Этапы фильтрации в биотехнологических процессах. Основные виды и особенности конструкции фильтрационных систем
07.28.2023
Введение
Использование фильтрации в биотехнологических производственных процессах является важным этапом в качестве основного или в сочетании с другими операциями по разделению, выделению и очистке биотерапевтических препаратов, будь то рекомбинантные белки, вакцины, продукты генной или клеточной терапии. В данной статье будут рассмотрены типы фильтрационных процессов и установок, применяющихся в биопроцессах выделения и очистки (downstream).
Фильтрация с нормальным потоком и тангенциальным потоком
При фильтрации c нормальным потоком (DFF или NFF) технологическая жидкость проходит через фильтрующую среду за один проход. Такие фильтры обычно используются для осветления, фильтрации газов и вентиляционных выбросов, удаления вирусов и стерилизации технологических жидкостей. Этот режим фильтрации также известен как тупиковая фильтрация или глубинная фильтрация.
При фильтрации с тангенциальным потоком (TFF), также известной как тангенциальная, основная часть потока технологической среды параллельна (тангенциально) поверхности фильтрующего материала. Входной поток обычно называют сырьем, а нефильтрованный выходной поток называют ретентатом. Часть технологической жидкости, которая проходит через фильтрующую среду, обычно называется пермеатом или фильтратом и улавливается как отдельный поток. Фильтрующие материалы (фильтры) для тангеницальной фильтрации обычно классифицируются как микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация или обратный осмос в зависимости от видимого размера отбракованных частиц или молекул. TFF обычно используется для разделения, диафильтрации (замены буфера) и/или концентрирования интересующих веществ.
Преимущества метода тангенциальной фильтрации. Подробнее…
Рейтинг мембран
Микрофильтрация (МФ) — типичный предел размера удерживаемой мембраны составляет от 0,1 до 10 мкм. Они могут отделять микроорганизмы и частицы от растворенных молекул.
Ультрафильтрация (УФ) — типичный предел размера удерживаемой мембраны составляет от 1 до 1000 нанометров (от 0,001 до 1 мкм). Большинство мембран определяется порогом отсечения молекул с известной молекулярной массой, т. е. порогом отсечки по молекулярной массе (MWCO). Они могут отделять маленькие молекулы от более крупных молекул или частиц.
Нанофильтрация (NF) - типичный предел размера удерживания мембраны составляет около 1 нм. Как и в случае с UF-мембранами, большинство NF-мембран определяются MWCO. Они способны отделять воду и растворенные соли от органических молекул или частиц.
Обратный осмос – мембраны, как правило, без физических пористых каналов, которые отделяют воду от растворенных солей и органических молекул или частиц посредством диффузии, опосредованной давлением.
Кассеты для тангенциальной фильтрации. Подробнее…Классификация метода фильтрации с нормальным потоком по типу применения
Предварительная фильтрация — использование фильтрующих материалов с толстыми или тонкими мембранами (микрофильтры с размером частиц от 0,1 до 10 мкм) перед более тонкими фильтрами. Предварительные фильтры используются для снижения нагрузки на последующие фильтры для увеличения пропускной способности или эффективности процесса фильтрации.
Осветление — глубинная и мембранная микрофильтрация (от 0,1 до 10 мкм), используемая в биотехнологии для удаления клеток и дебриса или для контроля максимального размера частиц в других областях.
Снижение бионагрузки (противовирусная фильтрация) – относится к удалению микроорганизмов с высокой эффективностью, но без заявлений или дополнительных подтверждений, необходимых для заявлений о стерильности сточных вод. Это относится к процессу сокращения/удаления вирусов и к поддержанию микробного контроля для или между другими единичными операциями в процессе.
Стерилизующая фильтрация — используется во многих областях биопроцесса, например, при приготовлении питательных сред, окончательном API и во время операций заполнения и отделки. Это прямоточная система (см. раздел «Фильтрационные элементы»), в которой используются материалы на основе мембран.
Нефильтрационное разделение (уголь, перлит, ДЭ и т. д.) – могут быть иммобилизованы в фильтрующей матрице, но целью является адсорбционное удаление загрязняющих веществ и продуктов.
Системы тупиковой фильтрации для осветления культуральной жидкости. Подробнее…Классификация метода тангенциальной фильтрации по способу доставки жидкости
Стандартная тангенциальная фильтрация
Как правило, питающий насос обеспечивает соответствующий поперечный или тангенциальный поток через мембрану, чтобы свести к минимуму эффекты концентрационной поляризации. В большинстве применений TFF «удерживаемые» материалы направляются в питающую (рециркуляционную) емкость, так что желаемое разделение может быть достигнуто за несколько проходов. Материал, проходящий через мембрану, называется пермеатом.
>В некоторых системах тангенциальной фильтрации TFF необходимо контролировать степень концентрационной поляризации или преждевременного обрастания мембраны, чтобы тем самым контролировать прохождение проникающих частиц. Скорость потока ретентата можно контролировать с помощью расходомера ретентата или с помощью разницы давлений между датчиками давления подачи и ретентата (контроль ?P).
Поток пермеата регулируется насосом или регулирующим клапаном на стороне пермеата, чтобы контролировать скорость потока пермеата. В некоторых применениях может потребоваться контроль трансмембранного давления или ТМР (ТМР представляет собой среднее давлений сырья и ретентата за вычетом давления пермеата).
Датчики уровня или тензодатчики, установленные на питающем резервуаре, могут помочь поддерживать объем в исходном резервуаре или определить конечную точку процесса.
В некоторых приложениях TFF необходимое разделение достигается за один проход.
Фильтрация с переменным тангенциальным потокам/вибрирующий диск
Необходимый перекрестный поток или тангенциальный поток можно получить другими способами. В системе с переменным тангенциальным потоком сырье течет по поверхности мембраны с помощью пневматических диафрагм. Действие надувания/сдувания диафрагм заставляет жидкость перемещаться вперед и назад по поверхности мембраны, таким образом поддерживая требуемую скорость потока. Регулируя скорость потока пермеата с помощью клапана или насоса, загрязнение мембраны дополнительно минимизируется.
В вибрационных мембранных дисковых фильтрах для подачи жидкости к мембране используется насос. Чтобы свести к минимуму концентрационную поляризацию, поверхность мембраны вибрирует с контролируемой частотой и амплитудой, тем самым уменьшая величину поперечного или тангенциального потока, необходимого для достижения необходимого разделения. Вибрационные мембранные фильтры способны обрабатывать жидкости с содержанием твердых частиц более 5% по массе. Добавление контроля потока пермеата может увеличить прохождение проникающих частиц.
Классификация метода тангенциальной фильтрации по типу применения
Осветление. Для работы устройства осветления клеток можно использовать как микрофильтрационные (МФ), так и ультрафильтрационные (УФ) мембраны. Снижение бионагрузки может быть потенциальным дополнительным преимуществом.
Концентрация. Мембраны для микро- и ультрафильтрации можно использовать для концентрирования технологических потоков.
Диафильтрация – используется для предпочтительного обмена одного или нескольких растворенных веществ в смеси на другое. Диафильтрация применяется для замены буфера, чтобы подготовить исходный поток к следующей операции установки или обеспечить стабильность молекулы-мишени. Он также используется на этапе сбора клеток для промывания клеток. Диафильтрацию можно использовать для увеличения выхода продукта, когда продукт находится в пермеате.
Фракционирование - имеет некоторые применения при разделении белок / белок, когда белки разделяются из-за различий в реальном или кажущемся размере. Мембраны с модифицированным зарядом также могут использоваться в этих приложениях для повышения эффективности разделения.
Классификация систему тангенциальной фильтрации по масштабу
Лабораторные системы тангенциальной фильтрации. Подробнее...Промышленные системы тангенциальной фильтрации. Подробнее...
Основные узлы и особенности конструкции систем тангенциальной фильтрации
Фильтродержатели
Корпуса держателей фильтрационных элементов могут быть выполнены в различных форматах, такими как возможность работы с несколькими фильтрационными элементами и различные варианты входных и выходных отверстий. Также могут быть использованы капсульные фильтрующие элементы.
Фильтродержатели используются для штабелирования или удержания на месте фильтрующих элементов, а также для управления или направления технологической жидкости. Держатели предназначены для обеспечения надлежащей герметизации между входным и выходным соединениями, а также между герметизированными элементами.
Устройства и системы тангенциальной фильтрации (TFF) должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить эффективную очистку, предотвратить загрязнение окружающей среды, перенос продуктов между продуктами или перекрестное загрязнение. Для TFF скорость потока является важным конструктивным параметром для эффективной очистки.
Общие требования к дизайну систем тангенциальной фильтрации
Основные компоненты систем фильтрации с тангенциальным потоком показаны на PID схеме ниже:
- Линия подачи
- Линии ретентата и пермеата,
- Рециркуляционная емкость
- Системный насос для обеспечения необходимой скорости потока,
- Фильтрационный модуль, включающий в себя держатель для кассет и сами кассеты,
- Датчики давления для измерения давления в подаче,
- Ретентат,
- Система контроля трансмембранного давления, а также клапаны для регулирования давления
Расходомеры также могут использоваться на линиях ретентата и пермеата для измерения скорости потока и суммирования переработанного объема. Емкость для подачи также может быть оснащена датчиками уровня или тензодатчиками для поддержания уровня жидкости в емкости и определения конечной точки обработки.
В применениях, где термолабильность молекул имеет значение, температура жидкости поддерживается с помощью теплообменника на линии ретентата или с помощью питающего сосуда с рубашкой.
Рециркуляционный насос
Рециркуляционный насос, установленный в системе тангенциальной фильтрации, должен быть достаточно производительным, чтобы выдерживать технологический расход. Отрицательное давление во всасывающей линии не должно превышать 5 фунтов на квадратный дюйм, чтобы избежать кавитации и разрушения трубок. Максимальное положительное давление обычно составляет менее 80 фунтов на квадратный дюйм.
Идеальный тип насоса следует выбирать в зависимости от характера применения и потребностей процесса. Используются 3 типа насосов: роторно-лопастной насос, 4-поршневой мембранный насос или перистальтический насос.
Насос должен быть установлен таким образом, чтобы головка насоса заполнялась жидкостью только под действием силы тяжести. Следует учитывать хороший доступ к частям насоса для обеспечения возможности очистки на месте (CIP) или обработки паром на месте (SIP) (cGMP).
Наконец, чувствительный к сдвигу характер продукта также диктует выбор типа насоса. При определении производительности насоса важно учитывать скорость потока, необходимую во время обработки и очистки.
Рециркуляционная емкость
Рециркуляционная емкость используется для рециркуляции сырья или при выполнении операции замены буфера. Формы емкости могут быть различными по конструкции. В биофармацевтических применениях обычно используются выпуклые днища, резервуары с конусным дном и резервуары в форме тюльпана.
В зависимости от необходимого объема рециркуляции, требований к давлению, потребности в установке рубашки и стоимости необходимо выбрать оптимальную форму. При проектировании резервуара важно учитывать минимальный объем обработки и очищаемость. Рециркуляционная емкость (также называемая питательным резервуаром/сосудом) также может быть оснащена датчиками уровня или внешними тензодатчиками, которые используются для контроля/управления объемом жидкости в резервуаре и для определения конечной точки обработки.
Держатели мембранных модулей
Держатели мембранных модулей обычно закручиваются вручную или приводятся в действие автоматическим гидравлическим насосом (электрогидравлическим или пневматическим) или гидравлическим насосом с ручным управлением. Держатели, затягиваемые вручную, должны периодически проверяться оператором на постоянное давление. Крайне важно убедиться, что на стяжках и гайках, используемых для крепления держателей, нет мусора и ржавчины, чтобы крутящий момент, прилагаемый к гайкам, равномерно передавался для удерживания держателей на месте.
Держатели фильтров доступны от систем лабораторного размера до систем производственного уровня. Держатель фильтра позиционирует и фиксирует кассеты на месте без утечек, чтобы можно было выполнить операцию фильтрации.
Датчики давления
Датчики давления используются для измерения трансмембранного давления, перепада давления на кассетах, силы зажима и высокого давления в системе. В случае высоких давлений важно, чтобы питающий насос отключался встроенным переключающим модулем в датчике давления.
Модуль переключения должен быть жестко подключен к частотному преобразователю подкачивающего насоса. Доступны различные типы датчиков, и выбор должен быть сделан на основе требований процесса. Обычно рекомендуются датчики с встроенной диафрагмой для зон, контактирующих с продуктом, и другие менее строгие датчики для зон, не контактирующих с продуктом.
Расходомеры
Скорость потока в системе измеряется с помощью встроенных расходомеров. Массовый расходомер или магнитно-индуктивный расходомер используется для измерения расхода на стороне ретентата и пермеата или для добавления сырья в технологический резервуар. Скорость потока имеет решающее значение для измерения и контроля, чтобы процесс и эффективность очистки были воспроизводимы в различных масштабах процесса.
В зависимости от потребности процесса, размера и удерживаемого объема системы, обрабатываемых растворов и связанных с этим затрат необходимо выбрать подходящий расходомер.
Магнитные расходомеры обычно менее дороги, чем массовые расходомеры, но требуют, чтобы жидкость имела некоторое содержание солей (минимальная проводимость) для точного измерения расхода жидкости. В одноразовых системах все чаще используются турбинные расходомеры и ультразвуковые расходомеры.
Датчики температуры, электропроводности и УФ-детектор
Измерения температуры на линии выполняются в технологических трубах и резервуарах. Приварной гильзовый или зажимной термометр используется и выбирается в зависимости от требуемого уровня точности. Оба типа не имеют никакого контакта с технологической средой. Стоимость, точность и воспроизводимость определяют необходимый дизайн.
Проводимость измеряется для отслеживания изменений в буфере и для контроля CIP. Измерительные зонды используются в линиях ретентата и/или пермеата для контроля буферного обмена и измерения электропроводности промывочной воды после очистки чистящим средством.
В некоторых приложениях с высокой концентрацией белка со стороны пермеата также может быть установлена УФ-ячейка для контроля прорыва белка через мембрану. УФ-датчики также могут быть установлены в линии ретентата для определения порога извлечения ретентата, чтобы свести к минимуму чрезмерное разбавление конечного продукта при максимальном выходе продукта.
Другие особенности конструкции систем тангеницальной фильтрации
Обычно в системе используется защита от работы всухую и от переполнения. Защита от работы всухую необходима для того, чтобы насосы не работали всухую, что может привести к повреждению механических уплотнений насоса. Емкостный датчик можно использовать непосредственно перед рециркуляционным насосом, чтобы защитить насос от работы всухую. НП
В случае переполнения можно использовать датчик либо в головном пространстве бака, либо в крышке бака. В любом случае необходимо следить за очищаемостью и застойными участками.
Система должна быть надлежащим образом вентилирована, а в трубах не должно быть мертвых зон и карманов. Трубопровод должен быть наклонен к низким точкам, полностью дренируемым под действием силы тяжести для надлежащего дренажа и предотвращения накопления стоячих луж. Скорость потока через все трубы во время CIP должна быть от 1,5 м/с до 3,5 м/с.
Все компоненты системы должны быть изготовлены из коррозионностойкой нержавеющей стали, такой как аустенитная нержавеющая сталь типа UNS 1.4301 или 1.4571 для частей, не контактирующих с продуктом (например, рама салазок), и низкоуглеродистая аустенитная нержавеющая сталь типа UNS 1.4404 или 1.4435 для частей, контактирующих с продуктом.
Кроме того, необходима легко моющаяся поверхность. Поверхности, соприкасающиеся с продуктом, должны иметь шероховатость поверхности Ra ? 0,4–0,8 мкм или менее и должны подвергаться электрополировке. Поверхности, не контактирующие с продуктом, могут иметь более высокую арифметическую шероховатость Ra ? 1,2 мкм и не иметь электрополированных поверхностей.
Особенности работы систем тангенциальной фильтрации в различных режимах применения
Осветление
Этот метод используется для концентрирования продукта в рециркуляционном резервуаре (MF) путем сбора продукта через пермеат. На этом этапе продукт переносится из резервуара рециркуляции МФ через устройство (устройства) фильтрации, а пермеат собирается в виде осветленного продукта.
Концентрирование
Этот метод используется для концентрирования продукта в рециркуляционном резервуаре (УФ) путем извлечения продукта, оставшегося в устройстве УФ, и удаления растворителя (растворителей), проходящего через устройство. На этом этапе продукт перемещается из рециркуляционного резервуара через фильтрующее устройство (устройства), направляя пермеат в канализацию и возвращая ретентат обратно в рециркуляционный резервуар. Операция периодического УФ обычно заканчивается, когда достигается концентрация продукта, рециркуляционный резервуар, коэффициент концентрации или заданное значение объема фильтрата УФ. В однопроходных применениях TFF ретентат собирается, не направляя его обратно в питающую емкость.
Диафильтрация/замена буфера
Диафильтрация используется для вымывания загрязнений из ретентата или для замены буфера в конечном продукте. Эта операция перекачивает раствор из рециркуляционного резервуара через фильтрующее устройство, направляя пермеат в дренаж и возвращая ретентат обратно в рециркуляционный резервуар; одновременно новый буфер переносится в рециркуляционный резервуар, поддерживая постоянный уровень в рециркуляционном резервуаре в течение всего этапа диафильтрации (постоянный объем DF). Этап диафильтрации завершается, когда достигается заданное значение переносимого диаобъема, объема фильтрата или объема буфера. В некоторых случаях извлечения продукта (желаемый продукт проникает через мембрану) буфер для диафильтрации добавляется с пониженной скоростью (по сравнению со скоростью потока пермеата) для максимального извлечения продукта при минимальном разбавлении. Это также известно как дифференциальная диафильтрация.
Способы сбора целевого продукта в системах тангенциальной фильтрации
Гравитационный/нагнетательный
Это более распространенный путь извлечения продукта, который используется для извлечения конечного продукта, оставшегося в рециркуляционном резервуаре. Продукт может быть перенесен в конечную емкость только под действием силы тяжести или с помощью подающего насоса. Однако некоторая часть продукта остается в трубопроводе и устройствах, поэтому для повышения извлечения продукта требуется дополнительный метод извлечения.
Замена буфера
Этот способ можно использовать для извлечения максимального количества концентрированного продукта, используя буфер для выталкивания продукта. Этот шаг выполняется с минимальным разбавлением, пока линии все еще содержат концентрированный продукт. Примечание. Этот шаг обычно называют «промывкой буфера», если он выполняется после опорожнения трубопровода.
Продувка воздухом
Этот метод используется для извлечения максимального количества концентрированного продукта с помощью давления воздуха. Давление воздуха подается в самой высокой точке трубопровода, а сборное отверстие находится в самой нижней точке. При обработке белков необходимо соблюдать осторожность во время продувки воздухом, чтобы свести к минимуму пенообразование и возможную денатурацию белка.
Другое
Любой другой метод или комбинация методов, определяемые конечным пользователем.
Подготовка систем тангенциальной фильтрации к работе
Безразборная мойка (CIP)
Все компоненты системы тангенциальной фильтрации, за исключением фильтрующего элемента и корпуса, а также секции системы должны быть идентифицированы как требующие или не требующие безразборной мойки перед выполнением очередного процесса фильтрации. Для компонентов и секций, требующих CIP, также должен быть определен метод CIP.
Мойка на месте (SIP)
Все компоненты, кроме фильтрующего элемента и корпуса, и секции системы должны быть идентифицированы как требующие или не требующие SIP перед выполнением следующего процесса фильтрации.