On Continuous Magnetically Enhanced Centrifugation in Large Scale Downstream Processing of Bioproducts

The current thesis targets on the technical use of Magnetically Enhanced Centrifugation (MEC). Aim is the understanding of the mechanisms of particle transport out of the magnetic field by simulations of the phenomena, and the realization of MEC in a large scale. Industrial scale machines for batch-wise and continuous discharge were tested. The use of synthetic magnetic particles with functionalized surface allows the separation of non-magnetic matter

Magnetically enhanced centrifugation for continuous biopharmaceutical processing

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Chemical Engineering, 2009.Includes bibliographical references.Effective separation and purification of biopharmaceutical products from the media in which they are produced continues to be a challenging task. Such processes usually involve multiple steps and the overall product loss can be significant. As an integrative technique, high gradient magnetic separation (HGMS), together with the application of functional magnetic particles, provides many advantages over traditional techniques. However, HGMS has a number of drawbacks; and its application is limited because it is inherently a batch process and it is difficult to recycle the magnetic nanoparticles. This thesis explores the development of a new type of continuous magnetic separation process, called magnetically enhanced centrifugation (MEC), which exploits the interactions of magnetic particles with magnetic field gradients, forced convective flows and large centrifugal forces. Magnetically susceptible wires in a uniform magnetic field facilitate the capture and aggregation of magnetic particles on wires, and a centrifugal force perpendicular to the magnetic force conveys the particle sludge parallel to the wires in a continuous mode. The primary focus of this thesis is multi-scale modeling and simulation to understand the underlying physics of MEC processes. The potential of MEC as an effective unit operation for biopharmaceutical downstream processing has been demonstrated. Unlike traditional batch-mode HGMS, MEC has a great advantage in that it can be operated continuously as magnetic particles captured on wire surface are constantly removed.(cont.) A dimensionless model for simulating the trajectories of magnetic particles in combined magnetic and flow fields has been developed. The model was first applied to single wire configurations and then extended to multi-wire arrays. It was shown that modified rhombic arrays can provide high capture efficiency while maintaining low pressure drop. It is also shown that capture efficiencies based on results for clean, particle-free wires, may be seriously in error because the particle buildup that accumulates on the wire significantly distorts the flow and the magnetic fields and thus influences the particle trajectories. The dynamic buildup growth process was treated as a moving-boundary problem. Simulation results have shown that the capture efficiency decreases dramatically as particle buildup volume increases. In addition, the influence of particle chaining under magnetic dipole-dipole forces on separation efficiency has been investigated. Magnetic particles form chains as soon as they enter a background magnetic field, and are captured in the form of particle chains. The hydrodynamic force on particle chains was calculated using a 3-D CFD simulation. The capture radius calculated with considering the chaining effect is few times as great as the capture radius calculated assuming individual particles. Bench-top MEC experiments have shown that magnetic particle buildup generally comprises two layers with distinct structures: a spiky layer with all chains parallel to the magnetic field, and a densely-packed layer near the wire.(cont.) This unique structure reflects the dominance of magnetic forces near the wire and of magnetic dipole-dipole interactions at locations further from the wire. As more and more particles accumulate on the wire surface, the centrifugal force can overcome the cohesion of the layer or the adhesion of the layer to the wire, leading to movement of the buildup material. The onset of such movement can be achieved either by increasing the centrifugal force or by increasing the buildup height. Energy and force analyses have been carried out to study various scenarios of buildup movement. For monodisperse magnetic particles, four scenarios can be expected: chain-like layer collapsing down (I), rigid body movement (II), buildup breakage (III), and mixed behavior of rigid body movement and buildup breakage (IV). A set of design formulas were derived to predict buildup structure and different scenarios. Useful scenario and operating regime diagrams were obtained. A discrete element modeling (DEM) package was developed to study the dynamics and rheological behavior of highly concentrated magnetic particle systems. For monodisperse magnetic particles, simulation results confirmed the four regions of the scenario diagram as predicted by force arguments. For polydisperse magnetic particles, DEM simulations showed that the buildup exhibits solid-like behavior when centrifugal effects are small, and liquid-like behavior with a continuous velocity profile when centrifugal effects are large.(cont.) DEM simulations were able to predict the three dimensional effects, including the buildup profiles at the wire tip. Taken together, the results of this work provide a general strategy that can be used as a starting point for the design, evaluation, and optimization of magnetically enhanced processes that are suitable for biopharmaceutical downstream processing.by Fei Chen.Ph.D

Haftmechanismen von funktionalisierten magnetischen Kompositpartikeln in der Hochgradienten-Magnetseparation

Fortschritte in der Genetik und Mikrobiologie ermöglichen die Herstellung von biologischen Makromolekülen im großen Maßstab. Zu den Makromolekülen zählen dabei unter anderem Proteine. Die Proteinherstellung erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt produzieren Mikroorganismen das Produkt in einer Biosuspension. In dem anschließenden zweiten Schritt muss das Produkt von den übrigen Substanzen getrennt werden. Dabei treten zwei Schwierigkeiten auf. Zum einen liegt die Molekülgröße des Zielproteins im Nanometerbereich, sodass sie für klassische Filtrations- oder Zentrifugationsmethoden nicht zugänglich ist, zum anderen handelt es sich bei den Verunreinigungen zum Teil um andere biologische Makromoleküle, die jedoch ähnliche Eigenschaften haben wie das Produkt. Ein Ansatz zur Aufreinigung des Zielproteins aus der Fermentationsbrühe stellt die Hochgradienten-Magnetseparation dar. Dabei kommen produktspezifisch funktionalisierte magnetisierbare Partikel zum Einsatz. Die Partikel werden zu der Biosuspension hinzu-gegeben. Dort adsorbiert das Produkt an die Partikel. Anschließend wird die Biosuspension durch einen Magnetscheider gepumpt. In diesem bleiben die Partikel samt Produkt hängen und werden somit aus der Suspension getrennt. Die Abscheidung erfolgt aufgrund der Magnetkraft an der Magnetmatrix. Dort bildet sich ein Partikelhaufwerk aus. Aufgrund des direkten Kontakts der Partikel wirken zwischen den Partikeln zusätzlich zur Magnetkraft interpartikuläre Kräfte. Abhängig vom Magnetscheidertyp werden die Partikel mit oder ohne überlagertem Magnetfeld wieder von der Matrix getrennt Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgte eine Untersuchung der Haftkräfte zwischen den Partikeln in einem Haufwerk. Die Messung der Haftkräfte zwischen den Partikeln und der Magnetmatrix war nicht direkt möglich. Anstelle der Magnetmatrix kamen dafür ebene Haftpartner, sogenannte Substrate, verschiedener Materialien zum Einsatz. Zu unter-suchen war die oftmals getroffene Annahme, dass außer der Magnet-kraft alle anderen Kräfte vernachlässigbar sind. Für die Messung der Haftkraft zwischen den Partikeln und einem Substrat war die Zentrifugenmethode aus der Literatur bekannt. Der entsprechende Aufbau musste jedoch zunächst für die vorhandene Zentrifuge entwickelt und die Methode etabliert werden. Bei der Zentrifugenmethode werden die Partikel mit dem Substrat in Kontakt gebracht und anschließend einem Zentrifugalfeld ausgesetzt. Im Verlauf der Messun-gen wurden die Drehzahl und damit die Zentrifugalkraft schrittweise erhöht. Eine Kamera, die an ein Mikroskop angeschlossenen ist, nimmt Bilder des Substrats vor und nach jedem Zentrifugationsschritt auf. Durch einen Vergleich der Partikelanzahl vor und nach den einzelnen Zentrifugationsschritten ist die Haftkraftverteilung bestimmbar. Ein reales Partikelsystem weist durch Schwankungen in den Eigenschaften der einzelnen Partikeln eine Haftkraftverteilung auf. Für die Messung der Partikel-Partikel-Haftkräfte musste die Methode angepasst werden. Als charakteristische Größe für die Wechselwirkungen diente die Höhe des Partikelhaufwerks im Zentrifugalfeld, wobei die Zentrifugalkraft der Haftkraft entgegen wirkte. Die eingesetzte Zentrifuge ermöglichte die Aufnahme der Haufwerkshöhe. Bei dem Partikelhaufwerk handelt es sich um eine komplexe Kontaktsi-tuation, in der unter anderen die van der Waals-Kraft, die Magnetkraft, hydropathische Wechselwirkungen als auch elektrostatische Effekte einen Anteil an der Gesamthaftkraft haben. Um einzelne Kraftkomponenten und deren Einflussfaktoren untersuchen zu können, erfolgte zunächst eine Reduktion der Komplexität auf definierte Partikel-Substrat-Kontakte. Im ersten Schritt fanden Messungen mit magneti-sierbaren, sphärischen Partikeln mit sehr enger Partikelgrößenverteilung statt. Der Fokus lag dabei auf der van der Waals-Kraft. In der Tat zeig-ten sich zunächst die bereits bekannten Einflüsse, dass die Haftkraft mit steigendem Partikelradius zunimmt und mit steigender Rauheit sehr stark abnimmt. Erfolgten die Messungen hingegen in einem Magnetfeld eines Permanentmagneten zeigte sich ein unerwartetes Verhalten. Der Anstieg der Haftkraft war größer als die aufgebrachte Magnetkraft. Ver-antwortlich sind vermutlich elastische Deformationen innerhalb der Kon-taktzone, durch die die van der Waals-Kräfte gestärkt werden. Im zweiten Schritt kamen acht Partikelsysteme zum Einsatz, die ver-schiedene Oberflächenfunktionalisierungen und damit Ladungsdichten aufwiesen. Vier Partikelsysteme hatten eine chemische Modifikation. Die übrigen vier Partikelsysteme hatten je eine Proteinart (Bovine Serum Albumin (BSA), Streptavidin, Avidin und Protein A) kovalent gebunden. Bei den Partikelsystemen mit Bovine Serum Albumin, Streptavidin und Protein A lagen die Haftkräfte oberhalb des Messbereichs. Der Mess-bereich ergibt sich aus der minimalen und der maximalen Drehzahl der Zentrifuge. Bei den übrigen fünf Systemen traten sehr starke elektrosta-tische Abstoßungen auf. Durch die Zugabe geringer Salzmengen (0,01 Mol/l) oder die Einstellung des pH-Wertes auf den isoelektrischen Punkt der Partikel konnte die elektrostatische Abstoßung jedoch unter-bunden werden. Aufgrund der geringen notwendigen Salzkonzentration ist davon auszugehen, dass im Prozess ebenfalls keine Abstoßung auftritt. Das unterschiedliche Verhalten zeigt weiterhin, dass die Protein-art bzw. das Produkt ebenfalls einen Einfluss auf die Partikelhaftung hat. Für Partikel mit Avidin und mit BSA fanden zusätzlich Versuche zum Einfluss hydropathischer Wechselwirkungen statt. Die beiden Sys-teme wurden ausgewählt, da sie sich in den vorangegangenen Versu-chen am meisten unterschieden. Für die Versuche wurden zum einen Glassubstrate hydro¬phobiert bzw. hydrophilisiert und zum anderen die Salzart entsprechend der Hofmeisterreihe variiert. Bei der Hydrophobizi-tät des Substrats gibt es die Tendenz, dass die Partikel mit steigender Hydrophobizität stärker haften. Ein Einfluss der Salzart war bei der ein-gesetzten Konzentration von 0,1 Mol/l nicht feststellbar. Für die genauere Betrachtung der Partikel-Partikel-Wechselwirkung musste zuerst eine entsprechende Messmethode erarbeitet werden. Die Betrachtung von klar definierten Partikel-Partikel-Kontakten ist jedoch mit der Zentrifuge nicht möglich. Die eingesetzte Zentrifuge (LUMiSizer) verfügt jedoch über eine Optik, mit der eindimensional die Transmission messbar ist. Das ermöglicht es die Höhe eines Partikelhaufwerkes wäh-rend der Zentrifugation zu messen. Bei den Partikeln ohne anhaftendes Protein lagen die Haftkräfte zwischen den Partikeln ohne Magnet unter-halb des Messbereichs. Befand sich jedoch Protein auf der Partikeloberfläche kam es teilweise zu einem starken Anstieg der Haftkraft. Die eingesetzte Laborzentrifuge machte den Einsatz eines externen Mikroskops für die Bildaufnahme bei der Partikel-Substrat-Haftkraftmessung notwendig. Bei den Messungen der Haftkräfte in einem Haufwerk gibt die Optik der Zentrifuge nur eindimensionale Da-ten. Um diese Nachteile zu beseitigen erfolgten parallel zu den Versuchen die Konstruktion und der Bau einer Zentrifuge mit einem integrier-ten Mikroskop. Durch den Einsatz eines mechanischen Bildkorrektors gelang es das rotierende Bild in ein stationäres Bild umzuwandeln. Dadurch ist die rotierende Probe kontinuierlich mit einer festinstallierten Kamera aufnehmbar. Die minimale, praktische Auflösung liegt bei 10 µm. Die optische Vergrößerung beträgt circa 8,9. Das neu entwickelte System erlaubt es unter anderem die Ablösekinektik der Partikel aus einem Haufwerk detaillierter zu untersuchen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Annahme der dominanten Magnetkraft nur für die Ausbildung des Partikelhaufwerks gilt. Bei der Abtrennung des Haufwerks scheint vor allem die Proteinart einen weiteren Einflussfaktor darzustellen

Numeričko modeliranje kontaktne dinamike sustava velikog broja krutih čestica na primjeru elektromagnetne spojke s česticama

Analiza sustava koji sadrži veliki broj čestica zahtjevna je zadaća iz više razloga. Matematičko i mehaničko modeliranje značajno je otežano zbog velikog broja čestica i njihove međusobne interakcije. Sustave s velikim brojem čestica karakterizira izrazito veliki broj stupnjeva slobode pa su i numeričke simulacije izrazito zahtjevne za provesti. Tema rada je numeričko modeliranje kontaktne dinamike spomenutih sustava na primjeru spojke kao realnog sustava, čije bolje razumijevanje može rezultirati poboljšanjem u konstrukcij i korištenju spojke. Rad je tematski podijeljen u tri dijela. Prvi dio daje kratak uvod u spojke, njihovu podjelu i funkciju. Nakon toga slijedi detaljniji opis konstrukcije spojke te interakcije čestica. Drugi dio počinje pregledom jednadžbi dinamike za česticu i sustav čestica koje su relevantne za promatrani problem. Nakon toga su kratko izložene jednadžbe elektromagnetizma koje su neophodne za naš slučaj. Slijedi matematička formulacija dvaju pristupa modeliranju kontaktne dinamike koja će se koristiti u ovom radu: metoda diskretnih elemenata(DEM) i diferencijalne varijacijske nejednakosti( DVI). Treći dio rada počinje kratkim pregledom programskog koda otvorenog okruženja project Chrono u kojemu je realizirana simulacija. Na kraju rada dana je validacija rezultata simulacije s obzirom na eksperimentalno dobivene podatke