Каково влияние концентрации подаваемого раствора на работу ультрафильтрационных кассет?

Когда я впервые начал работать с кассетами ультрафильтрации (УФ) еще в первые годы работы в качестве поставщика фильтров, я признаю, что не уделял особого внимания концентрации корма, кроме проверки того, был ли раствор, который я обрабатывал, «достаточно густым». Ситуация быстро изменилась — когда клиент биотехнологической компании столкнулся с проблемой на этапе концентрации антител, обвиняя в этом частые засоры и странную непостоянную скорость потока. Оказывается, они загрузили намного больше, чем могла выдержать их УФ-кассета, и это стоило им нескольких дней простоя и партии дорогостоящего продукта. Если вы работаете с УФ-кассетами, это не просто маленькая деталь — это один из самых важных рычагов, который определяет или разрушает ваш процесс, от производительности до времени работы. Давайте разберем, как концентрация корма влияет на каждую часть UF, и что я узнал за эти годы, чтобы все работало гладко.

Во-первых, давайте остановимся на том, что на самом деле делают УФ-кассеты, просто чтобы убедиться, что мы находимся на одной волне. Если вы новичок в игре, УФ-кассета представляет собой автономный блок с плоскими мембранами (см.Кассета с плоскими листамистраница с полным описанием), которая разделяет молекулы по размеру: мелкие частицы проходят через мембрану, а более крупные «удерживаются» и концентрируются на стороне подачи. Что делает их такими популярными в биофармацевтической промышленности, производстве продуктов питания и напитков, а также в очистке сточных вод? Они компактны, пригодны для многократного использования (иногда, если их правильно чистить), и гораздо более стабильны, чем старые мембранные установки, вырезанные вручную.Кассеты УльтрафильтрацияЛиния, которую мы предлагаем, рассчитана на масштабируемое производство: от небольших лабораторных партий до полноценного производства, поэтому мы работаем с клиентами, начиная от биотехнологических стартапов и заканчивая мировыми брендами продуктов питания.

Концентрация корма, для тех, кто не вникал глубоко в терминологию, — это, по сути, количество целевого (или нежелательного) растворенного вещества в растворе, который вы закачиваете в кассету. Например, если вы концентрируете моноклональные антитела (мАт) из бульона клеточной культуры, концентрация в корме — это количество граммов моноклональных антител на литр этого бульона. Это не просто цель — к вам также примешаны примеси, такие как клеточный мусор, компоненты среды и остатки буферных солей. Оптимальное значение концентрации корма зависит от порогового значения молекулярной массы вашей мембраны (MWCO), верно? Кассета УФ 30 кД отлично подходит для небольших белков, а кассета 500 кД — для более крупных молекул, таких как вирусные векторы. Я видел, как клиенты хватали первую кассету, на которую они смотрели, независимо от концентрации корма, и именно здесь начинались ошибки.

Начнем с самого непосредственного воздействия: скорости потока. Поток — это объем раствора, который проходит через мембрану на единицу площади в час — это основа производительности УФ. Когда концентрация сырья слишком высока, поток падает быстро, а не линейно. И вот почему: по мере обработки раствора оставшиеся растворенные вещества накапливаются у поверхности мембраны, образуя так называемый «слой концентрационной поляризации». Этот слой действует как дополнительный барьер, поэтому воде и небольшим растворенным веществам приходится прилагать больше усилий, чтобы пройти через него. Если концентрация исходного сырья изначально слишком высока, этот слой поляризации быстро становится толстым, и вскоре пермеат практически не проходит. В прошлом году у меня был клиент, который использовал кассету для ультрафильтрации 30 кД на супернатанте плотной клеточной культуры — они кормили 25 г/л белка, тогда как наша рекомендация составляла 10–15 г/л. Их поток упал с 60 л/м²/ч до 12 л/м²/ч за 2 часа, и им пришлось отключиться, чтобы преждевременно очистить кассету, потеряв 12 часов работы. Хуже того, поляризация высокой концентрации привела к тому, что некоторые белки застряли в этом слое, поэтому их выход оказался на 18% ниже ожидаемого.

Но дело не только в потоке: концентрация сырья также напрямую связана с загрязнением мембран, которое является большой угрозой УФ. Загрязнение – это когда растворенные вещества, мусор или агрегаты постоянно прилипают к поверхности мембраны или стенкам пор, и это намного хуже при слишком концентрированном питании. Когда растворенные вещества скапливаются в корме, они с большей вероятностью столкнутся с мембраной и застрянут. За прошедшие годы я очистил сотни кассет УФ, и в 80% случаев следы сильного загрязнения возвращались к концентрации корма, которая в 2–3 раза превышала рекомендуемый диапазон. Например, клиент пищевой промышленности, перерабатывающий фруктовый сок, хотел получить концентрацию до 30° Брикса за один проход вместо 15° Брикса (что является оптимальным показателем для их кассеты 10 кД). Пектин и сахар сока начали накапливаться на мембране в течение 30 минут, и к концу цикла поры мембраны были частично заблокированы, поэтому они получили только четверть ожидаемой концентрации, и им пришлось заменить кассету после трех циклов вместо 10. Это привело к гораздо более высоким затратам на литр, чем если бы они каждый раз разделяли концентрацию на два прохода с более низкой концентрацией сырья.

Урожайность — еще одна область, где концентрация корма сильно страдает, особенно в биофармацевтике, где важен каждый грамм продукта. Когда ваш корм слишком концентрированный, вы не только получаете больше загрязнений, но и начинаете наблюдать потери продукта по двум причинам. Во-первых, слой концентрационной поляризации может улавливать целевые молекулы, и если он становится слишком толстым, эти молекулы могут быть унесены вместе с ретентатом, когда вы опорожняете кассету, вместо того, чтобы концентрироваться. Во-вторых, некоторые целевые молекулы (например, белки) могут начать агрегировать при высоких концентрациях, и эти агрегаты часто достаточно малы, чтобы проскользнуть через мембрану или застрять в пермеате, поэтому вы их теряете. Клиент, занимающийся вирусными векторами, с которым я работал в прошлом году, использовал нашу кассету для ультрафильтрации 500 кДа для концентрации векторов AAV — они довели концентрацию корма до 1e13 векторных геномов на мл, что намного превышает нашу рекомендацию 2e12. Их выход составил всего 45% по сравнению с 82%, которые они получили, когда снизили концентрацию корма до нужного диапазона. Когда мы протестировали ретентат, мы обнаружили, что 30% их целевого вектора застряло в слое концентрационной поляризации, а еще 15% агрегировалось и терялось. Это своего рода удар, который может сделать всю партию бесполезной, особенно когда вы имеете дело с процессами, совместимыми с GMP, и вы не можете просто производить больше продукта по прихоти.

Подождите, но прежде чем вы подумаете: «более низкая концентрация корма всегда лучше» — это тоже неправда. Если ваш корм слишком разбавлен, вы зря тратите время и емкость кассеты. УФ наиболее эффективен, когда вы концентрируете раствор до разумного уровня, но если вы начинаете со слишком тонкой подачи, вы перемещаете гораздо больший объем, чем нужно, что увеличивает затраты энергии на перекачку и занимает больше времени, чтобы достичь целевой концентрации. Например, клиент лаборатории, концентрирующий небольшой образец белка, использовал кассету 10 кДа с концентрацией сырья 0,1 мг/мл — они пытались достичь концентрации 10 мг/мл, поэтому обрабатывали 100 мл раствора, чтобы получить 10 мл ретентата. Им потребовалось 8 часов против 2 часов, когда они сначала концентрировали корм центрифугированием до 0,5 мг/мл, поэтому они обработали только 20 мл. Это огромная разница в трудозатратах и ​​времени, особенно если вы обрабатываете несколько партий в день. Ключевым моментом является попадание в этот средний диапазон — то, что я называю «окном концентрации» для вашей конкретной кассеты и приложения.

Так как же определить это окно концентрации? Это не универсальный подход, но есть несколько практических правил, которые мы разделяем со всеми нашими клиентами. Во-первых, проверьте MWCO вашей кассеты: кассета с более высоким MWCO (например, 500 кД) обычно может обрабатывать более высокую концентрацию корма, чем кассета с более низкой MWCO (например, 30 кД), поскольку поры больше, поэтому поляризация не является проблемой. НашКассеты-серия TFF-фильтрациистраница имеет определенные диапазоны концентрации для каждой кассеты, но, как правило, никогда не превышайте 10–15% общего содержания твердых веществ для большинства белковых применений и 5–10% для небольших молекул. Во-вторых, проверьте свой корм на наличие примесей: если в вашем корме много мусора или агрегатов, вам нужна более низкая концентрация корма, чтобы избежать загрязнения, независимо от того, какая у вас целевая молекула. В-третьих, сначала проведите небольшие тесты, а не сразу приступайте к полноценному производству. Тестовый прогон объемом 100 мл или 1 л точно покажет вам, какой флюс вы получите, как быстро наступит загрязнение и какой выход вы можете ожидать, чтобы вы не тратили ценный продукт.

Еще одна вещь, которую я заметил за прошедшие годы, это то, что концентрация сырья взаимодействует с другими параметрами процесса, такими как скорость поперечного потока и трансмембранное давление (ТМР). Это не похоже на регулировку концентрации в вакууме: если у вас высокая концентрация сырья, вы можете немного компенсировать это за счет увеличения скорости поперечного потока, который сметает поляризационный слой с поверхности мембраны, и увеличения TMP (но не слишком сильно, потому что TMP может вызвать уплотнение поляризационного слоя). Но это балансирующий акт: более высокий перекрестный поток означает больше энергии, а более высокий TMP может привести к повреждению мембраны, если вы не будете осторожны. Мы всегда советуем клиентам проводить полные тесты параметров, включая концентрацию корма, поскольку изменение одного из них может привести к сбою в работе других. Например, однажды клиент попытался исправить падение потока из-за высокой концентрации сырья, увеличив TMP, и в итоге мембрана уплотнилась, поэтому его следующие прогоны показали еще более низкий поток. Вот почему в нашей компании мы не просто продаем кассеты — мы помогаем нашим клиентам справиться с этими технологическими тонкостями, потому что мы видели почти все ошибки, которые вы можете допустить при концентрации корма.

Давайте поговорим и о долгосрочных эффектах, поскольку концентрация корма влияет не только на один проход, но и на срок службы кассеты. Если вы используете слишком концентрированные корма, вы создаете гораздо больше загрязнений, а это означает, что вам придется чаще чистить кассету и использовать более агрессивные чистящие средства (например, более высокий уровень pH или температуру), чтобы избавиться от отложений. Со временем такая агрессивная очистка приводит к разрушению мембраны, поэтому кассета имеет меньше пробегов, прежде чем ее потребуется заменить. У меня был клиент, который использовал нашу кассету с плоскими листами, и к пятому прогону ему пришлось заменить ее из-за сильного загрязнения, в то время как другой клиент, использующий ту же кассету с правильной концентрацией подачи, получил более 15 прогонов. Это огромная разница в стоимости, если вы просматриваете кассеты каждую неделю или каждый месяц.

Теперь давайте перейдем к делу: что на самом деле вам следует делать, если у вас снижена концентрация корма? Во-первых, измерьте его правильно. Многие клиенты ориентируются на «визуальную толщину» решения, что очень неточно. Используйте измеритель Брикса для пищевых продуктов или измеритель оптической плотности (например, A280 для белков), чтобы получить точную концентрацию. Затем скорректируйте свой корм, либо разбавив его (если оно слишком сильное), либо дополнительно концентрировав его с помощью меньшего этапа предварительной обработки (например, тангенциальной фильтрации с использованием другой кассеты или центрифугирования), если он слишком низкий. Если вы имеете дело с уникальным кормом, например, с индивидуальным биологическим препаратом, обратитесь к нашей команде — у нас есть специалисты по применению, которые могут помочь вам разработать процесс, адаптированный к вашей концентрации корма, будь то выбор правильного MWCO (например, 30 кД против 500 кД), регулировка перекрестного потока или определение наилучшего времени работы.

Я не могу не подчеркнуть, насколько небольшие изменения в концентрации корма могут изменить весь процесс УФ. Это не скучная деталь — это разница между запуском, который достигает всех ваших целей по урожайности и срокам, и запуском, который заставляет вас искать неисправности в течение нескольких дней, тратя впустую продукт и деньги. Мы построили нашуКассеты Ультрафильтрациялиния должна быть гибкой, с возможностью выбора для разных MWCO (например, нашейКассеты ультрафильтрации 30 кдиКассеты ультрафильтрации 500KD), плоские листы и настройки серии TFF, потому что мы знаем, что каналы каждого клиента разные. Если вы боретесь с проблемами концентрации корма или просто хотите повысить эффективность процесса УФ, мы здесь, чтобы помочь: мы работали с тысячами клиентов, чтобы правильно настроить их окна концентрации, и мы можем сделать то же самое для вас. Не позволяйте такой мелочи, как концентрация корма, испортить ваши пробежки — обратитесь к нашей команде, чтобы узнать больше об оптимизации вашего процесса уже сегодня.

Ссылки

1. Белфорт Г., Дэвис Р.Х. и Зидни А.Л. (1994). Поведение суспензий и макромолекулярных растворов при поперечноточной микрофильтрации. Журнал мембранной науки, 96 (1–2), 1–58.
2. Шаркоссе, К. (2007). Гидродинамическая и концентрационная поляризация в ультрафильтрации: Обзор. Опреснение, 211(1–3), 108–122.
3. Зидни, Алабама (2018). Тангенциальная поточная фильтрация для биофармацевтического производства. Текущее мнение в области химической инженерии, 20, 109–115.
4. Малдер, М. (1996). Основные принципы мембранных технологий (2-е изд.). Академическое издательство Клувер.