Membranes for virus removal by size exclusion

Kosiol, Peter

Modern biopharmaceutical processes implement comprehensive virus clearance strategies to minimize the threat of viral contamination of drugs and ensure patient safety. Besides testing of source materials and the finally formulated drug, manufacturing processes based on mammalian cell lines are required by the regulatory agencies to include at least two dedicated orthogonal unit operations for the inactivation or removal of endogenous or adventitious viruses. Throughout the last three decades, size exclusion based virus filtration using porous membranes in dead-end mode has become an industry standard known for its reliability and robustness to clear viruses while not affecting product quality and allowing high product recovery. Virus filtration membranes (VFMs) have complex porous structures capable of retaining small viruses such as parvoviruses having 18-24 nm in diameter by at least 99.99 % corresponding to a log10 reduction value (LRV) >= 4. At the same time, typical product molecules like monomeric IgG-type monoclonal antibodies, having diameters of 9-12 nm, need to be transmitted by more than 95 %. Exhibiting pore sizes (nominally 20 nm) within the same magnitude of both product and contaminant species renders the separation task that VFMs fulfil intensely sophisticated. For comparison, other size-based unit operations utilizing membranes, such as microfiltration, separate species differing by at least one order of magnitude in hydrodynamic diameter. This high demand for selectivity renders the development and manufacturing of VFMs a challenging task. Besides the obligatory virus retention performance, the main application relevant performance characteristics of a VFM are the water/buffer permeability and the fouling robustness. From a material scientific perspective, these application characteristics are closely linked to the pore size distribution (PSD) in the separation-active layer (SAL), the pore size gradient (PSG) along the membrane thickness and the characteristics of the membrane surface. In general, the present thesis focuses on method development and application of analytical techniques capable of determining structural membrane properties such as the PSD and PSG. Further, commercial and non-commercial VFMs are characterized by their virus retention performance and fouling robustness using representative virus models and feed streams.Particular attention is paid on relating membrane properties and application performances. Thereby, mechanistical concepts for the mode of operation are derived and discussed.

Moderne biopharmazeutische Prozesse schließen eine umfassende Strategie zur Virusabreicherung ein, um die Gefahr von Viruskontaminationen von Arzneimitteln zu verringern und damit die Sicherheit von Patienten zu gewährleisten. Neben der Testung von Ausgangsmaterialien und der finalen Arznei, ist es für Herstellprozesse basierend auf Säugetierzelllinien von Behördenseite erforderlich, dass mindestens zwei orthogonale Prozessschritte für die Inaktivierung oder Abreicherung von endogenen bzw. zufälligen Viren implementiert sind. Über die letzten drei Dekaden hinweg hat sich die auf Größenausschluss basierende Virusfiltration unter Verwendung von porösen Membranen im Dead-End-Betrieb als Industriestandard etabliert. Membranen zur Virusfiltration bestehen aus komplexen porösen Strukturen, die in der Lage sind kleine Viren, wie das Parvovirus mit einem Durchmesser von 18-24 nm, mindestens zu 99.99 % abzureichern. Gleichzeitig ist eine Transmission von typischen Produktspezies, zu denen monoklonale Antikörper vom IgG-Typ gehören und Durchmesser von 9-12 nm aufweisen, von mehr als 95 % erforderlich. Aus diesen ähnlichen Größenordnungen resultiert eine besonders anspruchsvolle Trennaufgabe, die diese Membranen zu erfüllen haben. Neben dem obligatorischen Virusrückhaltevermögen sind aus applikativer Sicht die Wasser- bzw. Pufferpermeabilität sowie die Robustheit gegenüber Verblockung die entscheidenden Eigenschaften von Membranen zur Virusfiltration. Aus materialwissenschaftlicher Perspektive sind diese Eigenschaften eng mit der Porengrößenverteilung in der trennaktiven Schicht, dem Porengrößengradienten entlang der Membrandicke sowie den Charakteristika der Membranoberfläche verbunden. Im Allgemeinen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Methodenentwicklung sowie der Anwendung dieser Methoden zur Charakterisierung struktureller Membraneigenschaften wie der Porengrößenverteilung und dem Porengrößengradienten. Desweiteren wurde eine Auswahl kommerzieller sowie nicht-kommerzieller Membranen zur Virusfiltration hinsichtlich Virusrückhalt sowie Robustheit gegenüber Verblockung untersucht. Die so ermittelten applikativen Membraneigenschaften werden in der vorliegenden Arbeit ins Verhältnis zu den strukturellen Eigenschaften der Membranen gesetzt. Hieraus werden mechanistische Konzepte zur Wirkungsweise von Membranen zur Virusfiltration insbesondere bezüglich Verblockung und Virusrückhaltung abgeleitet und diskutiert.

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Kosiol, Peter: Membranes for virus removal by size exclusion. 2018.

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