Chromatographic separations form the basis for the purification of proteins and are characterized by a complex interplay of adsorption and mass transport phenomena in porous stationary phases. Ion exchange chromatography is the most widely employed chromatographic process for the initial recovery and purification of proteins. Size exclusion chromatography separates proteins based on their size and is often used for the final polishing step of a protein. For both chromatographic methods optimal process conditions cannot be derived a priori from protein and stationary phase data alone and have to be established with experiments.

In order to get an advanced insight into events during a chromatographic experiment and for the development of suitable models for the description and optimization of these processes more detailed mass transport and adsorption measurements are needed. Classical methods utilize data gathered from the effluent of packed beds under linear or non-linear conditions. Contributions of single factors that play a role in mass transfer and adsorption cannot be analyzed independently from each other. The actual separation takes place inside the porous stationary phase, which cannot be directly analyzed with classical methods.

Confocal laser scanning microscopy is a new method for the analysis of mass transport and adsorption phenomena in chromatographic processes on the single particle level. The goal of this thesis is to establish the quantitative analysis of mass transfer and adsorption processes with confocal laser scanning microscopy. The method will be expanded to determine mass transport parameters, to analyze dynamic processes in packed beds and to measure mass transport phenomena during elution processes.

The thesis contains two parts: in the first part partitioning and mass transport phenoma under non-binding conditions will be analyzed. The second part deals with adsorption and mass transport processes under non-linear conditions and mass transport phenomena during a step elution.

Chromatographische Trennverfahren sind die Grundlage für die Aufreinigung von Proteinen und basieren auf komplexen Adsorptions- und Stofftransportvorgängen in porösen Festphasen. Die Ionenaustauschchromatographie ist das am häufigsten eingesetzte chromatographische Verfahren für die initiale Produktgewinnung und Feinreinigung von Proteinen. Die Größenausschlusschromatographie trennt Proteine auf Grund ihre Größe und wird häufig für die finale Reinigung eines Proteins angewendet. Für beide chromatographische Trennverfahren können optimale Prozessbedingungen nicht a priori aus den Protein- und Festphaseneigenschaften abgeleitet werden und müssen über Experimente ermittelt werden.

Für ein weitergehendes Verständnis der Vorgänge während einer chromatographischen Trennung und der Entwicklung von geeigneten Modellen zur Beschreibung und Optimierung der Prozesse werden detaillierte Stofftransport- und Adsorptionsmessungen benötigt. Klassische Methoden basieren auf der Untersuchung des Säuleneffluents aus gepackten Betten unter linearen (analytische Trennungen) und nicht-linearen Bedingungen (Durchbruchskurven). Dabei können die Beiträge der einzelnen Faktoren, die am Stofftransport und der Adsorption beteiligt sind, nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. Die eigentliche Trennung findet innerhalb der porösen Festphasen statt, die mit den klassischen Methoden nicht direkt untersucht werden können.

Die konfokale Laser Raster Mikroskopie wurde als neue Messmethode vorgestellt, Stofftransport- und Adsorptionsvorgänge in der Chromatographie auf dem Einzelpartikelniveau zu untersuchen (Linden, 2001). Das Ziel dieser Arbeit ist, quantitative Analysen von Stofftransport- und Adsorptionsvorgängen mit der konfokalen Laser Raster Mikroskopie in der Chromatographie zu etablieren und die Messmethode auf Parameterbestimmungen, Untersuchungen in gepackten Betten und auf Elutionsprozesse auszuweiten.

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: im ersten Teil werden Verteilungs- und Stofftransportphänomene unter nicht-bindenden Bedingungen untersucht. Im zweiten Teil werden die Adsorption und der Stofftransport unter nicht-linearen Bedingungen sowie Vorgänge bei einer Stufenelution untersucht.