Contribution to the study of protein separation by ion exchange chromatography in complex medium. Effect of molecular weight on equilibrium and kinetic uptake

La séparation et la purification de biomolécules à partir de milieux bruts, végétaux ou biologiques, est un sujet vaste etcomplexe. De sa compréhension et de son développement dépendent des enjeux industriels, et notamment le completdéveloppement des procédés biotechnologiques, les procédés de séparation, ou downstream processes, constituant environ 80% des coûts totaux de ces procédés. Ce travail se veut une contribution à ces problématiques. Il a été motivé par des résultatsobtenus au préalable dans le laboratoire qui montraient qu’il est possible de récupérer une protéine de très grande taille àpartir d’un milieu réel végétal par l’application d’une seule opération chromatographique (Kerfai, 2011). Suite à ce résultat,des hypothèses ont été énoncées, auxquelles ce travail essaie de répondre : quel(s) mécanisme(s) peuvent expliquer cerésultat ? Existe-t-il une localisation spécifique pour la fixation de la molécule sur l’échangeur d’ions qui rend plus simple etefficace sa récupération lors de l’étape d’élution ? Ainsi, notre objectif a été de progresser dans la connaissance des aspectsfondamentaux de la chromatographie d’échange d’ions appliquée à la séparation des protéines à partir d’un milieu brut.Notamment, l’influence de la présence d’autres protéines dans le milieu a été analysée, et ce dans le cas particulier deprotéines de poids moléculaire très différents, comme c’était le cas dans le travail précédemment cité. Des approches variées,théoriques et expérimentales à différentes échelles sur des milieux réels ou synthétiques, ont été appliquées et parfoisdéveloppées, pour essayer de répondre à ces questions. A l’échelle du procédé, une méthode statistique d’analyse desdonnées (Analyse en Composantes Principales ou ACP) a été menée, dont l’exploitation reste délicate. A l’échelle dulaboratoire, l’étude de l’équilibre et de la cinétique d’échange d’ions a été menée sur des solutions synthétiques de deuxprotéines : la sérum albumine bovine (BSA) (en tant que protéine de référence, couramment étudiée) et la ferritine (protéinede stockage du fer) de point isoélectrique proche de celui de la BSA mais de masse molaire plus élevée. Les résultatsmontrent que des modèles relativement classiques peuvent être appliqués, y compris pour les protéines de très grandes tailles,pour expliquer les aspects cinétiques de l’échange. Le couplage des flux de matière des protéines à l’intérieur des particulesde l’échangeur est très probable, malgré des diffusivités très différentes. Interpréter les résultats d’équilibre reste bien plusardu. La concentration en sel ou la présence de la BSA n’ont que très peu d’effet sur la rétention de la ferritine à l’équilibre.En revanche, la présence de la ferritine affecte très fortement la rétention de la BSA (pourtant plus favorable). Parmi lesphénomènes suggérés dans la littérature, l’effet Vroman a été recherché, mais il n’a pas été constaté dans le système pour lesconditions de travail utilisées. Les isothermes d’adsorption en conditions compétitives n’ont pas pu être simulées par lesmodèles habituels (comme l’isotherme multi-constituants de Langmuir), alors que celles des protéines seules sont tout à faitclassiques. En outre, un blocage partiel des pores de la résine par la ferritine reste probable, empêchant la diffusion de laBSA. Afin de vérifier ce dernier point, une méthodologie a été développée afin d’observer à l’échelle microscopique lesprofils de concentration des éléments représentatifs du système (P, Fe, Cl…) dans les particules. Cette méthode qui se trouveà un stade très avancé de développement, n’a pas encore permis de conclure faute de sensibilité suffisante des sondes àdisposition.Bioseparations from crude media, vegetable or biological, is a large and complex subject. Future industrial issues depend ontheir understanding and development, namely for biotechnological processes as downstream processes represent up to 80 %of their total cost. This work hopes to contribute to these general questions. It is justified by previous results obtained in thelaboratory showing that it is possible to recover a high molecular weight (HMW) protein from a complex vegetal juice in justone chromatographic operation. Hypotheses have been formulated, to which this work tries to answer: what mechanism couldexplain this behaviour? Is-there a specific location inside particles for the uptake of such protein, facilitating the recoveryduring elution step? Our objective has been to progress on the knowledge of fundamental questions concerning ion-exchangechromatography and their applications for proteins recovery from complex media. The effect of the other proteins in solutionhas been analysed, specifically in the situation where both proteins have a very different molecular weight, as in the previouscited work. Theoretical and experimental approaches, at various scales, have been applied or developed on real or syntheticsystems in order to answer some of these questions. At the process scale, a statistical method for data analysis (PrincipalComponent Analysis or PCA) has been applied. The complete interpretation of its results remains very hard. At thelaboratory scale, equilibrium and kinetics of ion exchange have been studied for synthetic solutions of two proteins: bovineserum albumin (BSA) (as reference protein widely studied), and ferritin (iron storage protein) having similar isoelectric pointas BSA but with higher molecular weight. Classical models for ion-exchange kinetics can explain the experimental results,even for HMW proteins. Mass transfer fluxes seem to be coupled for both proteins, even if they have usually very differentdiffusivities. The interpretation of equilibrium results is much more difficult. Equilibrium uptake of ferritin is not, or lightly,influenced by salt concentration or BSA content. Nevertheless, the presence of ferritin in the medium affects strongly BSAequilibrium uptake (however more favourable). Among the phenomena suggested in the literature, the Vroman effect hasbeen researched but it does not take place under the experimental conditions applied. Simulation of multi-componentisotherms has not been possible by classical models (such as multi-component Langmuir isotherm), while protein isothermsin single solution are standard. Besides, a partial blockage of the resin pores by ferritin is possible, preventing BSA diffusion.Therefore, a methodology has been developed at the microscopic scale, with the aim to observe concentration profiles forrepresentatives elements (P, Fe, Cl …) inside particles. The method, well developed, does not allow to conclude for themoment, because the probes used were not sensible enough