Оптимизация и масштабирование тангенциальной фильтрации
08.02.2023
Оптимизация параметров процесса
Рекомендации в данной статье относятся в основном к приложениям для концентрирования и диафильтрации. В то время как аналогичные принципы применяются к оптимизации процесса для других приложений, детали будут различаться в зависимости от исходного материала и от того, поступает ли целевой продукт в пермеат или ретентат.
Градиент концентрации и слой геля
Одним из факторов, влияющих на оптимизацию параметров процесса, является склонность к образованию градиента концентрации материала (а в крайних случаях и компактного гелеобразного слоя) на поверхности фильтрующей мембраны. При фильтрации молекулы и частицы, не прошедшие через мембрану, в той или иной степени скапливаются на поверхности мембраны, образуя градиент концентрации.
Слой градиента концентрации уменьшает поток по сравнению с потоком воды или буфера. Турбулентный поток жидкости через поверхность мембраны помогает смывать концентрированный материал обратно в ретентат, снижая, но не устраняя эффект накопления. Уменьшение трансмембранного давления (ТМД) может уменьшить слой градиента концентрации и его влияние на поток. Увеличение скорости поперечного потока помогает перераспределить концентрированные растворенные вещества обратно в основной поток сырья и поддерживать поток. По мере того, как градиент концентрации становится более выраженным, самая высокая концентрация материала на поверхности мембраны будет иметь тенденцию к образованию гелеобразного слоя, заметно препятствующего потоку пермеата (рисунок выше (B)). Формирование слоя геля рассматривается как уменьшение скорости увеличения потока по мере увеличения ТМД. Слой геля также оказывает значительное влияние на процесс фильтрации, влияя как на эффективность, так и на селективность фильтра. Чтобы контролировать процесс фильтрации, необходимо принять меры, чтобы свести к минимуму образование слоя геля.
Следующие рабочие условия снижают риск образования слоя геля:
- Низкий уровень ТМД
- Высокая скорость поперечного потока
- Низкая концентрация подающегося раствора
Оптимизация процесса тангенциальной фильтрации должна включать определение комбинации ТМД и скорости поперечного потока, которая обеспечивает наибольшую скорость потока без образования слоя геля.
Скорость потока и трансмембранное давление (ТМД)
В тангенциальной фильтрации ключевым параметром оптимизации является скорость потока как функция трансмембранного давления. Для заданной скорости поперечного потока ТМД управляет потоком в начале цикла. Если образуется слой геля, увеличение ТМД не приведет к увеличению потока и практически не даст прироста производительности. Оптимальный диапазон ТМД для эффективной и экономичной работы находится непосредственно перед тем, как слой геля начинает влиять на флюс.
ТМД и перекрестный поток
При заданном ТМД увеличение скорости поперечного потока помогает уменьшить слой градиента концентрации и увеличить поток. Скорость поперечного потока может быть увеличена до тех пор, пока производительность процесса, качество продукта или экономика процесса не будут неблагоприятно затронуты, например, из-за воздействия напряжения сдвига. Оптимизация процесса тангенциальной фильтрации при концентрировании белков должна включать изучение взаимодействия двух наиболее важных переменных: поперечного потока и ТМД. При оптимальном сочетании максимального поперечного потока и ТМД непосредственно перед накоплением слоя геля будет достигнута самая высокая скорость потока.
Исследование ТМД
Исследование ТМД (трансмембранного давления) является важной частью оптимизации процесса тангенциальной фильтрации. Увеличение ТМД при ультрафильтрации чистой воды приводит к пропорциональному увеличению потока. Для технологической жидкости, содержащей растворенные вещества, скорость увеличения потока падает по мере увеличения ТМД, а градиент концентрации ограничивает прохождение жидкости через фильтр. При высоких значениях ТМД образование слоя геля эффективно блокирует фильтр, и дальнейшее увеличение потока не наблюдается. Более высокие скорости поперечного потока помогают предотвратить образование слоя геля, позволяя достичь более высоких скоростей потока до того, как поток станет независимым от ТМД.
Поиск ТМД включает измерение взаимозависимости скорости поперечного потока, ТМД и потока, чтобы определить оптимальные условия для фильтрации, когда поток высок, но все еще зависит от ТМД. Стандартная процедура заключается в проведении эксперимента по исследованию ТМД, в котором ряд параметров ТМД измеряется при различных скоростях поперечного потока. От них экспериментов оценивается влияние на поток, и могут быть определены оптимальные поперечный поток и ТМР.
В качестве примера на показаны результаты обнаружения ТМД для раствора БСА с концентрацией 30 г/л и 150 г/л (представляющие исходную и целевую концентрации соответственно). Поток измеряется в 6 точках ТМД и 3 поперечных скоростях потока, при этом пермеат рециркулируется в питающий резервуар для поддержания устойчивого состояния.
При низкой концентрации белка поток увеличивается с ТМД при всех скоростях поперечного потока, и нет четкой оптимальной настройки. Однако при высокой концентрации белка кривые выравниваются при высоких значениях ТМД, указывая на то, что формирование градиента концентрации начинает ограничивать поток через мембрану. С помощью этой информации можно разработать схему управления технологическим процессом, которая поддерживает высокое значение потока в течение разумного времени процесса и стабильных условий процесса.
Время процесса
В процессе концентрирования оптимизированный поперечный поток и условия ТМД, установленные выше, можно использовать для определения точки диафильтрации (точки, которая обеспечивает самую быструю замену буфера) и оптимального расхода буфера. Типичный файл результатов оптимизации времени диафильтрации показан рисунке ниже. Отображение потока коэффициента концентрации в зависимости от коэффициента концентрации позволяет оптимизировать время диафильтрации. Наибольшее значение по оси Y при самой высокой концентрации представляет собой самую быструю диафильтрацию с самым низким потреблением буфера. В этом примере диафильтрация занимает то же время, если выполняется при четырехкратной или пятикратной концентрации, поскольку уменьшение объема ретентата при пятикратной концентрации компенсируется уменьшением потока.
Увеличение выхода
Оптимизация лабораторного процесса фильтрации для выхода продукта обеспечивает эффективное использование лабораторных ресурсов, а также точные прогнозы масштабирования до пилотного и промышленного оборудования. В контексте производства оптимизация выхода может иметь большое влияние на экономику процесса.
Помимо выбора фильтра, ключевыми факторами, влияющими на выход продукта, являются:
- Невосстановимый продукт
- Потери продукта в результате денатурации и разложения
Невосстановимый продукт
Конструкция системы может повлиять на выход продукта, если она препятствует извлечению продукта. Плохо спроектированные системы включают в себя длинные участки трубопроводов, излишне широкие трубопроводы, плохой дренаж резервуара и другие “мертвые объемы”, такие как неудачно расположенные дренажные клапаны. Даже в хорошо спроектированных системах некоторое количество ретентата остается на смоченных поверхностях трубок и резервуаров, если система не промыта буферным раствором. Выбор варианта извлечения зависит от относительной важности общего выхода и концентрации конечного продукта:
- При осушении системы без промывки в системе остается некоторое количество технологической жидкости, но извлекается продукт с максимальной концентрацией.
- Промывка системы со стороны ретентата максимизирует извлечение продукта за счет концентрации.
Денатурация и деградация
Потеря продукта в результате денатурации и/или деградации может произойти в результате чрезмерного напряжения сдвига, неподходящей температуры или ферментативного действия в процессе фильтрации и восстановления.
Напряжение сдвига
Чувствительность биомолекул к напряжению сдвига обычно увеличивается с размером молекулы. Большинство белков относительно устойчивы к денатурации из-за напряжения сдвига. Если чувствительность продукта к сдвигу неизвестна, может быть проведено быстрое технико-экономическое обоснование путем циркуляции продукта по пути подачи-ретентата и мониторинга биологической активности в зависимости от времени процесса. Там, где это возможно, следует использовать низкое давление и низкую скорость насоса, чтобы свести к минимуму касательные напряжения в пути потока.
Температура
Для термочувствительных белков температура технологического раствора может быть изменена несколькими способами во время обработки для оптимизации выхода продукта:
- Предварительно обработайте систему охлажденным буфером перед запуском.
- Снизьте температуру подачи перед началом процесса фильтрации.
- Используйте охлажденный буфер во время диафильтрации.
- Используйте низкое давление и низкую скорость насоса, чтобы уменьшить тепловыделение в тракте потока.
- Используйте низкое отношение объема подачи к площади поверхности фильтра, чтобы сократить время процесса.
- Поместите систему в холодное помещение.
- Используйте теплообменник или кожух резервуара.
Ферментативное действие
Протеолитические ферменты, высвобождаемые во время культивирования или лизиса клеток, могут следовать за целевым белком в процессе фильтрации и вызывают деградацию и потерю конечного продукта. Эффект может быть более выраженным при ультрафильтрации или диафильтрации, где и ферменты, и целевые белки могут быть сконцентрированы вместе в концентрирующем слое на поверхности фильтра или в ретентате.
Ферментативная активность может быть снижена:
- Включение ингибиторов ферментов в образец
- Использование низкого отношения объема исходного материала к площади поверхности фильтра для сокращения времени процесса.
- Снижение температуры процесса
- Регулировка буферных условий (ионная сила, pH, ионы металлов и т. д.) для минимизации ферментативной активности.
Масштабирование
Возможность масштабирования процесса от лаборатории до производства является ключевым фактором в разработке процесса. Обычно последовательность масштабирования выполняется в несколько этапов: от лабораторного масштаба до пилотного масштаба и от пилотного масштаба до производственного масштаба. Разумные приращения масштабирования обычно составляют от 5 до 20 раз. Масштабирование процесса включает увеличение площади фильтра для обработки больших объемов исходного материала без существенного изменения условий процесса. Следующие параметры должны быть по возможности постоянными:
- Отношение площади фильтра к объему подачи
- Длина пути волокна или кассеты
- Высота канала (кассеты) или размер просвета (картриджи с полыми волокнами)
- Характеристики мембраны (размер пор, селективность, материалы)
- Перекрестный расход на единицу площади фильтра
- ТМД
- Температура
- Концентрация корма
- Шаги и последовательность процесса
Лабораторная установка для отработки процессов тангенциальной фильтрации
BIORUS TFF Smart - это многофункциональная настольная система фильтрации с тангенциальным потоком, она идеально подходит для решения, описанных в статье задач. В качестве фильтрационных элементов в системе могут быть использованы фильтры с полыми волокнами или плоские полимерные мембраны. Система тангенциальной фильтрации BIORUS TFF Smart – это превосходная по своим характеристикам и доступная по стоимости альтернатива таким системам как AKTA Flux и SartoFlow, она может быть использована для отработки в лабораторном масштабе процессов концентрации, диализа, очистки и осветления биомолекул, таких как антитела, вакцины и мРНК. Система доступна в двух конфигурациях: полуавтоматической и полностью автоматической.
Преимущества
- Автоматический контроль трансмембранного давления, автоматическое взвешивание, добавление буфера, точный контроль коэффициента концентрации и отфильтрованного объема
- Соответствие требованиям контроля работы оборудования и отслеживания процессов: записи данных, управления пользователями и т. д.
- Предустановленные общие методы, несколько методов можно запускать последовательно, высокая степень автоматизации
- Дополнительный насос пермеата для контроля скорости фильтрации
- Небольшой объем циркуляционной емкости и высокая скорость насоса для достижения высоких концентрация
- Фильтродержатель под плоские мембраны и под фильтры на полых волокнах
- Дополнительные датчики: электропроводности, pH, UV для всестороннего мониторинга процесса
Комплектация системы
- Подставка под бутыли
- Подающий клапан
- Насос подпитки
- Рециркуляционная емкость
- Весы рециркуляционной емкости
- Системный насос
- Датчик давления на входе
- Фильтродеожатель
- Весы пермеата
- Многофункциональный зажим
- Клапан обратного давления
- Детектор состояния/температуры
- Клапан регулировки давления
- Панель управления
- Кнопка аварийной остановки
- УФ-детектор
- Датчик рН