoffproduktion als etabliertes Verfahren im Downstream Processing. Ob zum Pufferaustausch, bei der Abtrennung von Zellen und Zellbruchstücken oder bei der Aufkonzentrierung von gelösten Produkten, stellt die Tangentialflussfiltration eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Abtrennungsverfahren wie die Zentrifugation oder Dead-End-Filtrationen dar. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Tangentialflussfiltrationsanlage inklusive einer Computer-Anwendung zur Planung, automatisierten Durchführung und Überwachung von Konzentrations- und Diafiltrationsprozessen. Die Entwicklung der graphischen Benutzeroberfläche erfolgte in der Entwicklungsumgebung Matlab App Designer®. Zur Verifikation der Funktionalität der Anlage und der Anwendung wurden Konzentrationsversuche mit Saccharomyces cerevisiae Zellsuspensionen durchgeführt und auf ihre Reproduzierbarkeit untersucht. Die praktische Anwendung der Tangentialflussfiltrationsanlage hat die Fähigkeit der Anlage bestätigt, eine zellhaltige Suspension unter dem Gütekriterium der vollständigen Zellabtrennung bei gleichzeitiger Aufkonzentrierung zu filtrieren. Die Computer-Anwendung hat sich gemäß dem definierten Konzept bei der Planung, der Durchführung und der Live-Überwachung der Konzentrationsversuche als funktional und zuverlässig erwiesen. Die Reproduzierbarkeitsversuche haben gezeigt, dass die Filtrationen, insbesondere zum Filtrationsende, einer starken Variabilität unterliegen. Gründe für die hohe Variabilität konnten im Rahmen dieser Masterarbeit nicht exakt identifiziert werden.

Tangential flow filtration, also known as cross-flow filtration, is an established procedure in downstream processing in biotechnology and pharmaceutical active ingredient production. Whether for buffer exchange, when separating cells and cell fragments or for the recovery and purification of dissolved products, tangential flow filtration is considered to be an attractive alternative to conventional separation methods such as centrifugation or dead-end-filtration. This thesis deals with the development of a tangential flow filtration plant including a computer application for planning, automated execution and monitoring of concentration and diafiltration processes. The graphical user interface was developed in the Matlab App Designer® development environment. Concentration experiments were carried out with Saccharomyces cerevisiae cell suspensions to verify the functionality of the plant and its application. In the course of this, the reproducibility of the concentration experiments was investigated. The practical usage of the tangential flow filtration plant has confirmed the capability of the system to filter a cell containing suspension under the quality criterion of complete cell separation with simultaneous concentration. During the planning, execution and live monitoring of the concentration experiments, the computer application has proven to be fully functional and reliable. The reproducibility trials have indicated that the filtrations show a high degree of variability, especially at the end of the filtration process. Reasons for the high variability could not be precisely identified within the scope of this master thesis.