Análisis y simulación de procesos de adsorción por afinidad aplicados a la purificación de proteínas

Abstract

Tesis de maestría en ciencias de la ingeniería. La cromatografía de afinidad es un método económico para purificar industrialmente proteínas que se encuentran presentes a muy bajas concentraciones en caldos biológicos complejos. Este método es utilizado en la purificación de proteínas tales como: anti­ cuerpos monoclonales, hormonas, vacunas, citosinas y factores de coagulación. El escalamiento y optimización de las operaciones cromatografías de afinidad para la recuperación, separación y purificación de componentes bioquímicos es muy importante. Una herramienta de la ingeniería que puede ayudar a alcanzar con éxito estas tareas de la ingeniería de bioprocesos, es el desarrollo de modelos matemáticos y programas de computadora para describir el comportamiento de esta operación. En este trabajo se considera un modelo de transporte de tres resistencias consecutivas: resistencia externa de la película, difusión interna en la partícula y velocidad de reacción finita. Este modelo es usado para simular la adsorción por afinidad de una proteína en sistemas tipo tanque agitado y columna de lecho fijo. La solución de los modelos fue obtenida utilizando métodos numéricos avanzados. En el sistema de adsorción por afinidad en un tanque agitado las ecuaciones que describen el proceso se resolvieron utilizando dos métodos numéricos: el método global implícito y el método numérico de líneas (NUMOL). Las soluciones numéricas fueron comparadas con la solución analítica de un modelo que agrupa las resistencias a la transferencia de masa, y con datos experimentales tornados de la literatura de la adsorción por afinidad de inmunoglobulina G a Proteína A-Sepharose B. El mejor ajuste a los datos experimentales fue obtenido con el modelo de tres resistencias cuando las resistencias controlantes son la difusión en el poro y la película, siendo la solución obtenida con el método de líneas la que describe mejor los datos experimentales. El modelo matemático para la adsorción por afinidad en una columna de lecho fijo, fue resuelto utilizando el método numérico de líneas. La solución se comparó con la solución analítica de Thomas de resistencias agrupadas y con datos experimentales de la adsorción de lisozima a una matriz de Cibacrón Blue-Sepharose CL-6B. Mediante la solución con el método de líneas se obtuvo el mejor ajuste a los datos experimentales. Los modelos de transporte se utilizaron para llevar a cabo un análisis paramétrico utilizando la solución del método de líneas. Se estudió el comportamiento de la adsorción por afinidad en el tanque agitado mediante variaciones en el diámetro de la partícula y en la concentración inicial en el tanque. En el caso de la cromatografía en columna se estudió el comportamiento de la curva de ruptura efectuando variaciones en la longitud de la columna, tamaño de la partícula y difusión. Las respuestas dinámicas correspondientes en cada caso, concordaron con las predicciones teóricas y muestran que el modelo de transporte puede ser usado para proporcionar descripciones realistas del comportamiento de la adsorción por afinidad en un tanque agitado cuando se utilizan parámetros y soluciones numéricas apropiadas.