Kontinuierliche Protein-Kristallisation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Achim Kienle
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544924858

Zentrale Zielsetzung des geplanten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer neuen Klasse von kontinuierlichen Prozessen zur Produktion hochreiner bioaktiver Proteine in Kooperation mit der AG Antos von der Technischen Universität Rzeszów (PRz) in Polen (Projektleitung), der AG Striedner von der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) in Österreich und der AG Kienle von der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OVGU). Prof. Dürr von der Hochschule Magdeburg-Stendal ist ebenfalls beteiligt, beantragt aber keine zusätzlichen Mittel im Rahmen dieses Antrages. An der BOKU werden neue kontinuierliche wachstums-entkoppelte Produktionsprozesse für rekombinante Proteine in bakteriellen Zellkulturen entwickelt. An der PRz und der OVGU werden neue kontinuierliche Kristallisationprozesse mit erzwungenere Konvektion (forced convective crystallization - FCC) für bioaktive Proteine entwickelt. Diese Prozesse verwenden einen warmen Lufstrom zur kontrollierten Verdampfung des Lösungsmittels zur Induktion der Kristallisation. Dadurch erlauben sie milde Temperaturen die für die Proteinkristallisation vorteilhaft sind. Die Beinflussung der Übersättigung erfolgt dabei durch Variation der Lösungstemperatur sowie der Konvektionsgeschwindigkeit und der Temperatur des Luftstromes. Diese neue Methode vermeidet lokale Konzentrationsgradienten, die zu einer ungewollten Aggregation der Proteine oder der Bildung einer amorphen Phase führen können, was ein häufiges Problem bei der konventionellen Protein-Kristallisation darstellt. Vorarbeiten an der PRz haben sich bisher mit einem Batchprozess beschäftigt. Es wurde gezeigt, dass die FCC ein vielversprechender Prozess mit hohen Ausbeuten und guter Produktqualität der kristallinen Phase ist. Auf dieser Grundlage soll nun im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens ein kontinuierlicher Prozess unter Verwendung einer Archimedischen Schraube entwickelt werden. Diese erlaubt eine effiziente und schonende Durchmischung des Kristall-Lösungs-Gemisches. Zur Entwicklung dieses neuen Prozesses ist ein grundlegendes Verständnis der Thermodynamik, der Kristallisationskinetik und des Wärme- und Stoffaustauschs erforderlich. Für die Entwicklung und Optimierung des neuen Prozesses sollen an der OVGU geeignete mathematische Modelle entwickelt werden. Diese basieren auf den experimentellen Untersuchungen, die von der PRz Gruppe durchgeführt werden. Zur Modellentwicklung wird zunächst der Batchprozess betrachtet. Anschließend wird das Modell gezielt für den konintuierlichen Prozess erweitert. Das erweiterte Modell wird dann für die modellgestützte Entwicklung des neuen Prozesses verwendet. Danach wird der vorgeschlagene Prozess in Rzeszów implementiert und experimentell validiert. Schließlich wird ein verfeinertes Prozessmodell für die modellgestützte mathematische Optimerung des neuen kontinuierlichen Kristallisationsprozesses und dessen Kopplung mit dem neuartigen kontinuierlichen bakteriellen Produktionsprozess verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich, Polen
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr.-Ing. Dorota Antos, Ph.D.; Professor Dr. Gerald Striedner
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Robert Dürr