Sorption de biomolécules par membrane échangeuse d'ions : étude expérimentale et modélisation

RésuméLes membranes microporeuses sont une alternative aux supports de chromatographie classique sur colonne. Elles offrent l'avantage de diminuer les phénomènes de diffusion, de réduire les temps de séjour et les chutes de pressions, et donc de faciliter la purification rapide de quantités importantes de molécules. Une gamme importante de membranes chromatographiques mettant en jeu différents mécanismes de rétention des molécules (échange d'ions, affinité, etc.) est actuellement commercialisée. Malgré leur succès, l'influence de la géométrie des modules de chromatographie membranaire reste relativement peu étudiée du point de vue théorique.Cette étude menée sur la sorption de l'albumine sérique bovine (ASB) sur une membrane chromatographique échangeuse d'ions (type Sartobind Q de la société Sartorius Stedim Biotech-Goettingen, Allemagne), vise à évaluer expérimentalement l'influence des conditions opératoires (débit de circulation, concentrations initiales) sur la courbe de perçage. Deux types de géométries différentes (module plan ou module en spiral) ont été utilisés et ont permis de mettre en évidence l'influence du type d'écoulement (axial ou radial) sur la séparation. L'étude expérimentale a été conduite sur un système de chromatographie Akta Prime (General Electrics, France)Afin de comprendre les phénomènes observés, de prédire les performances des différents modules et de mettre au point un outil destiné à l'amélioration de la conception des capsules de chromatographie membranaire, un modèle mathématique en MFN (mécanique des fluides numérique) a été développé et simulé avec succès.

Microporous membranes are an alternative to conventional packed columns chromatography. They offer the main advantage compared to bulk material to reduce diffusion phenomena, reduce residence time and pressures drops, and thus, facilitate rapid purification of large quantities of molecules. A wide range of chromatographic membranes involving different molecules retention mechanism (ion exchange, affinity, etc…) is now commercialized. Despite their success, the influence of the geometry of the membrane chromatography devices remains relatively unexplored from a theoretical point of view.This study on the sorption of bovine serum albumin (BSA) on a chromatographic ion exchange membrane (type Sartobind Q from Sartorius Stedim Biotech-Goettingen, Germany), aims to experimentally evaluate the influence of operating conditions (fluid flowrate, initial concentrations) on the breakthrough curves. Two types of geometries (plane module or spiral module) were used and helped to highlight the influence of the type of flow (axial or radial) on separation. The experimental study was conducted on an Akta Prime chromatography system (General Electrics, France). In order to understand the observed phenomena, to predict the performance of different modules and to develop a tool for improving the design of membrane chromatography capsule, a mathematical model was developed in CFD (Computational Fluid Dynamics) and successfully simulated.