8/16/2019 Bioprocess Recovery and Purification

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U N I V E R S I T Y C O L L E G E L O N D O N

E X A M I N A T I O N F O R I N T E R N A L S T U D E N T S

M O D U L E C O D E

:

B E N G 2 0 1 1

A S S E S S M E N T

:

B E N G 2 0 1 1 C

P A T T E R N

M O D U L E N A M E : B i o p r o c e s s R e c o v e r y a n d P u r i f i c a t i o n

D A T E

T I M E

2 4 M a y 1 1

:

1 4 : 3 0

T I M E A L L O W E D

:

3 H o u r s 0 M i n u t e s

2 0 1 0 / 1 1 B E N G 2 0 1 1 C 0 0 1 E X A M 3 5

© 2 0 1 0 U n i v e r s i t y C o l l e g e L o n d o n

T U R N O V E R

8/16/2019 Bioprocess Recovery and Purification

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A n s w e r F O U R Q U E S T I O N S . A N S W E R A T L E A S T O N E Q U E S T I O N F R O M P A R T A

A N D O N E F R O M P A R T B . A L L q u e s t i o n s c a r r y a t o t a l o f 2 5 M A R S e a c h , d i s t r i b u t e d a s

s h o w n [ ] . O n l y t h e F I R S T F O U R A N S W E R S w i l l b e m a r k e d .

P A R T A

1 .

a ) A n o v e l ( 3 - l a c t a m a n t i b i o t i c ( p K

4 . 6 ) i s t o b e p r o d u c e d c o m m e r c i a l l y b y

f e r m e n t a t i o n u s i n g l i q u i d - l i q u i d e x t r a c t i o n w i t h o r g a n i c s o l v e n t s a s t h e

p r i m a r y r e c o v e r y o p e r a t i o n . D e f i n e t h e t h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r s t h a t

c a n b e u s e d t o q u a n t i f y t h e e x t e n t a n d s e l e c t i v i t y o f a n t i b i o t i c e x t r a c t i o n .

b )

I n o r d e r t o s p e c i f y t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f t h e l a r g e s c a l e p r o c e s s y o u

h a v e b e e n a s k e d t o d e s i g n a l a b o r a t o r y s c a l e s t u d y o f f a c t o r s i n f l u e n c i n g

e x t r a c t i o n o f t h e a n t i b i o t i c . D e s c r i b e t h e f a c t o r s y o u w o u l d i n v e s t i g a t e a n d

o u t l i n e t y p i c a l r e s u l t s t h a t m i g h t b e o b t a i n e d .

c )

Y o u r l a b o r a t o r y

e x p e r i m e n t s h a v e i n d i c a t e d t h a t

t h e e q u i l i b r i u m

d i s t r i b u t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e n e w c o m p o u n d u n d e r t h e c h o s e n e x t r a c t i o n

c o n d i t i o n s i s 2 0 . T h e h a r v e s t c o n c e n t r a t i o n o f t h e c o m p o u n d i n t h e

f e r m e n t a t i o n b r o t h i s 4 0 g k g 4 a n d t h e m a s s f l o w r a t e o f t h e e x t r a c t i n g

s o l v e n t i s p l a n n e d t o b e 7 - f o l d l e s s t h a n t h a t o f t h e a q u e o u s f e e d . I f a

m i n i m u m o f 9 8 w / w r e c o v e r y o f t h e a n t i b i o t i c i s a i m e d f o r c a l c u l a t e t h e

n u m b e r o f t h e o r e t i c a l s t a g e s r e q u i r e d . C l e a r l y s t a t e a n y o t h e r a s s u m p t i o n s

m a d e .

[ 7 ]

[ 9 ]

[ 9 ]

P L E A S E T U R N O V E R

B E N G 2 0 1 1

P a g e 2 o f 5 2 0 1 0 - 1 1

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A 1 0 , 0 0 0 L b a t c h r e a c t o r i s u s e d t o p r e p a r e a p r o t e i n p r e c i p i t a t e f r o m a

c l a r i f i e d f e r m e n t a t i o n b r o t h . T h e o b j e c t i v e o f t h e o p e r a t i o n i s , w h e n

c o m b i n e d w i t h a c o n t i n u o u s - f l o w d i s c s t a c k c e n t r i f u g e , t o p r o v i d e a

c l a r i f i e d b r o t h f r o m w h i c h t h e p r e c i p i t a t e h a s b e e n r e m o v e d a n d

d i s c a r d e d . T h i s s e q u e n c e a c t s a s a p r e p a r a t i v e s t a g e f o r c h r o m a t o g r a p h i c

p u r i f i c a t i o n o f a t h e r a p e u t i c p r o t e i n .

T h e r e a c t o r a n d c e n t r i f u g e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a r e g i v e n b e l o w .

Y o u a r e a s k e d t o p r e p a r e a r e p o r t o n t h e s c o p e f o r i n c r e a s e d t h r o u g h p u t

b y r e d u c t i o n i n t h e r e s i d e n c e t i m e i n t h e r e a c t o r d u r i n g t h e p r e c i p i t a t e

p r e p a r a t i o n s t a g e .

A s p a r t o f t h i s r e p o r t p l e a s e p r e p a r e t h e f o l l o w i n g .

i

A f l o w s h e e t o f t h e p r o c e s s i n c l u d i n g a l l p u m p s a n d h o l d t a n k s . T h i s

f l o w s h e e t s h o u l d i n c l u d e a t t h e s t a r t t h e h o l d t a n k f o r t h e c l a r i f i e d

f e r m e n t a t i o n b r o t h a n d

a t

t h e e n d t h e f e e d

l i n e t o

t h e f i r s t

c h r o m a t o g r a p h y s t a g e .

i i

A n a n a l y s i s o f t h e 1 0 , 0 0 0 L r e a c t o r s t i r r e r s p e e d a n d m i x i n g t i m e i n

t e r m s o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s w h i c h w i l l d e t e r m i n e t h e p r e c i p i t a t e

p r o p e r t i e s .

i i i

A r e c o m m e n d a t i o n o f t h e r e d u c t i o n o f t i m e u s e d f o r a g e i n g o f t h e

p r e c i p i t a t e i n t h e r e a c t o r w i t h f u l l r e a s o n s f o r y o u r r e c o m m e n d a t i o n .

i v

A d e s i g n o f a 1 0 L r e a c t o r t o t e s t t h e r e c o m m e n d a t i o n a t p i l o t s c a l e .

F o r i n f o r m a t i o n

R e a c t o r s p e c i f i c a t i o n s

B a f f l e d t a n k ; h e i g h t = d i a m e t e r = 2 . 3 3 m

S t i r r e r d i a m e t e r = 0 . 7 8 i n , s t i r r e r s p e e d = 2 0 r p m

R e a c t o r f i l l t i m e f o r c l a r i f i e d b r o t h a n d p r e c i p i t a t i n g a g e n t = 1 h

R e a c t o r m i x i n g t i m e f o r p r e c i p i t a t e a g e i n g = 1 2 h

T i m e t o e m p t y r e a c t o r c o n t e n t s t o c e n t r i f u g e = 5 h

T i m e f o r r e a c t o r t u r n a r o u n d = 4 h

R e a c t o r o p e r a t e d o n c e p e r d a y ; f a c t o r y o p e r a t e s 2 4 h / d a y u s i n g a 3 s h i f t

s y s t e m .

P r o p e r t i e s o f p r e c i p i t a t e s u s p e n s i o n ; d e n s i t y 1 0 0 0 k g n i 3 , v i s c o s i t y 0 . 0 0 5

N s m - 2

P l e a s e

e x p l a i n

a l l a s s u m p t i o n s m a d e a n d s h o w d e t a i l s o f a l l

c a l c u l a t i o n s .

C O N T I N U E D

[ 5 ]

[ 8 ]

[ 5 ]

[ 7 ]

B E N G 2 0 1 1

P a g e 3 o f 5

2 0 1 0 - 1 1

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3 .

a ) D e s c r i b e t h e p r i n c i p l e s a n d k e y c o n s i d e r a t i o n s f o r i m m u n o a f f m i t y

c h r o m a t o g r a p h y , g i v i n g a b a s i s t o c o s t s u c h a n a p p r o a c h .

[ 1 5 ]

b )

H o w a r e d e v e l o p m e n t s i n a n t i b o d y t e c h n o l o g y m a k i n g i m m u n o a f f i n i t y

c h r o m a t o g r a p h y m o r e a t t r a c t i v e f o r b i o p r o c e s s i n g ? [ 1 0 ]

P A R T B

4 .

a )

E x p l a i n w h y i t i s t h a t t h e r a t e o f f i l t r a t i o n f a l l s o v e r t i m e d u r i n g t h e

f i l t r a t i o n o f a b i o l o g i c a l f e e d b e i n g s e p a r a t e d b y a c o a r s e f i l t e r . Y o u

s h o u l d a m p l i f y y o u r a n s w e r w i t h s u i t a b l e r e l a t i o n s h i p s e x p l a i n i n g

c l e a r l y a l l t e r m s y o u u s e .

H o w d o e s a f i l t e r a i d h e l p i m p r o v e f i l t r a t i o n r a t e s ? D e t a i l t h e t w o m o d e s

i n w h i c h s u c h a i d s a r e u s e d .

c )

U s i n g t h e f o l l o w i n g d a t a , d e t e r m i n e w h a t y o u b e l i e v e t o b e t h e b e s t

p r a c t i c a l s t r a t e g y f o r t h e r e c o v e r y o f t h i s v a l u a b l e e x c r e t e d p r o d u c t . I n

y o u r a n a l y s i s t h e r e i s o n e m a j o r p o t e n t i a l s o u r c e o f a d d i t i o n a l p r o d u c t

l o s s w h i c h i s n o t a c c o u n t e d f o r . W h a t i s t h i s a n d h o w m i g h t y o u

m i n i m i s e t h a t l o s s ?

[ 7 ]

[ 6 ]

[ 1 2 ]

F e r m e n t a t i o n t i m e

  h )

E x p r e s s e d p r o d u c t t i t r e

  W l a

F i l t r a t e v o l u m e c o l l e c t e d

i n 1 0 m i n s L )

1 0

1 . 0

2

2 1 . 0

4

4 0 . 9

6

6

0 . 8 5

1 0

1 2 0 . 8

1 5

2 0 0 . 7 5

2 0

3 5 0 . 5

2 5 5 0

0 . 2

3 0

6 0

0 . 1

3 5

6 0

0 . 1

4 0

6 0

0 . 1

P L E A S E T U R N O V E R

B E N G 2 0 1 1

P a g e 4 o f 5

2 0 1 0 - 1 1

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5/5

5 .

6 .

a ) T w o b a s i c s e t s o f e q u a t i o n s a r e u s e d t o d e s c r i b e a n d t o s u b s e q u e n t l y s i z e

c e n t r i f u g e s f o r s o l i d s s e p a r a t i o n . W h a t a r e t h e y ? P r o v i d e f u l l d e t a i l s a n d

e x p l a i n a l l t e r m s . A r e t h e r e a n y l i m i t s t o t h e i r a p p l i c a t i o n ? I f s o , s t a t e

t h e s e .

b )

G i v e n t h e f o l l o w i n g d a t a , c a l c u l a t e t h e t i m e t a k e n f o r a y e a s t c e l l t o

t r a v e l 0 . 3 m m ; t h e g a p b e t w e e n t h e d i s k s o n a t y p i c a l d i s k s t a c k m a c h i n e .

( N B y o u m a y n e e d t o m a k e a s s u m p t i o n s . I f s o , s t a t e t h e m a n d j u s t i f y

t h e m ) . W h a t g f o r c e e q u i v a l e n t i s b e i n g c r e a t e d ?

S u s p e n s i o n i s w a t e r - l i k e

D i a m e t e r o f c e n t r i f u g e b o w l ; 0 . 3 m

S p e e d o f r o t a t i o n = 5 0 0 0 r p m

c )

C o m m e n t o n h o w y o u m i g h t a c h i e v e c o n t a i n m e n t o f a s e p a r a t i o n o f a

p o t e n t i a l l y h a z a r d o u s p r o d u c t f r o m t h e f e r m e n t a t i o n l i q u o r s i f a t u b u l a r

b o w l d e s i g n o f m a c h i n e w e r e t o b e s e l e c t e d .

a ) W h a t a r e t h e 3

m a i n

p r o c e s s f u n c t i o n s o f e x p a n d e d b e d

c h r o m a t o g r a p h y ? H o w i s e a c h a c h i e v e d a n d w h a t i s t h e o r d e r o f p r i o r i t y

o f t h e m ? J u s t i f y y o u r a n s w e r s .

b )

U s i n g s k e t c h d i a g r a m s d e m o n s t r a t e h o w y o u w o u l d u s e p r o t e i n r e l e a s e

d a t a t o c a l c u l a t e t h e r a t e c o n s t a n t f o r a h i g h p r e s s u r e d i s r u p t i o n s t e p ?

W h y d o e s t h e r a t e o f r e l e a s e o f s p e c i f i c e n z y m e s d i f f e r f r o m t h a t o f t o t a l

p r o t e i n ?

c )

E x p l a i n t h e i m p o r t a n c e o f t h e m e m b r a n e r e j e c t i o n c o e f f i c i e n t a n d

p r o v i d e a s i m p l e m a s s b a l a n c e e q u a t i o n t o s h o w h o w y o u w o u l d

e s t i m a t e t h e s p e c i f i c r e j e c t i o n c o e f f i c i e n t f o r a g i v e n p r o t e i n i f y o u h a d

f i l t r a t e a n d r e t e n t a t e s a m p l e s t o h a n d .

d )

W h e n s e l e c t i n g a m e m b r a n e m o d u l e d e s i g n i t i s c r u c i a l t o c o n s i d e r a

r a n g e o f e c o n o m i c a n d o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s . T a k i n g t h e e x a m p l e

o f a h o l l o w f i b r e c a r t r i d g e , d e t a i l t h e p e r t i n e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f s u c h a

d e s i g n .

E N D O F P A P E R

[ 8 ]

[ 1 2 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 6 ]

[ 5 ]

B E N G 2 0 1 1

P a g e 5 o f 5

2 0 1 0 - 1 1