Arnold-Eucken-Preis 2016

Prämierte Forschung zur Reinigung von Biopharmazeutika

Tim Zeiner untersucht die Grundlagen und die Anwendung der wässrigen Zweiphasenextraktion, einer Aufreinigungsmethode für Proteine. Dieser Vorgang ist notwendig bei der Herstellung von Pharmazeutika oder von Biokatalysatoren. Für seine Forschung erhielt Zeiner den Arnold-Eucken-Preis, der alle zwei Jahre von unserer VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (VDI-GVC) vergeben wird. Der Preis richtet sich an Nachwuchskräfte aus Industrie und Hochschul-Instituten. Hier erklärt Zeiner, was sich hinter seiner Forschung verbirgt.

Bild: DECHEMA e.V. / Daniel ElkeDr.-Ing. Tim Zeiner (mitte) mit dem Vorsitzenden der VDI-GVC Dr.-Ing. Claas-Jürgen Klasen, Evonik Industries AG (links) und VDI-GVC Geschäftsführerin Dr. Ljuba Woppowa (rechts)

Dr.-Ing. Tim Zeiner (mitte) mit dem Vorsitzenden der VDI-GVC Dr.-Ing. Claas-Jürgen Klasen, Evonik Industries AG (links) und VDI-GVC Geschäftsführerin Dr. Ljuba Woppowa (rechts)

Biotechnologische Produktion
Wir stehen heute vor großen wirtschaftlichen und sozialen Herausforderungen. Beispielhaft sind hier die Limitierung der fossilen Rohstoffe oder die älter werdenden Gesellschaften zu nennen. Aufgrund des höheren Alters sind auch die Ausgaben für Medikamente extrem gestiegen. Einen Teil dieser Medikamente machen Biopharmazeutika aus, welche biotechnologisch hergestellt werden. In den vergangenen Jahren konnte die Konzentration dieser Biopharmazeutika in den Fermentationsbrühen gesteigert werden. Allerdings liegt in der Aufreinigung der Biopharmazeutika eine Herausforderung für die Produktion. Diese kann bis zu 80% der Produktionskosten des jeweiligen Medikamentes ausmachen. Die State of the Art-Konzepte zur Aufreinigung von Biopharmazeutika sind chromatographische Verfahren. Diese weisen allerdings einige Nachteile in Bezug auf deren Kapazität und Skalierbarkeit auf. Ein alternatives Verfahren stellt die wässrige Zweiphasenextraktion (ATPE) auf Basis wässriger Zweiphasensysteme (ATPS) dar. Diese ATPS können durch Lösung zweier hydrophiler, aber inkompatibler Komponenten in Wasser, wie etwa zwei Polymere oder ein Polymer und ein Salz, gebildet werden. Durch dieses extraktive Verfahren können die Nachteile der Chromatographie behoben werden.

Bild: privatMixer_ATPS

ATPS Mixer

Anwendung der wässrigen Zweiphasenextraktion
Ein Anwendungsbeispiel für die wässrige Zweiphasenextraktion ist die Aufreinigung monoklonaler Antikörper. Monoklonale Antikörper werden zur Therapie von chronischen Krankheiten in hohen Dosen verabreicht. An der TU Dortmund wurde die Integration der ATPE in den Herstellungsprozess der monoklonalen Antikörper untersucht. Die Herausforderung hierbei besteht in dem möglichen Ausfall der monoklonalen Antikörper aus der Lösung und die Erhaltung der biologischen Aktivität. Als Integrationsschritte wurden sowohl die Verbindung von Extraktion und Chromatographie als Aufreinigungsschritt als auch die Extraktion als alleiniger Aufreinigungsschritt untersucht. Darüber hinaus wurden alternative ATPS auf Basis hyperverzweigter Polymere untersucht, um den Ausfall der Biopharmazeutika zu minimieren. Hyperverzweigte Polymere sind baumartig verzweigte Polymere, welche eine große Anzahl funktioneller Gruppen tragen können.

Grundlagenuntersuchung wässriger Zweiphasensysteme
Neben der Anwendung der ATPE, werden auch die Grundlagen der wässrigen Zweiphasenextraktion untersucht. Zum einen werden die Phasengleichgewichte der ATPS, basierend auf hyperverzweigten Polymeren, untersucht. Hierzu wurde ein thermodynamisches Model auf Basis der Lattice Cluster Theory entwickelt. Diese ist in der Lage, die Struktur hyperverzweigter Polymer ohne anpassbaren Parameter in der thermodynamischen Modellierung zu berücksichtigen. Weiterhin wurde erstmals der Stofftransport in ATPS systematisch untersucht.

Zukünftige Forschung auf diesem Gebiet
In weiteren Forschungsvorhaben sollen beide Forschungsstränge miteinander verknüpft werden, um Prozessmodelle für die wässrige Zweiphasenextraktion zu entwickeln. Dieses Prozessmodell dient dazu, die Anzahl der notwendigen Experimente für die Entwicklung neuer Prozessalternativen zu minimieren.

Bild: Tim ZeinerZeiner_2Über den Preisträger: Dr.-Ing.Tim Zeiner ist akademischer Rat am Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik der Fakultät Bio- und Chemieingenieurwesen an der TU Dortmund und leitet dort die interdisziplinäre Arbeitsgruppe „Bioseparation“, die Aufreinigungsverfahren für biotechnologisch hergestellte Produkte untersucht und Verfahrenskonzepte zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe entwickelt.

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