Ion exchange membrane production from natural polymers for the purification of immunoglobulins

Abstract

Immunoglobulinler, farmasötikal biyoteknolojinin en önemli ürünlerinden biri haline gelmektedir. Dünya çapında yapılan yüksek miktarlardaki üretimlerde en fazla kromatografik saflaştırma adımları kullanılmakta ve bu da üretim maliyetini arttırmaktadır. Yapılan bu projede doğal biyopolimerler olan bakteriyel selülozdan (BC)iyon değişim membranları hazırlanmış ve immunoglobulin G (IgG) ve immunoglobulin A (IgA) için ayırma işlemlerinde kullanılabilmesi incelenmiştir. Çalışmada BC'dan toplamda 5 tane modifikasyon yapılmıştır. Temelde kullanılan aktif maddeler; hidroksietil akrilamid (HEA), epiklorohidrin, amonyum hidroksit (NH3), kafeik asit, propan sülton (SO3) ve bunların kombinasyonları şeklinde olmuştur. Bunlardan membran dayanıklılığını koruyan 8 tanesi; BC, BC-HEA, BC-HEA-NH3, BC-HEA-SO3 seçilerek iyon değişim yükü ve protein ilgisi ölçülmüştür. Young's modulus ile gerilme ve kırılma testleri yapılmış, Fourierin dönüşüm infrared spektroskopisi (FT-IR) ile modifikasyonlardan sonraki değişimler gözlenmiş ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile de membranların yüzey ve kesit görüntüleri alınarak membran olarak fiziksel ve kimyasal incelemeleri yapılmıştır. Modifikasyonlar sonucunda yüzeyde pürüzlenme gözlenmiş ancak, katman yapısında belirgin bir değişiklik olmamıştır. Hazırlanan membranların hidrolik geçirgenlik deneyleri ile gözeneklilik ve gözenek çapı hesapları yapılmıştır.Ticari olarak kullanılan iyon değişim membranları genellikle 3 – 5 membrandan oluşan üniteler şeklindedir. BC membranlarda gözeneklilik değeri % 45 – 95 arasında modifikasyon tipine göre değişmektedir. Membranların adsorpsiyon için etkili alanları da hesaplanmış ve 17,35 cm2 yüzey alana sahip membranlarda, gözenekliliğe ve gözenek çapına göre BC membranlarda 2–15 cm2 arasında değiştiği hesaplanmıştır. Membran için etkili yüzey alanının fazla olması adsorpsiyonun daha verimli olması anlamına gelmektedir. BC membranlar fiziksel olarak adsorpsiyon için daha uygundur. Yapılan modifikasyonlar genel olarak iyon değişim kapasitesini arttırsa da immunoglobulin denemelerinden önce sığır serum albümini kullanılarak deneysel yöntemler oturtulmaya çalışılmış ve membranların protein bağlama ilgilerine uygun adsorpsiyon izotermleri belirlenmiştir. Projenin devamında, BC'nin birden fazla membrandan oluşan üniteleri ile protein ve enzim saflaştırılmasında kullanılması için incelemeler yapılacaktır.

Immunoglobulins have become one of the most important products in pharmaceutical biotechnology. Chromatographic separation techniques are widely used in purification steps of immunoglobulins and hence, production cost gets increased. In this project, natural biopolymer bacterial cellulose (BC) is prepared and modified to increase ion exchange capacity to use in purification of immunoglobulin G (IgG) and immunoglobulin A (IgA). Totally, 5 modifications were performed. Hydroxyethyl acrylamide (HEA), epichlorohydrin, ammonium hydroxide (NH3), caffeic acid and propane sultone (SO3) were used for obtaining modified polymers. The membranes chosen to proceed with were, BC, BC-HEA, BC-HEA-NH3, BC-HEA-SO3; based on membrane integrity. Young's modulus values were determined. Fourier's transformation infrared spectroscopy (FT-IR) was used for observing modifications and scanning electron microscopy was used to observe surface and cross-section changes of the membranes. These observations were supported by SEM images. Hydraulic permeability, porosity and pore size of membranes were calculated. Hydraulic permeability values were very high compared to commercial membrane units. There is no protein binding at high hydraulic permeability. The porosity of BC membranes were in the range of 45–95% depending on the modification type. Effective area for protein adsorption was also calculated. Effective area of bacterial cellulose membranes were around 2cm2 and between 2–15cm2 at constant surface area (17.35cm2) respectively. Effective area directly affect adsorption yield. BC membranes were more preferable for adsorption based on physical conditions. Modifications generally increase the ion exchange capacities of membranes. Before starting to purification experiments of IgG and IgA, fetal bovine serum albumin (BSA) was used for protein affinity experiments. Using the data, feasible adsorption theory was selected for membranes. All BC membranes are fitted to Langmuir isotherm. Protein affinity was calculated using BSA, IgG and IgA proteins. BC showed low protein affinity; however, protein binding yield was higher than other membranes. BC membrane was the best for protein affinity, even it has low ion exchange capacity. BC membranes will be used to purify proteins in following studies.