Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Кантроль глейкасці бялковых раствораў мае жыццёва важнае значэнне для аптымізацыі працэсаў ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі ў біяфармацэўтычнай вытворчасці. Павышаная глейкасць бялковых раствораў, асабліва пры высокіх канцэнтрацыях бялку, непасрэдна ўплывае на прадукцыйнасць мембраны, эфектыўнасць працэсу і эканоміку пры ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі бялку. Вязкасць раствора павялічваецца з утрыманнем бялку з-за кластарызацыі антыцелаў і электрастатычных узаемадзеянняў, якія павялічваюць супраціў патоку і перапад ціску на ультрафільтрацыйнай мембране. Гэта прыводзіць да зніжэння патоку пермеата і павелічэння часу працы, асабліва ў працэсах папярочнай фільтрацыі (TFF).

Трансмембранны ціск (ТМЦ), рухаючая сіла ультрафільтрацыі, цесна звязаны з глейкасцю. Праца па-за межамі нармальнага дыяпазону трансмембраннага ціску паскарае забруджванне мембраны і пагаршае канцэнтрацыйную палярызацыю — назапашванне бялкоў паблізу мембраны, што пастаянна павялічвае лакальную глейкасць. Як канцэнтрацыйная палярызацыя, так і забруджванне мембраны прыводзяць да зніжэння прадукцыйнасці ультрафільтрацыйнай мембраны і могуць скараціць тэрмін службы мембраны, калі іх не кантраляваць. Эксперыментальныя даследаванні паказваюць, што забруджванне мембраны і канцэнтрацыйная палярызацыя пры ультрафільтрацыі больш выяўленыя пры больш высокіх значэннях ТМЦ і пры больш глейкай сыравіне, што робіць кантроль ТМЦ у рэжыме рэальнага часу неабходным для максімізацыі прапускной здольнасці і мінімізацыі частаты ачысткі.

Аптымізацыя канцэнтрацыі ультрафільтрацыі патрабуе інтэграваных стратэгій:

Вымярэнне глейкасці бялковага раствораРэгулярныя ацэнкі глейкасці — з выкарыстаннемлінейныя вісказіметры— дапамагаюць прагназаваць хуткасць фільтрацыі і прадбачыць вузкія месцы ў працэсе, падтрымліваючы хуткую мадыфікацыю працэсу.
Кандыцыянаванне кормуРэгуляванне pH, іоннай сілы і тэмпературы можа знізіць глейкасць і паменшыць абрастанне. Напрыклад, даданне іонаў натрыю ўзмацняе гідратнае адштурхванне паміж бялкамі, памяншаючы агрэгацыю і абрастанне, у той час як іёны кальцыю, як правіла, спрыяюць утварэнню масткоў паміж бялкамі і іх абрастанню.
Выкарыстанне дапаможных рэчываўУключэнне дапаможных рэчываў, якія зніжаюць глейкасць, у высокаканцэнтраваныя бялковыя растворы паляпшае пранікальнасць мембран і зніжае трансмембранны ціск пры ультрафільтрацыі, павышаючы агульную эфектыўнасць.
Пашыраныя рэжымы патокуПавелічэнне хуткасці папярочнага патоку, выкарыстанне пераменнага папярочнага патоку або ўпырскванне паветранай бруі парушаюць пласты забруджвання. Гэтыя метады дапамагаюць падтрымліваць паток пермеата і зніжаць частату замены мембран, мінімізуючы ўтварэнне адкладаў.
Выбар і ачыстка мембраныВыбар хімічна ўстойлівых мембран (напрыклад, SiC або тэрмавыступных гібрыдаў) і аптымізацыя частаты ачысткі мембран з дапамогай адпаведных пратаколаў (напрыклад, ачыстка гіпахларытам натрыю) маюць вырашальнае значэнне для падаўжэння тэрміну службы мембран і зніжэння эксплуатацыйных выдаткаў.

У цэлым, эфектыўны кантроль глейкасці і кіраванне TMP з'яўляюцца краевугольным каменем паспяховай працы фазы ультрафільтрацыі канцэнтрацыі, непасрэдна ўплываючы на выхад прадукту, частату ачысткі мембран і тэрмін службы дарагіх мембранных актываў.

Разуменне глейкасці бялковых раствораў пры ультрафільтрацыі

1.1. Якая глейкасць бялковых раствораў?

Вязкасць апісвае супраціўленне вадкасці цячэнню; у растворах бялкоў яна паказвае, наколькі малекулярнае трэнне перашкаджае руху. Адзінкай вымярэння вязкасці ў СІ з'яўляецца паскаль-секунда (Па·с), але для біялагічных вадкасцей звычайна выкарыстоўваецца сантыпуаз (сП). Вязкасць непасрэдна ўплывае на тое, наколькі лёгка растворы бялкоў можна перапампоўваць або фільтраваць падчас вытворчасці, і ўплывае на дастаўку лекаў, асабліва для біятэрапеўтычных прэпаратаў высокай канцэнтрацыі.

Канцэнтрацыя бялку з'яўляецца дамінуючым фактарам, які ўплывае на глейкасць. Па меры павышэння ўзроўню бялку павялічваюцца міжмалекулярныя ўзаемадзеянні і скучанасць, што прыводзіць да павышэння глейкасці, часта нелінейнага характару. Вышэй за пэўны парог узаемадзеянне бялкоў яшчэ больш падаўляе дыфузію ў растворы. Напрыклад, канцэнтраваныя растворы моноклональных антыцелаў, якія выкарыстоўваюцца ў фармацэўтычных прэпаратах, часта дасягаюць узроўняў глейкасці, якія абцяжарваюць падскурныя ін'екцыі або абмяжоўваюць хуткасць апрацоўкі.

Мадэлі, якія прадказваюць глейкасць у канцэнтраваных растворах бялкоў, цяпер улічваюць малекулярную геаметрыю і тэндэнцыі да агрэгацыі. Марфалогія бялку — няхай гэта будзе выцягнутая, шарападобная або схільная да агрэгацыі — істотна ўплывае на глейкасць пры высокіх канцэнтрацыях. Нядаўнія дасягненні ў мікрафлюіднай ацэнцы дазваляюць дакладна вымяраць глейкасць з мінімальных аб'ёмаў узораў, што спрыяе хуткаму скрынінгу новых бялковых прэпаратаў.

1.2. Як змяняецца глейкасць падчас ультрафільтрацыі

Падчас ультрафільтрацыі канцэнтрацыйная палярызацыя хутка назапашвае бялкі на мяжы паміж мембранай і растворам. Гэта стварае стромкія лакальныя градыенты канцэнтрацыі і павышае глейкасць паблізу мембраны. Павышаная глейкасць у гэтай вобласці перашкаджае масапераносу і памяншае паток пермеата.

Канцэнтрацыйная палярызацыя адрозніваецца ад забруджвання мембраны. Палярызацыя дынамічная і зварачальная, яна адбываецца на працягу некалькіх хвілін па меры прасоўвання фільтрацыі. Для параўнання, забруджванне развіваецца з цягам часу і часта ўключае незваротнае адкладванне або хімічнае пераўтварэнне на паверхні мембраны. Дакладная дыягностыка дазваляе адсочваць пласт канцэнтрацыйнай палярызацыі ў рэжыме рэальнага часу, выяўляючы яго адчувальнасць да хуткасці папярочнага патоку і трансмембраннага ціску. Напрыклад, павелічэнне хуткасці або памяншэнне трансмембраннага ціску (ТМЦ) дапамагае парушыць глейкі памежны пласт, аднаўляючы паток.

Эксплуатацыйныя параметры непасрэдна ўплываюць на паводзіны глейкасці:

Трансмембранны ціск (ТМЦ)Больш высокая тэмпература вады (TMP) узмацняе палярызацыю, павялічваючы лакальную глейкасць і памяншаючы паток.
Хуткасць папярочнага патокуПавышаная хуткасць абмяжоўвае назапашванне, змяншаючы глейкасць паблізу мембраны.
Частата ачысткі мембранЧастая чыстка памяншае доўгатэрміновае назапашванне і змяншае страту прадукцыйнасці, выкліканую глейкасцю.

Фазы ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі павінны аптымізаваць гэтыя параметры, каб мінімізаваць неспрыяльныя эфекты глейкасці і падтрымліваць прапускную здольнасць.

1.3. Уласцівасці бялковых раствораў, якія ўплываюць на глейкасць

Малекулярная масаіскладгалоўным чынам вызначаюць глейкасць. Больш буйныя, больш складаныя бялкі або агрэгаты маюць больш высокую глейкасць з-за абмежаванага руху і больш значных міжмалекулярных сіл. Форма бялкоў яшчэ больш мадулюе паток — падоўжаныя або схільныя да агрэгацыі ланцугі выклікаюць большы супраціў, чым кампактныя шарападобныя бялкі.

pHкрытычна ўплывае на зарад і растваральнасць бялку. Рэгуляванне pH раствора паблізу ізаэлектрычнай кропкі бялку мінімізуе чысты зарад, памяншае адштурхванне бялкоў і часова зніжае глейкасць, што палягчае фільтрацыю. Напрыклад, правядзенне ультрафільтрацыі паблізу ізаэлектрычнай кропкі BSA або IgG можа значна палепшыць паток пермеата і селектыўнасць падзелу.

Іённая сілауплывае на глейкасць, змяняючы падвойны электрычны пласт вакол бялкоў. Павышаная іонная сіла экрануе электрастатычныя ўзаемадзеянні, спрыяючы перадачы бялкоў праз мембраны, але таксама павялічваючы рызыку агрэгацыі і адпаведных скокаў глейкасці. Кампраміс паміж эфектыўнасцю перадачы і селектыўнасцю часта залежыць ад дакладнай рэгулявання канцэнтрацыі соляў і складу буфера.

Для зніжэння глейкасці можна выкарыстоўваць невялікія малекулярныя дабаўкі, такія як гідрахларыд аргініну або гуанідын. Гэтыя агенты парушаюць гідрафобныя або электрастатычныя сілы прыцягнення, зніжаюць агрэгацыю і паляпшаюць цякучасць раствора. Тэмпература выступае ў якасці дадатковага кантрольнага фактару; больш нізкія тэмпературы павялічваюць глейкасць, а дадатковае награванне часта яе памяншае.

Вымярэнне глейкасці бялковага раствора павінна ўлічваць:

Размеркаванне малекулярных мас
Склад раствора (солі, дапаможныя рэчывы, дабаўкі)
Выбар pH і буфернай сістэмы
Налада іённай сілы

Гэтыя фактары маюць вырашальнае значэнне для аптымізацыі прадукцыйнасці ультрафільтрацыйнай мембраны і забеспячэння паслядоўнасці на ўсіх фазах канцэнтрацыі і працэсах TFF.

Асновы ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі бялку

Прынцыпы фазы ультрафільтрацыі і канцэнтрацыі

Ультрафільтрацыйная канцэнтрацыя бялкоў ажыццяўляецца шляхам прымянення трансмембраннага ціску (ТМЦ) праз паўпранікальную мембрану, праганяючы растваральнік і дробныя раствораныя рэчывы, адначасова затрымліваючы бялкі і больш буйныя малекулы. Працэс выкарыстоўвае селектыўную пранікненне ў залежнасці ад памеру малекул, прычым максімальны памер малекул, якія праходзяць, вызначаецца мембранным парогам малекулярнай масы (MWCO). Бялкі, якія перавышаюць MWCO, назапашваюцца на баку рэтэнтату, павялічваючы сваю канцэнтрацыю па меры выдалення пермеата.

Фаза ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі накіравана на памяншэнне аб'ёму і ўзбагачэнне бялковага раствора. Па меры прасоўвання фільтрацыі глейкасць бялковага раствора звычайна павялічваецца, што ўплывае на патрабаванні да патоку і TMP. Затрыманыя бялкі могуць узаемадзейнічаць адзін з адным і з мембранай, што робіць рэальны працэс больш складаным, чым простае выключэнне па памеры. Электрастатычныя ўзаемадзеянні, агрэгацыя бялкоў і характарыстыкі раствора, такія як pH і іённая сіла, уплываюць на вынікі ўтрымання і падзелу. У некаторых выпадках адвектыўны транспарт дамінуе над дыфузіяй, асабліва ў мембранах з большымі порамі, што ўскладняе чаканні, заснаваныя выключна на выбары MWCO [гл. кароткі змест даследавання].

Тлумачэнне папярочнай фільтрацыі (TFF)

Папярочная фільтрацыя, якую таксама называюць тангенцыяльнай фільтрацыяй патоку (TFF), накіроўвае бялковы раствор тангенцыяльна праз паверхню мембраны. Гэты падыход адрозніваецца ад тупіковай фільтрацыі, дзе паток перпендыкулярны мембране, прасоўваючы часціцы непасрэдна на фільтр і ў яго.

Асноўныя адрозненні і наступствы:

Кантроль забруджванняў:TFF памяншае назапашванне бялковых і часціцавых слаёў, вядомае як асадак, шляхам бесперапыннага выдалення патэнцыйных забруджвальнікаў з мембраны. Гэта прыводзіць да больш стабільнага патоку пермеата і спрашчэння абслугоўвання.
Захаванне бялку:TFF спрыяе лепшаму кіраванню канцэнтрацыйнай палярызацыяй — пластом затрымліваемых малекул паблізу мембраны, які, калі яго не кантраляваць, можа знізіць селектыўнасць падзелу і павялічыць забруджванне. Дынамічны паток у TFF змякчае гэты эфект, дапамагаючы падтрымліваць высокую эфектыўнасць затрымлівання бялку і падзелу.
Стабільнасць патоку:TFF дазваляе падоўжыць перыяды працы пры пастаянным патоку, павышаючы эфектыўнасць працэсаў з сыравінай з высокім утрыманнем бялку або часціц. Тупіковая фільтрацыя, наадварот, хутка парушаецца з-за забруджвання, зніжаючы прапускную здольнасць і патрабуючы частай ачысткі.

Пашыраныя варыянты TFF, такія як пераменны тангенцыяльны паток (ATF), яшчэ больш парушаюць забруджванне і ўтварэнне асадка шляхам перыядычнага змянення або рэверсіі тангенцыяльных хуткасцей, падаўжаючы тэрмін службы фільтра і паляпшаючы прапускную здольнасць бялку [гл. кароткі змест даследавання]. Як у класічных, так і ў пашыраных устаноўках TFF, эксплуатацыйныя параметры, такія як TMP, хуткасць папярочнага патоку і частата ачысткі, павінны быць адаптаваны да канкрэтнай бялковай сістэмы, тыпу мембраны і мэтавай канцэнтрацыі для аптымізацыі прадукцыйнасці і мінімізацыі забруджвання.

Трансмембранны ціск (ТМЦ) пры ультрафільтрацыі

3.1. Што такое трансмембранны ціск?

Трансмембранны ціск (ТМЦ) — гэта розніца ціскаў на фільтрацыйнай мембране, якая перамяшчае растваральнік з боку падачы да боку пермеата. ТМЦ з'яўляецца асноўнай сілай працэсу падзелу пры ультрафільтрацыі, дазваляючы растваральніку праходзіць праз мембрану, захоўваючы пры гэтым бялкі і іншыя макрамалекулы.

Формула ТМП:

Простая розніца: TMP = P_падача − P_пермеат
Інжынерны метад: TMP = [(P_падача + P_рэтэнтат)/2] − P_пермеат
Тут P_feed — гэта ціск на ўваходзе, P_retentate — ціск на выхадзе з боку рэтэнтату, а P_permeate — ціск з боку пермеата. Уключэнне ціску рэтэнтату (або канцэнтрату) дае больш дакладнае значэнне ўздоўж паверхні мембраны, улічваючы градыенты ціску, выкліканыя супраціўленнем патоку і забруджваннямі.
Ціск падачы і хуткасць патоку
Ціск рэтэнтату (пры неабходнасці)
Ціск пермеату (часта атмасферны)
Супраціўленне мембраны
Тэмпература парашка (TMP) залежыць ад тыпу мембраны, канструкцыі сістэмы і ўмоў працэсу.

Кантралюючыя зменныя:

3.2. ТМП і працэс ультрафільтрацыі

ТМФ адыгрывае цэнтральную ролю ў канцэнтрацыі бялку пры ультрафільтрацыі, прасоўваючы растворы бялку праз мембрану. Ціск павінен быць дастаткова высокім, каб пераадолець супраціўленне мембраны і любы назапашаны матэрыял, але не настолькі высокім, каб паскорыць забруджванне.

Уплыў глейкасці раствора і канцэнтрацыі бялку

Вязкасць бялковых раствораў:Больш высокая глейкасць павялічвае супраціў патоку, што патрабуе больш высокай тэмпературы нагрэву (TMP) для падтрымання таго ж патоку пермеата. Напрыклад, даданне гліцэрыны ў сыравіну або праца з канцэнтраванымі бялкамі павялічвае глейкасць і, такім чынам, неабходную тэмпературу нагрэву (TMP).
Канцэнтрацыя бялку:Па меры павелічэння канцэнтрацыі падчас фазы ультрафільтрацыі, глейкасць раствора павялічваецца, павялічваецца TMP і расце рызыка забруджвання мембраны або канцэнтрацыйнай палярызацыі.
Закон Дарсі:Тэмпература вадкага паражніны (TMP), паток пермеата (J) і глейкасць (μ) звязаны праз TMP = J × μ × R_m (супраціў мембраны). Для бялковых раствораў з высокай глейкасцю старанная карэкціроўка TMP мае жыццёва важнае значэнне для эфектыўнай ультрафільтрацыі.

Прыклады:

Ультрафільтрацыя шчыльных раствораў антыцелаў патрабуе стараннага кіравання TMP для супрацьдзеяння павышэнню глейкасці.
ПЭГіляванне або іншыя мадыфікацыі бялку змяняюць узаемадзеянне з мембранай, уплываючы на TMP, неабходны для жаданага патоку.

3.3. Маніторынг і аптымізацыя TMP

Падтрыманне TMP у межахнармальны дыяпазон трансмембраннага ціскумае вырашальнае значэнне для стабільнай працы ультрафільтрацыйнай мембраны і якасці прадукту. З цягам часу, па меры прасоўвання ультрафільтрацыі, палярызацыя канцэнтрацыі і забруджванне могуць прывесці да павышэння TMP, часам хуткага.

Практыка маніторынгу:

Маніторынг у рэжыме рэальнага часу:ТМП адсочваецца праз уваход, рэтэнтат і пермеатдатчыкі ціску.
Раманава спектраскапія:Выкарыстоўваецца для неінвазіўнага маніторынгу канцэнтрацый бялку і напаўняльнікаў, што спрыяе адаптыўнаму кантролю TMP падчас ультрафільтрацыі і дыяфільтрацыі.
Пашыранае кіраванне:Пашыраныя фільтры Калмана (EKF) могуць апрацоўваць дадзеныя датчыкаў, аўтаматычна рэгулюючы тэмпературу паверхні вады (TMP), каб пазбегнуць празмернага забруджвання.
Устанавіць пачатковую ТМП у межах нормы:Не занадта нізка, каб паменшыць паток, і не занадта высока, каб пазбегнуць хуткага забруджвання.
Карэктуйце тэмпературу нагрэву па меры павелічэння глейкасці:Падчас фазы ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі паступова павялічвайце TMP толькі па меры неабходнасці.
Кантралюйце паток корму і pH:Павелічэнне патоку сыравіны або зніжэнне тэмпературы паверхні вады (TMP) змяншае палярызацыю канцэнтрацыі і забруджванне.
Ачыстка і замена мембраны:Больш высокія значэнні тэмпературы нагрэву звязаны з больш частай чысткай і скарачэннем тэрміну службы мембраны.

Стратэгіі аптымізацыі:

Прыклады:

Каразійныя забруджванні на лініях па перапрацоўцы бялку прыводзяць да павелічэння тэмпературы нагрэву і зніжэння патоку, што патрабуе ачысткі або замены мембраны для аднаўлення нармальнай працы.
Папярэдняя ферментатыўная апрацоўка (напрыклад, даданне пектиназы) можа знізіць TMP і падоўжыць тэрмін службы мембраны падчас ультрафільтрацыі высокаглейкага бялку рапсу.

3.4. TMP у сістэмах TFF

Тангенцыяльная (папярочная) фільтрацыя патоку (TFF) працуе шляхам накіравання падачы раствора праз мембрану, а не непасрэдна праз яе, што істотна ўплывае на дынаміку TMP.

Рэгуляванне і баланс TMP

Трансмембранны ціск TFF (TFF TMP):Кіруецца шляхам кантролю як хуткасці падачы, так і ціску помпы, каб пазбегнуць празмернага тэмпературнага ціску (TMP) пры максімізацыі патоку пермеата.
Аптымізацыя параметраў:Павелічэнне патоку корму памяншае лакальнае адкладванне бялкоў, стабілізуе TMP і памяншае забруджванне мембран.
Вылічальнае мадэляванне:Мадэлі CFD прадказваюць і аптымізуюць TMP TFF для максімальнага аднаўлення, чысціні і выхаду прадукту, што асабліва важна для такіх працэсаў, як вылучэнне мРНК або пазаклеткавых везікул.

Прыклады:

Пры біяапрацоўцы аптымальны TFF TMP дае >70% аднаўлення мРНК без дэградацыі, пераўзыходзячы метады ультрацэнтрыфугавання.
Адаптыўнае кіраванне тэмпературай паверхні мембраны (TMP), заснаванае на матэматычных мадэлях і зваротнай сувязі ад датчыкаў, зніжае частату замены мембраны і павялічвае тэрмін яе службы за кошт прадухілення забруджванняў.

Асноўныя высновы:

Для падтрымання эфектыўнасці працэсу, патоку і стану мембраны ў TFF неабходна актыўна кіраваць трансмембранным ціскам TMP.
Сістэматычная аптымізацыя працэсу апрацоўкі бялкоў (TMP) зніжае эксплуатацыйныя выдаткі, спрыяе атрыманню прадукту высокай чысціні і падаўжае тэрмін службы мембран пры ультрафільтрацыі бялкоў і звязаных з ёй працэсах.

Кантралюйце і вымярайце высокія канцэнтрацыі бялку

Механізмы абрастання і іх сувязь з глейкасцю

Асноўныя шляхі абрастання пры ультрафільтрацыі бялку

Ультрафільтрацыя бялку залежыць ад некалькіх розных шляхоў забруджвання:

Каразійныя забруджванні:Узнікае, калі прадукты карозіі — звычайна аксіды жалеза — назапашваюцца на паверхні мембран. Яны зніжаюць паток і іх цяжка выдаліць стандартнымі хімічнымі ачышчальнымі сродкамі. Каразійныя налёты прыводзяць да пастаяннай страты прадукцыйнасці мембраны і з цягам часу павялічваюць частату яе замены. Яго ўплыў асабліва сур'ёзны для мембран з PVDF і PES, якія выкарыстоўваюцца ў ачыстцы вады і бялковых дадатках.

Арганічныя забруджванні:Пераважна індукуецца такімі бялкамі, як бычыны сыроватачны альбумін (БСА), і можа ўзмацняцца ў прысутнасці іншых арганічных рэчываў, такіх як поліцукрыды (напрыклад, альгінат натрыю). Механізмы ўключаюць адсорбцыю на порах мембраны, закаркоўванне пор і ўтварэнне пласта асадка. Сінергічныя эфекты ўзнікаюць пры наяўнасці некалькіх арганічных кампанентаў, прычым сістэмы са змешанымі забруджваннямі адчуваюць больш моцнае забруджванне, чым сістэмы з адным бялком.

Канцэнтрацыйная палярызацыя:Па меры прасоўвання ультрафільтрацыі затрыманыя бялкі назапашваюцца паблізу паверхні мембраны, павялічваючы лакальную канцэнтрацыю і глейкасць. Гэта стварае палярызацыйны пласт, які павялічвае схільнасць да забруджвання і памяншае паток. Працэс паскараецца па меры прасоўвання фазы ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі, на што непасрэдна ўплываюць трансмембранны ціск і дынаміка патоку.

Калоідныя і змешаныя абрастанні:Калоідныя рэчывы (напрыклад, дыяксід крэмнія, неарганічныя мінералы) могуць узаемадзейнічаць з бялкамі, ствараючы складаныя агрэгатныя пласты, якія пагаршаюць забруджванне мембран. Прысутнасць калоіднага дыяксіду крэмнія, напрыклад, значна зніжае хуткасць патоку, асабліва ў спалучэнні з арганічнымі рэчывамі або пры неаптымальных умовах pH.

Уплыў глейкасці раствора на развіццё абрастанняў

Вязкасць бялковых раствораў моцна ўплывае на кінетыку абрастання і ўшчыльненне мембран:

Паскоранае абрастанне:Больш высокая глейкасць бялковага раствора павялічвае супраціў зваротнаму транспарту затрыманых раствораных рэчываў, спрыяючы больш хуткаму ўтварэнню пласта асадка. Гэта павялічвае трансмембранны ціск (ТМЦ), паскараючы ўшчыльненне мембраны і яе забруджванне.

Эфекты складу раствора:Тып бялку змяняе глейкасць; глобулярныя бялкі (напрыклад, BSA) і пашыраныя бялкі паводзяць сябе па-рознаму адносна патоку і палярызацыі. Даданне такіх злучэнняў, як поліцукрыды або гліцэрына, значна павышае глейкасць, спрыяючы забруджванню. Дабаўкі і агрэгацыя бялку пры высокіх канцэнтрацыях яшчэ больш павялічваюць хуткасць закаркоўвання мембран, непасрэдна зніжаючы як паток, так і тэрмін службы мембраны.

Аперацыйныя наступствы:Больш высокая глейкасць патрабуе павелічэння тэмпературы вады (TMP) для падтрымання хуткасці фільтрацыі ў працэсах папярочнай фільтрацыі. Працяглы ўздзеянне высокай тэмпературы вады павялічвае незваротнае забруджванне, часта патрабуючы больш частай чысткі мембраны або ранейшай замены мембраны.

Роля характарыстык корму

Характарыстыкі корму, а менавіта ўласцівасці бялку і хімічны склад вады, вызначаюць ступень абрастання:

Памер і размеркаванне бялку:Больш буйныя або агрэгаваныя бялкі маюць большую схільнасць выклікаць закаркаванне пор і назапашванне асадка, павялічваючы глейкасць і тэндэнцыі ўшчыльнення падчас ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі бялку.

pH:Павышаны pH павялічвае электрастатычнае адштурхванне, перашкаджаючы агрэгацыі бялкоў паблізу мембраны, тым самым памяншаючы забруджванне. Наадварот, кіслыя ўмовы памяншаюць адштурхванне, асабліва для калоіднага дыяксіду крэмнію, пагаршаючы забруджванне мембраны і зніжаючы хуткасць патоку.

Тэмпература:Больш нізкія тэмпературы працэсу звычайна зніжаюць кінетычную энергію, што можа запаволіць хуткасць забруджвання, але таксама павялічыць глейкасць раствора. Высокія тэмпературы паскараюць забруджванне, але таксама могуць павысіць эфектыўнасць ачысткі.

Калоідныя/неарганічныя рэчывы:Прысутнасць калоіднага дыяксіду крэмнію або металаў узмацняе забруджванне, асабліва ў кіслых умовах. Часцінкі дыяксіду крэмнію павялічваюць агульную глейкасць раствора і фізічна закаркоўваюць пары, што робіць ультрафільтрацыйную канцэнтрацыю менш эфектыўнай і зніжае агульны тэрмін службы і прадукцыйнасць мембраны.

Іённы склад:Даданне некаторых іённых часціц (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) можа паменшыць абрастанне, змяняючы электрастатычныя і гідратныя сілы паміж бялкамі і мембранамі. Аднак іёны, такія як Ca²⁺, часта спрыяюць агрэгацыі і павялічваюць патэнцыял абрастання.

Прыклады:

Падчас папярочнай фільтрацыі ў сыравіне, багатай на высокамалекулярныя бялкі і падвышанай глейкасцю, паток хутка змяншаецца, што павялічвае неабходнасць ачысткі і замены.
Калі падаваная вада ўтрымлівае калоідны крэмній і падкісляецца, агрэгацыя і адклад крэмнію ўзмацняюцца, што значна павялічвае хуткасць забруджвання і зніжае прадукцыйнасць мембраны.

Карацей кажучы, разуменне ўзаемадзеяння паміж глейкасцю раствора, тыпамі забруджванняў і характарыстыкамі падачы мае важнае значэнне для аптымізацыі канцэнтрацыі ультрафільтрацыі, зніжэння забруджвання мембран і максімальнага падаўжэння тэрміну службы мембран.

Палярызацыя канцэнтрацыі і кіраванне ёю

Што такое канцэнтрацыйная палярызацыя?

Канцэнтрацыйная палярызацыя — гэта лакалізаванае назапашванне затрыманы раствораных рэчываў, такіх як бялкі, на мяжы паміж мембранай і растворам падчас ультрафільтрацыі. У кантэксце бялковых раствораў, калі вадкасць цячэ супраць напаўпранікальнай мембраны, бялкі, адторгнутыя мембранай, як правіла, назапашваюцца ў тонкім памежным пласце, прылеглым да паверхні. Гэта назапашванне прыводзіць да крутога градыенту канцэнтрацыі: высокая канцэнтрацыя бялку непасрэдна ля мембраны, значна ніжэйшая ў аб'ёме раствора. Гэта з'ява зварачальная і рэгулюецца гідрадынамічнымі сіламі. Яна адрозніваецца ад забруджвання мембраны, якое ўключае больш пастаяннае адкладванне або адсорбцыю ўнутры або на мембране.

Як канцэнтрацыйная палярызацыя пагаршае глейкасць і абрастанне

На паверхні мембраны бесперапыннае назапашванне бялкоў утварае памежны пласт, які павялічвае лакальную канцэнтрацыю раствораных рэчываў. Гэта мае два істотныя наступствы:

Лакалізаванае павелічэнне глейкасці:Па меры павышэння канцэнтрацыі бялку паблізу мембраны, глейкасць раствора бялку ў гэтай мікравобласці таксама павялічваецца. Павышаная глейкасць перашкаджае зваротнаму транспарту растворанага рэчыва ад мембраны, што яшчэ больш павялічвае градыент канцэнтрацыі і стварае зваротную сувязь, якая павялічвае супраціўленне патоку. Гэта прыводзіць да зніжэння патоку пермеата і павышэння спажывання энергіі для працягу фільтрацыі.

Спрыяць абрастанню мембран:Высокая канцэнтрацыя бялку паблізу мембраны павялічвае верагоднасць агрэгацыі бялку, а ў некаторых сістэмах — утварэння гелевага пласта. Гэты пласт закаркоўвае пары мембраны і яшчэ больш павялічвае супраціў патоку. Такія ўмовы спрыяюць узнікненню незваротнага забруджвання, калі агрэгаты бялку і прымешкі фізічна або хімічна звязваюцца з матрыцай мембраны.

Эксперыментальная візуалізацыя (напрыклад, электронная мікраскапія) пацвярджае хуткую агламерацыю нанапамерных бялковых кластараў на мембране, якія могуць ператварацца ў значныя адклады, калі эксплуатацыйныя ўмовы не рэгулююцца належным чынам.

Стратэгіі мінімізацыі палярызацыі канцэнтрацыі

Кіраванне палярызацыяй канцэнтрацыі пры ультрафільтрацыі канцэнтрацыі бялку або папярочнай фільтрацыі патрабуе двайнога падыходу: карэкціроўкі гідрадынамікі і налады аперацыйных параметраў.

Аптымізацыя хуткасці папярочнага патоку:
Павелічэнне хуткасці папярочнага патоку павялічвае тангенцыяльны паток праз мембрану, спрыяючы зруху і разрэджваючы памежны пласт канцэнтрацыі. Больш энергічны зрух змятае назапашаныя бялкі з паверхні мембраны, памяншаючы як палярызацыю, так і рызыку забруджвання. Напрыклад, выкарыстанне статычных змяшальнікаў або ўвядзенне газавай барбатацыі парушае пласт растворанага рэчыва, што значна паляпшае паток пермеата і эфектыўнасць працэсу фільтрацыі ў папярочным патоку.

Змяненне аперацыйных параметраў:

Трансмембранны ціск (ТМЦ):Тэмпературны ціск (ТМП) — гэта розніца ціскаў на мембране і рухаючая сіла ультрафільтрацыі. Аднак павышэнне ТМП для паскарэння фільтрацыі можа мець зваротны эфект, узмацняючы канцэнтрацыйную палярызацыю. Захаванне нармальнага дыяпазону трансмембраннага ціску — не перавышаючы межы, устаноўленыя для ультрафільтрацыі бялку — дапамагае прадухіліць празмернае назапашванне раствораных рэчываў і звязанае з гэтым павелічэнне лакальнай глейкасці.

Хуткасць зруху:Хуткасць зруху, якая залежыць ад хуткасці папярочнага патоку і канструкцыі канала, адыгрывае цэнтральную ролю ў дынаміцы транспарту раствораных рэчываў. Высокая хуткасць зруху падтрымлівае тонкі і рухомы палярызацыйны пласт, што дазваляе часта абнаўляць вобласць з дэфіцытам раствораных рэчываў паблізу мембраны. Павелічэнне хуткасці зруху скарачае час, неабходны для назапашвання бялкоў, і мінімізуе павышэнне глейкасці на мяжы падзелу фаз.

Уласцівасці стужкі:Карэкцыя ўласцівасцей уваходнага бялковага раствора, напрыклад, зніжэнне глейкасці бялковага раствора, змяншэнне ўтрымання агрэгатаў або кантроль pH і іоннай сілы, можа дапамагчы паменшыць ступень і ўплыў палярызацыі канцэнтрацыі. Папярэдняя апрацоўка корму і змены ў рэцэптуры могуць палепшыць прадукцыйнасць ультрафільтрацыйнай мембраны і падоўжыць тэрмін яе службы за кошт зніжэння частаты ачысткі мембраны.

Прыклад прымянення:
Устаноўка, якая выкарыстоўвае тангенцыяльную фільтрацыю (TFF) для канцэнтрацыі моноклональных антыцелаў, выкарыстоўвае старанна аптымізаваныя хуткасці папярочнага патоку і падтрымлівае TMP у строгіх межах. Робячы гэта, аператары мінімізуюць палярызацыю канцэнтрацыі і забруджванне мембран, скарачаючы як частату замены мембран, так і цыклы ачысткі, што непасрэдна зніжае эксплуатацыйныя выдаткі і паляпшае выхад прадукцыі.

Адпаведная карэкціроўка і маніторынг гэтых зменных, у тым ліку вымярэнне глейкасці раствора бялку ў рэжыме рэальнага часу, маюць фундаментальнае значэнне для аптымізацыі прадукцыйнасці ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі і змякчэння неспрыяльных эфектаў, звязаных з палярызацыяй канцэнтрацыі пры апрацоўцы бялку.

Аптымізацыя ультрафільтрацыі для атрымання бялковых раствораў высокай глейкасці

6.1. Найлепшыя аперацыйныя практыкі

Падтрыманне аптымальнай прадукцыйнасці ультрафільтрацыі з высокаглейкаснымі бялковымі растворамі патрабуе далікатнага балансу паміж трансмембранным ціскам (ТМЦ), канцэнтрацыяй бялку і глейкасцю раствора. ТМЦ — розніца ціску на мембране — непасрэдна ўплывае на хуткасць канцэнтрацыі бялку ультрафільтрацыі і ступень забруджвання мембраны. Пры апрацоўцы глейкіх раствораў, такіх як моноклональные антыцелы або сыроватачныя бялкі высокай канцэнтрацыі, любое празмернае павелічэнне ТМЦ можа спачатку павялічыць паток, але яно таксама хутка паскарае забруджванне і назапашванне бялку на паверхні мембраны. Гэта прыводзіць да парушэння і нестабільнасці працэсу фільтрацыі, што пацверджана даследаваннямі візуалізацыі, якія паказваюць, што пры падвышаным ТМЦ і канцэнтрацыі бялку вышэй за 200 мг/мл утвараюцца шчыльныя бялковыя пласты.

Аптымальны падыход прадугледжвае працу сістэмы пры крытычнай тэмпературы, блізкай да тэмпературы, але не перавышанай. У гэты момант прадукцыйнасць максімальна павышаецца, але рызыка незваротнага забруджвання застаецца мінімальнай. Пры вельмі высокай глейкасці нядаўнія даследаванні сведчаць аб зніжэнні тэмпературы, прычым адначасова павялічваецца паток сыравіны (фільтрацыя папярочнага патоку), каб дапамагчы змякчыць палярызацыю канцэнтрацыі і адклад бялку. Напрыклад, даследаванні канцэнтрацыі бялку, атрыманага з дапамогай зліцця Fc, паказваюць, што больш нізкія налады тэмпературы дапамагаюць падтрымліваць стабільны паток, адначасова зніжаючы страты прадукту.

Паступовае і метадычнае павелічэнне канцэнтрацыі бялку падчас ультрафільтрацыі мае вырашальнае значэнне. Рэзкія этапы канцэнтрацыі могуць занадта хутка перавесці раствор у рэжым высокай глейкасці, павялічваючы як рызыку агрэгацыі, так і ступень забруджвання. Замест гэтага паступовае павышэнне ўзроўню бялку дазваляе паралельна рэгуляваць такія параметры працэсу, як тэмпература вады, хуткасць папярочнага патоку і pH, што дапамагае падтрымліваць стабільнасць сістэмы. Даследаванні выпадкаў ультрафільтрацыі з выкарыстаннем ферментаў пацвярджаюць, што падтрыманне ніжэйшага працоўнага ціску падчас гэтых фаз забяспечвае кантраляванае павелічэнне канцэнтрацыі, мінімізуючы зніжэнне патоку, адначасова абараняючы цэласнасць прадукту.

6.2. Частата замены мембраны і тэхнічнае абслугоўванне

Частата замены мембран пры ультрафільтрацыі цесна звязана з паказчыкамі забруджвання і зніжэння патоку. Замест таго, каб спадзявацца выключна на адноснае зніжэнне патоку як паказчык канца тэрміну службы, маніторынг удзельнай устойлівасці да забруджвання — колькаснай меры, якая адлюстроўвае супраціўленне, выкліканае назапашаным матэрыялам, — аказаўся больш надзейным, асабліва ў змешаных бялковых або бялкова-поліцукрыдных кормах, дзе забруджванне можа адбывацца хутчэй і больш моцна.

Маніторынг дадатковых індыкатараў забруджвання таксама мае вырашальнае значэнне. Бачныя прыкметы паверхневых адкладаў, нераўнамерны паток пермеата або пастаяннае павелічэнне TMP (нягледзячы на ачыстку) з'яўляюцца папераджальнымі сігналамі аб прагрэсавальным забруджванні, якое папярэднічае разбурэнню мембраны. Такія метады, як адсочванне мадыфікаванага індэкса забруджвання (MFI-UF) і яго карэляцыя з прадукцыйнасцю мембраны, дазваляюць прагназаваць замену, а не рэактыўныя змены, тым самым мінімізуючы час прастою і кантралюючы выдаткі на тэхнічнае абслугоўванне.

Цэласнасць мембраны парушаецца не толькі назапашваннем арганічных забруджванняў, але і карозіяй, асабліва ў працэсах, якія працуюць пры экстрэмальных значэннях pH або высокай канцэнтрацыі соляў. Неабходна рэгулярна праводзіць праверкі і хімічную ачыстку для барацьбы як з карозіяй, так і з адкладамі забруджванняў. Пры выяўленні забруджванняў, звязаных з карозіяй, неабходна скарэктаваць частату ачысткі і інтэрвалы замены мембраны, каб забяспечыць працяглы тэрмін службы мембраны і стабільную працу ультрафільтрацыйнай мембраны. Стараннае планавае тэхнічнае абслугоўванне мае важнае значэнне для змякчэння ўздзеяння гэтых праблем і падаўжэння эфектыўнай працы.

6.3. Кіраванне працэсам і вымярэнне глейкасці ў працэсе

Дакладнае вымярэнне глейкасці бялковага раствора ў рэжыме рэальнага часу мае важнае значэнне для кіравання працэсам ультрафільтрацыі, асабліва пры павелічэнні канцэнтрацыі і глейкасці. Убудаваныя сістэмы вымярэння глейкасці забяспечваюць бесперапынны маніторынг, што дазваляе атрымліваць неадкладную зваротную сувязь і дынамічную карэкціроўку параметраў сістэмы.

Новыя тэхналогіі змянілі ландшафт вымярэння глейкасці бялковых раствораў:

Раманава-спектраскапія з фільтрацыяй КалманаРаманаўскі аналіз у рэжыме рэальнага часу з падтрымкай пашыраных фільтраў Калмана дазваляе надзейна адсочваць канцэнтрацыю бялку і склад буфера. Гэты падыход павышае адчувальнасць і дакладнасць, падтрымліваючы аўтаматызацыю працэсаў ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі і дыяфільтрацыі.

Аўтаматызаваная кінематычная капілярная вісказіметрыяВыкарыстоўваючы камп'ютэрны зрок, гэтая тэхналогія аўтаматычна вымярае глейкасць раствора, пераадольваючы памылкі ўручную і забяспечваючы паўтаральны, мультыплексны маніторынг некалькіх працэсных патокаў. Яна праверана як для стандартных, так і для складаных бялковых фармулёвак і памяншае ўмяшанне падчас фазы ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі.

Прылады для мікрафлюіднай рэалогііМікрафлюідныя сістэмы забяспечваюць падрабязныя, бесперапынныя рэалагічныя профілі, нават для неньютонаўскіх бялковых раствораў з высокай глейкасцю. Яны асабліва каштоўныя ў фармацэўтычнай вытворчасці, падтрымліваючы стратэгіі працэсных аналітычных тэхналогій (PAT) і інтэграцыю з цыкламі зваротнай сувязі.

Кіраванне працэсамі з дапамогай гэтых інструментаў дазваляе рэалізаваць цыклы зваротнай сувязі для карэкціроўкі тэмпературы паверхні мембраны (TMP), хуткасці падачы або хуткасці папярочнага патоку ў рэжыме рэальнага часу ў адказ на змены глейкасці. Напрыклад, калі ўбудаваныя датчыкі выяўляюць раптоўнае павышэнне глейкасці (з-за павелічэння канцэнтрацыі або агрэгацыі), TMP можа быць аўтаматычна зніжана або хуткасць папярочнага патоку павялічвацца, каб абмежаваць пачатак палярызацыі канцэнтрацыі пры ультрафільтрацыі. Гэты падыход не толькі падаўжае тэрмін службы мембраны, але і падтрымлівае стабільную якасць прадукцыі, дынамічна кіруючы фактарамі, якія ўплываюць на глейкасць бялковых раствораў.

Выбар найбольш прыдатнай тэхналогіі маніторынгу глейкасці залежыць ад канкрэтных патрабаванняў да ультрафільтрацыі, у тым ліку ад чаканага дыяпазону глейкасці, складанасці фармулявання бялку, патрэб інтэграцыі і кошту. Гэтыя дасягненні ў галіне маніторынгу ў рэжыме рэальнага часу і дынамічнага кіравання працэсамі значна палепшылі магчымасці аптымізацыі ультрафільтрацыі для раствораў бялку з высокай глейкасцю, забяспечваючы як аперацыйную стабільнасць, так і высокі выхад прадукту.

Пошук і ліквідацыя непаладак і распаўсюджаныя праблемы пры ультрафільтрацыі бялку

7.1. Сімптомы, прычыны і метады лячэння

Павышаны трансмембранны ціск

Павелічэнне трансмембраннага ціску (ТМЦ) падчас ультрафільтрацыі сведчыць аб павелічэнні супраціўлення праз мембрану. Уплыў трансмембраннага ціску на ультрафільтрацыю з'яўляецца прамым: нармальны дыяпазон трансмембраннага ціску звычайна залежыць ад працэсу, але ўстойлівае павелічэнне патрабуе даследавання. Вылучаюцца дзве распаўсюджаныя прычыны:

Больш высокая глейкасць бялковага раствора:Па меры павелічэння глейкасці бялковых раствораў — звычайна пры высокай канцэнтрацыі бялку пры ультрафільтрацыі — ціск, неабходны для патоку, павялічваецца. Гэта відавочна на этапах канчатковай канцэнтрацыі і дыяфільтрацыі, дзе растворы найбольш глейкасць.
Забруджванне мембраны:Такія забруджвальнікі, як бялковыя агрэгаты або сумесі поліцукрыдаў і бялкоў, могуць прыліпаць да мембранных пор або блакаваць іх, што прыводзіць да хуткага павышэння ўзроўню TMP.

Сродкі прававой абароны:

Знізіць TMP і павялічыць паток падачыЗніжэнне тэмпературы паверхні матэрыялу (TMP) пры адначасовым павелічэнні хуткасці падачы памяншае палярызацыю канцэнтрацыі і ўтварэнне гелевага пласта, спрыяючы стабільнаму патоку.
Рэгулярная чыстка мембраныУсталюйце аптымальную частату ачысткі мембраны для выдалення назапашаных забруджванняў. Кантралюйце эфектыўнасць з дапамогай вымярэння глейкасці бялковага раствора пасля ачысткі.
Замяніць састарэлыя мембраныКалі ачыстка недастатковая або тэрмін службы мембраны скончыўся, можа спатрэбіцца больш частая замена мембраны.

Зніжэнне хуткасці патоку: дыягнастычнае дрэва

Паслядоўнае зніжэнне патоку падчас фазы ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі сведчыць аб праблемах з прадукцыйнасцю. Выконвайце наступны дыягнастычны падыход:

Кантралюйце тэмпературу ўсмоктвання (TMP) і глейкасць:Калі абодва паказчыкі павялічыліся, праверце на наяўнасць забруджванняў або гелевага пласта.
Праверце склад корму і pH:Зрухі тут могуць змяніць глейкасць бялковых раствораў і спрыяць абрастанню.
Ацаніце прадукцыйнасць мембраны:Зніжэнне патоку пермеата, нягледзячы на ачыстку, сігналізуе аб магчымым пашкоджанні мембраны або незваротным забруджванні.

Рашэнні:

Аптымізацыя тэмпературы, pH і іённай сілы ў сыравіне для памяншэння забруджванняў і палярызацыі канцэнтрацыі пры ультрафільтрацыі.
Выкарыстоўвайце модулі з мадыфікаванай паверхняй або вярчальныя мембранныя модулі, каб парушыць гелевыя пласты і аднавіць паток.
Праводзьце рэгулярныя вымярэнні глейкасці бялковага раствора, каб прадбачыць змены, якія ўплываюць на паток.

Хуткае абрастанне або ўтварэнне гелевага пласта

Хуткае ўтварэнне гелевага пласта з'яўляецца вынікам празмернай канцэнтрацыйнай палярызацыі на паверхні мембраны. Трансмембранны ціск пры папярочнай фільтрацыі (TFF) асабліва адчувальны ва ўмовах высокай глейкасці або высокага ўтрымання бялку.

Стратэгіі змякчэння наступстваў:

Выкарыстоўвайце гідрафільныя, адмоўна зараджаныя мембранныя паверхні (напрыклад, мембраны з полівінілідэнфтарыду [PVDF]), каб мінімізаваць звязванне і прымацаванне бялкоў.
Перад ультрафільтрацыяй корм папярэдне апрацоўвайце каагуляцыяй або электракаагуляцыяй для выдалення рэчываў, якія ўтрымліваюць высокія забруджванні.
Інтэгруйце механічныя прылады, такія як круцільныя модулі, у працэс фільтрацыі з папярочным патокам, каб паменшыць таўшчыню пласта асадка і запаволіць утварэнне пласта геля.

7.2. Адаптацыя да зменлівасці корму

Сістэмы ультрафільтрацыі бялку павінны адаптавацца да зменлівасці ўласцівасцей або складу бялку корму. Фактары, якія ўплываюць на глейкасць бялковых раствораў, такія як склад буфера, канцэнтрацыя бялку і схільнасць да агрэгацыі, могуць змяніць паводзіны сістэмы.

Стратэгіі рэагавання

Маніторынг глейкасці і складу ў рэжыме рэальнага часу:Разгарніце ўбудаваныя аналітычныя датчыкі (раманаўскай спектраскапіі + фільтрацыі Калмана) для хуткага выяўлення змяненняў падачы, пераўзыходзячы традыцыйныя УФ- або ІЧ-метады.
Адаптыўнае кіраванне працэсамі:Змяніце параметры (хуткасць патоку, TMP, мембранны адбор) у адказ на выяўленыя змены. Напрыклад, павышаная глейкасць бялковага раствора можа запатрабаваць больш нізкага TMP і высокіх хуткасцей зруху.
Выбар мембраны:Выкарыстоўвайце мембраны з памерам пор і хімічным складам паверхні, аптымізаванымі для бягучых уласцівасцей корму, збалансаваўшы ўтрыманне бялку і яго паток.
Папярэдняя апрацоўка корму:Калі рэзкія змены ў характары сыравіны спрыяюць забруджванню, перад ультрафільтрацыяй увядзіце этапы каагуляцыі або фільтрацыі.

Прыклады:

Пры біяапрацоўцы пераключэнне буфера або змены ў агрэгатах антыцелаў павінны выклікаць карэкціроўку TMP і патоку праз сістэму кіравання.
Для храматаграфічна-звязанай ультрафільтрацыі адаптыўныя алгарытмы аптымізацыі змешвання цэлага ліку могуць мінімізаваць зменлівасць і знізіць эксплуатацыйныя выдаткі, захоўваючы пры гэтым прадукцыйнасць ультрафільтрацыйнай мембраны.

Руціннае адсочванне вымярэння глейкасці бялковага раствора і неадкладная карэкціроўка ўмоў працэсу дапамагаюць аптымізаваць канцэнтрацыю ультрафільтрацыі, падтрымліваць прапускную здольнасць і мінімізаваць забруджванне мембран і палярызацыю канцэнтрацыі.

Часта задаваныя пытанні

8.1. Які нармальны дыяпазон трансмембраннага ціску пры ультрафільтрацыі бялковых раствораў?

Нармальны дыяпазон трансмембраннага ціску (TMP) у сістэмах ультрафільтрацыі бялку залежыць ад тыпу мембраны, канструкцыі модуля і характарыстык падачы. Для большасці працэсаў ультрафільтрацыі бялку TMP звычайна падтрымліваецца ў межах ад 1 да 3 бар (15–45 фунтаў на квадратны дюйм). Значэнні TMP вышэй за 0,2 МПа (каля 29 фунтаў на квадратны дюйм) могуць прывесці да пашкоджання мембраны, хуткага забруджвання і скарачэння тэрміну службы мембраны. У біямедыцынскіх і біяапрацоўчых прымяненнях рэкамендаваны TMP звычайна не павінен перавышаць 0,8 бар (~12 фунтаў на квадратны дюйм), каб пазбегнуць разрыву мембраны. Для такіх працэсаў, як папярочная фільтрацыя, знаходжанне ў гэтым дыяпазоне TMP гарантуе як выхад, так і цэласнасць бялку.

8.2. Як глейкасць бялковых раствораў уплывае на прадукцыйнасць ультрафільтрацыі?

Глейкасць бялковага раствора непасрэдна ўплывае на прадукцыйнасць ультрафільтрацыйнага канцэнтравання. Высокая глейкасць павялічвае супраціў патоку і павышае тэмпературу паверхні мембраны (TMP), што прыводзіць да зніжэння патоку пермеата і хуткага забруджвання мембран. Гэты эфект выяўлены пры выкарыстанні моноклональных антыцелаў або Fc-злітых бялкоў пры высокай канцэнтрацыі, дзе глейкасць павялічваецца з-за ўзаемадзеяння бялкоў і эфектаў зарада. Кіраванне і аптымізацыя глейкасці з дапамогай дапаможных рэчываў або ферментатыўнай апрацоўкі паляпшае паток, памяншае забруджванне і дазваляе дасягнуць больш высокіх канцэнтрацый падчас фазы ультрафільтрацыйнага канцэнтравання. Маніторынг вымярэння глейкасці бялковага раствора мае вырашальнае значэнне для падтрымання эфектыўнасці апрацоўкі.

8.3. Што такое канцэнтрацыйная палярызацыя і чаму яна важная ў TFF?

Канцэнтрацыйная палярызацыя пры ультрафільтрацыі — гэта назапашванне бялкоў на паверхні мембраны, што выклікае градыент паміж аб'ёмам раствора і паверхняй падзелу мембраны. Пры папярочнай фільтрацыі гэта прыводзіць да павелічэння лакальнай глейкасці і патэнцыйна зварачальнага зніжэння патоку. Калі гэта не кантраляваць, гэта можа спрыяць забруджванню мембраны і зніжаць эфектыўнасць сістэмы. Рашэнне праблемы канцэнтрацыйнай палярызацыі пры ультрафільтрацыі прадугледжвае аптымізацыю хуткасці папярочнага патоку, тэмпературы паверхні мембраны (TMP) і выбару мембраны для падтрымання тонкага палярызацыйнага пласта. Дакладны кантроль забяспечвае высокую прапускную здольнасць і нізкую рызыку забруджвання.

8.4. Як мне вырашыць, калі трэба замяніць ультрафільтрацыйную мембрану?

Замяняйце ультрафільтрацыйную мембрану, калі вы назіраеце значнае зніжэнне прапускной здольнасці (патоку), пастаяннае павелічэнне TMP, якое не можа быць ліквідавана стандартнай ачысткай, або бачныя забруджванні, якія застаюцца пасля ачысткі. Дадатковыя паказчыкі ўключаюць страту селектыўнасці (немагчымасць адхілення мэтавых бялкоў, як чакалася) і немагчымасць дасягнуць характарыстык прадукцыйнасці. Маніторынг частаты замены мембраны з дапамогай рэгулярных выпрабаванняў патоку і селектыўнасці з'яўляецца асновай для максімальнага падаўжэння тэрміну службы мембраны ў працэсах ультрафільтрацыі канцэнтрацыі бялковых раствораў.

8.5. Якія эксплуатацыйныя параметры можна адрэгуляваць, каб мінімізаваць забруджванне бялком у TFF?

Асноўныя эксплуатацыйныя параметры для мінімізацыі забруджвання бялком пры папярочнай фільтрацыі ўключаюць:

Падтрымлівайце адэкватную хуткасць папярочнага патоку, каб паменшыць лакальнае назапашванне бялку і кіраваць палярызацыяй канцэнтрацыі.
Каб пазбегнуць празмернай уцечкі прадукту і пашкоджання мембраны, працуйце ў рэкамендаваным дыяпазоне тэмпературнага ціску, звычайна 3–5 фунтаў на квадратны дюйм (0,2–0,35 бар).
Рэгулярна выконвайце пратаколы ачысткі мембран, каб абмежаваць незваротнае забруджванне.
Кантралюйце і, пры неабходнасці, папярэдне апрацоўвайце вадкі раствор для кантролю глейкасці (напрыклад, з выкарыстаннем ферментатыўных сродкаў, такіх як пекціназа).
Выберыце мембранныя матэрыялы і памеры пор (MWCO), якія падыходзяць для памеру мэтавага бялку і мэтаў працэсу.

Інтэграцыя папярэдняй фільтрацыі з дапамогай гідрацыклонаў або ферментатыўнай папярэдняй апрацоўкі можа палепшыць прадукцыйнасць сістэмы, асабліва для высокаглейкай сыравіны. Уважліва адсочвайце склад сыравіны і дынамічна карэктуйце налады, каб мінімізаваць забруджванне мембран і аптымізаваць фазу ультрафільтрацыйнай канцэнтрацыі.