高タンパク質濃度に適用されるイオン交換クロマトグラフィーのタンパク質混合物の溶出曲線の数学モデリング

イオン交換クロマトグラフィー（IEC）のタンパク質溶出曲線は、レートモデルでシミュレートされました。3つの純粋なタンパク質とその混合物を使用して（アルファラクタルブミン、BSA、およびコナルブミン）、さまざまな動作条件下で使用しました。アニオンマトリックスQ-セファロースFFを1 mLのカラムに詰めました。モデルの有用性を拡張するために、高タンパク質濃度（37.5 mg/mlの総タンパク質をカラムに注入）を使用しました。物質移動パラメーターは、経験的相関を使用して計算されました。ここでは、軸方向分散が無視でき（PE> 300）、物質移動は粒子内拡散によって制御されました（Bi> 10）。このモデルは、モジュレーターとエルイトの関係がラングミュア等温線の平衡定数であると想定しており、塩濃度の関数でした。吸着速度論的パラメーターは、実験データから推定されました。純粋なタンパク質のパラメーターが決定され、流量、イオン強度勾配、濃度、およびサンプルサイズの変化のための溶出曲線がモデルによって予測されました。次に、混合物の運動パラメーターを同じ動作条件下で決定し、タンパク質間相互作用、競合、変位などの効果を考慮に入れるために、パラメーターの一部を変更する必要がありました。流量やイオン強度勾配などの運用条件の変化に対して得られた実験的溶出曲線は、目に見えるピークの保持時間が5％未満の保持時間の相対誤差を持つタンパク質混合物の速度モデルによってシミュレートされました。IECの動作条件とピーク分数収集は、シミュレーションから得られる収量、純度、濃度、およびプロセス時間を考慮する生産プロセスのコスト関数を使用して選択できます。最小コストを与えた運用条件が選択されました。シミュレーションにより、実験的な時間とコストを減らすことができます。

Protein elution curves in ion exchange chromatography (IEC) were simulated with a rate model. Three pure proteins and their mixture were used (alpha-lactalbumin, BSA, and conalbumin) under different operational conditions. The anionic matrix Q-Sepharose FF was used packed in a 1 mL column. A high protein concentration (37.5 mg/mL of total protein injected into the column) was used in order to extend the utility of the model. Mass transfer parameters were calculated using empiric correlations, where the axial dispersion was negligible (Pe > 300) and the mass transfer was controlled by the intraparticle diffusion (Bi > 10). The model assumes a modulator-eluite relationship were the equilibrium constant of the Langmuir isotherm was a function of salt concentration. Adsorption kinetic parameters were estimated from experimental data. The parameters for pure proteins were determined, and elution curves for changes in flow rate, ionic strength gradient, concentration, and sample size were predicted by the model. Then the kinetic parameters of the mixture were determined under the same operational conditions and some of the parameters had to be modified to take into account effects such as protein-protein interactions, competition, and displacement. Experimental elution curves obtained for changes in operational conditions such as flow rate and ionic strength gradient were simulated by the rate model for the protein mixture with a relative error in retention time of visible peaks <5%. IEC operational conditions and the peak fraction collection can be selected using a cost function of the production process which considers yield, purity, concentration, and process time that are obtained from simulations. Operational conditions that gave the minimum cost were selected. Simulations allows to diminish experimental time and cost.