जैवऔषधीय निर्माण में अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण प्रक्रियाओं को अनुकूलित करने के लिए प्रोटीन विलयनों की श्यानता को नियंत्रित करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। प्रोटीन विलयनों में उच्च श्यानता—विशेषकर उच्च प्रोटीन सांद्रता पर—अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रण अनुप्रयोगों में झिल्ली के प्रदर्शन, प्रक्रिया दक्षता और आर्थिक पहलुओं पर सीधा प्रभाव डालती है। प्रोटीन की मात्रा बढ़ने के साथ विलयन की श्यानता भी बढ़ती है, जिसका कारण एंटीबॉडी का समूह बनना और विद्युतस्थैतिक अंतःक्रियाएं हैं, जो अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली में प्रवाह प्रतिरोध और दाब में कमी को बढ़ाती हैं। इसके परिणामस्वरूप परमीएट प्रवाह कम हो जाता है और परिचालन समय बढ़ जाता है, विशेष रूप से अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) प्रक्रियाओं में।
ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर (TMP), जो अल्ट्राफिल्ट्रेशन का मुख्य प्रेरक बल है, श्यानता से घनिष्ठ रूप से जुड़ा हुआ है। सामान्य ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर सीमा से बाहर काम करने पर मेम्ब्रेन में गंदगी तेजी से जमा होती है और सांद्रता ध्रुवीकरण बढ़ जाता है—मेम्ब्रेन के पास प्रोटीन का जमाव जो लगातार स्थानीय श्यानता को बढ़ाता है। सांद्रता ध्रुवीकरण और मेम्ब्रेन में गंदगी जमा होना, दोनों ही अल्ट्राफिल्ट्रेशन मेम्ब्रेन के प्रदर्शन को कम करते हैं और यदि इन पर नियंत्रण न रखा जाए तो मेम्ब्रेन का जीवनकाल भी कम हो सकता है। प्रायोगिक कार्य से पता चलता है कि अल्ट्राफिल्ट्रेशन में मेम्ब्रेन में गंदगी जमा होना और सांद्रता ध्रुवीकरण उच्च TMP मानों और अधिक श्यानता वाले पदार्थों के साथ अधिक स्पष्ट होते हैं, इसलिए अधिकतम उत्पादन क्षमता प्राप्त करने और सफाई की आवृत्ति को कम करने के लिए वास्तविक समय में TMP नियंत्रण आवश्यक है।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रता को अनुकूलित करने के लिए एकीकृत रणनीतियों की आवश्यकता होती है:
- प्रोटीन विलयन की श्यानता मापननियमित श्यानता आकलन—का उपयोग करकेइन-लाइन विस्कोमीटर—यह निस्पंदन दरों का पूर्वानुमान लगाने और प्रक्रिया में आने वाली बाधाओं का अनुमान लगाने में मदद करता है, जिससे प्रक्रिया में तेजी से बदलाव करने में सहायता मिलती है।
- फ़ीड कंडीशनिंगपीएच, आयनिक सामर्थ्य और तापमान को समायोजित करने से श्यानता कम हो सकती है और संदूषण घट सकता है। उदाहरण के लिए, सोडियम आयनों को जोड़ने से प्रोटीन के बीच जलयोजन प्रतिकर्षण बढ़ता है, जिससे एकत्रीकरण और संदूषण कम होता है, जबकि कैल्शियम आयन प्रोटीन के जुड़ाव और संदूषण को बढ़ावा देते हैं।
- सहायक पदार्थों का उपयोग: अत्यधिक सांद्रित प्रोटीन विलयनों में श्यानता कम करने वाले सहायक पदार्थों को शामिल करने से झिल्ली की पारगम्यता में सुधार होता है और अल्ट्राफिल्ट्रेशन में ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव कम होता है, जिससे समग्र दक्षता बढ़ती है।
- उन्नत प्रवाह व्यवस्थाएँक्रॉस-फ्लो वेग बढ़ाने, वैकल्पिक क्रॉस-फ्लो का उपयोग करने या एयर जेट इंजेक्शन का उपयोग करने से दूषण परतें टूट जाती हैं। ये तकनीकें परमीएट प्रवाह को बनाए रखने और निक्षेप निर्माण को कम करके झिल्ली प्रतिस्थापन की आवृत्ति को कम करने में मदद करती हैं।
- झिल्ली का चयन और सफाईरासायनिक रूप से प्रतिरोधी झिल्लियों (जैसे, SiC या थर्मोसैलेंट हाइब्रिड) का चयन करना और उपयुक्त प्रोटोकॉल (जैसे, सोडियम हाइपोक्लोराइट सफाई) के साथ झिल्ली की सफाई की आवृत्ति को अनुकूलित करना झिल्ली के जीवनकाल को बढ़ाने और परिचालन लागत को कम करने के लिए महत्वपूर्ण है।
कुल मिलाकर, प्रभावी चिपचिपाहट नियंत्रण और टीएमपी प्रबंधन सफल अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण प्रदर्शन की आधारशिला हैं, जो उत्पाद की उपज, झिल्ली की सफाई की आवृत्ति और महंगी झिल्ली संपत्तियों की दीर्घायु को सीधे प्रभावित करते हैं।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन में प्रोटीन विलयन की श्यानता को समझना
1.1. प्रोटीन विलयनों की श्यानता क्या है?
श्यानता किसी द्रव के प्रवाह के प्रतिरोध को दर्शाती है; प्रोटीन विलयनों में, यह बताती है कि आणविक घर्षण गति को कितना बाधित करता है। श्यानता की एसआई इकाई पास्कल-सेकंड (Pa·s) है, लेकिन जैविक द्रवों के लिए आमतौर पर सेंटीपॉइज़ (cP) का उपयोग किया जाता है। श्यानता सीधे तौर पर इस बात को प्रभावित करती है कि विनिर्माण के दौरान प्रोटीन विलयनों को कितनी आसानी से पंप या फ़िल्टर किया जा सकता है और यह दवा वितरण को भी प्रभावित करती है, विशेष रूप से उच्च सांद्रता वाले जैवचिकित्सीय पदार्थों के लिए।
प्रोटीन की सांद्रता श्यानता को प्रभावित करने वाला प्रमुख कारक है। प्रोटीन का स्तर बढ़ने पर, अंतर-आणविक अंतःक्रियाएँ और सघनता बढ़ती है, जिससे श्यानता में वृद्धि होती है, जो अक्सर रैखिक रूप से नहीं होती। एक निश्चित सीमा से ऊपर, प्रोटीन-प्रोटीन अंतःक्रियाएँ विलयन के भीतर विसरण को और भी कम कर देती हैं। उदाहरण के लिए, फार्मास्यूटिकल्स में उपयोग किए जाने वाले सांद्रित मोनोक्लोनल एंटीबॉडी विलयन अक्सर इतनी श्यानता तक पहुँच जाते हैं कि चमड़े के नीचे इंजेक्शन लगाना मुश्किल हो जाता है या प्रसंस्करण दर सीमित हो जाती है।
सांद्रित प्रोटीन विलयनों में श्यानता का पूर्वानुमान लगाने वाले मॉडल अब आणविक ज्यामिति और एकत्रीकरण प्रवृत्तियों को भी शामिल करते हैं। प्रोटीन की आकृति विज्ञान—चाहे वह लम्बी हो, गोलाकार हो या एकत्रीकरण के लिए प्रवण हो—उच्च सांद्रता पर श्यानता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है। सूक्ष्म द्रविक मूल्यांकन में हालिया प्रगति न्यूनतम नमूना मात्रा से सटीक श्यानता मापन को सक्षम बनाती है, जिससे नए प्रोटीन फॉर्मूलेशन की तीव्र स्क्रीनिंग में सहायता मिलती है।
1.2. अल्ट्राफिल्ट्रेशन के दौरान श्यानता में परिवर्तन कैसे होता है
अल्ट्राफिल्ट्रेशन के दौरान, सांद्रता ध्रुवीकरण के कारण झिल्ली-विलयन इंटरफ़ेस पर प्रोटीन तेजी से जमा हो जाते हैं। इससे तीव्र स्थानीय सांद्रता प्रवणता उत्पन्न होती है और झिल्ली के पास श्यानता बढ़ जाती है। इस क्षेत्र में बढ़ी हुई श्यानता द्रव्यमान स्थानांतरण में बाधा डालती है और पारगम्य प्रवाह को कम करती है।
सांद्रता ध्रुवीकरण झिल्ली पर जमाव से भिन्न होता है। ध्रुवीकरण गतिशील और प्रतिवर्ती होता है, जो निस्पंदन की प्रक्रिया के दौरान कुछ ही मिनटों में घटित हो जाता है। इसके विपरीत, जमाव समय के साथ विकसित होता है और अक्सर झिल्ली की सतह पर अपरिवर्तनीय निक्षेपण या रासायनिक परिवर्तन शामिल होता है। सटीक निदान सांद्रता ध्रुवीकरण परत की वास्तविक समय में निगरानी करने की अनुमति देता है, जिससे अनुप्रस्थ प्रवाह वेग और पार-झिल्ली दाब के प्रति इसकी संवेदनशीलता का पता चलता है। उदाहरण के लिए, वेग बढ़ाने या पार-झिल्ली दाब (टीएमपी) घटाने से श्यान सीमा परत को बाधित करने और प्रवाह को बहाल करने में मदद मिलती है।
परिचालन संबंधी मापदंड श्यानता व्यवहार को सीधे प्रभावित करते हैं:
- ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव (टीएमपी)उच्च टीएमपी ध्रुवीकरण को तीव्र करता है, जिससे स्थानीय चिपचिपाहट बढ़ती है और प्रवाह घटता है।
- अनुप्रस्थ प्रवाह वेगबढ़ी हुई गति संचय को सीमित करती है, जिससे झिल्ली के पास चिपचिपाहट कम हो जाती है।
- झिल्ली सफाई आवृत्तिनियमित सफाई से दीर्घकालिक जमाव कम होता है और चिपचिपाहट के कारण होने वाली प्रदर्शन हानि को कम किया जा सकता है।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरणों को प्रतिकूल चिपचिपाहट प्रभावों को कम करने और प्रवाह को बनाए रखने के लिए इन मापदंडों को अनुकूलित करना चाहिए।
1.3. प्रोटीन विलयन के वे गुणधर्म जो श्यानता को प्रभावित करते हैं
आणविक वजनऔरसंघटनमुख्य रूप से श्यानता का निर्धारण प्रोटीन के आकार से होता है। बड़े और अधिक जटिल प्रोटीन या समूह, गति में बाधा और अधिक मजबूत अंतर-आणविक बलों के कारण उच्च श्यानता उत्पन्न करते हैं। प्रोटीन का आकार भी प्रवाह को प्रभावित करता है—लंबे या समूहीकरण की प्रवृत्ति वाले प्रोटीन, सघन गोलाकार प्रोटीन की तुलना में अधिक प्रतिरोध उत्पन्न करते हैं।
pHयह प्रोटीन के आवेश और घुलनशीलता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। विलयन के pH को प्रोटीन के समविद्युत बिंदु के निकट समायोजित करने से शुद्ध आवेश कम हो जाता है, प्रोटीन-प्रोटीन प्रतिकर्षण घट जाता है और श्यानता अस्थायी रूप से कम हो जाती है, जिससे निस्पंदन आसान हो जाता है। उदाहरण के लिए, बीएसए या आईजीजी के समविद्युत बिंदु के निकट अल्ट्राफिल्ट्रेशन करने से परमीएट प्रवाह और पृथक्करण चयनात्मकता में उल्लेखनीय वृद्धि हो सकती है।
ईओण का शक्तियह प्रोटीन के चारों ओर विद्युत दोहरी परत को बदलकर श्यानता को प्रभावित करता है। बढ़ी हुई आयनिक शक्ति इलेक्ट्रोस्टैटिक अंतःक्रियाओं को अवरुद्ध करती है, जिससे झिल्लियों के माध्यम से प्रोटीन का संचरण आसान हो जाता है, लेकिन साथ ही एकत्रीकरण और परिणामस्वरूप श्यानता में अचानक वृद्धि का जोखिम भी बढ़ जाता है। संचरण दक्षता और चयनात्मकता के बीच संतुलन अक्सर नमक की सांद्रता और बफर संरचना को सटीक रूप से समायोजित करने पर निर्भर करता है।
आर्जिनिन हाइड्रोक्लोराइड या गुआनिडीन जैसे छोटे आणविक योजकों का उपयोग श्यानता को कम करने के लिए किया जा सकता है। ये योजक जल-विरोधी या विद्युतस्थैतिक आकर्षणों को बाधित करते हैं, एकत्रीकरण को कम करते हैं और विलयन के प्रवाह गुणों में सुधार करते हैं। तापमान एक अतिरिक्त नियंत्रक कारक है; कम तापमान श्यानता को बढ़ाता है, जबकि अतिरिक्त ऊष्मा अक्सर इसे कम करती है।
प्रोटीन विलयन की श्यानता मापन में निम्नलिखित बातों को ध्यान में रखना चाहिए:
- आणविक भार वितरण
- विलयन की संरचना (लवण, सहायक पदार्थ, योजक पदार्थ)
- पीएच और बफर सिस्टम का चयन
- आयनिक शक्ति सेटिंग
ये कारक अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली के प्रदर्शन को अनुकूलित करने और सांद्रण चरणों और टीएफएफ प्रक्रियाओं में स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रण के मूल सिद्धांत
अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण के सिद्धांत
अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रण एक अर्ध-पारगम्य झिल्ली पर पारगम्य दाब (TMP) लगाकर किया जाता है, जिससे विलायक और छोटे विलेय पदार्थ पार हो जाते हैं जबकि प्रोटीन और बड़े अणु झिल्ली में ही रह जाते हैं। यह प्रक्रिया आणविक आकार के आधार पर चयनात्मक पारगमन का उपयोग करती है, जिसमें झिल्ली का आणविक भार सीमा (MWCO) पार होने वाले अणुओं के अधिकतम आकार को निर्धारित करता है। MWCO से अधिक प्रोटीन अवशोषक भाग पर जमा हो जाते हैं, और पारगम्य पदार्थ के निकलने पर उनकी सांद्रता बढ़ जाती है।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण का उद्देश्य प्रोटीन विलयन के आयतन को कम करना और उसे समृद्ध करना है। जैसे-जैसे फिल्ट्रेशन आगे बढ़ता है, प्रोटीन विलयन की श्यानता आमतौर पर बढ़ती जाती है, जिससे प्रवाह और टीएमपी आवश्यकताओं पर प्रभाव पड़ता है। रुके हुए प्रोटीन आपस में और झिल्ली के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं, जिससे वास्तविक प्रक्रिया साधारण आकार-आधारित अपवर्जन की तुलना में अधिक जटिल हो जाती है। विद्युतस्थैतिक अंतःक्रियाएं, प्रोटीन एकत्रीकरण और विलयन की विशेषताएं जैसे पीएच और आयनिक सामर्थ्य प्रतिधारण और पृथक्करण परिणामों को प्रभावित करते हैं। कुछ मामलों में, विसरण पर संवहन परिवहन हावी हो जाता है, विशेष रूप से बड़े छिद्रों वाली झिल्लियों में, जिससे केवल एमडब्ल्यूसीओ चयन के आधार पर की गई अपेक्षाएं जटिल हो जाती हैं [अनुसंधान सारांश देखें]।
अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन (TFF) की व्याख्या
अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन, जिसे स्पर्शरेखीय प्रवाह निस्पंदन (TFF) भी कहा जाता है, प्रोटीन विलयन को झिल्ली की सतह पर स्पर्शरेखीय रूप से प्रवाहित करता है। यह विधि डेड-एंड निस्पंदन से भिन्न है, जिसमें प्रवाह झिल्ली के लंबवत होता है, जिससे कण सीधे फिल्टर पर और उसके भीतर धकेले जाते हैं।
प्रमुख अंतर और प्रभाव:
- गंदगी नियंत्रण:टीएफएफ झिल्ली से संभावित दूषित पदार्थों को लगातार हटाकर प्रोटीन और कणों की परतों के जमाव (जिसे केक निर्माण के रूप में जाना जाता है) को कम करता है। इससे परमीएट प्रवाह अधिक स्थिर होता है और रखरखाव आसान हो जाता है।
- प्रोटीन प्रतिधारण:टीएफएफ सांद्रता ध्रुवीकरण के बेहतर प्रबंधन में सहायक है—झिल्ली के निकट अवशिष्ट अणुओं की एक परत—जो अनियंत्रित होने पर पृथक्करण चयनात्मकता को कम कर सकती है और अपघटन को बढ़ा सकती है। टीएफएफ में गतिशील प्रवाह इस प्रभाव को कम करता है, जिससे उच्च प्रोटीन प्रतिधारण और पृथक्करण दक्षता बनाए रखने में मदद मिलती है।
- प्रवाह स्थिरता:टीएफएफ (TFF) स्थिर प्रवाह पर लंबे समय तक परिचालन को सक्षम बनाता है, जिससे उच्च प्रोटीन या कण-समृद्ध फीड वाली प्रक्रियाओं में दक्षता बढ़ती है। इसके विपरीत, डेड-एंड फिल्ट्रेशन में गंदगी जल्दी जम जाती है, जिससे थ्रूपुट कम हो जाता है और बार-बार सफाई की आवश्यकता होती है।
उन्नत टीएफएफ वेरिएंट, जैसे कि प्रत्यावर्ती स्पर्शरेखीय प्रवाह (एटीएफ), स्पर्शरेखीय वेगों को समय-समय पर उलट कर या बदलकर फाउलिंग और केक निर्माण को और बाधित करते हैं, जिससे फिल्टर का जीवनकाल बढ़ता है और प्रोटीन थ्रूपुट में सुधार होता है [अनुसंधान सारांश देखें]। क्लासिक और उन्नत दोनों प्रकार के टीएफएफ सेटअप में, परिचालन सेटिंग्स—जैसे कि टीएमपी, क्रॉसफ्लो वेग और सफाई आवृत्ति—को विशिष्ट प्रोटीन सिस्टम, झिल्ली के प्रकार और लक्षित सांद्रता के अनुसार समायोजित किया जाना चाहिए ताकि प्रदर्शन को अनुकूलित किया जा सके और फाउलिंग को कम किया जा सके।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन में ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर (टीएमपी)
3.1. ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर क्या है?
ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर (टीएमपी) एक फिल्ट्रेशन मेम्ब्रेन के आर-पार दबाव का अंतर है, जो विलायक को फीड साइड से परमीएट साइड की ओर धकेलता है। टीएमपी अल्ट्राफिल्ट्रेशन में पृथक्करण प्रक्रिया के पीछे मुख्य बल है, जो विलायक को मेम्ब्रेन से गुजरने देता है जबकि प्रोटीन और अन्य वृहद अणुओं को रोक लेता है।
टीएमपी फॉर्मूला:
- सरल अंतर: TMP = P_feed − P_permeate
- इंजीनियरिंग विधि: टीएमपी = [(पी_फीड + पी_रिटेन्टेट)/2] − पी_परमीएट
यहां, P_feed प्रवेश दाब है, P_retentate रिटेंटेट पक्ष का निकास दाब है, और P_permeate परमीएट पक्ष का दाब है। रिटेंटेट (या सांद्रित) दाब को शामिल करने से झिल्ली की सतह पर अधिक सटीक मान प्राप्त होता है, जो प्रवाह प्रतिरोध और संदूषण के कारण उत्पन्न दाब प्रवणताओं को ध्यान में रखता है। - फ़ीड दबाव और प्रवाह दर
- प्रतिधारण दबाव (जब लागू हो)
- पारगम्य दाब (अक्सर वायुमंडलीय दाब)
- झिल्ली प्रतिरोध
टीएमपी झिल्ली के प्रकार, सिस्टम डिजाइन और प्रक्रिया की स्थितियों के आधार पर भिन्न होता है।
नियंत्रण कारक:
3.2. टीएमपी और अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रक्रिया
अल्ट्राफिल्ट्रेशन में प्रोटीन सांद्रण में टीएमपी की केंद्रीय भूमिका होती है, जो प्रोटीन विलयनों को झिल्ली से होकर गुजारती है। दबाव इतना अधिक होना चाहिए कि झिल्ली और उसमें जमा किसी भी पदार्थ के प्रतिरोध को पार कर सके, लेकिन इतना अधिक भी नहीं होना चाहिए कि इससे झिल्ली के जमने की प्रक्रिया तेज हो जाए।
विलयन की श्यानता और प्रोटीन सांद्रता का प्रभाव
- प्रोटीन विलयनों की श्यानता:उच्च श्यानता प्रवाह प्रतिरोध को बढ़ाती है, जिससे समान पारगम्य प्रवाह बनाए रखने के लिए उच्च तापमान मापन (TMP) की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, फ़ीड में ग्लिसरॉल मिलाने या सांद्रित प्रोटीन के साथ काम करने से श्यानता बढ़ जाती है और इस प्रकार आवश्यक परिचालन तापमान मापन भी बढ़ जाता है।
- प्रोटीन सांद्रता:अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण के दौरान जैसे-जैसे सांद्रता बढ़ती है, विलयन की चिपचिपाहट बढ़ती है, टीएमपी बढ़ता है, और झिल्ली के दूषित होने या सांद्रता ध्रुवीकरण का खतरा बढ़ता है।
- डार्सी का नियम:TMP, परमीएट फ्लक्स (J) और श्यानता (μ) के बीच संबंध TMP = J × μ × R_m (झिल्ली प्रतिरोध) सूत्र द्वारा निर्धारित होता है। उच्च श्यानता वाले प्रोटीन विलयनों के लिए, कुशल अल्ट्राफिल्ट्रेशन हेतु TMP का सावधानीपूर्वक समायोजन अत्यंत आवश्यक है।
उदाहरण:
- सघन एंटीबॉडी विलयनों के अल्ट्राफिल्ट्रेशन के लिए बढ़ती चिपचिपाहट का मुकाबला करने के लिए टीएमपी का सावधानीपूर्वक प्रबंधन आवश्यक है।
- पीईजीलेशन या अन्य प्रोटीन संशोधन झिल्ली के साथ परस्पर क्रिया को बदल देते हैं, जिससे वांछित प्रवाह के लिए आवश्यक टीएमपी प्रभावित होता है।
3.3. टीएमपी की निगरानी और अनुकूलन
टीएमपी को बनाए रखनासामान्य ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव सीमायह स्थिर अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली के प्रदर्शन और उत्पाद की गुणवत्ता के लिए महत्वपूर्ण है। समय के साथ, जैसे-जैसे अल्ट्राफिल्ट्रेशन आगे बढ़ता है, सांद्रता ध्रुवीकरण और दूषण के कारण टीएमपी बढ़ सकता है, कभी-कभी तेजी से।
निगरानी पद्धतियाँ:
- वास्तविक समय में निगरानी:टीएमपी को इनलेट, रिटेंटेट और परमीएट के माध्यम से ट्रैक किया जाता है।दबाव ट्रांसमीटर.
- रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी:इसका उपयोग प्रोटीन और सहायक पदार्थों की सांद्रता की गैर-आक्रामक निगरानी के लिए किया जाता है, जिससे अल्ट्राफिल्ट्रेशन और डायफिल्ट्रेशन के दौरान अनुकूली टीएमपी नियंत्रण में सुविधा होती है।
- उन्नत नियंत्रण:एक्सटेंडेड कल्मन फिल्टर (ईकेएफ) सेंसर डेटा को संसाधित कर सकते हैं, और अत्यधिक गंदगी से बचने के लिए टीएमपी को स्वचालित रूप से समायोजित कर सकते हैं।
- प्रारंभिक टीएमपी को सामान्य सीमा के भीतर सेट करें:प्रवाह को कम करने के लिए बहुत कम नहीं, और तेजी से गंदगी जमने से बचने के लिए बहुत अधिक नहीं।
- श्यानता बढ़ने पर टीएमपी को समायोजित करें:अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण के दौरान, आवश्यकतानुसार ही टीएमपी को धीरे-धीरे बढ़ाएं।
- फ़ीड प्रवाह और पीएच को नियंत्रित करें:फीड फ्लक्स बढ़ाने या टीएमपी कम करने से सांद्रता ध्रुवीकरण और दूषण कम हो जाता है।
- झिल्ली की सफाई और प्रतिस्थापन:उच्च टीएमपी का संबंध अधिक बार सफाई करने और झिल्ली के जीवनकाल में कमी से है।
अनुकूलन रणनीतियाँ:
उदाहरण:
- प्रोटीन प्रसंस्करण लाइनों में संक्षारण के कारण होने वाली गंदगी से टीएमपी में वृद्धि और प्रवाह में कमी आती है, जिसके परिणामस्वरूप सामान्य संचालन को बहाल करने के लिए झिल्ली की सफाई या प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है।
- एंजाइमेटिक प्रीट्रीटमेंट (जैसे, पेक्टिनेज का जोड़) उच्च चिपचिपाहट वाले रेपसीड प्रोटीन के अल्ट्राफिल्ट्रेशन के दौरान टीएमपी को कम कर सकता है और झिल्ली के जीवनकाल को बढ़ा सकता है।
3.4. टीएफएफ सिस्टम में टीएमपी
स्पर्शरेखीय (अनुप्रस्थ) प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) में फ़ीड घोल को झिल्ली के माध्यम से सीधे गुजारने के बजाय उसके पार प्रवाहित किया जाता है, जो टीएमपी गतिशीलता को काफी हद तक प्रभावित करता है।
टीएमपी का विनियमन और संतुलन
- टीएफएफ ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव (टीएफएफ टीएमपी):इसे फीड फ्लो रेट और पंप प्रेशर दोनों को नियंत्रित करके प्रबंधित किया जाता है ताकि अत्यधिक टीएमपी से बचा जा सके और साथ ही परमीएट फ्लक्स को अधिकतम किया जा सके।
- अनुकूलन पैरामीटर:फीड फ्लो बढ़ाने से प्रोटीन का स्थानीय जमाव कम होता है, टीएमपी स्थिर होता है और झिल्ली की गंदगी कम होती है।
- कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग:सीएफडी मॉडल अधिकतम उत्पाद पुनर्प्राप्ति, शुद्धता और उपज के लिए टीएफएफ टीएमपी का पूर्वानुमान और अनुकूलन करते हैं - जो विशेष रूप से एमआरएनए या बाह्यकोशिकीय पुटिका अलगाव जैसी प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण है।
उदाहरण:
- बायोप्रोसेसिंग में, इष्टतम TFF TMP बिना किसी गिरावट के 70% से अधिक mRNA रिकवरी प्रदान करता है, जो अल्ट्रासेंट्रीफ्यूगेशन विधियों से बेहतर प्रदर्शन करता है।
- गणितीय मॉडल और सेंसर फीडबैक द्वारा सूचित अनुकूली टीएमपी नियंत्रण, झिल्ली प्रतिस्थापन की आवृत्ति को कम करता है और फाउलिंग को कम करके झिल्ली के जीवनकाल को बढ़ाता है।
चाबी छीनना:
- प्रक्रिया की दक्षता, प्रवाह और झिल्ली के स्वास्थ्य को बनाए रखने के लिए टीएफएफ में टीएमपी ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव को सक्रिय रूप से प्रबंधित किया जाना चाहिए।
- व्यवस्थित टीएमपी अनुकूलन परिचालन लागत को कम करता है, उच्च शुद्धता वाले उत्पाद की पुनर्प्राप्ति में सहायता करता है, और प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन और संबंधित प्रक्रियाओं में झिल्ली के जीवनकाल को बढ़ाता है।
दूषण तंत्र और श्यानता के साथ उनका संबंध
प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन में मुख्य दूषण मार्ग
प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन कई अलग-अलग प्रकार के संदूषण मार्गों से प्रभावित होता है:
संक्षारण के कारण होने वाली गंदगी:यह समस्या तब उत्पन्न होती है जब संक्षारण उत्पाद—आमतौर पर लौह ऑक्साइड—झिल्ली की सतहों पर जमा हो जाते हैं। ये प्रवाह को कम करते हैं और इन्हें मानक रासायनिक सफाई एजेंटों से हटाना मुश्किल होता है। संक्षारण के कारण झिल्ली की कार्यक्षमता में लगातार गिरावट आती है और समय के साथ झिल्ली को बार-बार बदलने की आवश्यकता बढ़ जाती है। जल उपचार और प्रोटीन अनुप्रयोगों में उपयोग की जाने वाली PVDF और PES झिल्लियों पर इसका प्रभाव विशेष रूप से गंभीर होता है।
कार्बनिक संदूषण:यह प्रक्रिया मुख्यतः बोवाइन सीरम एल्ब्यूमिन (बीएसए) जैसे प्रोटीनों द्वारा प्रेरित होती है, और पॉलीसेकेराइड (जैसे सोडियम एल्जिनेट) जैसे अन्य कार्बनिक पदार्थों की उपस्थिति में तीव्र हो सकती है। इसके तंत्रों में झिल्ली के छिद्रों पर अधिशोषण, छिद्रों का बंद होना और एक परत का निर्माण शामिल है। जब कई कार्बनिक घटक मौजूद होते हैं, तो सहक्रियात्मक प्रभाव उत्पन्न होते हैं, और मिश्रित-दूषित प्रणालियों में एकल-प्रोटीन फ़ीड की तुलना में अधिक गंभीर दूषण देखा जाता है।
सांद्रता ध्रुवीकरण:अल्ट्राफिल्ट्रेशन की प्रक्रिया आगे बढ़ने के साथ, झिल्ली की सतह के पास प्रोटीन जमा हो जाते हैं, जिससे स्थानीय सांद्रता और चिपचिपाहट बढ़ जाती है। इससे एक ध्रुवीकरण परत बनती है जो संदूषण की प्रवृत्ति को बढ़ाती है और प्रवाह को कम करती है। अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण के आगे बढ़ने के साथ यह प्रक्रिया तेज हो जाती है, जो झिल्ली के पार दबाव और प्रवाह की गतिशीलता से सीधे प्रभावित होती है।
कोलाइडल और मिश्रित-दूषक पदार्थ से होने वाली गंदगी:कोलाइडल पदार्थ (जैसे, सिलिका, अकार्बनिक खनिज) प्रोटीन के साथ परस्पर क्रिया करके जटिल परतें बना सकते हैं जो झिल्ली की संदूषण प्रक्रिया को और भी गंभीर बना देती हैं। उदाहरण के लिए, कोलाइडल सिलिका की उपस्थिति प्रवाह दर को काफी कम कर देती है, विशेष रूप से जब यह कार्बनिक पदार्थ के साथ मिश्रित हो या अनुकूलतम पीएच स्थितियों में न हो।
संदूषण के विकास पर विलयन की श्यानता का प्रभाव
प्रोटीन विलयनों की श्यानता, झिल्ली के दूषित होने की गति और झिल्ली के संकुचन पर गहरा प्रभाव डालती है:
त्वरित संदूषण:प्रोटीन विलयन की उच्च श्यानता, अवशोषित विलेय पदार्थों के वापस परिवहन के प्रतिरोध को बढ़ाती है, जिससे केक परत का निर्माण तेजी से होता है। इससे झिल्ली के पार का दबाव (टीएमपी) बढ़ जाता है, जिससे झिल्ली का संकुचन और अपघटन तेज हो जाता है।
विलयन संरचना के प्रभाव:प्रोटीन का प्रकार श्यानता को प्रभावित करता है; गोलाकार प्रोटीन (जैसे, बीएसए) और विस्तारित प्रोटीन प्रवाह और ध्रुवीकरण के संबंध में अलग-अलग व्यवहार करते हैं। पॉलीसेकेराइड या ग्लिसरॉल जैसे यौगिकों को मिलाने से श्यानता काफी बढ़ जाती है, जिससे झिल्ली में गंदगी जमा होने लगती है। उच्च सांद्रता पर योजक और प्रोटीन का एकत्रीकरण झिल्लियों के अवरुद्ध होने की दर को और भी तीव्र कर देते हैं, जिससे प्रवाह और झिल्ली का जीवनकाल दोनों सीधे कम हो जाते हैं।
परिचालनात्मक परिणाम:अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन प्रक्रियाओं में उच्च श्यानता के कारण निस्पंदन दर को बनाए रखने के लिए उच्च टीएमपी की आवश्यकता होती है। उच्च टीएमपी के लंबे समय तक संपर्क में रहने से अपरिवर्तनीय दूषण बढ़ जाता है, जिसके परिणामस्वरूप अक्सर झिल्ली की अधिक बार सफाई या समय से पहले झिल्ली को बदलना आवश्यक हो जाता है।
चारा विशेषताओं की भूमिका
चारा की विशेषताएं—अर्थात् प्रोटीन के गुण और जल रसायन—दूषित होने की गंभीरता को निर्धारित करती हैं:
प्रोटीन का आकार और वितरण:बड़े या एकत्रित प्रोटीन में छिद्रों को अवरुद्ध करने और परत जमने की प्रवृत्ति अधिक होती है, जिससे अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रण के दौरान चिपचिपाहट और संघनन की प्रवृत्ति बढ़ जाती है।
पीएच:उच्च pH मान इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण को बढ़ाता है, जिससे प्रोटीन झिल्ली के पास एकत्रित नहीं हो पाते और इस प्रकार झिल्ली में गंदगी कम हो जाती है। इसके विपरीत, अम्लीय परिस्थितियाँ प्रतिकर्षण को कम करती हैं, विशेष रूप से कोलाइडल सिलिका के मामले में, जिससे झिल्ली में गंदगी बढ़ जाती है और प्रवाह दर घट जाती है।
तापमान:कम तापमान पर प्रक्रिया करने से गतिज ऊर्जा कम हो जाती है, जिससे गंदगी जमने की दर धीमी हो सकती है, लेकिन साथ ही घोल की चिपचिपाहट भी बढ़ जाती है। उच्च तापमान पर गंदगी जमने की प्रक्रिया तेज हो जाती है, लेकिन इससे सफाई की प्रभावशीलता भी बढ़ सकती है।
कोलाइडल/अकार्बनिक पदार्थ:कोलाइडल सिलिका या धातुओं की उपस्थिति से दूषण बढ़ जाता है, विशेष रूप से अम्लीय परिस्थितियों में। सिलिका कण विलयन की कुल श्यानता को बढ़ाते हैं और छिद्रों को भौतिक रूप से अवरुद्ध करते हैं, जिससे अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण कम प्रभावी हो जाता है और झिल्ली का समग्र जीवनकाल और प्रदर्शन घट जाता है।
आयनिक संरचना:कुछ विशिष्ट आयनिक प्रजातियों (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) को मिलाने से प्रोटीन और झिल्लियों के बीच स्थिरवैद्युत और जलयोजन बलों में परिवर्तन करके संदूषण को कम किया जा सकता है। हालांकि, Ca²⁺ जैसे आयन अक्सर एकत्रीकरण को बढ़ावा देते हैं और संदूषण की संभावना को बढ़ाते हैं।
उदाहरण:
- अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन के दौरान, उच्च आणविक भार वाले प्रोटीन और उच्च चिपचिपाहट से भरपूर फ़ीड में प्रवाह में तेजी से गिरावट आएगी, जिससे सफाई और प्रतिस्थापन की दिनचर्या बढ़ जाएगी।
- जब फीड वाटर में कोलाइडल सिलिका मौजूद होता है और उसे अम्लीकृत किया जाता है, तो सिलिका का एकत्रीकरण और निक्षेपण तीव्र हो जाता है, जिससे फाउलिंग की दर में काफी वृद्धि होती है और झिल्ली का प्रदर्शन कम हो जाता है।
संक्षेप में, अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रता को अनुकूलित करने, झिल्ली पर गंदगी को कम करने और झिल्ली के जीवनकाल को अधिकतम करने के लिए विलयन की चिपचिपाहट, गंदगी के प्रकार और फ़ीड की विशेषताओं के बीच परस्पर क्रिया को समझना आवश्यक है।
सांद्रता ध्रुवीकरण और इसका प्रबंधन
सांद्रता ध्रुवीकरण क्या है?
सांद्रता ध्रुवीकरण अल्ट्राफिल्ट्रेशन के दौरान झिल्ली/विलयन इंटरफ़ेस पर प्रोटीन जैसे अवशोषक पदार्थों के स्थानीय संचय को कहते हैं। प्रोटीन विलयनों के संदर्भ में, जब तरल अर्धपारगम्य झिल्ली के विरुद्ध प्रवाहित होता है, तो झिल्ली द्वारा अस्वीकृत प्रोटीन सतह के निकट एक पतली सीमा परत में जमा होने लगते हैं। इस संचय के परिणामस्वरूप एक तीव्र सांद्रता प्रवणता उत्पन्न होती है: झिल्ली पर प्रोटीन की सांद्रता अधिक होती है, जबकि विलयन में यह बहुत कम होती है। यह घटना प्रतिवर्ती है और जलगतिकीय बलों द्वारा नियंत्रित होती है। यह झिल्ली संदूषण से भिन्न है, जिसमें झिल्ली के अंदर या उस पर अधिक स्थायी निक्षेपण या अधिशोषण शामिल होता है।
सांद्रता ध्रुवीकरण किस प्रकार श्यानता और संदूषण को बढ़ाता है?
झिल्ली की सतह पर, प्रोटीनों के निरंतर संचय से एक सीमा परत बनती है जो स्थानीय विलेय सांद्रता को बढ़ाती है। इसके दो महत्वपूर्ण प्रभाव होते हैं:
स्थानीय स्तर पर श्यानता में वृद्धि:झिल्ली के पास प्रोटीन की सांद्रता बढ़ने पर, इस सूक्ष्म क्षेत्र में प्रोटीन विलयन की श्यानता भी बढ़ जाती है। बढ़ी हुई श्यानता झिल्ली से विलेय के वापस परिवहन में बाधा डालती है, जिससे सांद्रता प्रवणता और भी तीव्र हो जाती है और प्रवाह के प्रतिरोध में वृद्धि का एक प्रतिध्वनि चक्र बन जाता है। इसके परिणामस्वरूप पारगम्य प्रवाह कम हो जाता है और निरंतर निस्पंदन के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
झिल्ली पर गंदगी जमा होने की प्रक्रिया को सुगम बनाना:झिल्ली के पास प्रोटीन की उच्च सांद्रता प्रोटीन के एकत्रीकरण की संभावना को बढ़ाती है और कुछ प्रणालियों में, एक जेल परत के निर्माण को भी बढ़ावा देती है। यह परत झिल्ली के छिद्रों को अवरुद्ध करती है और प्रवाह के प्रतिरोध को और भी बढ़ा देती है। ऐसी परिस्थितियाँ अपरिवर्तनीय संदूषण की शुरुआत के लिए अनुकूल होती हैं, जहाँ प्रोटीन समूह और अशुद्धियाँ भौतिक या रासायनिक रूप से झिल्ली मैट्रिक्स से बंध जाती हैं।
प्रायोगिक इमेजिंग (जैसे, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी) झिल्ली पर नैनो आकार के प्रोटीन समूहों के तेजी से एकत्रीकरण की पुष्टि करती है, जो यदि परिचालन सेटिंग्स को उचित रूप से प्रबंधित नहीं किया जाता है तो महत्वपूर्ण जमाव में विकसित हो सकते हैं।
सांद्रता ध्रुवीकरण को कम करने की रणनीतियाँ
अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रण या अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन में सांद्रता ध्रुवीकरण का प्रबंधन करने के लिए दोहरे दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है: जलगतिकी को समायोजित करना और परिचालन मापदंडों को समायोजित करना।
अनुप्रस्थ प्रवाह वेग अनुकूलन:
अनुप्रस्थ प्रवाह वेग बढ़ाने से झिल्ली के आर-पार स्पर्शरेखीय प्रवाह बढ़ता है, जिससे अपरूपण को बढ़ावा मिलता है और सांद्रण सीमा परत पतली हो जाती है। अधिक तीव्र अपरूपण झिल्ली की सतह पर जमा हुए प्रोटीन को बहा ले जाता है, जिससे ध्रुवीकरण और संदूषण का खतरा दोनों कम हो जाते हैं। उदाहरण के लिए, स्थिर मिक्सर का उपयोग करना या गैस स्पार्जिंग शुरू करना विलेय परत को बाधित करता है, जिससे अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन प्रक्रिया में पारगम्य प्रवाह और दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है।
परिचालन मापदंडों में संशोधन:
झिल्ली-पार दाब (टीएमपी):ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर (TMP) झिल्ली के आर-पार का दाब अंतर है और अल्ट्राफिल्ट्रेशन का प्रेरक बल है। हालांकि, फिल्ट्रेशन को तेज करने के लिए TMP को बढ़ाना सांद्रता ध्रुवीकरण को तीव्र करके विपरीत प्रभाव डाल सकता है। प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन के लिए निर्धारित सीमा से अधिक न होने वाली सामान्य ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर सीमा का पालन करने से विलेय पदार्थों के अत्यधिक जमाव और उससे संबंधित स्थानीय श्यानता में वृद्धि को रोकने में मदद मिलती है।
अपरूपण दर:क्रॉस-फ्लो वेग और चैनल डिज़ाइन पर निर्भर शियर दर, विलेय परिवहन की गतिशीलता में केंद्रीय भूमिका निभाती है। उच्च शियर ध्रुवीकरण परत को पतला और गतिशील बनाए रखता है, जिससे झिल्ली के पास विलेय-रहित क्षेत्र का बार-बार नवीनीकरण संभव हो पाता है। शियर दर बढ़ने से प्रोटीन के संचय का समय कम हो जाता है और इंटरफ़ेस पर श्यानता में वृद्धि न्यूनतम हो जाती है।
फ़ीड के गुणधर्म:प्रोटीन विलयन के गुणों को समायोजित करना—जैसे प्रोटीन विलयन की श्यानता कम करना, समुच्चय सामग्री को घटाना, या pH और आयनिक शक्ति को नियंत्रित करना—सांद्रता ध्रुवीकरण की सीमा और प्रभाव को कम करने में सहायक हो सकता है। फ़ीड पूर्व-उपचार और सूत्रीकरण में परिवर्तन अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली के प्रदर्शन को बेहतर बना सकते हैं और झिल्ली की सफाई की आवृत्ति को कम करके झिल्ली के जीवनकाल को बढ़ा सकते हैं।
अनुप्रयोग का उदाहरण:
मोनोक्लोनल एंटीबॉडी को सांद्रित करने के लिए टैन्जेन्शियल फ्लो फिल्ट्रेशन (TFF) का उपयोग करने वाला एक संयंत्र सावधानीपूर्वक अनुकूलित क्रॉस-फ्लो वेग लागू करता है और टीएमपी को एक सख्त सीमा के भीतर बनाए रखता है। ऐसा करके, संचालक सांद्रण ध्रुवीकरण और झिल्ली की गंदगी को कम करते हैं, जिससे झिल्ली प्रतिस्थापन की आवृत्ति और सफाई चक्र दोनों कम हो जाते हैं - सीधे परिचालन लागत कम होती है और उत्पाद की उपज में सुधार होता है।
इन चरों का उचित समायोजन और निगरानी—जिसमें वास्तविक समय में प्रोटीन घोल की चिपचिपाहट का मापन शामिल है—अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण प्रदर्शन को अनुकूलित करने और प्रोटीन प्रसंस्करण में सांद्रण ध्रुवीकरण से संबंधित प्रतिकूल प्रभावों को कम करने के लिए मौलिक है।
उच्च चिपचिपाहट वाले प्रोटीन विलयनों के लिए अल्ट्राफिल्ट्रेशन को अनुकूलित करना
6.1. परिचालन संबंधी सर्वोत्तम पद्धतियाँ
उच्च श्यानता वाले प्रोटीन विलयनों के साथ इष्टतम अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रदर्शन बनाए रखने के लिए ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव (TMP), प्रोटीन सांद्रता और विलयन की श्यानता के बीच एक नाजुक संतुलन आवश्यक है। TMP—झिल्ली के आर-पार दबाव का अंतर—अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रता दर और झिल्ली पर जमाव की मात्रा को सीधे प्रभावित करता है। मोनोक्लोनल एंटीबॉडी या उच्च सांद्रता वाले सीरम प्रोटीन जैसे श्यान विलयनों को संसाधित करते समय, TMP में कोई भी अत्यधिक वृद्धि प्रारंभ में प्रवाह को बढ़ा सकती है, लेकिन यह झिल्ली की सतह पर जमाव और प्रोटीन संचय को भी तेजी से बढ़ाती है। इससे निस्पंदन प्रक्रिया बाधित और अस्थिर हो जाती है, जिसकी पुष्टि इमेजिंग अध्ययनों से होती है जिसमें उच्च TMP और 200 mg/mL से अधिक प्रोटीन सांद्रता पर घनी प्रोटीन परतें बनती हुई दिखाई देती हैं।
सर्वोत्तम दृष्टिकोण यह है कि सिस्टम को महत्वपूर्ण टीएमपी के निकट चलाया जाए, लेकिन उससे अधिक न हो। इस स्तर पर, उत्पादकता अधिकतम होती है, लेकिन अपरिवर्तनीय संदूषण का जोखिम न्यूनतम रहता है। अत्यधिक उच्च श्यानता के लिए, हाल के शोध बताते हैं कि टीएमपी को कम करने और साथ ही फ़ीड प्रवाह (अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन) को बढ़ाने से सांद्रता ध्रुवीकरण और प्रोटीन निक्षेपण को कम करने में मदद मिलती है। उदाहरण के लिए, एफसी-फ्यूजन प्रोटीन सांद्रता पर किए गए अध्ययनों से पता चलता है कि कम टीएमपी सेटिंग्स स्थिर प्रवाह बनाए रखने में मदद करती हैं, जबकि उत्पाद हानि को भी कम करती हैं।
अल्ट्राफिल्ट्रेशन के दौरान प्रोटीन सांद्रता में क्रमिक और व्यवस्थित वृद्धि अत्यंत महत्वपूर्ण है। सांद्रता में अचानक वृद्धि से विलयन बहुत जल्दी उच्च श्यानता की स्थिति में पहुँच सकता है, जिससे एकत्रीकरण का खतरा और संदूषण की गंभीरता दोनों बढ़ जाती हैं। इसके बजाय, प्रोटीन के स्तर को धीरे-धीरे बढ़ाने से टीएमपी, क्रॉस-फ्लो वेग और पीएच जैसे प्रक्रिया मापदंडों को समानांतर रूप से समायोजित किया जा सकता है, जिससे प्रणाली की स्थिरता बनाए रखने में मदद मिलती है। एंजाइम अल्ट्राफिल्ट्रेशन के केस स्टडी से पुष्टि होती है कि इन चरणों के दौरान कम परिचालन दबाव बनाए रखने से सांद्रता में नियंत्रित वृद्धि सुनिश्चित होती है, जिससे उत्पाद की गुणवत्ता बनाए रखते हुए प्रवाह में गिरावट कम से कम होती है।
6.2. झिल्ली बदलने की आवृत्ति और रखरखाव
अल्ट्राफिल्ट्रेशन में झिल्ली बदलने की आवृत्ति, जमाव और प्रवाह में कमी के संकेतकों से सीधे तौर पर जुड़ी होती है। जीवनकाल के अंत के संकेतक के रूप में केवल सापेक्ष प्रवाह में कमी पर निर्भर रहने के बजाय, विशिष्ट जमाव प्रतिरोध की निगरानी करना - जो संचित सामग्री द्वारा उत्पन्न प्रतिरोध का एक मात्रात्मक माप है - अधिक विश्वसनीय साबित हुआ है, विशेष रूप से मिश्रित प्रोटीन या प्रोटीन-पॉलीसेकेराइड फ़ीड में, जहाँ जमाव अधिक तेज़ी से और गंभीर रूप से हो सकता है।
अतिरिक्त फ़ाउलिंग संकेतकों की निगरानी भी महत्वपूर्ण है। सतह पर जमाव के दृश्य संकेत, असमान परमीएट प्रवाह, या (सफाई के बावजूद) टीएमपी में लगातार वृद्धि, ये सभी झिल्ली की विफलता से पहले होने वाली गंभीर फ़ाउलिंग के चेतावनी संकेत हैं। मॉडिफाइड फ़ाउलिंग इंडेक्स (एमएफआई-यूएफ) को ट्रैक करने और इसे झिल्ली के प्रदर्शन से सहसंबंधित करने जैसी तकनीकें, प्रतिक्रियात्मक परिवर्तनों के बजाय प्रतिस्थापन की पूर्वानुमानित योजना बनाने में सक्षम बनाती हैं, जिससे डाउनटाइम कम होता है और रखरखाव लागत नियंत्रित होती है।
झिल्ली की अखंडता न केवल कार्बनिक पदार्थों के जमाव से बल्कि संक्षारण से भी प्रभावित होती है, विशेष रूप से अत्यधिक pH या उच्च लवण सांद्रता वाली प्रक्रियाओं में। संक्षारण और पदार्थों के जमाव दोनों को नियंत्रित करने के लिए नियमित निरीक्षण और रासायनिक सफाई प्रक्रियाएं अपनाई जानी चाहिए। जब संक्षारण से संबंधित गंदगी दिखाई दे, तो झिल्ली की सफाई की आवृत्ति और प्रतिस्थापन अंतराल को समायोजित किया जाना चाहिए ताकि झिल्ली का जीवनकाल निरंतर बना रहे और अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली का प्रदर्शन स्थिर रहे। इन समस्याओं के प्रभाव को कम करने और प्रभावी संचालन को लंबे समय तक बनाए रखने के लिए नियमित और निर्धारित रखरखाव आवश्यक है।
6.3. प्रक्रिया नियंत्रण और इनलाइन श्यानता मापन
अल्ट्राफिल्ट्रेशन में प्रक्रिया नियंत्रण के लिए प्रोटीन विलयन की श्यानता का सटीक, वास्तविक समय मापन आवश्यक है, विशेषकर जब सांद्रता और श्यानता बढ़ती है। इनलाइन श्यानता मापन प्रणाली निरंतर निगरानी प्रदान करती है, जिससे तत्काल प्रतिक्रिया मिलती है और सिस्टम मापदंडों में गतिशील समायोजन संभव हो पाता है।
उभरती हुई प्रौद्योगिकियों ने प्रोटीन विलयन की चिपचिपाहट के मापन के परिदृश्य को पूरी तरह से बदल दिया है:
कलमन फ़िल्टरिंग के साथ रमन स्पेक्ट्रोस्कोपीविस्तारित कल्मन फिल्टर द्वारा समर्थित रीयल-टाइम रमन विश्लेषण, प्रोटीन सांद्रता और बफर संरचना की सटीक निगरानी को सक्षम बनाता है। यह दृष्टिकोण संवेदनशीलता और सटीकता को बढ़ाता है, जिससे अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण और डायफिल्ट्रेशन के लिए प्रक्रिया स्वचालन में सहायता मिलती है।
स्वचालित काइनेमैटिक केशिका श्यानतामापीकंप्यूटर विज़न का उपयोग करते हुए, यह तकनीक स्वचालित रूप से विलयन की श्यानता को मापती है, जिससे मैन्युअल त्रुटियों को दूर किया जा सकता है और कई प्रक्रिया धाराओं में दोहराव योग्य, बहुस्तरीय निगरानी प्रदान की जा सकती है। यह मानक और जटिल प्रोटीन फॉर्मूलेशन दोनों के लिए मान्य है और अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण के दौरान हस्तक्षेप को कम करती है।
माइक्रोफ्लुइडिक रियोलॉजी उपकरणमाइक्रोफ्लुइडिक प्रणालियाँ विस्तृत, निरंतर रियोलॉजिकल प्रोफाइल प्रदान करती हैं, यहाँ तक कि गैर-न्यूटनियन, उच्च-श्यानता वाले प्रोटीन विलयनों के लिए भी। ये फार्मास्युटिकल विनिर्माण में विशेष रूप से मूल्यवान हैं, जो प्रक्रिया विश्लेषणात्मक प्रौद्योगिकी (पीएटी) रणनीतियों और फीडबैक लूप के साथ एकीकरण का समर्थन करती हैं।
इन उपकरणों का उपयोग करके प्रक्रिया नियंत्रण से चिपचिपाहट में परिवर्तन के अनुसार टीएमपी, फ़ीड दर या क्रॉसफ़्लो वेग के वास्तविक समय समायोजन के लिए फ़ीडबैक लूप लागू किए जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि इनलाइन सेंसिंग चिपचिपाहट में अचानक वृद्धि (सांद्रता में वृद्धि या एकत्रीकरण के कारण) का पता लगाती है, तो अल्ट्राफिल्ट्रेशन में सांद्रता ध्रुवीकरण की शुरुआत को सीमित करने के लिए टीएमपी को स्वचालित रूप से कम किया जा सकता है या क्रॉसफ़्लो वेग को बढ़ाया जा सकता है। यह दृष्टिकोण न केवल झिल्ली के जीवनकाल को बढ़ाता है, बल्कि प्रोटीन विलयनों की चिपचिपाहट को प्रभावित करने वाले कारकों को गतिशील रूप से प्रबंधित करके उत्पाद की गुणवत्ता में निरंतरता बनाए रखने में भी सहायक होता है।
सबसे उपयुक्त श्यानता निगरानी तकनीक का चयन अल्ट्राफिल्ट्रेशन अनुप्रयोग की विशिष्ट आवश्यकताओं पर निर्भर करता है, जिसमें अपेक्षित श्यानता सीमा, प्रोटीन निर्माण की जटिलता, एकीकरण की आवश्यकताएँ और लागत शामिल हैं। वास्तविक समय की निगरानी और गतिशील प्रक्रिया नियंत्रण में हुई प्रगति ने उच्च श्यानता वाले प्रोटीन विलयनों के लिए अल्ट्राफिल्ट्रेशन को अनुकूलित करने की क्षमता में उल्लेखनीय सुधार किया है, जिससे परिचालन स्थिरता और उच्च उत्पाद उपज दोनों सुनिश्चित होती हैं।
प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन में आने वाली समस्याओं का निवारण और सामान्य समस्याएं
7.1. लक्षण, कारण और उपचार
झिल्ली के पार दबाव में वृद्धि
अल्ट्राफिल्ट्रेशन के दौरान ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव (टीएमपी) में वृद्धि झिल्ली के पार बढ़ते प्रतिरोध को इंगित करती है। ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव का अल्ट्राफिल्ट्रेशन पर सीधा प्रभाव पड़ता है: सामान्य ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव सीमा आमतौर पर प्रक्रिया पर निर्भर करती है, लेकिन लगातार वृद्धि की जांच आवश्यक है। इसके दो सामान्य कारण प्रमुख हैं:
- प्रोटीन घोल की उच्च श्यानता:प्रोटीन विलयनों की श्यानता बढ़ने पर—आमतौर पर उच्च अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रता पर—प्रवाह के लिए आवश्यक दाब भी बढ़ जाता है। यह अंतर अंतिम सांद्रण और डायफिल्ट्रेशन चरणों में अधिक स्पष्ट होता है, जहाँ विलयन सबसे अधिक श्यान होते हैं।
- झिल्ली का दूषित होना:प्रोटीन एग्रीगेट्स या पॉलीसेकेराइड-प्रोटीन मिश्रण जैसे दूषित पदार्थ झिल्ली के छिद्रों से चिपक सकते हैं या उन्हें अवरुद्ध कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप टीएमपी में तेजी से वृद्धि हो सकती है।
उपचार:
- टीएमपी को कम करें और फ़ीड प्रवाह को बढ़ाएंफीड वेलोसिटी को बढ़ाते हुए टीएमपी को कम करने से सांद्रता ध्रुवीकरण और जेल परत निर्माण कम हो जाता है, जिससे स्थिर प्रवाह को बढ़ावा मिलता है।
- नियमित झिल्ली सफाई: जमा हुए प्रदूषकों को हटाने के लिए झिल्ली की सफाई की इष्टतम आवृत्ति निर्धारित करें। सफाई के बाद प्रोटीन घोल की चिपचिपाहट मापकर इसकी प्रभावशीलता की निगरानी करें।
- पुरानी झिल्लियों को बदलेंयदि सफाई अपर्याप्त हो या झिल्ली का जीवनकाल समाप्त हो गया हो, तो झिल्ली को बार-बार बदलने की आवश्यकता हो सकती है।
घटती प्रवाह दर: नैदानिक वृक्ष
अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण के दौरान प्रवाह में लगातार कमी उत्पादकता संबंधी चिंताओं का संकेत देती है। इस नैदानिक दृष्टिकोण का पालन करें:
- टीएमपी और चिपचिपाहट की निगरानी करें:यदि दोनों में वृद्धि हुई है, तो गंदगी या जेल परत की उपस्थिति की जांच करें।
- चारे की संरचना और पीएच की जांच करें:यहां होने वाले बदलाव प्रोटीन विलयनों की चिपचिपाहट को बदल सकते हैं और गंदगी जमा होने को बढ़ावा दे सकते हैं।
- झिल्ली के प्रदर्शन का आकलन करें:सफाई के बावजूद पारगम्य प्रवाह में कमी झिल्ली को संभावित क्षति या अपरिवर्तनीय संदूषण का संकेत देती है।
समाधान:
- अल्ट्राफिल्ट्रेशन में फाउलिंग और सांद्रता ध्रुवीकरण को कम करने के लिए फीड में तापमान, पीएच और आयनिक शक्ति को अनुकूलित करें।
- जेल की परतों को बाधित करने और प्रवाह को बहाल करने के लिए सतह-संशोधित या घूर्णनशील झिल्ली मॉड्यूल का उपयोग करें।
- प्रवाह को प्रभावित करने वाले परिवर्तनों का अनुमान लगाने के लिए प्रोटीन घोल की चिपचिपाहट का नियमित माप करें।
तीव्र संदूषण या जेल परत निर्माण
झिल्ली की सतह पर अत्यधिक सांद्रता ध्रुवीकरण के परिणामस्वरूप जेल परत का तेजी से निर्माण होता है। उच्च श्यानता या उच्च प्रोटीन वाले फ़ीड की स्थितियों में अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) का पारझिल्ली दाब विशेष रूप से प्रभावित होता है।
जोखिम कम करने की रणनीतियाँ:
- प्रोटीन के बंधन और जुड़ाव को कम करने के लिए जल-प्रेमी, ऋणात्मक रूप से आवेशित झिल्ली सतहों (जैसे, पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड [PVDF] झिल्ली) का उपयोग करें।
- अल्ट्राफिल्ट्रेशन से पहले उच्च-दूषित पदार्थों को हटाने के लिए कोएगुलेशन या इलेक्ट्रोकोएगुलेशन का उपयोग करके फ़ीड का पूर्व-उपचार करें।
- अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन प्रक्रिया में घूर्णन मॉड्यूल जैसे यांत्रिक उपकरणों को एकीकृत करके केक परत की मोटाई को कम किया जा सकता है और जेल परत के निर्माण में देरी की जा सकती है।
7.2. चारे की परिवर्तनशीलता के अनुसार समायोजन
प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन सिस्टम को फ़ीड प्रोटीन के गुणों या संरचना में भिन्नता के अनुसार अनुकूलित होना चाहिए। प्रोटीन विलयनों की चिपचिपाहट को प्रभावित करने वाले कारक—जैसे बफर संरचना, प्रोटीन सांद्रता और एकत्रीकरण प्रवृत्ति—सिस्टम के व्यवहार को बदल सकते हैं।
प्रतिक्रिया रणनीतियाँ
- वास्तविक समय में श्यानता और संरचना की निगरानी:फ़ीड में होने वाले परिवर्तनों का तेजी से पता लगाने के लिए इन-लाइन विश्लेषणात्मक सेंसर (रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी + कलमन फ़िल्टरिंग) का उपयोग करें, जो पारंपरिक यूवी या आईआर विधियों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं।
- अनुकूली प्रक्रिया नियंत्रण:पैरामीटर सेटिंग्स समायोजित करें (प्रवाह दरपता चले परिवर्तनों के जवाब में (टीएमपी, झिल्ली चयन) प्रतिक्रिया हो सकती है। उदाहरण के लिए, प्रोटीन घोल की चिपचिपाहट बढ़ने पर कम टीएमपी और उच्च अपरूपण दर की आवश्यकता हो सकती है।
- झिल्ली का चयन:वर्तमान फ़ीड गुणों के लिए अनुकूलित छिद्र आकार और सतह रसायन वाले मेम्ब्रेन का उपयोग करें, जो प्रोटीन प्रतिधारण और प्रवाह को संतुलित करते हैं।
- चारा पूर्व-उपचार:यदि फ़ीड की प्रकृति में अचानक बदलाव से गंदगी जमा होने लगती है, तो अल्ट्राफिल्ट्रेशन से पहले जमाव या फ़िल्टरेशन के चरण शुरू करें।
उदाहरण:
- बायोप्रोसेसिंग में, बफर स्विच या एंटीबॉडी एग्रीगेट्स में परिवर्तन से कंट्रोल सिस्टम के माध्यम से टीएमपी और फ्लो एडजस्टमेंट शुरू होने चाहिए।
- क्रोमैटोग्राफी से जुड़े अल्ट्राफिल्ट्रेशन के लिए, अनुकूली मिश्रण-पूर्णांक अनुकूलन एल्गोरिदम परिवर्तनशीलता को कम कर सकते हैं और अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली के प्रदर्शन को बनाए रखते हुए परिचालन लागत को कम कर सकते हैं।
प्रोटीन विलयन की चिपचिपाहट के माप की नियमित निगरानी और प्रक्रिया की स्थितियों में तत्काल समायोजन अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रता को अनुकूलित करने, थ्रूपुट बनाए रखने और झिल्ली की गंदगी और सांद्रता ध्रुवीकरण को कम करने में मदद करता है।
अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्नों
8.1. प्रोटीन विलयनों के अल्ट्राफिल्ट्रेशन में ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव की सामान्य सीमा क्या है?
अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रोटीन सांद्रण प्रणालियों में सामान्य ट्रांसमेम्ब्रेन प्रेशर (TMP) रेंज मेम्ब्रेन के प्रकार, मॉड्यूल डिज़ाइन और फ़ीड की विशेषताओं पर निर्भर करती है। अधिकांश प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रक्रियाओं के लिए, TMP को आमतौर पर 1 से 3 बार (15-45 psi) के बीच बनाए रखा जाता है। 0.2 MPa (लगभग 29 psi) से अधिक TMP मान मेम्ब्रेन को नुकसान, तेजी से दूषित होने और मेम्ब्रेन के जीवनकाल में कमी का जोखिम पैदा कर सकते हैं। जैव चिकित्सा और जैव प्रसंस्करण अनुप्रयोगों में, मेम्ब्रेन के फटने से बचने के लिए अनुशंसित TMP आमतौर पर 0.8 बार (~12 psi) से अधिक नहीं होना चाहिए। ट्रांसवर्स फ्लो फिल्ट्रेशन जैसी प्रक्रियाओं के लिए, इस TMP रेंज के भीतर रहना उपज और प्रोटीन अखंडता दोनों की सुरक्षा सुनिश्चित करता है।
8.2. प्रोटीन विलयनों की श्यानता अल्ट्राफिल्ट्रेशन के प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करती है?
प्रोटीन विलयन की श्यानता अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण की कार्यक्षमता को सीधे प्रभावित करती है। उच्च श्यानता प्रवाह प्रतिरोध को बढ़ाती है और कुल द्रव मापन (TMP) को ऊपर उठाती है, जिसके परिणामस्वरूप परमीएट प्रवाह कम हो जाता है और झिल्ली तेजी से दूषित हो जाती है। यह प्रभाव मोनोक्लोनल एंटीबॉडी या Fc-फ्यूजन प्रोटीन के साथ उच्च सांद्रता पर अधिक स्पष्ट होता है, जहां प्रोटीन-प्रोटीन अंतःक्रियाओं और आवेश प्रभावों के कारण श्यानता बढ़ जाती है। सहायक पदार्थों या एंजाइमेटिक उपचारों द्वारा श्यानता को नियंत्रित और अनुकूलित करने से प्रवाह में सुधार होता है, श्यानता कम होती है और अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण के दौरान उच्च सांद्रता प्राप्त की जा सकती है। कुशल प्रसंस्करण बनाए रखने के लिए प्रोटीन विलयन की श्यानता माप की निगरानी करना महत्वपूर्ण है।
8.3. सांद्रता ध्रुवीकरण क्या है और यह टीएफएफ में क्यों महत्वपूर्ण है?
अल्ट्राफिल्ट्रेशन में सांद्रता ध्रुवीकरण झिल्ली की सतह पर प्रोटीन का जमाव है, जिससे विलयन और झिल्ली की सतह के बीच एक प्रवणता उत्पन्न होती है। अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन में, इससे स्थानीय श्यानता बढ़ जाती है और प्रवाह में संभावित रूप से प्रतिवर्ती गिरावट आ सकती है। यदि इसे नियंत्रित न किया जाए, तो यह झिल्ली में गंदगी जमा होने को बढ़ावा दे सकता है और प्रणाली की दक्षता को कम कर सकता है। अल्ट्राफिल्ट्रेशन में सांद्रता ध्रुवीकरण को नियंत्रित करने के लिए, एक पतली ध्रुवीकरण परत बनाए रखने हेतु अनुप्रस्थ प्रवाह दर, कुल द्रव मात्रा (TMP) और झिल्ली के चयन को अनुकूलित करना आवश्यक है। सटीक नियंत्रण से उच्च प्रवाह दर और गंदगी जमा होने का जोखिम कम रहता है।
8.4. मुझे यह कैसे तय करना चाहिए कि मुझे अपनी अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली को कब बदलना चाहिए?
जब आपको थ्रूपुट (फ्लक्स) में उल्लेखनीय गिरावट, टीएमपी में लगातार वृद्धि (जिसे मानक सफाई से ठीक नहीं किया जा सकता), या सफाई के बाद भी दिखाई देने वाली गंदगी (फैलिंग्स) दिखे, तो अल्ट्राफिल्ट्रेशन मेम्ब्रेन को बदल दें। अन्य संकेतकों में चयनात्मकता में कमी (लक्ष्य प्रोटीन को अपेक्षा के अनुसार अस्वीकार करने में विफलता) और प्रदर्शन विनिर्देशों को पूरा करने में असमर्थता शामिल हैं। प्रोटीन विलयन अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण प्रक्रियाओं में मेम्ब्रेन के जीवनकाल को अधिकतम करने के लिए नियमित फ्लक्स और चयनात्मकता परीक्षण के साथ मेम्ब्रेन बदलने की आवृत्ति की निगरानी करना आवश्यक है।
8.5. टीएफएफ में प्रोटीन जमाव को कम करने के लिए मैं किन परिचालन मापदंडों को समायोजित कर सकता हूँ?
अनुप्रस्थ प्रवाह निस्पंदन में प्रोटीन संदूषण को कम करने के लिए प्रमुख परिचालन मापदंडों में निम्नलिखित शामिल हैं:
- स्थानीय प्रोटीन जमाव को कम करने और सांद्रता ध्रुवीकरण को नियंत्रित करने के लिए पर्याप्त अनुप्रस्थ प्रवाह वेग बनाए रखें।
- उत्पाद के अत्यधिक रिसाव और झिल्ली को नुकसान से बचाने के लिए, अनुशंसित टीएमपी सीमा के भीतर ही संचालन करें, जो आमतौर पर 3-5 psi (0.2-0.35 बार) होती है।
- अपरिवर्तनीय प्रदूषण को सीमित करने के लिए नियमित रूप से झिल्ली की सफाई के प्रोटोकॉल का पालन करें।
- फीड सॉल्यूशन की निगरानी करें और यदि आवश्यक हो, तो उसकी चिपचिपाहट को नियंत्रित करने के लिए उसका पूर्व-उपचार करें (उदाहरण के लिए, पेक्टिनेज जैसे एंजाइमेटिक उपचारों का उपयोग करके)।
- लक्षित प्रोटीन के आकार और प्रक्रिया के लक्ष्यों के लिए उपयुक्त झिल्ली सामग्री और छिद्र आकार (MWCO) का चयन करें।
हाइड्रोसाइक्लोन प्रीफिल्ट्रेशन या एंजाइमेटिक प्रीट्रीटमेंट को एकीकृत करने से सिस्टम का प्रदर्शन बेहतर हो सकता है, खासकर उच्च-श्यानता वाले फ़ीड के लिए। फ़ीड की संरचना पर बारीकी से नज़र रखें और झिल्ली में गंदगी को कम करने और अल्ट्राफिल्ट्रेशन सांद्रण चरण को अनुकूलित करने के लिए सेटिंग्स को गतिशील रूप से समायोजित करें।
पोस्ट करने का समय: 3 नवंबर 2025
