Modelamiento y Simulación de las Curvas de Elución de Proteínas a Alta Concentración en Cromatografía de Intercambio Iónico

Abstract

Uno de los productos más atractivos de la industria biotecnológica son las proteínas que poseen propiedades especiales, tanto terapéuticas como catalíticas, pues presentan un alto valor de mercado. Para su purificación a escala industrial, los procesos cromatográficos son cada vez más utilizados, logrando separaciones en función de sus tamaños, hidrofobicidad, cargas o afinidad, siendo la cromatografía de intercambio iónico una de las más utilizadas. El escalamiento de un proceso óptimo de purificación generalmente es costoso, pues requiere de tiempo y experimentación, luego es conveniente para la industria biotecnológica reemplazar las experiencias de laboratorio por simulaciones de modelos matemáticos que entreguen los resultados en un menor tiempo y costo. El objetivo general del estudio es verificar si el modelo de balances de masa logra predecir las curvas de elución para proteínas a alta concentración en cromatografía de intercambio iónico, comparando los resultados experimentales con los simulados. Además, utilizar el modelo para encontrar la mejor estrategia de separación, reduciendo los costos y tiempo de experimentación. Se implementó el modelo de balances de masa mediante su programación en Matlab. Se utilizó la matriz aniónica Q-Sepharose FF a pH 8 y temperatura ambiente, en una columna de 1 ml, similar a las utilizadas a mayor escala. Se experimentó con tres proteínas puras y la mezcla de ellas, que presentan distintas características: α-lactoalbúmina, conalbúmina y albúmina de suero bovino, que fueron eluídas con un gradiente lineal de sal. Se calcularon los distintos parámetros del sistema con correlaciones empíricas existentes en la literatura, de los cuales se dedujo que la dispersión axial es despreciable (Pe>300) y el proceso de transferencia de masa está controlado por la difusión en la partícula (Bi>26). Los parámetros de la cinética de adsorción (α, β y Dd) fueron estimados a partir de curvas de elución obtenidas experimentalmente. Primero se determinaron los parámetros cinéticos para las proteínas puras. En este caso el modelo predice los tiempos de retención y forma de la curva de elución al cambiar condiciones de operación como flujo, pendiente del gradiente de sal en un largo fijo, concentración y volumen de la muestra. Luego se encontraron los parámetros cinéticos para las proteínas en una mezcla. Algunos de éstos fueron diferentes a los de proteínas puras por posibles efectos de competencia, desplazamiento o interacción entre las proteínas, al encontrarse en alta concentración. De esta forma el modelo logra predecir las curvas de elución de la mezcla de las tres proteínas al variar el flujo y la pendiente del gradiente de sal en un largo fijo, con errores relativos menores al 5% en el tiempo de retención de los peaks que se distinguen en la curva total. La simulación permite el cálculo del rendimiento, pureza y resolución de la separación y los peaks para cada proteína por separado. Se logró encontrar las condiciones de operación de la cromatografía de intercambio iónico y la fracción a colectar adecuadas mediante la función de costos de producción y datos de rendimiento, pureza, concentración y tiempo del proceso entregados por el programa, escogiendo el caso que presenta el mínimo costo de producción. Se cumplen los objetivos generales del trabajo pues la simulación entrega las curvas de elución en un tiempo comparablemente menor que en la experimentación (33 a 133 veces menor). Se recomienda utilizar este método como un primer paso para el escalamiento y búsqueda de condiciones de operación para cromatografía de intercambio iónico, pues solo se necesita una pequeña columna y un reducido número de experimentos para estimar los parámetros cinéticos, disminuyendo así los costos y tiempos de experimentación.