Ultrafiltration/diafiltration (UF/DF) operations are employed for achieving the desired therapeutic monoclonal antibody (mAb) formulations. Due to electrostatic interactions between the charged proteins, solute ions, and uncharged excipients, the final pH and concentration values are not always equal to those in the DF buffer. At high protein concentrations, typical for industrial formulations, this effect becomes predominant. To account for challenges occurring in industrial environments, a robust mathematical framework enabling the prediction of pH and concentration profiles throughout the UF/DF process is provided. The proposed mechanistic model combines a macroscopic mass balance approach with a molecular approach based on a Poisson–Boltzmann equation dealing with electrostatic interactions and accounting for protein exclusion volume effect. The mathematical model was validated with experimental data of two commercially relevant mAbs obtained from an industrial UF/DF process using scalable laboratory equipment. The robustness and flexibility of the model were tested by using proteins with different isoelectric points and net charges. The latter was determined via a titration curve, enabling realistic protein charge‐pH evaluation. In addition, the model was tested for different DF buffer types containing both monovalent and polyvalent ions, with various types of uncharged excipients. The model generality enables its implementation for the UF/DF processes of other protein varieties.

中文翻译：

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通过耦合质量平衡和泊松-玻尔兹曼方程的数学建模设计可扩展的单克隆抗体超滤/渗滤工艺

超滤/渗滤 (UF/DF) 操作用于实现所需的治疗性单克隆抗体 (mAb) 制剂。由于带电蛋白质、溶质离子和不带电赋形剂之间的静电相互作用，最终的 pH 值和浓度值并不总是等于 DF 缓冲液中的值。在工业配方中典型的高蛋白质浓度下，这种影响变得显着。为了解决工业环境中出现的挑战，提供了一个强大的数学框架，可以预测整个 UF/DF 过程中的 pH 值和浓度分布。所提出的机械模型将宏观质量平衡方法与基于 Poisson-Boltzmann 方程的分子方法相结合，处理静电相互作用并考虑蛋白质排阻体积效应。该数学模型通过使用可扩展实验室设备从工业 UF/DF 过程中获得的两种商业相关 mAb 的实验数据进行验证。通过使用具有不同等电点和净电荷的蛋白质来测试模型的稳健性和灵活性。后者是通过滴定曲线确定的，从而能够进行真实的蛋白质电荷-pH 评估。此外，该模型还针对包含单价和多价离子的不同 DF 缓冲液类型以及各种类型的不带电赋形剂进行了测试。该模型的通用性使其适用于其他蛋白质品种的 UF/DF 过程。通过使用具有不同等电点和净电荷的蛋白质来测试模型的稳健性和灵活性。后者是通过滴定曲线确定的，从而能够进行真实的蛋白质电荷-pH 评估。此外，该模型还针对包含单价和多价离子的不同 DF 缓冲液类型以及各种类型的不带电赋形剂进行了测试。该模型的通用性使其适用于其他蛋白质品种的 UF/DF 过程。通过使用具有不同等电点和净电荷的蛋白质来测试模型的稳健性和灵活性。后者是通过滴定曲线确定的，从而能够进行真实的蛋白质电荷-pH 评估。此外，该模型还针对包含单价和多价离子的不同 DF 缓冲液类型以及各种类型的不带电赋形剂进行了测试。该模型的通用性使其适用于其他蛋白质品种的 UF/DF 过程。