Projekt: Modellierung und Simulation der chromatographischen Trennung von Proteingemischen
Institut(e)/Einrichtung(en):
Universität Siegen, Institut für Simulationstechnik und Informatik im Maschinenbau
http://www.simtec.mb.uni-siegen.de 
Personen:
Dr.-Ing. Eric von Lieres, e.von.lieres@fz-juelich.de 
Claudia Frauen
Prof. Dr. Wolfgang Wiechert, wolfgang.wiechert@uni-siegen.de
Dipl.-Ing. Stephan Adam
Projektbezeichnung:
Modellierung und Simulation der chromatographischen Trennung von Proteingemischen
Forschungsgebiet/Kontext:
Lösung partieller Differentialgleichungen und Optimierung
Projektbeschreibung:
Technische Prozesse zur Aufreinigung von Proteinen und anderen Biomolekülen umfassen in der Regel eine Reihe chromatographischer Trennschritte. Die Auslegung und Optimierung dieser Aufreinigungsschritte für neue Produkte ist teuer und zeitaufwendig. Am Institut für Biotechnologie des Forschungszentrums Jülich werden deshalb Modelle für die quantitative Simulation der Trennung von Proteingemischen in chromatographischen Säulen entwickelt. Darüber hinaus können die Proteinkonzentrationen innerhalb der porösen Partikel in einer chromatographischen Trennsäule während des laufenden Prozesses gemessen werden. Mit Hilfe eines konfokalen Laser-Raster-Mikroskops kann die Konzentration der Proteine in zeitlicher und örtlicher Auflösung bestimmt werden. Die vorliegende Datenbasis eignet sich hervorragend für die Quantifizierung wichtiger Prozessparameter mit Hilfe komplexer Säulenmodelle. Außerdem können die elementaren Wirkmechanismen der chromatographischen Trennung großer Biomoleküle durch Modelldiskriminierung aufgeklärt werden.
Mathematisch wird die Ionenaustausch-Chromatographie durch Systeme partieller Differentialgleichungen beschrieben. Diese Gleichungen verknüpfen Konzentrationen jeweils mehrerer Molekülspezies, zeitlich und örtlich aufgelöst, in der Säule sowie in den Poren und auf den inneren Oberflächen der Partikel. Die Anwendung der Linienmethode führt auf Systeme von mehreren 10.000 gewöhnlichen Differentialgleichungen. Diese Gleichungen sind nichtlinear und steif.
Zunächst wurde ein Modell implementiert, das den Transport und die Adsorption beliebig vieler Proteinspezies in einem isolierten porösen Partikel beschreibt. Anschließend wurden mehrere Instanzen dieses Modells über die Randbedingungen mit einem Modell des konvektiven Stofftransports in der Säule gekoppelt. Mit dem resultierenden Säulenmodell können die intrapartikulären Konzentrationsprofile an mehreren Positionen in der Säule gemeinsam mit den Durchbruchskurven am Ende der Säule für die Identifizierung der Parameter des chromatographischen Trennprozesses herangezogen werden.
Um mehr als 20 unbekannten Modellparameter zu identifizieren, muss das Säulenmodell aus mehreren 10.000 Differentialgleichungen wiederholt gelöst werden. Der hierfür erforderliche Rechenaufwand macht eine parallele Lösung des Differentialgleichungssystems notwendig. Dabei hat das System eine für die Parallelisierung sehr günstige Kopplungsstruktur über die Randbedingungen der gekoppelten Partikelmodelle.