Projekti / Programi
Strukturne in površinske lastnosti vlakninskih membran za čiščenje in kromatografsko separacijo biomakromolekul
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.14.01 |
Tehnika |
Tekstilstvo in usnjarstvo |
Tekstilna in tehnična vlakna |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T470 |
Tehnološke vede |
Tekstilna tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Vlakna in polimeri, Plazemska tehnologija, Inženiring, Filtri, Membrane, Morfologija, Površinska kemija, Čiščenje, Ločevanje, Kromatografija.
Raziskovalci (15)
Organizacije (4)
Povzetek
Trenutni trendi v čiščenju biofarmacevtskih izdelkovgredo v smeri zvišanja produktivnosti, znižanja stroškov proizvodnje in pospešene hitrosti razvoja, ob hkratnem doseganju strogih regulativnih zahtevglede ravni čistostikončnih formulacij. Le te se lahko dosega bodisi z zmanjšanjem odmerkov proizvoda ali povečanjem obsega proizvodnje, pri čemer gre drug trend v smeri povečane uporabe filtrirnih sistemov in membran za enkratno uporabo, kar odpravlja potrebo po siceršnjem dodatnem razvoju in validaciji ciklov čiščenja. Membranske tehnologijetako postajajo bistvene tudi v trenutnih postopkih čiščenja (Downstream processes, DPI),začenši s popolno in sterilno filtracijo bakterij, čemur sledi ločitev celic za zajemanje in koncentriranje produktov, do kromatografskega odstranjevanja nečistot med večstopenjskimi koraki zaključnega čiščenja. Kritični korak v dobičkonosnem čiščenjuje torej v doseganju produktivne ločbe (z nizko porabo energije in minimalnim pretokom časa) na varen in robusten način.
V tem projektu nameravamoraziskati postopek priprave/proizvodnje za razvoj novih poceni in visoko pretočnih vlakninskih filtrov in ionsko-izmenjalnih membran, ki bi bili dopolnilna metodaobstoječim polimernim filtrom ali dragim kromatografskim monolitnim sistemom, in bi omogočili: i) visoko in sterilno filtracijo bakterij, ii) učinkovito odstranjevanje genomske DNA in endotoksinov, in iii) kromatografsko čiščenje/ločevanje proteinov z visoko produktivnostjo.
Membrane bodo izdelane z združevanjem obstoječih tekstilnih, papirnih in kompozitnih tehnologij, lahko tudi v kombinaciji z napredno plazemsko obdelavoza nadaljnjo modificiranje ali dodatno funkcionalizacijo površine vlaken s specifičnim ligandom. Glavni namen modifikacijskih postopkov je spreminjanje površinskih lastnosti vlaken na način, ki omogoča konvektiven prenos mase s hkratno visoko vezavno zmogljivostjo za velike molekule, kar neposredno vpliva na učinkovito čiščenje ter koncentriranje biomolekul.
Najpomembnejši izziv, ki bo tudi sinergistična ključna točka, bo ustvariti različno nano-do-mikro in mikro-do-makro velikostne in medsebojno-povezane porozne materiale različnih površinskih/medfazih lastnosti (naboj, hidrofobnost) in tako prilagoditi proizvodni proces membrane končnim zahtevam(t.j. dobra tlačna/pH/sterilizicijska stabilnost, majhno/brez nabrekanja/krčenja, in dober/visok pretok ob učinkoviti filtracijski/ločevalni učinkovitosti v smislu retencije in prepustnosti) .
Da bi razumeli filtracijsko in kromatografsko zmogljivostnastalih membran, bomo z uporabo ustreznih analitskih tehnik in teoretičnih modelov koloidne filtracije/separacije preučili številne parametre, vključno z vhodnimi materiali pred in po njihovi modifikaciji, do vrednotenja osnovnih lastnosti membran, kot so morfologija (velikost por in geometrija, porazdelitev velikosti por in njihova medsebojna povezanost, površina, gostota), mehanska in kompresijska stabilnost, fizikalno-kemijske lastnosti (debelina, vrsta/količina in porazdelitev površinskega naboja, hidrofobnost, nabrekanje/sorpcija in krčenje pri različnih pH, ionski moči), definicija prepustnosti z vidika molekulske mase (cut-off), prepustnost v primerjavi z zmogljivostjo vezave in izkoristka, sterilizacija, čiščenje in ponovna uporaba.
To bo tudi najpomembnejši doprinos rezultatov in bo tako s pomočjo načela preverjanja koncepta (doseganje TRL3)močno prispeval k tehničnemu znanju na tem področju, vključujoč doprinos na področju tekstilnih, tehničnih in kemijskih ved ter materialov in procesov filtracije in separacije. Pridobljeno znanje bo mogoče nadalje uporabiti tudi v razvoju specifičnih vlakninskih struktur za druge aplikacije, kot so čiščenje in ponovna uporaba vode (cleantech), pridelava pijač in filtriranje zraka. Pričakovati je okrepljeno sodelovanje med vsemi vključenimi raziksovalnimi skupinami, s potencialnim nadaljevanjem v okviru drugih evropskih, meddržavnih ali nacionalnih programih.
Pomen za razvoj znanosti
Z naraščajočim biotehnološki trgom razvoj nenehno poteka v smeri iskanja novih in izboljšanih metod čiščenja biofarmacevtikov z namenom zmanjšanja stroškov in izboljšanja donosa, ob ohranitvi visoke čistosti produktov. Literaturni viri navajajo veliko obetajočih alternativ, kot so afinitetno obarjanje, visoko-zmogljiva tangencialna filtracija, filtracije na bazi afinitetnih interakcijah, elektroforeza itd. Med njimi filtracija z ionsko-izmenjevalno membrano predstvalja dopolnilno alternativo tekočinski kromatografiji v večstopenjskem odstranjevanju biomolekularno večjih nečistot z visokimi pretoki, manjšo porabo pufra in časa. Poleg tega uporaba takšnih membran še vedno ni dobro uveljavljena predvsem zaradi konzervativne narave industrije pri sprejemanju novih tehnologij, čeprav potencialno lahko privede do novih inovacij na področju genske terapije, regenerativne medicine, celičnih terapij in drugih medicinsko relevantnih zdravil.
Kljub usmerjenosti projekta v končno uporabnost obstajajo določene vsebine, ki so znanstveno zelo pomembne. Razviden je jasen bazičen in nov znanstveni prispevek z velikim vplivom, temelječ na dobro opredeljenih in strukturiranih eksperimentih, ki bodo zasnovani tako, da bodo doprinesli k boljšemu razumevanju osnovnih strukturnih, fizikalno-kemijskih in filtracijskih / kromatografskih značilnosti novo-razvitih filtrirnih membran, njihove korelacije pri različnih pogojih uporabe, in nadaljnjo optimizacijo za učinkovito, enostavno in ekonomsko primernejšo biotehnološko uporabnost - v primerjavi z obstoječimi komercialnimi filtri in CIM monoliti. V skladu s tem se pričakuje pri vseh partnerjih, da bodo razširili svoje kompetence v pričakovanju industrijskih potreb po novih aplikacijah, kar bo posledično izboljšalo standarde in njihovo promocijo, ne samo znotraj nacionalnih akademskih in tehnoloških programov, ampak tudi na mednarodni ravni. To bo doseženo zaradi visoke možnostji objav v revidiranih revijah z visokim faktorjem vpliva in visoko stopnjo citiranja, ter predstavitev v znanstvenih in strokovnih srečanjih. Morebitni izumi bodo lahko zaščiteni tudi s patenti.
Poleg tega bo pridobljeno znanje lahko uporabno v razvoju specifičnih poroznih struktur na osnovi vlaken za mnoge druge aplikacije, kot so aplikacije za ponovno uporabo vode (cleantech), proizvodnja pijač in filtriranje zraka. Očitni so tudi nekateri splošni, socialno-ekonomski in poslovni vplivi ter vidiki prihodnje uporabe tekstilnih vlaken kot glavne surovine, ki lahko prispevajo k novim aplikacijam številnih tekstilnih slovenskih podjetij.
Nenazadnje bo okrepljeno raziskovalno sodelovanje med vsemi vključenimi skupinami izboljšalo njihovo mreženje in nadaljne sodelovanje v okviru evropskega okvirnega programa ali drugih nacionalnih oz. med-državnih programih, ter s tem okrepilo promocijo ne samo v nacionalnem akademskem in tehnološkem okviru, temveč tudi na mednarodni ravni.
Pomen za razvoj Slovenije
With a burgeoning biotechnology market, there is an ongoing search for new and improved purification methods in an effort to lower costs and improve yields, while maintaining high product purity. Several promising alternatives have been described in the literature, such as affinity precipitation, high-performance tangential flow filtration, filtration strategies based on affinity interactions, electrophoresis, etc.Among them, filtration with ion-exchange membranes as substitutes for flow-through chromatography in multi-polishing steps, represents a highly complementary alternative in the removal of larger biomolecular impurities with increased flow rates, reduced buffer consumption and time. In addition, the use of such membranes is still not well established, mainly because of the conservative nature of the industry in adopting new technologies, although it may allow new innovations in the fields of Gene Therapies, Regenerative Medicine, Cell Therapies and other medically relevant drugs.
Despite the orientation of the project into applicability, there are certain contents that are highly relevant scientifically. A clear basic and novel scientific contribution with high impact is envisaged through several well defined and structured experiments that would be designed to understand the basic structural, physicochemical and filtration/chromatographic features of new fiber-based filter membranes, their correlation under different application conditions, and further optimization for efficient, straightforward and cost-effective biotechnological applications – be compared to the existing filters and expensive CIM monoliths used in this area.Accordingly, all partners are expected to broaden their competences in matching industry needs towards new applications, resulting in higher standards and their promotion, not only within the national academic and technological programs, but also internationally, regarding the high possibility for publications in peer-reviewed journals with high impact factor and a high degree of citations, as well as communications within the scientific and business communities. Any of the inventions may be protected by a patent.
In addition, the knowledge generated can be used to develop specific fiber-based porous structures for many other applications, such as water reuse (cleantech) applications, beverage processing, and air filtration.Some general, socio-economical, and business impacts and aspects about the future use of textile fibers as the main raw-material are also obvious, bringing a high application impact to many Sloveniantextilecompanies.
Finally, the research cooperation between all the involved groups will be strengthening, and the basis of a network for future collaboration within the European FP, or other inter/national programs will be initiated - to intensify promotion not only within the national academic and technological frames, but also internationally.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
