נוהל כדי להעריך את היעילות של flocculants להרחקת מפוזרי חלקיקים מן תמציות צמחים
Summary
The design-of-experiments procedure presented here allows the evaluation of different flocculants in terms of their ability to aggregate dispersed particles in plant extracts, thus reducing turbidity and the costs of downstream processing.
Abstract
Plants are important to humans not only because they provide commodities such as food, feed and raw materials, but increasingly because they can be used as manufacturing platforms for added-value products such as biopharmaceuticals. In both cases, liquid plant extracts may need to be clarified to remove particulates. Optimal clarification reduces the costs of filtration and centrifugation by increasing capacity and longevity. This can be achieved by introducing charged polymers known as flocculants, which cross-link dispersed particles to facilitate solid-liquid separation. There are no mechanistic flocculation models for complex mixtures such as plant extracts so empirical models are used instead. Here a design-of-experiments procedure is described that allows the rapid screening of different flocculants, optimizing the clarification of plant extracts and significantly reducing turbidity. The resulting predictive models allow the identification of robust process conditions and sets of polymers with complementary properties, e.g. effective flocculation in extracts with specific conductivities. The results presented for tobacco leaf extracts can easily be adapted to other plant species or tissues and will thus facilitate the development of more cost-effective downstream processes for commodities and plant-derived pharmaceuticals.
Introduction
צמחים נמצאים בשימוש נרחב כדי לייצר סחורות מזון כגון מיצי פרות, אבל הם יכולים גם להיות מפותחים כמו פלטפורמות לייצור מוצרי הביו-פרמצבטיקה בעלי ערך גבוה יותר 1-3. בשני המקרים, עיבוד במורד הזרם (DSP) לעתים קרובות מתחיל עם החילוץ של נוזלים מרקמות כגון עלים או פירות, ואחריו ההבהרה של תמציות-לאדן החלקיקים 4,5. לייצור תרופות ביולוגיים, העלויות של DSP יכולות להסביר עד 80% מעלויות הייצור הכוללים 6,7 וזאת חלק משקפת את ההווה נטל חלקיקים גבוהים תמציות הוכנו בשיטות משבשות כגון המגון להב מבוסס 8,9 . למרות הבחירה הרציונלית של שכבות מסננות כדי להתאים את התפלגות גודל חלקיקים בתמצית יכולה להגדיל את הקיבולת מסננת ולהפחית עלויות 10,11, השיפור לא יכול לחרוג מתקרת הקיבולת המוחלטת המוגדרת במספר החלקיקים חייבים להישמר לכליחידת שטח מסנן להשיג הבהרה.
התקרה ניתן להרים אם פחות חלקיקים מגיעים לפני השטח של מסנני משובחי הרכבת הסינון, זו יכולה להיות מושגת אם חלקיקים מפוזרים הם מעורבבים עם פולימרים המכונים flocculants המקדמים צבירה להקים flocs הגדול 12. flocs כזה ניתן להיעזר הזרם עוד יותר על ידי מסנני שק גס ופחות יקר, הפחתת הנטל חלקיק שהגיע עדינה ומסננים עומק יקר יותר. חייבים להיות פולימרי פרופילי בטיחות מתאימים ליישומים שלהם, למשל עבור הביופרמצבטיקה הם צריכים להיות תואמים ייצור נאות (GMP), ובדרך כלל הם חייבים להיות מסה טוחנת> 100 kDa והוא יכול גם להיות ניטראלי או טעון 13. בעוד flocculants הניטראלי פועל בדרך כלל על ידי cross-linking חלקיקים מפוזרים גרימת הצבירה שלהם ויצירת flocs בקטרים> 1 מ"מ 11, פולימרים טעונים לנטרל את המטען של דחלקיקי ispersed, הפחתת המסיסות שלהם ובכך גרמו ממטרים 14.
הפתתה ניתן לשפר על ידי התאמת פרמטרים כגון חיץ pH או מוליכות, ואת סוג הפולימר או ריכוז, כדי להתאים את המאפיינים של תמצית 15,16. תמציות טבק pretreated עם 0.5-5.0 גרם ל -1 polyethylenimine (PEI), גדול יותר מאשר גידול פי 2 ב קיבולת עומק מסנן נמסר בתהליך 100-L טייס מידה. עלות פולימר זה פחות מ -10 € קילו -1 כך החדרתו תהליך הביאה לחיסכון בעלויות של כ -6,000 € עבור מסננים מתכלה לכל תצווה 16 או אפילו יותר כאשר הוא משולב עם עזרי מסנן מבוסס תאי 17. אף על פי כן, מודלים חזויים נדרשים להעריך את ההטבות כלכליות אפריורי של flocculants כי הכללה יכול לדרוש צעדי אחיזה של 15-30 דקות 16,18, וכתוצאה מכך עלויות השקעה נוספות לאחסוןטנקים. עם זאת, אין כיום מודלים מכניסטית זמינים שיכול לחזות את התוצאה של ניסויים כאלה בשל האופי המורכב של הפתתה. לכן, מתאים יותר עיצוב של ניסויים (DOE) הגישה 19 פותחה כמתואר במאמר זה. פרוטוקול עבור הליך האיילה הכללי לאחרונה פורסם 20.
מכשירים בקנה מידה קטנה זמינים כעת עבור הקרנת התפוקה הגבוהה של תנאים הפתתה 21. עם זאת, מכשירים אלה לא יכולים לדמות תנאים מציאותיים במהלך הפתתה של תמציות צמחים כי ממד כלי התגובה (~ 7 מ"מ עבור בארות על צלחת 96-היטב) ואת החלקיקים או flocs יכול להיות פחות מ בסדר גודל זה מזה. הדבר עלול להשפיע על ערבוב דפוסים ובכך כוח הניבוי של המודל. יתר על כן, זה יכול להיות קשה כדי להקטין תהליכים מעורבים ממטרים עקב שינויים שאינו ליניארי בהתנהגות ערבוב STA המשקעbility 22. לכן, במאמר זה מתאר מערכת הקרנת ספסל העליונה בקנה מידה עם תפוקה של 50-75 דגימות ליום, מניב תוצאות שאינן מדרגים מכרך התגובה הראשוני 20 מיליליטר לתהליך 100 L טייס מידת 16. בשילוב עם גישת איילה, זה מאפשר מודלים המנבאים לשמש אופטימיזציה תהליך ותיעוד כחלק מושג איכות-ידי עיצוב.
השיטה המתוארת להלן עשויה גם להיות מותאמת ל תרופות ביולוגיות מיוצרות בתא תהליכי התרבות מבוססת, שבו flocculants גם נבחנים ככלי לחיסכון בעלויות 23. זה יכול גם לשמש מודל המשקע של חלבוני היעד מ תמצית גולמית כחלק מאסטרטגית טיהור, כפי שמודגם עבור β-glucuronidase מיוצר קנולה, תירס וסויה 24,25. תיאור מפורט של תכונות flocculant ניתן למצוא במקום אחר 16,26 וזה חשוב לוודא כי concentr הפולימרations הם או רעיל או מתחת לרמות מזיקות במוצר הסופי 11.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההיבט החשוב ביותר שיש להביא בחשבון בעת הגדרת איילה לאפיין הפתתה חלקיקים הוא שהתכנון חייב עקרונית להיות מסוגל לזהות ולתאר את ההשפעות הצפויות או אפשריות 36,38, למשל השפעת pH, סוג הפולימר וריכוז פולימר 16. לכן, חשוב להעריך את החלק היחסי של מרחב תכנון (FDS) לפני…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
I would like to acknowledge Dr. Thomas Rademacher for providing the transgenic tobacco seeds and Ibrahim Al Amedi for cultivating the tobacco plants. I wish to thank Dr. Richard M Twyman for editorial assistance and Prof. Dr. Rainer Fischer for fruitful discussions. This work was funded in part by the European Research Council Advanced Grant ”Future-Pharma”, proposal number 269110, the Fraunhofer-Zukunftsstiftung (Fraunhofer Future Foundation) and the Fraunhofer-Gesellschaft Internal Programs under Grant No. Attract 125-600164.
Materials
| 2100P Portable Turbidimeter | Hach | 4650000 | Turbidimeter |
| 2G12 antibody | Polymun | AB002 | Reference antibody |
| Biacore T200 | GE Healthcare | 28-9750-01 | SPR device |
| BP-410 | Furh | 2632410001 | Bag filter |
| Catiofast VSH | BASF | 79002360 | Flocculating agent |
| Centrifuge 5415D | Eppendorf | 5424 000.410 | Centrifuge |
| Centrifuge tube 15 mL | Labomedic | 2017106 | Reaction tube |
| Centrifuge tube 50 mL self-standing | Labomedic | 1110504 | Reaction tube |
| Chitosan | Carl Roth GmbH | 5375.1 | Flocculating agent |
| Design-Expert(R) 8 | Stat-Ease, Inc. | n.a. | DoE software |
| Disodium phosphate | Carl Roth GmbH | 4984.3 | Media component |
| Ferty 2 Mega | Kammlott | 5.220072 | Fertilizer |
| Forma -86C ULT freezer | ThermoFisher | 88400 | Freezer |
| Greenhouse | n.a. | n.a. | For plant cultivation |
| Grodan Rockwool Cubes 10x10cm | Grodan | 102446 | Rockwool block |
| HEPES | Carl Roth GmbH | 9105.3 | Media component |
| K700P 60D | Pall | 5302305 | Depth filter layer |
| KS50P 60D | Pall | B12486 | Depth filter layer |
| Miracloth | Labomedic | 475855-1R | Filter cloth |
| MultiLine Multi 3410 IDS | WTW | WTW_2020 | pH meter / conductivity meter |
| Osram cool white 36 W | Osram | 4930440 | Light source |
| Phytotron | Ilka Zell | n.a. | For plant cultivation |
| Polymin P | BASF | 79002360 | Flocculating agent |
| POLYTRON PT 6100 D | Kinematica | 11010110 | Homogenization device with custom blade tool |
| Protein A | Life technologies | 10-1006 | Antibody binding protein |
| Sodium chloride | Carl Roth GmbH | P029.2 | Media component |
| Synergy HT | BioTek | SIAFRT | Fluorescence plate reader |
| TRIS | Carl Roth GmbH | 4855.3 | Media component |
| Tween-20 | Carl Roth GmbH | 9127.3 | Media component |
| VelaPad 60 | Pall | VP60G03KNH4 | Filter housing |
| Zetasizer Nano ZS | Malvern | ZEN3600 | DLS particle size distribution measurement |
References
- Godfray, H. C. J., et al. Food Security: The Challenge of Feeding 9 Billion People. Science. 327, 812-818 (2010).
- Fischer, R., Schillberg, S., Buyel, J. F., Twyman, R. M. Commercial aspects of pharmaceutical protein production in plants. Curr. Pharm. Des. 19, 5471-5477 (2013).
- Pastores, G. M., et al. A Phase 3, multicenter, open-label, switchover trial to assess the safety and efficacy of taliglucerase alfa, a plant cell-expressed recombinant human glucocerebrosidase, in adult and pediatric patients with Gaucher disease previously treated with imiglucerase. Blood Cells Mol. Dis. 53, 253-260 (2014).
- De Paepe, D., et al. A comparative study between spiral-filter press and belt press implemented in a cloudy apple juice production process. Food Chem. 173, 986-996 (2015).
- Buyel, J. F., Twyman, R. M., Fischer, R. Extraction and downstream processing of plant-derived recombinant proteins. Biotechnol. Adv. 33, 902-913 (2015).
- Wilken, L. R., Nikolov, Z. L. Recovery and purification of plant-made recombinant proteins. Biotechnol. Adv. 30, 419-433 (2012).
- Buyel, J. F. Process development trategies in plant molecular farming. Curr. Pharm. Biotechnol. 16, 966-982 (2015).
- Hassan, S., Keshavarz-Moore, E., Ma, J., Thomas, C. Breakage of transgenic tobacco roots for monoclonal antibody release in an ultra-scale down shearing device. Biotechnol. Bioeng. 111, 196-201 (2014).
- Hassan, S., van Dolleweerd, C. J., Ioakeimidis, F., Keshavarz-Moore, E., Ma, J. K. Considerations for extraction of monoclonal antibodies targeted to different subcellular compartments in transgenic tobacco plants. Plant Biotechnol. J. 6, 733-748 (2008).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Scale-down models to optimize a filter train for the downstream purification of recombinant pharmaceutical proteins produced in tobacco leaves. Biotechnol. J. 9, 415-425 (2014).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Downstream processing of biopharmaceutical proteins produced in plants: the pros and cons of flocculants. Bioengineered. 5, 138-142 (2014).
- Gregory, J., Barany, S. Adsorption and flocculation by polymers and polymer mixtures. Adv. Colloid Interface Sci. 169, 1-12 (2011).
- Zhou, Y., Franks, G. V. Flocculation mechanism induced by cationic polymers investigated by light scattering. Langmuir. 22, 6775-6786 (2006).
- Runkana, V., Somasundaran, P., Kapur, P. C. Mathematical modeling of polymer-induced flocculation by charge neutralization. J. Colloid Interface Sci. 270, 347-358 (2004).
- Hjorth, M., Jorgensen, B. U. Polymer flocculation mechanism in animal slurry established by charge neutralization. Water Res. 46, 1045-1051 (2012).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Flocculation increases the efficacy of depth filtration during the downstream processing of recombinant pharmaceutical proteins produced in tobacco. Plant Biotechnol. J. 12, 240-252 (2014).
- Buyel, J. F., Opdensteinen, P., Fischer, R. Cellulose-based filter aids increase the capacity of depth filters during the downstream processing of plant-derived biopharmaceutical proteins. Biotechnol. J. 10, 584-591 (2014).
- Yasarla, L. R., Ramarao, B. V. Dynamics of Flocculation of Lignocellulosic Hydrolyzates by Polymers. Ind. Eng. Chem. Res. 51, 6847-6861 (2012).
- Montgomery, D. C. . Design and Analysis of Experiments. , (2007).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Characterization of complex systems using the design of experiments approach: transient protein expression in tobacco as a case study. J. Vis. Exp. , e51216 (2014).
- Espuny Garcia Del Real, G., Davies, J., Bracewell, D. G. Scale-down characterization of post-centrifuge flocculation processes for high-throughput process development. Biotechnol. Bioeng. 111, 2486-2498 (2014).
- Rathore, A. S., Sofer, G. . Process Validation in Manufacturing of Biopharmaceuticals, 3rd edn, Vol. 1. , (2012).
- Kang, Y., et al. Development of a Novel and Efficient Cell Culture Flocculation Process Using a Stimulus Responsive Polymer to Streamline Antibody Purification Processes. Biotechnol. Bioeng. 110, 2928-2937 (2013).
- Menkhaus, T. J., Eriksson, S. U., Whitson, P. B., Glatz, C. E. Host selection as a downstream strategy: Polyelectrolyte precipitation of beta-glucuronidase from plant extracts. Biotechnol. Bioeng. 77, 148-154 (2002).
- Holler, C., Vaughan, D., Zhang, C. M. Polyethyleneimine precipitation versus anion exchange chromatography in fractionating recombinant beta-glucuronidase from transgenic tobacco extract. J. Chromatogr. A. 1142, 98-105 (2007).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Synthetic polymers are more effective than natural flocculants for the clarification of tobacco leaf extracts. J. Biotechnol. 195, 37-42 (2014).
- Pearson, C. R., Heng, M., Gebert, M., Glatz, C. E. Zeta potential as a measure of polyelectrolyte flocculation and the effect of polymer dosing conditions on cell removal from fermentation broth. Biotechnol. Bioeng. 87, 54-60 (2004).
- Buyel, J. F., Gruchow, H. M., Boes, A., Fischer, R. Rational design of a host cell protein heat precipitation step simplifies the subsequent purification of recombinant proteins from tobacco. Biochem. Eng. J. 88, 162-170 (2014).
- Wang, S., Liu, C., Li, Q. Impact of polymer flocculants on coagulation-microfiltration of surface water. Water Res. 47, 4538-4546 (2013).
- Menkhaus, T. J., Anderson, J., Lane, S., Waddell, E. Polyelectrolyte flocculation of grain stillage for improved clarification and water recovery within bioethanol production facilities. Bioresour. Technol. 101, 2280-2286 (2010).
- Mune, M. A. M., Minka, S. R., Mbome, I. L. Optimising functional properties during preparation of cowpea protein concentrate. Food Chem. 154, 32-37 (2014).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Predictive models for transient protein expression in tobacco (Nicotiana tabacum L.) can optimize process time, yield, and downstream costs. Biotechnol. Bioeng. 109, 2575-2588 (2012).
- Buyel, J. F., Kaever, T., Buyel, J. J., Fischer, R. Predictive models for the accumulation of a fluorescent marker protein in tobacco leaves according to the promoter/5’UTR combination. Biotechnol. Bioeng. 110, 471-482 (2013).
- Buyel, J. F., Fischer, R. A juice extractor can simplify the downstream processing of plant-derived biopharmaceutical proteins compared to blade-based homogenizers. Process Biochem. 50, 859-866 (2014).
- Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. . DOE Simplified: Practical Tools for Effective Experimentation. Vol. 1. 1, (2000).
- Anderson, M. J., Whitcomb, P. J. . Response Surface Methods Simplified. , (2005).
- Buyel, J. F., Fischer, R. Generic chromatography-based purification strategies accelerate the development of downstream processes for biopharmaceutical proteins produced in plants. Biotechnol. J. 9, 566-577 (2014).
- Myers, R. H., Montgomery, D. C., Anderson-Cook, C. M. . Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments. , (2009).
