Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Die Kontrolle der Viskosität von Proteinlösungen ist entscheidend für die Optimierung von Ultrafiltrationskonzentrationsprozessen in der biopharmazeutischen Produktion. Eine erhöhte Viskosität in Proteinlösungen – insbesondere bei hohen Proteinkonzentrationen – beeinträchtigt direkt die Membranleistung, die Prozesseffizienz und die Wirtschaftlichkeit von Ultrafiltrationsanwendungen zur Proteinkonzentration. Die Viskosität der Lösung steigt mit dem Proteingehalt aufgrund von Antikörperaggregation und elektrostatischen Wechselwirkungen, was den Strömungswiderstand und den Druckabfall über die Ultrafiltrationsmembran erhöht. Dies führt zu geringeren Permeatflüssen und längeren Betriebszeiten, insbesondere bei der Transversalflussfiltration (TFF).

Der Transmembrandruck (TMP), die treibende Kraft der Ultrafiltration, ist eng mit der Viskosität verknüpft. Betrieb außerhalb des normalen Transmembrandruckbereichs beschleunigt die Membranverschmutzung und verstärkt die Konzentrationspolarisation – die Ansammlung von Proteinen in Membrannähe, die die lokale Viskosität kontinuierlich erhöht. Sowohl Konzentrationspolarisation als auch Membranverschmutzung führen zu einer verminderten Leistung der Ultrafiltrationsmembran und können deren Lebensdauer verkürzen, wenn sie nicht kontrolliert werden. Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Membranverschmutzung und Konzentrationspolarisation bei höheren TMP-Werten und viskoseren Zulaufmedien stärker ausgeprägt sind. Daher ist die Echtzeit-TMP-Regelung unerlässlich, um den Durchsatz zu maximieren und die Reinigungshäufigkeit zu minimieren.

Die Optimierung der Ultrafiltrationskonzentration erfordert integrierte Strategien:

Viskositätsmessung von ProteinlösungenRegelmäßige Viskositätsmessungen – unter VerwendungInline-Viskosimeter—helfen dabei, Filtrationsraten vorherzusagen und Prozessengpässe frühzeitig zu erkennen, wodurch schnelle Prozessanpassungen ermöglicht werden.
FutteraufbereitungDurch die Anpassung von pH-Wert, Ionenstärke und Temperatur lassen sich Viskosität und Ablagerungen verringern. Beispielsweise verstärkt die Zugabe von Natriumionen die Hydratationsabstoßung zwischen Proteinen und mindert so Aggregation und Ablagerungen, während Calciumionen die Proteinbrückenbildung und damit Ablagerungen begünstigen.
Verwendung von HilfsstoffenDie Zugabe von viskositätssenkenden Hilfsstoffen zu hochkonzentrierten Proteinlösungen verbessert die Membranpermeabilität und reduziert den Transmembrandruck bei der Ultrafiltration, wodurch die Gesamteffizienz gesteigert wird.
Fortgeschrittene StrömungsregimeEine Erhöhung der Querstromgeschwindigkeit, der Einsatz von alternierendem Querstrom oder die Verwendung von Luftstrahlinjektion lösen Ablagerungen auf. Diese Techniken tragen dazu bei, den Permeatfluss aufrechtzuerhalten und die Häufigkeit des Membranwechsels durch Minimierung der Ablagerungsbildung zu reduzieren.
Membranauswahl und -reinigungDie Wahl chemisch beständiger Membranen (z. B. SiC oder thermosalienhaltige Hybridmembranen) und die Optimierung der Membranreinigungshäufigkeit mit geeigneten Protokollen (z. B. Natriumhypochloritreinigung) sind entscheidend für die Verlängerung der Membranlebensdauer und die Senkung der Betriebskosten.

Insgesamt sind eine effektive Viskositätskontrolle und ein effektives TMP-Management die Grundlage für eine erfolgreiche Ultrafiltrationskonzentrationsphase und beeinflussen direkt die Produktausbeute, die Häufigkeit der Membranreinigung und die Lebensdauer teurer Membrananlagen.

Verständnis der Viskosität von Proteinlösungen bei der Ultrafiltration

1.1. Was ist die Viskosität von Proteinlösungen?

Die Viskosität beschreibt den Fließwiderstand einer Flüssigkeit; bei Proteinlösungen gibt sie an, wie stark die molekulare Reibung die Bewegung behindert. Die SI-Einheit für Viskosität ist Pascal-Sekunde (Pa·s), für biologische Flüssigkeiten wird jedoch häufig Centipoise (cP) verwendet. Die Viskosität beeinflusst direkt, wie leicht Proteinlösungen während der Herstellung gepumpt oder filtriert werden können und wirkt sich auf die Wirkstofffreisetzung aus, insbesondere bei hochkonzentrierten Biotherapeutika.

Die Proteinkonzentration ist der dominierende Faktor, der die Viskosität beeinflusst. Mit steigender Proteinkonzentration nehmen intermolekulare Wechselwirkungen und die sterische Hinderung zu, was zu einem – oft nichtlinearen – Anstieg der Viskosität führt. Oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts hemmen Protein-Protein-Wechselwirkungen die Diffusion in der Lösung zusätzlich. Beispielsweise erreichen konzentrierte monoklonale Antikörperlösungen, die in der Pharmazie verwendet werden, häufig Viskositätswerte, die eine subkutane Injektion erschweren oder die Verarbeitungsgeschwindigkeit einschränken.

Modelle zur Viskositätsvorhersage konzentrierter Proteinlösungen berücksichtigen heute die Molekülgeometrie und Aggregationsneigung. Die Proteinmorphologie – ob länglich, globulär oder zur Aggregation neigend – beeinflusst die Viskosität bei hohen Konzentrationen signifikant. Jüngste Fortschritte in der mikrofluidischen Analytik ermöglichen präzise Viskositätsmessungen mit minimalen Probenvolumina und erleichtern so das schnelle Screening neuer Proteinformulierungen.

1.2. Wie sich die Viskosität während der Ultrafiltration verändert.

Bei der Ultrafiltration kommt es aufgrund von Konzentrationspolarisation zu einer raschen Anreicherung von Proteinen an der Membran-Lösung-Grenzfläche. Dies erzeugt steile lokale Konzentrationsgradienten und erhöht die Viskosität in Membrannähe. Die erhöhte Viskosität in diesem Bereich behindert den Stofftransport und reduziert den Permeatfluss.

Konzentrationspolarisation unterscheidet sich von Membranverschmutzung. Die Polarisation ist dynamisch und reversibel und tritt innerhalb von Minuten während der Filtration auf. Im Gegensatz dazu entwickelt sich Verschmutzung über einen längeren Zeitraum und beinhaltet häufig irreversible Ablagerungen oder chemische Umwandlungen an der Membranoberfläche. Präzise Diagnoseverfahren ermöglichen die Echtzeitverfolgung der Konzentrationspolarisationsschicht und zeigen deren Empfindlichkeit gegenüber der Querströmungsgeschwindigkeit und dem Transmembrandruck auf. Beispielsweise trägt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder eine Verringerung des Transmembrandrucks (TMP) dazu bei, die viskose Grenzschicht aufzubrechen und den Fluss wiederherzustellen.

Betriebsparameter beeinflussen das Viskositätsverhalten direkt:

Transmembrandruck (TMP)Höhere TMP-Werte verstärken die Polarisation, erhöhen die lokale Viskosität und verringern den Fluss.
Querströmungsgeschwindigkeit: Erhöhte Strömungsgeschwindigkeit begrenzt die Akkumulation und verringert die Viskosität in der Nähe der Membran.
MembranreinigungshäufigkeitHäufige Reinigung reduziert langfristige Ablagerungen und mindert leistungsbedingte Verluste aufgrund von Viskositätsänderungen.

Bei den Konzentrationsphasen der Ultrafiltration müssen diese Parameter optimiert werden, um negative Viskositätseffekte zu minimieren und den Durchsatz aufrechtzuerhalten.

1.3. Eigenschaften von Proteinlösungen, die die Viskosität beeinflussen

MolekulargewichtUndZusammensetzungDie Viskosität wird hauptsächlich durch verschiedene Faktoren bestimmt. Größere, komplexere Proteine oder Aggregate weisen aufgrund eingeschränkter Beweglichkeit und stärkerer intermolekularer Kräfte eine höhere Viskosität auf. Auch die Proteinform beeinflusst den Fließwiderstand – längliche oder zur Aggregation neigende Ketten bieten mehr Widerstand als kompakte, globuläre Proteine.

pHDer pH-Wert beeinflusst maßgeblich die Ladung und Löslichkeit von Proteinen. Durch Anpassen des pH-Werts einer Lösung nahe dem isoelektrischen Punkt eines Proteins wird die Nettoladung minimiert, die Protein-Protein-Abstoßung verringert und die Viskosität vorübergehend gesenkt, was die Filtration erleichtert. Beispielsweise kann die Ultrafiltration nahe dem isoelektrischen Punkt von BSA oder IgG den Permeatfluss und die Trennselektivität deutlich verbessern.

IonenstärkeDie Viskosität wird durch Veränderung der elektrischen Doppelschicht um Proteine beeinflusst. Eine erhöhte Ionenstärke schirmt elektrostatische Wechselwirkungen ab, was den Proteintransport durch Membranen fördert, aber auch das Risiko der Aggregation und damit verbundener Viskositätsspitzen erhöht. Der Kompromiss zwischen Transporteffizienz und Selektivität hängt oft von der Feinabstimmung der Salzkonzentrationen und der Pufferzusammensetzung ab.

Niedermolekulare Additive wie Argininhydrochlorid oder Guanidin können zur Viskositätsreduzierung eingesetzt werden. Diese Substanzen stören hydrophobe oder elektrostatische Wechselwirkungen, verringern die Aggregation und verbessern die Fließeigenschaften der Lösung. Die Temperatur stellt eine weitere Kontrollvariable dar; niedrigere Temperaturen erhöhen die Viskosität, während zusätzliche Wärme sie häufig verringert.

Bei der Messung der Viskosität von Proteinlösungen sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden:

Molekulargewichtsverteilungen
Zusammensetzung der Lösung (Salze, Hilfsstoffe, Additive)
Auswahl von pH-Wert und Puffersystem
Einstellung der Ionenstärke

Diese Faktoren sind entscheidend für die Optimierung der Leistung von Ultrafiltrationsmembranen und die Gewährleistung der Konsistenz über alle Konzentrationsphasen und TFF-Prozesse hinweg.

Grundlagen der Ultrafiltration zur Proteinkonzentration

Prinzipien der Ultrafiltrationskonzentrationsphase

Die Proteinkonzentration mittels Ultrafiltration beruht auf der Anwendung eines Transmembrandrucks (TMP) durch eine semipermeable Membran. Dadurch werden Lösungsmittel und kleine gelöste Stoffe hindurchgepresst, während Proteine und größere Moleküle zurückgehalten werden. Das Verfahren nutzt die selektive Permeation basierend auf der Molekülgröße. Der Molekulargewichtsausschluss (MWCO) der Membran definiert die maximale Größe der Moleküle, die die Membran passieren können. Proteine oberhalb des MWCO reichern sich auf der Retentatseite an und ihre Konzentration steigt mit der Entnahme des Permeats.

Die Konzentrationsphase der Ultrafiltration zielt auf Volumenreduktion und Anreicherung der Proteinlösung ab. Mit fortschreitender Filtration steigt typischerweise die Viskosität der Proteinlösung an, was sich auf den Fluss und die Anforderungen an den Transmembrandruck (TMP) auswirkt. Zurückgehaltene Proteine können miteinander und mit der Membran interagieren, wodurch der Prozess in der Praxis komplexer wird als durch einfache Größenausschlusschromatographie. Elektrostatische Wechselwirkungen, Proteinaggregation und Lösungseigenschaften wie pH-Wert und Ionenstärke beeinflussen die Retention und die Trennergebnisse. In manchen Fällen dominiert der advektive Transport gegenüber der Diffusion, insbesondere bei Membranen mit größeren Poren, was die allein auf der MWCO-Auswahl basierenden Erwartungen erschwert [siehe Forschungszusammenfassung].

Transversale Durchflussfiltration (TFF) erklärt

Die Transversalflussfiltration, auch Tangentialflussfiltration (TFF) genannt, leitet die Proteinlösung tangential über die Membranoberfläche. Dieses Verfahren unterscheidet sich von der Dead-End-Filtration, bei der die Strömung senkrecht zur Membran verläuft und die Partikel direkt auf den Filter drückt.

Wichtigste Unterschiede und Auswirkungen:

Foulingkontrolle:Die TFF-Reinigung reduziert die Bildung von Protein- und Partikelablagerungen, die sogenannte Kuchenbildung, indem sie potenzielle Verunreinigungen kontinuierlich von der Membran entfernt. Dies führt zu einem stabileren Permeatfluss und einer einfacheren Wartung.
Proteinretention:Die TFF-Technologie ermöglicht ein besseres Management der Konzentrationspolarisation – einer Schicht zurückgehaltener Moleküle nahe der Membran –, die, wenn sie unkontrolliert bleibt, die Trennselektivität verringern und die Membranverschmutzung verstärken kann. Die dynamische Strömung in der TFF-Technologie mildert diesen Effekt und trägt so zur Aufrechterhaltung einer hohen Proteinretention und Trenneffizienz bei.
Flussstabilität:Die TFF ermöglicht längere Betriebszeiten bei konstantem Durchfluss und steigert so die Effizienz in Prozessen mit protein- oder partikelreichen Zulaufmaterialien. Die Dead-End-Filtration hingegen wird schnell durch Fouling beeinträchtigt, was den Durchsatz verringert und häufige Reinigungseingriffe erforderlich macht.

Fortgeschrittene TFF-Varianten, wie z. B. die alternierende Tangentialströmung (ATF), reduzieren Fouling und Kuchenbildung zusätzlich durch periodische Umkehrung oder Variation der Tangentialgeschwindigkeiten. Dies verlängert die Filterlebensdauer und verbessert den Proteindurchsatz [siehe Forschungszusammenfassung]. Sowohl bei klassischen als auch bei fortgeschrittenen TFF-Systemen müssen die Betriebsparameter – wie Transmembrandruck (TMP), Querstromgeschwindigkeit und Reinigungsfrequenz – an das jeweilige Proteinsystem, den Membrantyp und die Zielkonzentration angepasst werden, um die Leistung zu optimieren und Fouling zu minimieren.

Transmembrandruck (TMP) bei der Ultrafiltration

3.1. Was ist Transmembrandruck?

Der Transmembrandruck (TMP) ist die Druckdifferenz über eine Filtrationsmembran, die das Lösungsmittel von der Zulaufseite zur Permeatseite treibt. Der TMP ist die Hauptkraft hinter dem Trennprozess bei der Ultrafiltration; er ermöglicht den Durchtritt des Lösungsmittels durch die Membran, während Proteine und andere Makromoleküle zurückgehalten werden.

TMP-Formel:

Einfacher Unterschied: TMP = P_Zulauf − P_Permeat
Ingenieurmethode: TMP = [(P_Zulauf + P_Retentat)/2] − P_Permeat
Hierbei ist P_feed der Eingangsdruck, P_retentate der Ausgangsdruck auf der Retentatseite und P_permeate der Druck auf der Permeatseite. Die Berücksichtigung des Retentat- (oder Konzentrat-)Drucks liefert einen genaueren Wert entlang der Membranoberfläche und berücksichtigt Druckgradienten, die durch Strömungswiderstand und Fouling verursacht werden.
Speisedruck und Durchflussrate
Retentatdruck (falls zutreffend)
Permeatdruck (oft atmosphärisch)
Membranwiderstand
Der Transmembrandruck (TMP) variiert je nach Membrantyp, Systemdesign und Prozessbedingungen.

Kontrollvariablen:

3.2. TMP und der Ultrafiltrationsprozess

Der Transmembrandruck (TMP) spielt eine zentrale Rolle bei der Proteinkonzentration durch Ultrafiltration, indem er Proteinlösungen durch die Membran treibt. Der Druck muss hoch genug sein, um den Widerstand der Membran und eventuell vorhandener Ablagerungen zu überwinden, aber nicht so hoch, dass er die Membranverschmutzung beschleunigt.

Einfluss der Lösungsviskosität und der Proteinkonzentration

Viskosität von Proteinlösungen:Eine höhere Viskosität erhöht den Strömungswiderstand und erfordert daher einen höheren Transmembrandruck (TMP), um den gleichen Permeatfluss aufrechtzuerhalten. Beispielsweise erhöht die Zugabe von Glycerin zum Zulauf oder der Betrieb mit konzentrierten Proteinen die Viskosität und somit den erforderlichen Betriebs-TMP.
Proteinkonzentration:Mit zunehmender Konzentration während der Ultrafiltrationskonzentrationsphase steigt die Viskosität der Lösung, der Transmembrandruck (TMP) steigt und das Risiko einer Membranverschmutzung oder Konzentrationspolarisation nimmt zu.
Darcys Gesetz:Transmembrandruck (TMP), Permeatfluss (J) und Viskosität (μ) hängen über die Gleichung TMP = J × μ × R_m (Membranwiderstand) zusammen. Bei hochviskosen Proteinlösungen ist eine sorgfältige Einstellung des Transmembrandrucks für eine effiziente Ultrafiltration unerlässlich.

Beispiele:

Die Ultrafiltration dichter Antikörperlösungen erfordert ein sorgfältiges TMP-Management, um der steigenden Viskosität entgegenzuwirken.
Durch PEGylierung oder andere Proteinmodifikationen wird die Wechselwirkung mit der Membran verändert, was sich auf den für den gewünschten Fluss erforderlichen Transmembrandruck auswirkt.

3.3. Überwachung und Optimierung der TMP

Aufrechterhaltung von TMP innerhalb dernormaler Transmembrandruckbereichist entscheidend für eine stabile Leistung der Ultrafiltrationsmembran und die Produktqualität. Im Laufe der Zeit, mit fortschreitender Ultrafiltration, können Konzentrationspolarisation und Fouling zu einem Anstieg des Transmembrandrucks (TMP) führen, der mitunter rapide ansteigt.

Überwachungspraktiken:

Echtzeitüberwachung:Der Transmembrandruck (TMP) wird über Einlass, Retentat und Permeat verfolgt.Drucktransmitter.
Raman-Spektroskopie:Wird zur nicht-invasiven Überwachung von Protein- und Hilfsstoffkonzentrationen eingesetzt und ermöglicht so eine adaptive TMP-Kontrolle während der Ultrafiltration und Diafiltration.
Erweiterte Steuerung:Erweiterte Kalman-Filter (EKF) können Sensordaten verarbeiten und den Transmembrandruck (TMP) automatisch anpassen, um übermäßige Verschmutzung zu vermeiden.
Den anfänglichen TMP-Wert im normalen Bereich einstellen:Nicht zu niedrig, um den Durchfluss zu verringern, nicht zu hoch, um eine schnelle Verschmutzung zu vermeiden.
Passen Sie den TMP-Wert bei steigender Viskosität an:Während der Konzentrationsphase der Ultrafiltration sollte der TMP nur bei Bedarf schrittweise erhöht werden.
Zufuhr und pH-Wert kontrollieren:Eine Erhöhung des Zulaufflusses oder eine Senkung des Transmembrandrucks (TMP) mindert die Konzentrationspolarisation und die Verschmutzung.
Membranreinigung und -austausch:Höhere TMP-Werte gehen mit häufigerer Reinigung und verkürzter Membranlebensdauer einher.

Optimierungsstrategien:

Beispiele:

Korrosionsablagerungen in Proteinverarbeitungsanlagen führen zu einem Anstieg des Transmembrandrucks und einer Verringerung des Durchflusses, wodurch eine Reinigung oder ein Austausch der Membranen erforderlich wird, um den normalen Betrieb wiederherzustellen.
Eine enzymatische Vorbehandlung (z. B. Zugabe von Pektinase) kann den Transmembrandruck senken und die Lebensdauer der Membran bei der Ultrafiltration von hochviskosem Rapsprotein verlängern.

3.4. TMP in TFF-Systemen

Bei der Tangentialflussfiltration (TFF) wird die Speiselösung über die Membran und nicht direkt durch sie hindurchgeleitet, wodurch die TMP-Dynamik maßgeblich beeinflusst wird.

Regulierung und Gleichgewicht des TMP

TFF-Transmembrandruck (TFF TMP):Die Steuerung erfolgt durch Regelung sowohl der Zufuhrrate als auch des Pumpendrucks, um einen zu hohen Transmembrandruck zu vermeiden und gleichzeitig den Permeatfluss zu maximieren.
Optimierungsparameter:Eine Erhöhung des Zulaufstroms verringert die lokale Ablagerung von Proteinen, stabilisiert den Transmembrandruck und reduziert die Membranverschmutzung.
Computermodellierung:CFD-Modelle prognostizieren und optimieren TFF TMP für maximale Produktausbeute, Reinheit und Ertrag – besonders wichtig für Prozesse wie die mRNA- oder extrazelluläre Vesikelisolierung.

Beispiele:

In der Bioprozessierung erzielt die optimale TFF TMP eine mRNA-Ausbeute von >70% ohne Abbau und ist damit Ultrazentrifugationsverfahren überlegen.
Die adaptive TMP-Regelung, die auf mathematischen Modellen und Sensorrückmeldungen basiert, reduziert die Häufigkeit des Membranwechsels und verlängert die Membranlebensdauer durch Verringerung der Verschmutzung.

Wichtigste Erkenntnisse:

Der Transmembrandruck (TMP) muss im TFF-Verfahren aktiv gesteuert werden, um die Prozesseffizienz, den Fluss und den Zustand der Membran aufrechtzuerhalten.
Eine systematische Optimierung des Membrandrucks senkt die Betriebskosten, unterstützt die Gewinnung hochreiner Produkte und verlängert die Lebensdauer der Membranen bei der Proteinultrafiltration und verwandten Prozessen.

Überwachung und Messung hoher Proteinkonzentrationen

Ablagerungsmechanismen und ihre Beziehung zur Viskosität

Hauptablagerungswege bei der Protein-Ultrafiltration

Die Protein-Ultrafiltration wird durch mehrere unterschiedliche Fouling-Mechanismen beeinflusst:

Korrosionsablagerungen:Korrosionsablagerungen entstehen durch die Ansammlung von Korrosionsprodukten – typischerweise Eisenoxiden – auf Membranoberflächen. Diese reduzieren den Durchfluss und lassen sich mit herkömmlichen chemischen Reinigungsmitteln nur schwer entfernen. Korrosionsbedingte Ablagerungen führen zu einem dauerhaften Leistungsverlust der Membran und erhöhen mit der Zeit die Häufigkeit des Membranwechsels. Besonders gravierend sind die Auswirkungen bei PVDF- und PES-Membranen, die in der Wasseraufbereitung und bei Proteinanwendungen eingesetzt werden.

Organische Ablagerungen:Die Membranfouling-Prozesse werden hauptsächlich durch Proteine wie Rinderserumalbumin (BSA) ausgelöst und können durch andere organische Stoffe wie Polysaccharide (z. B. Natriumalginat) verstärkt werden. Zu den Mechanismen gehören die Adsorption an Membranporen, die Verstopfung der Poren und die Bildung einer Deckschicht. Bei Vorhandensein mehrerer organischer Komponenten treten synergistische Effekte auf, wobei Systeme mit gemischten Fouling-Substanzen stärkere Fouling-Probleme aufweisen als Systeme mit nur einem Protein als Zufuhr.

Konzentrationspolarisation:Im Verlauf der Ultrafiltration reichern sich zurückgehaltene Proteine nahe der Membranoberfläche an, wodurch die lokale Konzentration und Viskosität steigen. Dies führt zur Bildung einer Polarisationsschicht, die die Foulingneigung erhöht und den Fluss verringert. Der Prozess beschleunigt sich mit fortschreitender Konzentrationsphase der Ultrafiltration und wird direkt vom Transmembrandruck und der Strömungsdynamik beeinflusst.

Kolloidale und gemischte Verschmutzungen:Kolloidale Substanzen (z. B. Siliciumdioxid, anorganische Mineralien) können mit Proteinen interagieren und komplexe Aggregatschichten bilden, die die Membranverschmutzung verstärken. Die Anwesenheit von kolloidalem Siliciumdioxid senkt beispielsweise die Flussraten deutlich, insbesondere in Kombination mit organischen Substanzen oder unter suboptimalen pH-Bedingungen.

Einfluss der Lösungsviskosität auf die Foulingentwicklung

Die Viskosität von Proteinlösungen hat einen starken Einfluss auf die Fouling-Kinetik und die Membrankompaktierung:

Beschleunigte Foulingbildung:Eine höhere Viskosität der Proteinlösung erhöht den Widerstand gegen den Rücktransport zurückgehaltener gelöster Stoffe und begünstigt so eine schnellere Bildung einer Deckschicht. Dies verstärkt den Transmembrandruck (TMP) und beschleunigt die Membrankompaktierung und -verschmutzung.

Auswirkungen der Lösungszusammensetzung:Die Art des Proteins beeinflusst die Viskosität; globuläre Proteine (z. B. BSA) und gestreckte Proteine verhalten sich hinsichtlich Fließverhalten und Polarisation unterschiedlich. Die Zugabe von Verbindungen wie Polysacchariden oder Glycerin erhöht die Viskosität signifikant und fördert die Membranverschmutzung. Additive und Proteinaggregation in hohen Konzentrationen verstärken die Verstopfungsrate der Membranen zusätzlich und reduzieren so direkt sowohl den Fluss als auch die Lebensdauer der Membranen.

Betriebliche Konsequenzen:Höhere Viskosität erfordert einen höheren Transmembrandruck (TMP), um die Filtrationsraten in Querstromfiltrationsprozessen aufrechtzuerhalten. Längere Einwirkung eines hohen TMP verstärkt die irreversible Membranverschmutzung, was häufig eine häufigere Membranreinigung oder einen früheren Membranaustausch erforderlich macht.

Rolle der Futtereigenschaften

Die Eigenschaften des Futters – insbesondere die Proteineigenschaften und die Wasserchemie – bestimmen den Grad der Verschmutzung:

Proteingröße und -verteilung:Größere oder aggregierte Proteine neigen eher dazu, Poren zu verstopfen und Kuchenbildung zu verursachen, was die Viskosität und die Kompaktierungstendenz bei der Proteinkonzentration durch Ultrafiltration erhöht.

pH-Wert:Ein erhöhter pH-Wert verstärkt die elektrostatische Abstoßung und verhindert so die Aggregation von Proteinen in Membrannähe, wodurch die Membranverschmutzung reduziert wird. Im Gegensatz dazu verringern saure Bedingungen die Abstoßung, insbesondere bei kolloidalem Siliciumdioxid, was die Membranverschmutzung verstärkt und die Flussraten senkt.

Temperatur:Niedrigere Prozesstemperaturen reduzieren im Allgemeinen die kinetische Energie, was die Ablagerungsbildung verlangsamen, aber auch die Viskosität der Lösung erhöhen kann. Hohe Temperaturen beschleunigen die Ablagerungsbildung, können aber auch die Reinigungswirkung verbessern.

Kolloidale/anorganische Materie:Das Vorhandensein von kolloidalem Siliciumdioxid oder Metallen verstärkt die Membranverschmutzung, insbesondere unter sauren Bedingungen. Siliciumdioxidpartikel erhöhen die Gesamtviskosität der Lösung und verstopfen die Poren physikalisch, wodurch die Ultrafiltrationskonzentration weniger effizient wird und die Lebensdauer und Leistung der Membran insgesamt abnimmt.

Ionenzusammensetzung:Die Zugabe bestimmter Ionenarten (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) kann die Membranverschmutzung verringern, indem sie die elektrostatischen und Hydratationskräfte zwischen Proteinen und Membranen verändert. Ionen wie Ca²⁺ fördern jedoch häufig die Aggregation und erhöhen das Verschmutzungspotenzial.

Beispiele:

Bei der Querstromfiltration kommt es bei einem Zulauf mit hohem Gehalt an hochmolekularen Proteinen und erhöhter Viskosität zu einem raschen Rückgang des Durchflusses, was einen erhöhten Reinigungs- und Austauschaufwand zur Folge hat.
Wenn das Speisewasser kolloidales Siliciumdioxid enthält und angesäuert wird, verstärken sich die Siliciumdioxidaggregation und -ablagerung, was die Verschmutzungsrate stark erhöht und die Membranleistung verringert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Lösungsviskosität, Fouling-Arten und Zulaufcharakteristika unerlässlich ist, um die Ultrafiltrationskonzentration zu optimieren, Membranfouling zu reduzieren und die Membranlebensdauer zu maximieren.

Konzentrationspolarisation und deren Management

Was ist Konzentrationspolarisation?

Konzentrationspolarisation ist die lokale Ansammlung von zurückgehaltenen gelösten Stoffen – wie beispielsweise Proteinen – an der Membran/Lösung-Grenzfläche während der Ultrafiltration. Bei Proteinlösungen lagern sich die von der Membran zurückgehaltenen Proteine beim Durchfluss der Flüssigkeit gegen die semipermeable Membran in einer dünnen Grenzschicht nahe der Oberfläche ab. Diese Ansammlung führt zu einem steilen Konzentrationsgradienten: eine hohe Proteinkonzentration direkt an der Membran, deutlich niedriger in der Lösung. Das Phänomen ist reversibel und wird durch hydrodynamische Kräfte bestimmt. Es steht im Gegensatz zur Membranverschmutzung, bei der es zu dauerhaften Ablagerungen oder Adsorptionen innerhalb oder auf der Membran kommt.

Wie Konzentrationspolarisation Viskosität und Ablagerungen verschärft

An der Membranoberfläche bildet die kontinuierliche Ansammlung von Proteinen eine Grenzschicht, die die lokale Konzentration gelöster Stoffe erhöht. Dies hat zwei wesentliche Auswirkungen:

Lokaler Anstieg der Viskosität:Mit steigender Proteinkonzentration in Membrannähe erhöht sich auch die Viskosität der Proteinlösung in diesem Mikrobereich. Die erhöhte Viskosität behindert den Rücktransport des gelösten Stoffes von der Membran weg, wodurch der Konzentrationsgradient weiter verstärkt wird und ein Rückkopplungsmechanismus mit zunehmendem Strömungswiderstand entsteht. Dies führt zu einem reduzierten Permeatfluss und einem höheren Energiebedarf für die weitere Filtration.

Förderung der Membranverschmutzung:Eine hohe Proteinkonzentration in Membrannähe erhöht die Wahrscheinlichkeit von Proteinaggregationen und in manchen Systemen die Bildung einer Gelschicht. Diese Schicht verstopft die Membranporen und verstärkt den Strömungswiderstand zusätzlich. Unter solchen Bedingungen entsteht irreversible Membranverschmutzung, bei der sich Proteinaggregate und Verunreinigungen physikalisch oder chemisch an die Membranmatrix binden.

Experimentelle Bildgebungsverfahren (z. B. Elektronenmikroskopie) bestätigen die schnelle Agglomeration von nanoskaligen Proteinclustern an der Membran, die zu signifikanten Ablagerungen anwachsen können, wenn die Betriebsbedingungen nicht angemessen gesteuert werden.

Strategien zur Minimierung der Konzentrationspolarisation

Die Kontrolle der Konzentrationspolarisation bei der Proteinkonzentration in der Ultrafiltration oder der Transversalflussfiltration erfordert einen zweigleisigen Ansatz: die Anpassung der Hydrodynamik und die Optimierung der Betriebsparameter.

Optimierung der Querströmungsgeschwindigkeit:
Eine Erhöhung der Querstromgeschwindigkeit steigert den Tangentialfluss über die Membran, fördert die Scherung und verdünnt die Konzentrationsgrenzschicht. Stärkere Scherkräfte spülen angesammelte Proteine von der Membranoberfläche ab und reduzieren so sowohl die Polarisation als auch das Foulingrisiko. Beispielsweise stört der Einsatz statischer Mischer oder die Einleitung von Gas die Solutschicht und verbessert dadurch den Permeatfluss und die Effizienz der Querstromfiltration deutlich.

Änderung der Betriebsparameter:

Transmembrandruck (TMP):Der Transmembrandruck (TMP) ist die Druckdifferenz über die Membran und die treibende Kraft der Ultrafiltration. Eine Erhöhung des TMP zur Beschleunigung der Filtration kann jedoch kontraproduktiv sein, da sie die Konzentrationspolarisation verstärkt. Die Einhaltung des normalen Transmembrandruckbereichs – also die Einhaltung der für die Proteinultrafiltration festgelegten Grenzwerte – trägt dazu bei, eine übermäßige Anreicherung von gelösten Stoffen und den damit verbundenen Anstieg der lokalen Viskosität zu verhindern.

Schergeschwindigkeit:Die Scherrate, eine Funktion der Querströmungsgeschwindigkeit und der Kanalgestaltung, spielt eine zentrale Rolle in der Dynamik des Stofftransports. Hohe Scherraten halten die Polarisationsschicht dünn und beweglich und ermöglichen so eine häufige Erneuerung der an gelösten Stoffen verarmten Zone nahe der Membran. Eine Erhöhung der Scherrate verkürzt die Zeit, die Proteine zur Akkumulation haben, und minimiert den Viskositätsanstieg an der Grenzfläche.

Futtereigenschaften:Durch die Anpassung der Eigenschaften der zugeführten Proteinlösung – beispielsweise durch Senkung der Viskosität, Reduzierung des Aggregatgehalts oder Kontrolle von pH-Wert und Ionenstärke – lassen sich Ausmaß und Auswirkungen der Konzentrationspolarisation verringern. Eine Vorbehandlung des Zulaufs und eine angepasste Zusammensetzung können die Leistung der Ultrafiltrationsmembran verbessern und ihre Lebensdauer verlängern, indem die Reinigungsintervalle reduziert werden.

Anwendungsbeispiel:
Eine Anlage, die Tangentialflussfiltration (TFF) zur Konzentration monoklonaler Antikörper einsetzt, verwendet sorgfältig optimierte Querstromgeschwindigkeiten und hält den Transmembrandruck (TMP) innerhalb eines engen Bereichs. Dadurch minimieren die Bediener Konzentrationspolarisation und Membranverschmutzung, was sowohl die Häufigkeit des Membranwechsels als auch die Reinigungszyklen reduziert – und somit die Betriebskosten senkt und die Produktausbeute erhöht.

Die angemessene Anpassung und Überwachung dieser Variablen – einschließlich der Echtzeit-Viskositätsmessung der Proteinlösung – ist von grundlegender Bedeutung für die Optimierung der Konzentrationsleistung bei der Ultrafiltration und die Minderung von negativen Auswirkungen im Zusammenhang mit der Konzentrationspolarisation bei der Proteinverarbeitung.

Optimierung der Ultrafiltration für hochviskose Proteinlösungen

6.1. Bewährte Verfahren im Betrieb

Die Aufrechterhaltung einer optimalen Ultrafiltrationsleistung bei hochviskosen Proteinlösungen erfordert ein sorgfältig abgestimmtes Verhältnis zwischen Transmembrandruck (TMP), Proteinkonzentration und Lösungsviskosität. Der TMP – die Druckdifferenz über die Membran – beeinflusst direkt die Proteinkonzentrationsrate bei der Ultrafiltration und den Grad der Membranverschmutzung. Bei der Verarbeitung viskoser Lösungen wie monoklonaler Antikörper oder hochkonzentrierter Serumproteine kann ein übermäßiger Anstieg des TMP zwar anfänglich den Fluss erhöhen, beschleunigt aber gleichzeitig rasch die Verschmutzung und Proteinablagerung an der Membranoberfläche. Dies führt zu einem beeinträchtigten und instabilen Filtrationsprozess, was durch bildgebende Verfahren bestätigt wird, die die Bildung dichter Proteinschichten bei erhöhtem TMP und Proteinkonzentrationen über 200 mg/ml zeigen.

Der optimale Ansatz besteht darin, das System nahe am kritischen Transmembrandruck (TMP) zu betreiben, diesen jedoch nicht zu überschreiten. Dadurch wird die Produktivität maximiert, während das Risiko irreversibler Ablagerungen minimal bleibt. Bei sehr hohen Viskositäten legen neuere Erkenntnisse nahe, den TMP zu senken und gleichzeitig den Zulauf (Querstromfiltration) zu erhöhen, um Konzentrationspolarisation und Proteinablagerungen zu verringern. Studien zur Konzentration von Fc-Fusionsproteinen zeigen beispielsweise, dass niedrigere TMP-Einstellungen dazu beitragen, einen stabilen Fluss aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Produktverluste zu reduzieren.

Eine schrittweise und methodische Erhöhung der Proteinkonzentration während der Ultrafiltration ist entscheidend. Abrupte Konzentrationsschritte können die Lösung zu schnell in einen hochviskosen Bereich zwingen und dadurch sowohl das Aggregationsrisiko als auch die Fouling-Bildung verstärken. Die schrittweise Erhöhung des Proteingehalts ermöglicht hingegen die parallele Anpassung von Prozessparametern wie Transmembrandruck (TMP), Querstromgeschwindigkeit und pH-Wert, was zur Aufrechterhaltung der Systemstabilität beiträgt. Fallstudien zur Enzym-Ultrafiltration bestätigen, dass die Aufrechterhaltung niedrigerer Betriebsdrücke während dieser Phasen einen kontrollierten Konzentrationsanstieg gewährleistet, den Flussabfall minimiert und gleichzeitig die Produktintegrität schützt.

6.2. Häufigkeit des Membranwechsels und Wartung

Die Häufigkeit des Membranwechsels bei der Ultrafiltration hängt eng mit Indikatoren für Fouling und abnehmenden Fluss zusammen. Anstatt sich allein auf den relativen Flussrückgang als Indikator für das Ende der Lebensdauer zu verlassen, hat sich die Überwachung des spezifischen Foulingwiderstands – ein quantitatives Maß für den durch Ablagerungen verursachten Widerstand – als zuverlässiger erwiesen, insbesondere bei gemischten Protein- oder Protein-Polysaccharid-Zulaufmedien, wo Fouling schneller und stärker auftreten kann.

Die Überwachung weiterer Fouling-Indikatoren ist ebenfalls entscheidend. Sichtbare Ablagerungen auf der Oberfläche, ungleichmäßiger Permeatfluss oder ein anhaltender Anstieg des Transmembrandrucks (TMP) (trotz Reinigung) sind Warnsignale für fortgeschrittenes Fouling, das einem Membranausfall vorausgeht. Techniken wie die Erfassung des modifizierten Fouling-Index (MFI-UF) und dessen Korrelation mit der Membranleistung ermöglichen eine vorausschauende Planung des Austauschs anstelle reaktiver Maßnahmen. Dadurch werden Ausfallzeiten minimiert und die Wartungskosten kontrolliert.

Die Membranintegrität wird nicht nur durch organische Ablagerungen, sondern auch durch Korrosion beeinträchtigt, insbesondere bei Prozessen mit extremen pH-Werten oder hohen Salzkonzentrationen. Regelmäßige Inspektionen und chemische Reinigungsprogramme sind erforderlich, um Korrosion und Ablagerungen zu minimieren. Bei korrosionsbedingten Ablagerungen müssen die Reinigungsintervalle und Austauschintervalle der Membran angepasst werden, um eine lange Lebensdauer und eine gleichbleibende Leistung der Ultrafiltrationsmembran zu gewährleisten. Gründliche und planmäßige Wartung ist unerlässlich, um die Auswirkungen dieser Probleme zu minimieren und einen dauerhaften Betrieb zu ermöglichen.

6.3. Prozesssteuerung und Inline-Viskositätsmessung

Die präzise Echtzeitmessung der Viskosität von Proteinlösungen ist für die Prozesssteuerung bei der Ultrafiltration unerlässlich, insbesondere bei steigenden Konzentrationen und Viskositäten. Inline-Viskositätsmesssysteme ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung, sofortiges Feedback und dynamische Anpassungen der Systemparameter.

Neue Technologien haben die Landschaft der Viskositätsmessung von Proteinlösungen grundlegend verändert:

Raman-Spektroskopie mit Kalman-FilterungDie Echtzeit-Raman-Analyse, unterstützt durch erweiterte Kalman-Filter, ermöglicht die zuverlässige Bestimmung der Proteinkonzentration und der Pufferzusammensetzung. Dieser Ansatz erhöht die Sensitivität und Genauigkeit und unterstützt die Prozessautomatisierung für die Ultrafiltrationskonzentration und Diafiltration.

Automatisierte kinematische KapillarviskosimetrieMithilfe von Computer Vision misst diese Technologie automatisch die Viskosität von Lösungen, vermeidet manuelle Fehler und ermöglicht eine wiederholbare, multiplexe Überwachung mehrerer Prozessströme. Sie ist sowohl für Standard- als auch für komplexe Proteinformulierungen validiert und reduziert Eingriffe während der Ultrafiltrationskonzentrationsphase.

Mikrofluidische RheologiegeräteMikrofluidische Systeme liefern detaillierte, kontinuierliche rheologische Profile, selbst für nicht-Newtonsche, hochviskose Proteinlösungen. Diese sind besonders wertvoll in der pharmazeutischen Herstellung und unterstützen prozessanalytische Technologien (PAT) sowie die Integration mit Regelkreisen.

Die Prozesssteuerung mithilfe dieser Werkzeuge ermöglicht die Implementierung von Rückkopplungsschleifen zur Echtzeit-Anpassung von Transmembrandruck (TMP), Zulaufrate oder Querstromgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Viskositätsänderungen. Erkennt die Inline-Sensorik beispielsweise einen plötzlichen Viskositätsanstieg (aufgrund von Konzentrationserhöhung oder Aggregation), kann der TMP automatisch gesenkt oder die Querstromgeschwindigkeit erhöht werden, um das Auftreten von Konzentrationspolarisation bei der Ultrafiltration zu begrenzen. Dieser Ansatz verlängert nicht nur die Membranlebensdauer, sondern gewährleistet auch eine gleichbleibende Produktqualität durch die dynamische Steuerung der Viskositätsfaktoren von Proteinlösungen.

Die Auswahl der am besten geeigneten Viskositätsüberwachungstechnologie hängt von den spezifischen Anforderungen der Ultrafiltrationsanwendung ab, darunter der erwartete Viskositätsbereich, die Komplexität der Proteinformulierung, Integrationsanforderungen und Kosten. Diese Fortschritte in der Echtzeitüberwachung und der dynamischen Prozesssteuerung haben die Optimierung der Ultrafiltration für hochviskose Proteinlösungen deutlich verbessert und gewährleisten sowohl Betriebsstabilität als auch hohe Produktausbeute.

Fehlerbehebung und häufige Probleme bei der Protein-Ultrafiltration

7.1. Symptome, Ursachen und Heilmittel

Erhöhter Transmembrandruck

Ein Anstieg des Transmembrandrucks (TMP) während der Ultrafiltration deutet auf einen zunehmenden Widerstand über die Membran hin. Die Auswirkungen des Transmembrandrucks auf die Ultrafiltration sind direkt: Der normale Transmembrandruckbereich ist typischerweise prozessabhängig, aber anhaltende Anstiege erfordern eine Untersuchung. Zwei häufige Ursachen sind hervorzuheben:

Höhere Viskosität der Proteinlösung:Mit zunehmender Viskosität von Proteinlösungen – typischerweise bei hohen Proteinkonzentrationen in der Ultrafiltration – steigt der für den Durchfluss benötigte Druck. Dies zeigt sich besonders deutlich in den letzten Konzentrations- und Diafiltrationsschritten, wo die Lösungen am viskosesten sind.
Membranverschmutzung:Verunreinigungen wie Proteinaggregate oder Polysaccharid-Protein-Gemische können an Membranporen haften oder diese verstopfen, was zu einem raschen Anstieg des Transmembrandrucks führt.

Heilmittel:

Niedrigeren TMP-Wert und höheren ZufuhrflussDurch die Reduzierung des Transmembrandrucks bei gleichzeitiger Erhöhung der Zufuhrgeschwindigkeit werden Konzentrationspolarisation und Gelbildung verringert, was einen stabilen Fluss fördert.
Regelmäßige MembranreinigungErmitteln Sie eine optimale Membranreinigungsfrequenz zur Entfernung von Ablagerungen. Überwachen Sie die Wirksamkeit durch Viskositätsmessung der Proteinlösung nach der Reinigung.
Ersetzen Sie alternde MembranenEine erhöhte Häufigkeit des Membranwechsels kann erforderlich sein, wenn die Reinigung unzureichend ist oder die Lebensdauer der Membran erreicht ist.

Abnehmende Flussrate: Diagnosebaum

Ein kontinuierlicher Rückgang des Flusses während der Konzentrationsphase der Ultrafiltration deutet auf Produktivitätsprobleme hin. Gehen Sie bei der Diagnose wie folgt vor:

Temperatur und Viskosität überwachen:Wenn beide Werte angestiegen sind, prüfen Sie auf Ablagerungen oder das Vorhandensein einer Gelschicht.
Futterzusammensetzung und pH-Wert prüfen:Veränderungen an dieser Stelle können die Viskosität von Proteinlösungen verändern und die Bildung von Ablagerungen begünstigen.
Membranleistung beurteilen:Eine Verringerung des Permeatflusses trotz Reinigung deutet auf mögliche Membranschäden oder irreversible Verschmutzungen hin.

Lösungen:

Optimieren Sie Temperatur, pH-Wert und Ionenstärke im Zulauf, um Ablagerungen und Konzentrationspolarisation bei der Ultrafiltration zu minimieren.
Verwenden Sie oberflächenmodifizierte oder rotierende Membranmodule, um Gelschichten aufzubrechen und den Fluss wiederherzustellen.
Führen Sie routinemäßige Viskositätsmessungen von Proteinlösungen durch, um Veränderungen vorherzusehen, die den Fließvorgang beeinflussen.

Schnelle Ablagerungsbildung oder Gelschichtbildung

Eine rasche Gelbildung ist die Folge einer übermäßigen Konzentrationspolarisation an der Membranoberfläche. Der Transmembrandruck bei der Transversalflussfiltration (TFF) ist insbesondere bei hochviskosen oder proteinreichen Zulauflösungen anfällig.

Minderungsstrategien:

Um die Proteinbindung und -anhaftung zu minimieren, werden hydrophile, negativ geladene Membranoberflächen (z. B. Polyvinylidenfluorid [PVDF]-Membranen) eingesetzt.
Vor der Ultrafiltration sollte das Speisewasser mittels Koagulation oder Elektrokoagulation vorbehandelt werden, um stark ablagerungsbildende Substanzen zu entfernen.
Durch die Integration mechanischer Vorrichtungen wie rotierender Module in den Querstromfiltrationsprozess lassen sich die Dicke der Deckschicht verringern und die Bildung der Gelschicht verzögern.

7.2. Anpassung an Futtervariabilität

Protein-Ultrafiltrationssysteme müssen sich an Schwankungen in den Eigenschaften oder der Zusammensetzung der Zufuhrproteine anpassen. Faktoren, die die Viskosität von Proteinlösungen beeinflussen – wie Pufferzusammensetzung, Proteinkonzentration und Aggregationsneigung – können das Systemverhalten verändern.

Reaktionsstrategien

Echtzeit-Viskositäts- und Zusammensetzungsüberwachung:Durch den Einsatz von Inline-Analysesensoren (Raman-Spektroskopie + Kalman-Filterung) zur schnellen Erkennung von Futterveränderungen werden herkömmliche UV- oder IR-Methoden übertroffen.
Adaptive Prozesssteuerung:Parametereinstellungen anpassen (Durchflussrate, TMP, Membranauswahl) als Reaktion auf festgestellte Veränderungen. Beispielsweise kann eine erhöhte Viskosität der Proteinlösung einen niedrigeren TMP-Wert und höhere Scherraten erfordern.
Membranauswahl:Es sollten Membranen mit einer Porengröße und Oberflächenchemie verwendet werden, die auf die aktuellen Eigenschaften des Ausgangsmaterials optimiert sind und ein Gleichgewicht zwischen Proteinretention und Fluss herstellen.
Futtervorbehandlung:Wenn plötzliche Änderungen der Zusammensetzung des Zulaufs zu Ablagerungen führen, sollten Koagulations- oder Filtrationsschritte vor der Ultrafiltration eingeführt werden.

Beispiele:

In der Bioprozessierung sollten Pufferwechsel oder Veränderungen in Antikörperaggregaten über das Steuerungssystem eine Anpassung des Transmembrandrucks (TMP) und des Durchflusses auslösen.
Bei der chromatographiegekoppelten Ultrafiltration können adaptive Mischungs-Integer-Optimierungsalgorithmen die Variabilität minimieren und die Betriebskosten senken, während gleichzeitig die Leistung der Ultrafiltrationsmembran erhalten bleibt.

Die routinemäßige Überwachung der Viskosität von Proteinlösungen und die sofortige Anpassung der Prozessbedingungen tragen dazu bei, die Ultrafiltrationskonzentration zu optimieren, den Durchsatz aufrechtzuerhalten und Membranverschmutzung sowie Konzentrationspolarisation zu minimieren.

Häufig gestellte Fragen

8.1. Was ist der normale Bereich für den Transmembrandruck bei der Ultrafiltration von Proteinlösungen?

Der normale Transmembrandruck (TMP) in Ultrafiltrationssystemen zur Proteinkonzentration hängt vom Membrantyp, dem Moduldesign und den Eigenschaften des Zulaufs ab. Bei den meisten Protein-Ultrafiltrationsprozessen wird der TMP typischerweise zwischen 1 und 3 bar (15–45 psi) gehalten. TMP-Werte über 0,2 MPa (ca. 29 psi) können zu Membranschäden, schneller Membranverschmutzung und einer verkürzten Membranlebensdauer führen. In biomedizinischen und bioprozesstechnischen Anwendungen sollte der empfohlene TMP im Allgemeinen 0,8 bar (~12 psi) nicht überschreiten, um Membranrupturen zu vermeiden. Bei Prozessen wie der Querstromfiltration gewährleistet die Einhaltung dieses TMP-Bereichs sowohl die Ausbeute als auch die Proteinintegrität.

8.2. Wie beeinflusst die Viskosität von Proteinlösungen die Ultrafiltrationsleistung?

Die Viskosität von Proteinlösungen beeinflusst die Leistung der Ultrafiltrationskonzentration direkt. Eine hohe Viskosität erhöht den Strömungswiderstand und den Transmembrandruck (TMP), was zu einem reduzierten Permeatfluss und schneller Membranverschmutzung führt. Dieser Effekt ist bei monoklonalen Antikörpern oder Fc-Fusionsproteinen in hoher Konzentration besonders ausgeprägt, da die Viskosität aufgrund von Protein-Protein-Wechselwirkungen und Ladungseffekten ansteigt. Die Steuerung und Optimierung der Viskosität durch Hilfsstoffe oder enzymatische Behandlungen verbessert den Fluss, verringert die Verschmutzung und ermöglicht höhere erreichbare Konzentrationen während der Ultrafiltrationskonzentration. Die Überwachung der Viskositätsmessung von Proteinlösungen ist entscheidend für einen effizienten Prozess.

8.3. Was ist Konzentrationspolarisation und warum ist sie in TFF wichtig?

Konzentrationspolarisation in der Ultrafiltration bezeichnet die Ansammlung von Proteinen an der Membranoberfläche, wodurch ein Gradient zwischen der Lösung und der Membran entsteht. Bei der Querstromfiltration führt dies zu einer erhöhten lokalen Viskosität und einem potenziell reversiblen Flussabfall. Wird dieser nicht entgegengewirkt, kann es zu Membranverschmutzung und einer Verringerung der Systemeffizienz kommen. Um der Konzentrationspolarisation in der Ultrafiltration entgegenzuwirken, müssen Querstromraten, Transmembrandruck (TMP) und die Membranauswahl optimiert werden, um eine dünne Polarisationsschicht zu gewährleisten. Eine präzise Steuerung sichert einen hohen Durchsatz und ein geringes Verschmutzungsrisiko.

8.4. Wie entscheide ich, wann ich meine Ultrafiltrationsmembran austauschen muss?

Tauschen Sie die Ultrafiltrationsmembran aus, wenn ein deutlicher Rückgang des Durchsatzes (Fluss) oder ein anhaltender Anstieg des Transmembrandrucks (TMP) beobachtet wird, der sich durch Standardreinigungsmethoden nicht beheben lässt. Auch sichtbare Ablagerungen nach der Reinigung können die Membran belasten. Weitere Indikatoren sind ein Verlust der Selektivität (fehlende Rückhaltung der Zielproteine) und das Nichterreichen der Leistungsspezifikationen. Die regelmäßige Überprüfung der Membranwechselhäufigkeit in Verbindung mit Fluss- und Selektivitätstests ist die Grundlage für eine maximale Membranlebensdauer bei der Ultrafiltrationskonzentration von Proteinlösungen.

8.5. Welche Betriebsparameter kann ich anpassen, um die Proteinablagerung in der TFF zu minimieren?

Zu den wichtigsten Betriebsparametern zur Minimierung von Proteinablagerungen bei der Querstromfiltration gehören:

Eine ausreichende Querströmungsgeschwindigkeit ist aufrechtzuerhalten, um lokale Proteinablagerungen zu reduzieren und die Konzentrationspolarisation zu kontrollieren.
Um übermäßigen Produktverlust und Membranschäden zu vermeiden, sollte der Betrieb innerhalb des empfohlenen TMP-Bereichs, typischerweise 3–5 psi (0,2–0,35 bar), erfolgen.
Um irreversible Verschmutzungen zu begrenzen, sollten regelmäßige Membranreinigungsprotokolle angewendet werden.
Die Zufuhrlösung überwachen und gegebenenfalls vorbehandeln, um die Viskosität zu kontrollieren (z. B. durch enzymatische Behandlungen wie Pektinase).
Wählen Sie Membranmaterialien und Porengrößen (MWCO) aus, die für die Zielproteingröße und die Prozessziele geeignet sind.

Die Integration einer Hydrozyklon-Vorfiltration oder einer enzymatischen Vorbehandlung kann die Systemleistung verbessern, insbesondere bei hochviskosen Zulaufmedien. Die Zusammensetzung des Zulaufmediums sollte genau überwacht und die Einstellungen dynamisch angepasst werden, um die Membranverschmutzung zu minimieren und die Konzentrationsphase der Ultrafiltration zu optimieren.