Separation of monoclonal IgM antibodies using tangential flow ultrafiltration

Authors

  • Mani Krishnan,

    1. Pharmaceutical Production Research Facility, Department of Chemical and Petroleum Engineering, The University of Calgary, Calgary, Alberta T2N 1N4
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  • Nicolas Kalogerakis,

    1. Pharmaceutical Production Research Facility, Department of Chemical and Petroleum Engineering, The University of Calgary, Calgary, Alberta T2N 1N4
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  • Leo A. Behie,

    1. Pharmaceutical Production Research Facility, Department of Chemical and Petroleum Engineering, The University of Calgary, Calgary, Alberta T2N 1N4
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  • Anil K. Mehrotra

    Corresponding author
    1. Pharmaceutical Production Research Facility, Department of Chemical and Petroleum Engineering, The University of Calgary, Calgary, Alberta T2N 1N4
    • Pharmaceutical Production Research Facility, Department of Chemical and Petroleum Engineering, The University of Calgary, Calgary, Alberta T2N 1N4
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Abstract

Experimental results are presented for the separation of monoclonal IgM antibodies from hybridoma cell cultures using tangential flow ultrafiltration with total recycle of the retentate. IgM antibodies are pentameric immunoglobulin molecules with a molar mass of 900 kDa and a tip-to-tip distance of 38 nm. The major impurity (foulant) in the supernatant sample was albumin, whose molar mass and diameter are 67 kDa and 7 nm, respectively. The antibody (product) recovery rate, variations in the permeation velocity and the time for a 90%-reduction in feed volume were investigated using 100 and 300 kDa NMWCO membranes at three transmembrane pressures and two tangential velocities. A model is also presented, in which the ultrafiltration process is divided into two regimes: the surface fouling regime (characterized by the adsorption of antibody molecules on the membrane surface) and the internal fouling regime (characterized by pore-blockage due to deposition of foulant protein molecules). Approximately 16% of the effective membrane area was blocked in the surface fouling regime. The model predictions are in satisfactory agreement with the experimental results.

Abstract

On présente des résultats expérimentaux de séparation d'anticorps monoclonaux IgM issus de cultures de cellules d'hybridomes par ultrafiltration à écoulement tangentiel avec recirculation complète du retentat. Les anticorps IgM sont des molécules d'immunoglobuline pentamériques d'une masse molaire de 900 kDa et d'une longueur hors-tout de 38 nm. Les impuretés ou salissures dans l'échantillon de supernageant sont principalement l'albumine, d'une masse molaire de 67 kDa et d'un diamètre de 7 nm. Le taux de récupération de l'anticorps (ou produit), les variations dans la vitesse de perméation ainsi que le temps requis pour réduire le volume de l'alimentation de 90% ont été étudiées à l'aide de membranes de 100 et 300 kDa NMWCO à trois pressions transmembranaires et à deux vitesses tangentielles. On présente également un modèle dont le processus d'ultrafiltration se divise en deux régimes: le régime d'encrassement à la surface (qui se caractérise par l'adsorption des molécules d'anticorps à la surface de la membrane) et le régime d'encrassement interne (qui se caractérise par le blocage des pores dû au dépôt des molécules de protéines des salissures). Environ 16% de la région efficace de la membrane est bloquée par le régime d'encrassement à la surface. Les prédictions du modèle concordent de manière satisfaisante avec les résultats expérimentaux.

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