Контролирането на вискозитета на протеиновите разтвори е жизненоважно за оптимизиране на процесите на ултрафилтрационна концентрация в биофармацевтичното производство. Повишеният вискозитет в протеиновите разтвори – особено при високи концентрации на протеини – влияе пряко върху производителността на мембраната, ефективността на процеса и икономиката при приложенията за ултрафилтрационна концентрация на протеини. Вискозитетът на разтвора се увеличава с увеличаване на съдържанието на протеин поради групирането на антитела и електростатичните взаимодействия, които увеличават съпротивлението на потока и пада на налягането през ултрафилтрационната мембрана. Това води до по-ниски потоци на пермеата и по-дълго време на работа, особено при процесите на напречна филтрация (TFF).
Трансмембранното налягане (ТМН), движещата сила зад ултрафилтрацията, е тясно свързано с вискозитета. Работата извън нормалния диапазон на трансмембранно налягане ускорява замърсяването на мембраната и изостря концентрационната поляризация – натрупването на протеини близо до мембраната, което непрекъснато увеличава локалния вискозитет. Както концентрационната поляризация, така и замърсяването на мембраната водят до намалена производителност на ултрафилтрационната мембрана и могат да съкратят живота ѝ, ако не се контролират. Експериментална работа показва, че замърсяването на мембраната и концентрационната поляризация при ултрафилтрация са по-изразени при по-високи стойности на ТМН и с по-вискозни материали, което прави контрола на ТМН в реално време от съществено значение за максимизиране на производителността и минимизиране на честотата на почистване.
Оптимизирането на концентрацията на ултрафилтрация изисква интегрирани стратегии:
- Измерване на вискозитета на протеиновия разтворРедовни оценки на вискозитета – с помощта навградени вискозиметри—помагат за прогнозиране на скоростите на филтриране и предвиждане на затруднения в процеса, като по този начин подпомагат бързите модификации на процеса.
- Кондициониране на фуражитеРегулирането на pH, йонната сила и температурата може да понижи вискозитета и да намали замърсяването. Например, добавянето на натриеви йони засилва хидратационното отблъскване между протеините, смекчавайки агрегацията и замърсяването, докато калциевите йони са склонни да насърчават образуването на мостове между протеините и замърсяването.
- Употреба на помощни веществаВключването на ексципиенти, понижаващи вискозитета, във висококонцентрирани протеинови разтвори подобрява пропускливостта на мембраната и намалява трансмембранното налягане при ултрафилтрация, повишавайки общата ефективност.
- Усъвършенствани режими на потокаУвеличаването на скоростта на напречния поток, използването на редуващ се напречен поток или използването на инжектиране на въздушна струя разрушава слоевете замърсяване. Тези техники спомагат за поддържане на потока на пермеата и намаляват честотата на подмяна на мембраната, като минимизират образуването на отлагания.
- Избор и почистване на мембранаИзборът на химически устойчиви мембрани (напр. SiC или термоизпъкнали хибриди) и оптимизирането на честотата на почистване на мембраните с подходящи протоколи (напр. почистване с натриев хипохлорит) са от решаващо значение за удължаване на живота на мембраните и намаляване на оперативните разходи.
Като цяло, ефективният контрол на вискозитета и управлението на TMP са крайъгълният камък на успешното представяне на ултрафилтрационната концентрационна фаза, като пряко влияят върху добива на продукта, честотата на почистване на мембраните и дълготрайността на скъпите мембранни активи.
Разбиране на вискозитета на протеиновия разтвор при ултрафилтрация
1.1. Какъв е вискозитетът на протеиновите разтвори?
Вискозитетът описва съпротивлението на течността срещу потока; в протеиновите разтвори той показва доколко молекулярното триене възпрепятства движението. Единицата в SI за вискозитет е паскал-секунда (Pa·s), но сантипоаз (cP) обикновено се използва за биологични течности. Вискозитетът влияе пряко върху това колко лесно протеиновите разтвори могат да бъдат изпомпвани или филтрирани по време на производството и влияе върху доставянето на лекарства, особено за биотерапевтични продукти с висока концентрация.
Концентрацията на протеини е доминиращият фактор, влияещ върху вискозитета. С повишаване на нивата на протеините, междумолекулните взаимодействия и струпването се увеличават, което води до повишаване на вискозитета, често нелинейно. Над определен праг, взаимодействията протеин-протеин допълнително потискат дифузията в разтвора. Например, концентрираните разтвори на моноклонални антитела, използвани във фармацевтичните продукти, често достигат нива на вискозитет, които затрудняват подкожното инжектиране или ограничават скоростта на обработка.
Моделите, предсказващи вискозитета в концентрирани протеинови разтвори, вече включват молекулярна геометрия и тенденции към агрегация. Морфологията на протеина – независимо дали е удължена, кълбовидна или склонна към агрегация – влияе значително върху вискозитета при високи концентрации. Последните постижения в микрофлуидната оценка позволяват прецизно измерване на вискозитета от минимални обеми на пробите, което улеснява бързия скрининг на нови протеинови формулировки.
1.2. Как се променя вискозитетът по време на ултрафилтрация
По време на ултрафилтрация, концентрационната поляризация бързо натрупва протеини на границата между мембраната и разтвора. Това създава стръмни локални концентрационни градиенти и повишава вискозитета близо до мембраната. Повишеният вискозитет в тази област възпрепятства масопреноса и намалява потока на пермеата.
Концентрационната поляризация е различна от мембранното замърсяване. Поляризацията е динамична и обратима, като се случва в рамките на минути с напредването на филтрацията. За сравнение, замърсяването се развива с течение на времето и често включва необратимо отлагане или химическа трансформация на повърхността на мембраната. Точната диагностика позволява проследяване в реално време на слоя на концентрационна поляризация, разкривайки неговата чувствителност към скоростта на напречния поток и трансмембранното налягане. Например, увеличаването на скоростта или намаляването на трансмембранното налягане (TMP) помага за разрушаване на вискозния граничен слой, възстановявайки потока.
Работните параметри пряко влияят на вискозитетното поведение:
- Трансмембранно налягане (ТМН)По-високата температура на термомеханично налягане (TMP) засилва поляризацията, повишавайки локалния вискозитет и намалявайки потока.
- Скорост на напречния потокПовишената скорост ограничава натрупването, като по този начин модерира вискозитета близо до мембраната.
- Честота на почистване на мембранатаЧестото почистване намалява дългосрочното натрупване и смекчава загубата на производителност, причинена от вискозитета.
Фазите на ултрафилтрационна концентрация трябва да оптимизират тези параметри, за да се сведат до минимум неблагоприятните ефекти върху вискозитета и да се поддържа производителността.
1.3. Свойства на протеиновия разтвор, влияещи върху вискозитета
Молекулно теглоисъставопределят главно вискозитета. По-големите, по-сложни протеини или агрегати водят до по-висок вискозитет поради затруднено движение и по-значителни междумолекулни сили. Формата на протеините допълнително модулира потока – удължените или склонни към агрегация вериги причиняват по-голямо съпротивление от компактните глобуларни протеини.
pHвлияе критично върху заряда и разтворимостта на протеина. Регулирането на pH на разтвора близо до изоелектричната точка на протеина минимизира нетния заряд, намалява отблъскването протеин-протеин и временно понижава вискозитета, улеснявайки филтрацията. Например, провеждането на ултрафилтрация близо до изоелектричната точка на BSA или IgG може значително да подобри пермеатния поток и селективността на разделяне.
Йонна силавлияе на вискозитета чрез промяна на електрическия двоен слой около протеините. Повишената йонна сила екранира електростатичните взаимодействия, насърчавайки предаването на протеини през мембраните, но също така повишавайки риска от агрегация и съответните пикове на вискозитета. Компромисът между ефективността на предаване и селективността често зависи от фина настройка на концентрациите на соли и състава на буфера.
Малки молекулярни добавки – като аргинин хидрохлорид или гуанидин – могат да се използват за намаляване на вискозитета. Тези агенти нарушават хидрофобното или електростатичното привличане, намаляват агрегацията и подобряват свойствата на течливост на разтвора. Температурата действа като допълнителна контролна променлива; по-ниските температури увеличават вискозитета, докато допълнителната топлина често го намалява.
Измерването на вискозитета на протеиновия разтвор трябва да вземе предвид:
- Разпределения на молекулното тегло
- Състав на разтвора (соли, помощни вещества, добавки)
- Избор на pH и буферна система
- Настройка на йонната сила
Тези фактори са от решаващо значение за оптимизиране на производителността на ултрафилтрационната мембрана и осигуряване на постоянство в различните фази на концентрация и TFF процесите.
Основи на ултрафилтрационната протеинова концентрация
Принципи на ултрафилтрационната концентрационна фаза
Ултрафилтрационното концентриране на протеини се осъществява чрез прилагане на трансмембранно налягане (TMP) през полупропусклива мембрана, като разтворителят и малките разтворени вещества преминават през тях, като същевременно се задържат протеините и по-големите молекули. Процесът използва селективно проникване, базирано на размера на молекулите, като граничното молекулно тегло на мембраната (MWCO) определя максималния размер на преминаващите молекули. Протеините, надвишаващи MWCO, се натрупват от страната на ретентата, увеличавайки концентрацията си с отвеждането на пермеата.
Фазата на ултрафилтрационна концентрация е насочена към намаляване на обема и обогатяване на протеиновия разтвор. С напредването на филтрацията вискозитетът на протеиновия разтвор обикновено се повишава, което влияе върху изискванията за поток и TMP. Задържаните протеини могат да взаимодействат помежду си и с мембраната, което прави реалния процес по-сложен от простото изключване по размер. Електростатичните взаимодействия, агрегацията на протеините и характеристиките на разтвора, като pH и йонна сила, влияят върху резултатите от задържането и разделянето. В някои случаи адвективният транспорт доминира над дифузията, особено в мембрани с по-големи пори, което усложнява очакванията, основани единствено на избора на MWCO [вижте резюмето на изследването].
Обяснение на напречната филтрация на потока (TFF)
Филтрацията с напречен поток, наричана още тангенциална филтрация на потока (TFF), насочва протеиновия разтвор тангенциално през повърхността на мембраната. Този подход е в контраст с филтрацията с дефибрилация, където потокът е перпендикулярен на мембраната, изтласквайки частиците директно върху и във филтъра.
Ключови отличия и въздействия:
- Контрол на замърсяването:TFF намалява натрупването на протеинови и частицови слоеве, известни като образуване на утайка, чрез непрекъснато отстраняване на потенциални замърсители от мембраната. Това води до по-стабилен пермеатен поток и по-лесна поддръжка.
- Задържане на протеини:TFF подпомага по-доброто управление на концентрационната поляризация – слой от задържани молекули близо до мембраната – който, ако не се контролира, може да намали селективността на разделяне и да засили замърсяването. Динамичният поток в TFF смекчава този ефект, като спомага за поддържането на високо задържане на протеини и ефективност на разделяне.
- Стабилност на потока:TFF позволява по-дълги периоди на работа при постоянен поток, повишавайки ефективността в процесите с високопротеинови или богати на частици суровини. За разлика от това, филтрацията в мъртва зона бързо се затруднява от замърсяване, намалява производителността и изисква чести почистващи интервенции.
Усъвършенстваните варианти на TFF, като например алтернативен тангенциален поток (ATF), допълнително нарушават замърсяването и образуването на утайка чрез периодично обръщане или промяна на тангенциалните скорости, удължавайки живота на филтъра и подобрявайки пропускателната способност на протеините [вижте резюмето на изследването]. Както в класическите, така и в усъвършенстваните TFF настройки, оперативните настройки – като TMP, скорост на напречния поток и честота на почистване – трябва да бъдат съобразени със специфичната протеинова система, типа мембрана и целевата концентрация, за да се оптимизира производителността и да се сведе до минимум замърсяването.
Трансмембранно налягане (ТМН) при ултрафилтрация
3.1. Какво е трансмембранно налягане?
Трансмембранното налягане (ТМН) е разликата в налягането през филтрационната мембрана, която движи разтворителя от страната на захранването към страната на пермеата. ТМН е основната сила зад процеса на разделяне при ултрафилтрация, позволявайки на разтворителя да премине през мембраната, като същевременно задържа протеини и други макромолекули.
Формула на ТМП:
- Проста разлика: TMP = P_feed − P_permeate
- Инженерен метод: TMP = [(P_подаване + P_ретентат)/2] − P_пермеат
Тук P_feed е входното налягане, P_retentate е изходното налягане от страната на ретентата, а P_permeate е налягането от страната на пермеата. Включването на налягането на ретентата (или концентрата) осигурява по-точна стойност по повърхността на мембраната, отчитайки градиентите на налягането, причинени от съпротивлението на потока и замърсяването. - Налягане на подаване и дебит
- Налягане на ретентата (когато е приложимо)
- Налягане на пермеата (често атмосферно)
- Мембранно съпротивление
TMP варира в зависимост от вида на мембраната, дизайна на системата и условията на процеса.
Контролиращи променливи:
3.2. TMP и процесът на ултрафилтрация
ТМП играе централна роля в концентрацията на протеини при ултрафилтрация, като прокарва протеиновите разтвори през мембраната. Налягането трябва да бъде достатъчно високо, за да преодолее съпротивлението на мембраната и евентуално натрупания материал, но не толкова високо, че да ускори замърсяването.
Влияние на вискозитета на разтвора и концентрацията на протеини
- Вискозитет на протеинови разтвори:По-високият вискозитет увеличава съпротивлението на потока, което изисква по-висока температура на замърсяване (TMP), за да се поддържа същият пермеатен поток. Например, добавянето на глицерол към захранващия поток или работата с концентрирани протеини повишава вискозитета и по този начин необходимата работна температура на замърсяване (TMP).
- Концентрация на протеин:С увеличаване на концентрацията по време на фазата на ултрафилтрационна концентрация, вискозитетът на разтвора се повишава, температурата на разтвора (TMP) се увеличава и рискът от замърсяване на мембраната или концентрационна поляризация нараства.
- Законът на Дарси:TMP, пермеатният поток (J) и вискозитетът (μ) са свързани чрез TMP = J × μ × R_m (мембранно съпротивление). За протеинови разтвори с висок вискозитет, внимателното регулиране на TMP е жизненоважно за ефективна ултрафилтрация.
Примери:
- Ултрафилтрацията на плътни разтвори на антитела изисква внимателно управление на TMP, за да се противодейства на нарастващия вискозитет.
- ПЕГилирането или други протеинови модификации променят взаимодействието с мембраната, засягайки TMP, необходим за желания поток.
3.3. Мониторинг и оптимизиране на TMP
Поддържане на TMP в рамките нанормален диапазон на трансмембранно наляганее от решаващо значение за стабилната работа на ултрафилтрационната мембрана и качеството на продукта. С течение на времето, с напредването на ултрафилтрацията, поляризацията на концентрацията и замърсяването могат да доведат до повишаване на TMP, понякога бързо.
Практики за мониторинг:
- Мониторинг в реално време:TMP се проследява чрез входа, ретентата и пермеата.предаватели на налягане.
- Раманова спектроскопия:Използва се за неинвазивен мониторинг на концентрациите на протеини и ексципиенти, улеснявайки адаптивния контрол на TMP по време на ултрафилтрация и диафилтрация.
- Разширен контрол:Разширените филтри на Калман (EKF) могат да обработват данни от сензори, като автоматично регулират температурата на водата (TMP), за да се избегне прекомерно замърсяване.
- Задайте началната TMP в нормални граници:Не е твърде ниско, за да се намали потокът, не е твърде високо, за да се избегне бързо замърсяване.
- Регулирайте температурата на температурата (TMP) с увеличаване на вискозитета:По време на фазата на ултрафилтрационна концентрация, постепенно увеличавайте TMP само при необходимост.
- Контрол на потока на фуража и pH:Увеличаването на потока на захранване или понижаването на температурата на смесване (TMP) смекчава поляризацията на концентрацията и замърсяването.
- Почистване и подмяна на мембрана:По-високите стойности на температурата на термомеханична обработка (TMP) са свързани с по-често почистване и намален живот на мембраната.
Оптимизиращи стратегии:
Примери:
- Корозионното замърсяване в линиите за преработка на протеини води до повишена температура на обработка (TMP) и намален поток, което изисква почистване или подмяна на мембраната, за да се възстанови нормалната работа.
- Ензимната предварителна обработка (напр. добавяне на пектиназа) може да понижи TMP и да удължи живота на мембраната по време на ултрафилтрация на рапичен протеин с висок вискозитет.
3.4. TMP в TFF системи
Тангенциалната (напречна) филтрация на потока (TFF) работи чрез насочване на захранващия разтвор през мембраната, а не директно през нея, което значително влияе върху динамиката на TMP.
Регулиране и баланс на ТМП
- Трансмембранно налягане на TFF (TFF TMP):Управлява се чрез контролиране както на дебита на подаване, така и на налягането на помпата, за да се избегне прекомерна температура на нагряване (TMP), като същевременно се максимизира потокът на пермеата.
- Оптимизиране на параметрите:Увеличаването на потока на храна намалява локалното отлагане на протеини, стабилизира TMP и намалява замърсяването на мембраната.
- Компютърно моделиране:CFD моделите предсказват и оптимизират TFF TMP за максимално възстановяване, чистота и добив на продукта – особено жизненоважни за процеси като изолиране на иРНК или извънклетъчни везикули.
Примери:
- При биопроцесирането, оптималният TFF TMP води до >70% възстановяване на иРНК без разграждане, превъзхождайки методите за ултрацентрофугиране.
- Адаптивният контрол на температурата на повърхността (TMP), базиран на математически модели и обратна връзка от сензори, намалява честотата на смяна на мембраната и удължава живота ѝ чрез намаляване на замърсяването.
Ключови изводи:
- Трансмембранното налягане на TMP трябва да се управлява активно в TFF, за да се поддържа ефективността на процеса, потокът и здравето на мембраната.
- Систематичната оптимизация на TMP намалява оперативните разходи, поддържа извличането на продукти с висока чистота и удължава живота на мембраните при ултрафилтрация на протеини и свързани процеси.
Механизми на замърсяване и тяхната връзка с вискозитета
Основни пътища на замърсяване при ултрафилтрация на протеини
Ултрафилтрацията на протеини се влияе от няколко различни пътя на замърсяване:
Корозионно замърсяване:Възниква, когато продукти от корозия – обикновено железни оксиди – се натрупат върху повърхностите на мембраните. Те намаляват флукса и са трудни за отстраняване със стандартни химически почистващи препарати. Корозионното замърсяване води до трайна загуба на мембранни характеристики и увеличава честотата на подмяна с течение на времето. Въздействието му е особено тежко при PVDF и PES мембрани, използвани за пречистване на вода и протеинови приложения.
Органично замърсяване:Предимно индуцирано от протеини като говежди серумен албумин (BSA) и може да се засили в присъствието на други органични вещества като полизахариди (напр. натриев алгинат). Механизмите включват адсорбция върху мембранните пори, запушване на порите и образуване на слой „кейк“. Синергични ефекти се появяват, когато присъстват множество органични компоненти, като системите със смесени замърсявания изпитват по-тежко замърсяване, отколкото системите с единичен протеин.
Концентрационна поляризация:С напредването на ултрафилтрацията, задържаните протеини се натрупват близо до повърхността на мембраната, увеличавайки локалната концентрация и вискозитета. Това създава поляризационен слой, който повишава склонността към замърсяване и намалява потока. Процесът се ускорява с напредването на фазата на ултрафилтрационна концентрация, пряко повлиян от трансмембранното налягане и динамиката на потока.
Колоидно и смесено замърсяване:Колоидните вещества (напр. силициев диоксид, неорганични минерали) могат да взаимодействат с протеините, създавайки сложни агрегатни слоеве, които изострят замърсяването на мембраните. Наличието на колоиден силициев диоксид, например, значително намалява скоростта на потока, особено когато е комбиниран с органични вещества или при неоптимални условия на pH.
Влияние на вискозитета на разтвора върху развитието на замърсяване
Вискозитетът на протеиновите разтвори силно влияе върху кинетиката на замърсяване и уплътняването на мембраната:
Ускорено замърсяване:По-високият вискозитет на протеиновия разтвор увеличава съпротивлението срещу обратен транспорт на задържаните разтворени вещества, което улеснява по-бързото образуване на слой „кейка“. Това увеличава трансмембранното налягане (TMP), ускорявайки уплътняването и замърсяването на мембраната.
Ефекти от състава на разтвора:Видът протеин променя вискозитета; глобуларните протеини (напр. BSA) и разширените протеини се държат различно по отношение на потока и поляризацията. Добавянето на съединения като полизахариди или глицерол значително повишава вискозитета, което насърчава замърсяването. Добавките и агрегацията на протеини при високи концентрации допълнително усилват скоростта, с която мембраните се запушват, като директно намаляват както потока, така и живота на мембраната.
Оперативни последици:По-високият вискозитет изисква повишена температура на напречното налягане (TMP), за да се поддържат скоростите на филтрация при процеси на напречна филтрация. Продължителното излагане на висока температура на напречното налягане (TMP) води до необратимо замърсяване, което често налага по-често почистване на мембраната или по-ранна подмяна на мембраната.
Роля на характеристиките на фуражите
Характеристиките на фуража – а именно свойствата на протеините и химичният състав на водата – определят тежестта на замърсяването:
Размер и разпределение на протеина:По-големите или агрегирани протеини имат по-голяма склонност да причиняват запушване на порите и натрупване на утайка, повишавайки вискозитета и тенденциите за уплътняване по време на ултрафилтрационното концентриране на протеини.
pH:Повишеното pH увеличава електростатичното отблъскване, предотвратявайки агрегирането на протеините близо до мембраната, като по този начин намалява замърсяването. За разлика от това, киселинните условия намаляват отблъскването, особено за колоидния силициев диоксид, изостряйки замърсяването на мембраната и намалявайки скоростта на потока.
Температура:По-ниските температури на процеса обикновено намаляват кинетичната енергия, което може да забави скоростта на замърсяване, но също така да увеличи вискозитета на разтвора. Високите температури ускоряват замърсяването, но могат също така да подобрят ефективността на почистването.
Колоидна/неорганична материя:Наличието на колоиден силициев диоксид или метали усилва замърсяването, особено при киселинни условия. Силициевите частици увеличават общия вискозитет на разтвора и физически запушват порите, което прави ултрафилтрационната концентрация по-малко ефективна и намалява общия живот и производителност на мембраната.
Йонен състав:Добавянето на определени йонни вещества (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) може да намали замърсяването чрез промяна на електростатичните и хидратационните сили между протеините и мембраните. Йони като Ca²⁺ обаче често насърчават агрегацията и увеличават потенциала за замърсяване.
Примери:
- По време на напречна филтрация на потока, захранващ материал, богат на протеини с високо молекулно тегло и повишен вискозитет, ще претърпи бърз спад на потока, което ще увеличи необходимостта от почистване и подмяна.
- Когато захранващата вода съдържа колоиден силициев диоксид и е подкиселена, агрегацията и отлагането на силициев диоксид се засилват, което значително увеличава скоростта на замърсяване и намалява производителността на мембраната.
В обобщение, разбирането на взаимодействието между вискозитета на разтвора, видовете замърсяване и характеристиките на захранващия материал е от съществено значение за оптимизиране на концентрацията на ултрафилтрация, намаляване на замърсяването на мембраната и максимизиране на живота на мембраната.
Концентрационна поляризация и нейното управление
Какво е концентрационна поляризация?
Концентрационната поляризация е локализирано натрупване на задържано разтворено вещество – като протеини – на границата между мембрана и разтвор по време на ултрафилтрация. В контекста на протеинови разтвори, когато течността тече срещу полупропускливата мембрана, протеините, отхвърлени от мембраната, са склонни да се натрупват в тънък граничен слой, съседен на повърхността. Това натрупване води до стръмен концентрационен градиент: висока концентрация на протеини точно при мембраната, много по-ниска в обемния разтвор. Явлението е обратимо и се управлява от хидродинамични сили. То е в контраст с мембранното замърсяване, което включва по-трайно отлагане или адсорбция вътре или върху мембраната.
Как концентрационната поляризация изостря вискозитета и замърсяването
На повърхността на мембраната, непрекъснатото натрупване на протеини образува граничен слой, който увеличава локалната концентрация на разтворените вещества. Това има два съществени ефекта:
Локализирано увеличение на вискозитета:С повишаване на концентрацията на протеин близо до мембраната, вискозитетът на протеиновия разтвор в тази микрорегион също се увеличава. Повишеният вискозитет възпрепятства обратния транспорт на разтвореното вещество от мембраната, като допълнително увеличава градиента на концентрация и създава обратна връзка с нарастващо съпротивление на потока. Това води до намален пермеатен поток и по-висока енергийна нужда за продължаване на филтрацията.
Улесняване на замърсяването на мембраната:Високата концентрация на протеини в близост до мембраната увеличава вероятността от агрегация на протеини и, в някои системи, образуването на гелов слой. Този слой запушва порите на мембраната и допълнително усилва съпротивлението на потока. Такива условия са подходящи за появата на необратимо замърсяване, при което протеиновите агрегати и примесите се свързват физически или химически с мембранната матрица.
Експерименталното изобразяване (напр. електронна микроскопия) потвърждава бързата агломерация на наноразмерни протеинови клъстери на мембраната, които могат да се превърнат в значителни отлагания, ако оперативните настройки не се управляват правилно.
Стратегии за минимизиране на поляризацията на концентрацията
Управлението на концентрационната поляризация при ултрафилтрационна протеинова концентрация или напречна поточна филтрация изисква двоен подход: регулиране на хидродинамиката и настройване на оперативните параметри.
Оптимизация на скоростта на напречен поток:
Увеличаването на скоростта на напречния поток увеличава тангенциалния поток през мембраната, като по този начин се насърчава срязването и изтънява граничния слой на концентрацията. По-енергичното срязване отмива натрупаните протеини от повърхността на мембраната, намалявайки както поляризацията, така и риска от замърсяване. Например, използването на статични миксери или въвеждането на газово барботиране нарушава слоя на разтворените вещества, като по този начин се подобрява значително потокът на пермеата и ефективността в процеса на филтриране с напречен поток.
Промяна на оперативните параметри:
Трансмембранно налягане (ТМН):ТМП е разликата в налягането през мембраната и движещата сила за ултрафилтрация. Повишаването на ТМП за ускоряване на филтрацията обаче може да има обратен ефект чрез засилване на концентрационната поляризация. Спазването на нормалния диапазон на трансмембранно налягане – непревишаване на границите, определени за ултрафилтрация на протеини – помага за предотвратяване на прекомерното натрупване на разтворени вещества и свързаното с това увеличение на локалния вискозитет.
Скорост на срязване:Скоростта на срязване, функция на скоростта на напречния поток и дизайна на канала, играе централна роля в динамиката на транспорта на разтворените вещества. Високото срязване поддържа поляризационния слой тънък и подвижен, което позволява често обновяване на областта с намалено съдържание на разтворени вещества близо до мембраната. Увеличаването на скоростта на срязване намалява времето, необходимо за натрупване на протеините, и минимизира повишаването на вискозитета на границата на раздела.
Свойства на емисията:Регулирането на свойствата на входящия протеинов разтвор – като например понижаване на вискозитета на протеиновия разтвор, намаляване на съдържанието на агрегати или контролиране на pH и йонната сила – може да помогне за намаляване на степента и въздействието на концентрационната поляризация. Предварителната обработка на фуража и промените във формулировката могат да подобрят производителността на ултрафилтрационната мембрана и да удължат живота на мембраната чрез намаляване на честотата на почистване на мембраната.
Пример за приложение:
Инсталация, използваща тангенциална филтрация на потока (TFF) за концентриране на моноклонални антитела, прилага внимателно оптимизирани скорости на напречния поток и поддържа TMP в рамките на строг диапазон. По този начин операторите минимизират поляризацията на концентрацията и замърсяването на мембраната, намалявайки както честотата на смяна на мембраната, така и циклите на почистване – което директно намалява оперативните разходи и подобрява добива на продукта.
Подходящото регулиране и наблюдение на тези променливи, включително измерване на вискозитета на протеиновия разтвор в реално време, са от основно значение за оптимизиране на производителността на ултрафилтрационната концентрация и смекчаване на неблагоприятните ефекти, свързани с поляризацията на концентрацията при обработката на протеини.
Оптимизиране на ултрафилтрацията за протеинови разтвори с висок вискозитет
6.1. Най-добри оперативни практики
Поддържането на оптимална ултрафилтрационна производителност с високовискозни протеинови разтвори изисква деликатен баланс между трансмембранното налягане (ТМН), концентрацията на протеини и вискозитета на разтвора. ТМН – разликата в налягането през мембраната – влияе директно върху скоростта на ултрафилтрационна концентрация на протеини и степента на замърсяване на мембраната. При обработка на вискозни разтвори като моноклонални антитела или висококонцентрирани серумни протеини, всяко прекомерно увеличение на ТМН може първоначално да увеличи потока, но също така бързо ускорява замърсяването и натрупването на протеини на повърхността на мембраната. Това води до компрометиран и нестабилен процес на филтрация, потвърден от образни изследвания, показващи образуване на плътни протеинови слоеве при повишени ТМН и концентрации на протеини над 200 mg/mL.
Оптималният подход включва работа на системата близо до, но не и надвишаване на критичната температура на смесване (TMP). В този момент производителността е максимална, но рискът от необратимо замърсяване остава минимален. За много високи вискозитети, последните открития предполагат намаляване на TMP и едновременно увеличаване на потока на захранване (филтрация с напречен поток), за да се намали поляризацията на концентрацията и отлагането на протеини. Например, проучвания върху концентрацията на Fc-фузионен протеин показват, че по-ниските настройки на TMP помагат за поддържане на стабилен поток, като същевременно намаляват загубата на продукт.
Постепенното и методично увеличаване на концентрацията на протеини по време на ултрафилтрацията е от решаващо значение. Резките стъпки на концентриране могат да принудят разтвора да премине твърде бързо в режим на висок вискозитет, увеличавайки както рисковете от агрегация, така и тежестта на замърсяване. Вместо това, постепенното повишаване на нивата на протеини позволява паралелно регулиране на параметри на процеса, като например температура на изсушаване (TMP), скорост на напречния поток и pH, което спомага за поддържане на стабилността на системата. Казуси за ензимна ултрафилтрация потвърждават, че поддържането на по-ниски работни налягания по време на тези фази осигурява контролирано увеличение на концентрацията, минимизирайки спада на потока, като същевременно защитава целостта на продукта.
6.2. Честота на подмяна и поддръжка на мембраната
Честотата на подмяна на мембраните при ултрафилтрация е тясно свързана с индикаторите за замърсяване и намаляващ поток. Вместо да се разчита единствено на относителния спад на потока като индикатор за края на жизнения цикъл, наблюдението на специфичната устойчивост на замърсяване – количествена мярка, представляваща съпротивлението, наложено от натрупания материал – се е доказало като по-надеждно, особено при смесени протеинови или протеиново-полизахаридни фуражи, където замърсяването може да се случи по-бързо и по-сериозно.
Мониторингът за допълнителни индикатори за замърсяване също е от решаващо значение. Видимите признаци на повърхностно отлагане, неравномерният поток на пермеата или постоянното повишаване на TMP (въпреки почистването) са предупредителни сигнали за напреднало замърсяване, което предшества повреда на мембраната. Техники като проследяване на модифицирания индекс на замърсяване (MFI-UF) и съпоставянето му с производителността на мембраната позволяват прогнозно планиране на подмяната, а не реактивни промени, като по този начин се минимизира времето за престой и се контролират разходите за поддръжка.
Целостта на мембраната се нарушава не само от натрупването на органични замърсявания, но и от корозия, особено в процеси, протичащи при екстремни pH или с високи концентрации на соли. Трябва да се въведат редовни проверки и химическо почистване, за да се контролира както корозията, така и отлагането на замърсявания. Когато се наблюдава замърсяване, свързано с корозия, честотата на почистване на мембраната и интервалите за подмяна трябва да се коригират, за да се осигури устойчив живот на мембраната и постоянна производителност на ултрафилтрационната мембрана. Цялостната, планирана поддръжка е от съществено значение за смекчаване на въздействието на тези проблеми и удължаване на ефективната работа.
6.3. Контрол на процеса и измерване на вискозитета в процеса
Точното измерване в реално време на вискозитета на протеиновия разтвор е от съществено значение за контрола на процеса при ултрафилтрация, особено с увеличаване на концентрациите и вискозитетите. Вградените системи за измерване на вискозитет осигуряват непрекъснато наблюдение, позволявайки незабавна обратна връзка и динамично регулиране на системните параметри.
Нововъзникващите технологии промениха пейзажа на измерването на вискозитета на протеинови разтвори:
Раманова спектроскопия с Калманов филтърРаманов анализ в реално време, подкрепен от разширени Калман филтри, позволява надеждно проследяване на протеиновата концентрация и състава на буфера. Този подход повишава чувствителността и точността, като подпомага автоматизацията на процесите за ултрафилтрационна концентрация и диафилтрация.
Автоматизирана кинематична капилярна вискозиметрияИзползвайки компютърно зрение, тази технология автоматично измерва вискозитета на разтвора, преодолявайки ръчните грешки и предлагайки повтаряем, мултиплексиран мониторинг в множество технологични потоци. Тя е валидирана както за стандартни, така и за сложни протеинови формулировки и намалява намесата по време на фазата на ултрафилтрационна концентрация.
Микрофлуидни реологични устройстваМикрофлуидните системи предоставят подробни, непрекъснати реологични профили, дори за ненютонови протеинови разтвори с висок вискозитет. Те са особено ценни във фармацевтичното производство, като поддържат стратегии за технологични процеси и интеграция с обратна връзка.
Управлението на процесите с помощта на тези инструменти позволява внедряването на обратна връзка за регулиране в реално време на температурата на прехода (TMP), скоростта на подаване или скоростта на напречния поток в отговор на промените във вискозитета. Например, ако вграденото измерване открие внезапно повишаване на вискозитета (поради повишаване на концентрацията или агрегация), температурата на прехода може автоматично да се намали или скоростта на напречния поток да се увеличи, за да се ограничи началото на концентрационна поляризация при ултрафилтрация. Този подход не само удължава живота на мембраната, но и поддържа постоянно качество на продукта, като управлява динамично факторите, влияещи върху вискозитета на протеиновите разтвори.
Изборът на най-подходящата технология за мониторинг на вискозитета зависи от специфичните изисквания на приложението за ултрафилтрация, включително очаквания диапазон на вискозитет, сложността на формулирането на протеини, нуждите от интеграция и цената. Тези постижения в мониторинга в реално време и динамичния контрол на процесите значително подобриха способността за оптимизиране на ултрафилтрацията за протеинови разтвори с висок вискозитет, осигурявайки както оперативна стабилност, така и висок добив на продукта.
Отстраняване на неизправности и често срещани проблеми при ултрафилтрация на протеини
7.1. Симптоми, причини и средства за лечение
Повишено трансмембранно налягане
Повишаването на трансмембранното налягане (ТМН) по време на ултрафилтрация показва нарастващо съпротивление през мембраната. Ефектите на трансмембранното налягане върху ултрафилтрацията са директни: нормалният диапазон на трансмембранното налягане обикновено зависи от процеса, но устойчивите повишения заслужават проучване. Открояват се две често срещани причини:
- По-висок вискозитет на протеиновия разтвор:С увеличаването на вискозитета на протеиновите разтвори – обикновено при висока концентрация на протеини при ултрафилтрация – налягането, необходимо за протичане, се повишава. Това е силно изразено в етапите на крайна концентрация и диафилтрация, където разтворите са най-вискозни.
- Замърсяване на мембраната:Обърстващи вещества като протеинови агрегати или полизахаридно-протеинови смеси могат да се прилепят към мембранните пори или да ги блокират, което води до бърз скок на TMP.
Средства за защита:
- Намалете TMP и увеличете потока на захранванеНамаляването на TMP, като същевременно се увеличава скоростта на подаване, намалява поляризацията на концентрацията и образуването на гел слой, което спомага за стабилен поток.
- Редовно почистване на мембранатаУстановете оптимална честота на почистване на мембраната, за да премахнете натрупаните замърсявания. Следете ефективността чрез измерване на вискозитета на протеиновия разтвор след почистване.
- Сменете стареещите мембраниМоже да се наложи по-честа смяна на мембраната, ако почистването е недостатъчно или е достигнат срокът на експлоатация на мембраната.
Намаляваща скорост на потока: Диагностично дърво
Постоянното намаляване на потока по време на фазата на ултрафилтрационна концентрация предполага проблеми с производителността. Следвайте този диагностичен подход:
- Следете TMP и вискозитета:Ако и двете са се увеличили, проверете за замърсяване или наличие на гелов слой.
- Проверете състава на фуража и pH:Промените тук могат да променят вискозитета на протеиновите разтвори и да допринесат за замърсяването.
- Оценка на производителността на мембраната:Намаляването на пермеатния поток въпреки почистването сигнализира за възможно увреждане на мембраната или необратимо замърсяване.
Решения:
- Оптимизирайте температурата, pH и йонната сила в захранващия материал, за да намалите замърсяването и поляризацията на концентрацията при ултрафилтрация.
- Използвайте повърхностно модифицирани или въртящи се мембранни модули, за да разрушите гелните слоеве и да възстановите флукса.
- Провеждайте рутинно измерване на вискозитета на протеиновия разтвор, за да предвидите промени, които влияят на потока.
Бързо замърсяване или образуване на гел слой
Бързото образуване на гел слой е резултат от прекомерна концентрационна поляризация на повърхността на мембраната. Трансмембранното налягане при напречна поточна филтрация (TFF) е особено чувствително при условия на висок вискозитет или високопротеиново захранване.
Стратегии за смекчаване:
- Прилагайте хидрофилни, отрицателно заредени мембранни повърхности (напр. мембрани от поливинилиден флуорид [PVDF]), за да сведете до минимум свързването и прикрепването на протеини.
- Предварително обработете фуража чрез коагулация или електрокоагулация, за да отстраните силно замърсяващите вещества преди ултрафилтрация.
- Интегрирайте механични устройства, като например въртящи се модули, в процеса на филтриране с напречен поток, за да намалите дебелината на слоя утайка и да забавите образуването на гел слой.
7.2. Адаптиране към променливостта на фуража
Системите за ултрафилтрация на протеини трябва да се адаптират към променливостта в свойствата или състава на протеините във фуража. Фактори, влияещи върху вискозитета на протеиновите разтвори – като например състав на буфера, концентрация на протеини и склонност към агрегация – могат да променят поведението на системата.
Стратегии за реагиране
- Мониторинг на вискозитета и състава в реално време:Разположете вградени аналитични сензори (Раманова спектроскопия + Калманово филтриране) за бързо откриване на промени в захранването, превъзхождайки традиционните UV или IR методи.
- Адаптивно управление на процесите:Регулиране на настройките на параметрите (дебит, TMP, мембранна селекция) в отговор на открити промени. Например, повишеният вискозитет на протеиновия разтвор може да изисква по-ниска TMP и високи скорости на срязване.
- Избор на мембрана:Използвайте мембрани с размер на порите и повърхностна химия, оптимизирани за текущите свойства на фуража, балансирайки задържането на протеини и потока.
- Предварителна обработка на фуража:Ако внезапните промени в характера на захранването водят до замърсяване, въведете стъпки на коагулация или филтрация преди ултрафилтрацията.
Примери:
- При биопроцесирането, превключването на буфери или промените в агрегатите на антитела би трябвало да задействат TMP и корекции на потока чрез контролната система.
- За хроматографски-свързана ултрафилтрация, адаптивните алгоритми за оптимизация на смесване и цяло число могат да минимизират променливостта и да намалят оперативните разходи, като същевременно поддържат производителността на ултрафилтрационната мембрана.
Рутинното проследяване на измерването на вискозитета на протеиновия разтвор и незабавното му коригиране спрямо условията на процеса спомагат за оптимизиране на концентрацията на ултрафилтрация, поддържане на производителността и минимизиране на замърсяването на мембраната и поляризацията на концентрацията.
Често задавани въпроси
8.1. Какъв е нормалният диапазон за трансмембранно налягане при ултрафилтрация на протеинови разтвори?
Нормалният диапазон на трансмембранното налягане (TMP) в ултрафилтрационните системи за концентрация на протеини зависи от типа мембрана, дизайна на модула и характеристиките на захранването. За повечето процеси на ултрафилтрация на протеини, TMP обикновено се поддържа между 1 и 3 бара (15–45 psi). Стойности на TMP над 0,2 MPa (около 29 psi) могат да доведат до риск от увреждане на мембраната, бързо замърсяване и съкратен живот на мембраната. В биомедицинските и биопроцесорните приложения препоръчителното TMP обикновено не трябва да надвишава 0,8 бара (~12 psi), за да се избегне разкъсване на мембраната. За процеси като филтрация с напречен поток, поддържането в този диапазон на TMP защитава както добива, така и целостта на протеина.
8.2. Как вискозитетът на протеиновите разтвори влияе върху ултрафилтрационните характеристики?
Вискозитетът на протеиновия разтвор влияе пряко върху производителността на ултрафилтрационната концентрация. Високият вискозитет увеличава съпротивлението на потока и повишава температурата на торене (TMP), което води до намален пермеатен поток и бързо замърсяване на мембраната. Този ефект е силно изразен при моноклонални антитела или Fc-фузионни протеини при висока концентрация, където вискозитетът се увеличава поради взаимодействията протеин-протеин и ефектите на заряда. Управлението и оптимизирането на вискозитета с ексципиенти или ензимни обработки подобрява потока, намалява замърсяването и позволява постигане на по-високи постижими концентрации по време на фазата на ултрафилтрационна концентрация. Мониторингът на измерването на вискозитета на протеиновия разтвор е от решаващо значение за поддържане на ефективна обработка.
8.3. Какво е концентрационна поляризация и защо е важна в TFF?
Концентрационната поляризация при ултрафилтрацията е натрупване на протеини на повърхността на мембраната, причинявайки градиент между обемния разтвор и мембранния интерфейс. При напречна филтрация това води до повишен локален вискозитет и потенциално обратим спад на потока. Ако не се контролира, може да насърчи замърсяването на мембраната и да намали ефективността на системата. Справянето с концентрационната поляризация при ултрафилтрацията включва оптимизиране на скоростите на напречен поток, температурата на прехода (TMP) и избора на мембрана, за да се поддържа тънък поляризационен слой. Прецизният контрол поддържа висок пропускателен капацитет и нисък риск от замърсяване.
8.4. Как да реша кога да сменя ултрафилтрационната си мембрана?
Сменете ултрафилтрационната мембрана, когато наблюдавате забележим спад в пропускателната способност (флукса), трайно увеличение на TMP, което стандартното почистване не може да отстрани, или видимо замърсяване, което остава след почистване. Допълнителни индикатори включват загуба на селективност (неуспех при отхвърляне на целевите протеини, както се очаква) и невъзможност за достигане на спецификациите за производителност. Мониторингът на честотата на смяна на мембраната с редовно тестване на флукса и селективността е основата за максимално удължаване на живота на мембраната в процесите на ултрафилтрационна концентрация на протеинови разтвори.
8.5. Какви оперативни параметри мога да регулирам, за да сведа до минимум замърсяването с протеини в TFF?
Ключови оперативни параметри за минимизиране на протеиновото замърсяване при напречна филтрация на потока включват:
- Поддържайте адекватна скорост на напречния поток, за да намалите локалното натрупване на протеини и да управлявате поляризацията на концентрацията.
- Работете в препоръчителния диапазон на TMP, обикновено 3–5 psi (0,2–0,35 бара), за да предотвратите прекомерно изтичане на продукт и повреда на мембраната.
- Прилагайте редовни протоколи за почистване на мембраните, за да ограничите необратимото замърсяване.
- Следете и, ако е необходимо, предварително обработвайте захранващия разтвор, за да контролирате вискозитета (например, използвайки ензимни обработки като пектиназа).
- Изберете мембранни материали и размери на порите (MWCO), подходящи за целевия размер на протеина и целите на процеса.
Интегрирането на хидроциклонна предварителна филтрация или ензимна предварителна обработка може да подобри производителността на системата, особено за високовискозни суровини. Следете внимателно състава на суровините и динамично регулирайте настройките, за да сведете до минимум замърсяването на мембраната и да оптимизирате фазата на ултрафилтрационна концентрация.
Време на публикуване: 03 ноември 2025 г.
