Estudio de la ultrafiltración de proteínas modelo con membranas cerámica

Resumen

En las investigaciones realizadas recientemente en los sectores biotecnológico y farmacéutico, se ha mostrado un especial interés en el diseño de procesos para el fraccionamiento de mezclas complejas de proteínas. Desafortunadamente, las técnicas bien establecidas existentes en el laboratorio para este propósito, tales como cromatografía y precipitación selectiva, presentan elevados costes de instalación y operación al ser implantadas a escala industrial. Como alternativa, podemos encontrar resultados prometedores en el campo de la tecnología de membranas, especialmente en la filtración tangencial de alta resolución. Esta técnica permite la separación de proteínas de similar peso molecular, basándose en el control de las interacciones proteína-membrana y proteína-proteína, mediante la selección de las condiciones físico-químicas de operación, principalmente pH y fuerza iónica. Con estos antecedentes, el objetivo principal del trabajo de investigación recogido en esta Tesis Doctoral ha sido el estudio experimental del proceso de filtración tangencial de alta resolución con proteínas modelo. Para ello se han empleado tres proteínas con diferente peso molecular y punto isoeléctrico: BSA (PM 69000, Pl 4.9), b-lactoglobulina (PM 18300, Pl 5.2) y lisozima (PM 14300, Pl 10.7). Para estas proteínas y sus mezclas se ha llevado a cabo la ultrafiltración a 30º C a través de membranas cerámicas tubulares de un tamaño de corte entre 50 y 300 kDa en el modo de recirculación total. La evolución del caudal de filtrado y transferencia de proteína ha sido analizada en función del tamaño de poro, pH, fuerza iónica, velocidad de circulación y presión transmembrana. El comportamiento de los sistemas está fuertemente influenciado por la relación entre el punto de carga cero de la membrana y el punto isoeléctrico de la proteína, los cuales determinan las interacciones electrostáticas que tienen lugar. Para la interpretación de los resultados, se han desarrollado modelos matemáticos mecanísticos y empíricos. Para describir la evolución del flujo de filtrado, se han aplicado modelos combinados de colmatación que incluyen bloqueo completo y bloqueo estándar (en los casos en los que existe transmisión) o formación de torta (en caso contrario). En cuanto al paso de proteína a través de la membrana, se han calculado la velocidad máxima de transporte y el tiempo al que ésta se produce mediante funciones hiperbólicas y sigmoidales. Finalmente, el empleo de redes neuronales artificiales ha permitido la predicción del flujo del filtrado y la transmisión de proteína. Mediante el algoritmo de Levenberg-Marquardt, se llevó a cabo el entrenamiento de cada red con el 70% de los datos experimentales con el objetivo de encontrar los valores óptimos de pesos y biases que minimizan el error cuadrático medio. Como método para evitar el sobreajuste, se simultaneó la validación con el 15% de los datos, mientras que el 15% restante se destinó a prueba para verificar la capacidad de generalización de la red.