2 IN 1-SENSOR
Een sterk verbeterde scheidingscapaciteit en minder verspilling in de biofarmaceutische industrie en voedingsindustrie. Om aan deze doelen te kunnen bijdragen, begon oprichter en CEO Marcel Raedts van Proxcys jaren geleden met de ontwikkeling van eigen chromatografie-apparatuur met een radiale flowkolom (RFC). Met behulp van detectie- en sensortechnologie van Elscolab is Proxcys er inmiddels in geslaagd om haar eerste, werkende multikolom chromatografiesysteem te ontwikkelen. Een technologische ontwikkeling waarmee veel geld gemoeid is, maar die nu, na al die jaren, haar vruchten begint af te werpen. In dit artikel een gesprek hierover
Sinds de oprichting van Proxcys in 2002 legt Raedts zich toe op het ontwikkelen en maken van radiale chromatografie-apparatuur voor de productie van biofarmaceutische producten. Producten met een biologische oorsprong, zoals insuline voor diabetespatiënten, stollingseiwit voor hemofiliepatiënten en antilichamen voor immuuntherapie.
Achtergrond
Voordat Raedts, van huis uit bioloog, aan deze uitdaging begon werkte hij geruime tijd als agent voor de bloedplasma-industrie. In die tijd viel hem op dat er twee manco’s waren in deze sector. Zo liet de scheidingscapaciteit van chromatografieapparatuur indertijd te wensen over en er was bovendien sprake van veel verspilling. Zeker omdat gewerkt moest worden met kostbare filtermassa’s. De kosten voor de aanschaf van dergelijke filtermassa’s konden namelijk oplopen tot honderdduizenden euro’s per kolom en omdat dit complexe proces nog lang niet altijd feilloos verliep, leidde dit regelmatig tot grote financiële verliezen voor biofarmaceutische bedrijven die recombinantproducten (celkweek) of bloedplasmaproducten produceerden.
Eerste RFC-kolom
Raedts vertelt: “Dat moest in mijn beleving toch anders kunnen en vanuit die gedachte begon ik in mijn garagebox aan de ontwikkeling van mijn eerste chromatografie-kolom. Mijn streven was om de prestatie van dergelijke apparatuur fors te verbeteren en de verspilling te elimineren. 4 jaar na de oprichting van mijn bedrijf, demonstreerde ik mijn eerste RFC-kolom in een vergaderruimte met vloerbedekking en werkte ik alleen. Nu, anno 2024, werken we bij Proxcys met 43 mensen en bouwen we jaarlijks zo’n 20–50 kolommen. Zo’n 95% van onze omzet is afkomstig uit de bloedplasmaindustrie en 5% uit de lactoferrine-productie in de zuivelindustrie.”
Filtratie
Dagelijks komt aan ‘downstream’-zijde (lees: bij zuivel en voedingsfabrikanten en biofarmaceutische bedrijven) celkweek, bloedplasma, melk, melkwei, tarwe of aardappelzetmeel binnen. Deze binnenkomende grondstoffen bestaan uit tienduizenden liters water met de benodigde eiwitten. Eiwitten die op de een of andere wijze zo efficiënt mogelijk hieruit gehaald moeten worden. Alvorens dit kan worden gerealiseerd, moeten de grondstoffen worden gezuiverd door één of meerdere filtratiestappen. Zo wordt microfiltratie toegepast voor het afvangen van bacteriën, celdelen, cellen of andersoortige verontreinigingen, in alle gevallen groter dan 0,2 μm. In enkele gevallen wordt ook nanofiltratie toegepast.
Kolommen
Raedts: “Om ons systeem te kunnen aansluiten op het bovengenoemde proces is microfiltratie aan klantzijde afdoende. Klanten doen dit bij voorkeur in eigen beheer om contaminatie tegen te gaan.
Onze chromatografie-apparatuur met radiale flowkolom neemt het proces vervolgens over.” Op de vraag hoe dit eiwit-scheidingsproces in de kolommen van Proxcys nu precies werkt, antwoordt Raedts: “Onze kolom bestaat uit een cilindrische binnen- en buitenzeef en daartussen bevindt zich de filtermassa bestaande uit harsbolletjes. Op de bovenzijde van de kolom zit een verdelerplaat, die radiaal de binnenkomende vloeistof (lees: melk of bloedplasma) naar de buitenkant van het buitenfilter stuurt. Zo vult de 1 mm kleine spleet tussen de buitenkant van het buitenfilter en de acrylmantel zich met vloeistof. De vloeistof kiest vervolgens de weg van de minste weerstand en percoleert dus radiaal door het buitenfilter en de poreuze filtermassa naar het binnenfilter toe. Aan de binnenzijde van het binnenfilter zit een kern waarin de gefilterde vloeistof wordt verzameld, die vervolgens via een pijp naar boven wordt gebracht en zo de kolom weer verlaat verder het proces in.” De filters van alle modellen van Proxcys zijn gemaakt van RVS-laminaat ofwel 4 tot 6 lagen op elkaar gestapeld RVS-weefsel. De buitenste laag is robuust en de binnenste laag is heel fijnmazig en heeft een filterfijnheid van 20 μm.”
Filtermassa
De filtermassa, bestaande uit honderden kleine harsbolletjes, wordt in de kolom gehouden door de binnen- en buitenzeef en mag in geen geval in het product terechtkomen. Walter Karremans, Sales Engineer bij Elscolab vertelt: “De magie bij dit proces zit in de selectie van het juiste type harsbolletje. Zo bestaan er diverse typen harsbolletjes, onder andere voor melk of het scheiden van antilichamen.” De vloeistof circuleert over deze bolletjes en de gewenste eiwitten blijven er dan aan plakken. Om de achtergebleven vloeistof in de bolletjes eruit te krijgen, moet de kolom worden gereinigd met een buffer (lees: water met bepaalde zouten) om alles wat niet aan de harsbolletjes moet blijven hangen eruit te krijgen. Zodra de kolom helemaal schoon is, moeten de eiwitten van de harsbolletjes worden gehaald. Vaak geschiedt dit met zout- of aangezuurd water, omdat de hars niet altijd 100% selectief is, blijven er altijd nog verkeerde eiwitten aanhangen.
STRAK KNIPPEN IS DÉ KUNST”
Sensortechnologie
Om deze verkeerde eiwitten te scheiden van de gewenste eiwitten en om zo zuiver mogelijk te kunnen werken, wordt voor de desorptie daarom gewerkt met een UV280 sensor van Elscolab. Deze sensor meet ‘real time’ het lichtverlies tijdens het uittreden van de vloeistof uit de kolom. Omdat eiwit het UV-licht absorbeert, is er minder UV280 licht over als de concentratie eiwitten hoger is. Door dit proces in de tijd te volgen, ontstaat op die manier dus een elutiepatroon ofwel een chromatogram. “Door het instellen van de juiste zuurgraad (pH) of geleidbaarheid (hoeveelheid zout) en met behulp van bovengenoemde sensor kan dus exact het gewenste eiwit worden geselecteerd en kan tevens het profiel (lees: chromatogram) in kaart worden gebracht. Het profiel is nodig om te weten wanneer er ‘geknipt’ moet worden voor het gewenste eiwit. Kijkende naar lactoferinne als voorbeeld, dan moeten er dus kuubs melk gepercoleerd worden om slechts een paar honderd gram lactoferinne te winnen. Een uitermate kostbaar proces dus.”
Eiwit-scheiding
Raedts legt uit: “Naar keuze kan de eiwit-scheiding generiek of heel specifiek zijn, afhankelijk van de eisen en wensen van de opdrachtgever. Een generieke scheiding is bijvoorbeeld een ionenwisseling of het scheiden van plussen en minnen. In geval van een specifieke scheiding (lees: affiniteit), kan er ongeacht de samenstelling van het bloedplasma of de melk, één eiwit worden uitgehaald. In de regel geldt: hoe specifieker de filtermassa die in de kolom zit, hoe duurder. Ter illustratie: Er zijn filtermassa’s te koop die per liter circa 25.000 euro kosten ofwel bij een 5-liter kolom kost zo’n massa dan al snel zo’n 125.000 euro om 1 kg product (lees: insuline of lactoferrine) te verkrijgen.”
Validatie
Karremans legt uit: “Als voor een opdrachtgever een kolom op maat wordt vervaardigd, dan wordt het proces met behulp van de hierboven beschreven sensortechnologie in combinatie met de geselecteerde filtermassa een aantal keren herhaald om allereerst het patroon te leren kennen. Daarna kunnen de snijpunten worden geoptimaliseerd. Dit kan op twee manieren. Of tijdens het maken van het elutiepatroon wordt de hele piek zichtbaar gemaakt en dan kan de opbrengst worden berekend en daaruit volgt dan welk volume aan eiwitten erin zit. Een andere mogelijkheid is om het signaal enorm op te blazen, zodat daar vervolgens op kan worden ingezoomd. De UV280-sensor van Elscolab heeft daarom een tweede meetgolflengte en is een zogeheten ‘2 in 1 sensor’. 280 nm is voor eiwit erg gevoelig, de andere golflengte, bijvoorbeeld 300 nm, is minder gevoelig voor eiwit en wordt gebruikt voor de hoge concentraties eiwit of DNA. Het voordeel van werken met deze ‘2 in 1’-sensor is dat technologisch gezien de snijpunten nog beter kunnen worden geoptimaliseerd zodat er dus minder onzuiverheden in de ‘geknipte’ eiwitten zitten. Dit is ook interessant uit het oogpunt van efficiëntie, want hoe strakker er ‘geknipt’ kan worden, hoe minder water er nadien verdampt moet worden. Het overgebleven water met eiwit gaat in geval van lactoferrine door naar een droger en wat dan resteert is het gevriesdroogde of gesproeidroogde eiwit. Bloedplasmaproducten worden daarentegen niet gedroogd. Deze blijven vloeibaar en gaan naar het bovengenoemde proces rechtstreeks in infuuszakken. Dit wordt ook wel ‘formulering’ genoemd. Raedts: “Zeker bij medicijnen, als insuline, die extreem duur zijn om te maken, is het daarom essentieel om het juiste optimum te zoeken tussen opbrengst enerzijds en onzuiverheden anderzijds.”
Procesbeheersing
Bij elk nieuw project bepalen Proxcys en Elscolab daarom gezamenlijk bijvoorbeeld de optische padlengte en detectie golflengten. Als die van tevoren niet bekend zijn, worden eerst proeven gedaan om de juiste meetgrenzen te kunnen bepalen. Belangrijk is verder het juiste type sensor te selecteren. Een sensor die goed schoonmaakbaar is, bestand tegen het reinigingsproces, nagenoeg geen ’dood volume’ heeft en de materialen moeten FDA/USP-goedgekeurd zijn. En natuurlijk moet het meetbereik goed gekozen zijn en is een goede scheiding onmisbaar. Wij adviseren daarnaast altijd zoveel mogelijk digitale sensoren te gebruiken in plaats van analoge sensoren. Het voordeel van werken met digitale sensoren is namelijk volledige traceerbaarheid van de sensorhistorie, status en performance. Een prettige bijkomstigheid is ook dat het inregelen buiten de ruimte kan plaatsvinden. Zeker als een installatie in een gekoelde ruimte staat, is dit een pré.
Nieuwste ontwikkeling
Momenteel werkt Proxcys aan de ontwikkeling van een multikolom chromatografiesysteem. De technologie is gelijk aan die van 1 RFC-kolom, alleen nu maal 4. Evenals de enkele kolom is ook dit systeem uitgerust met UV-detectoren, geleidbaarheidssensoren en pH-sensoren van Elscolab. Het unieke aan dit systeem is dat de 4 kolommen volledig synchroon moeten lopen per batch, ongeacht of er 1, 2, 3 of 4 kolommen worden gebruikt. Als alles conform planning verloopt dan moet dit systeem over een jaar worden uitgeleverd aan een Europese opdrachtgever.
Het magazine fysiek ontvangen? Klik hier om een kennismakingsabonnement af te sluiten.
Vacatures bekijk je via de vacaturepagina.
