Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Kontrola viskoznosti proteinskih otopina ključna je za optimizaciju procesa ultrafiltracijske koncentracije u biofarmaceutskoj proizvodnji. Povišena viskoznost u proteinskim otopinama - posebno pri visokim koncentracijama proteina - izravno utječe na performanse membrane, učinkovitost procesa i ekonomičnost u primjenama ultrafiltracijske koncentracije proteina. Viskoznost otopine raste s udjelom proteina zbog grupiranja antitijela i elektrostatskih interakcija, što povećava otpor protoku i pad tlaka preko ultrafiltracijske membrane. To rezultira nižim protocima permeata i duljim vremenom rada, posebno u procesima transverzalne filtracije (TFF).

Transmembranski tlak (TMP), pokretačka snaga ultrafiltracije, usko je povezan s viskoznošću. Rad izvan normalnog raspona transmembranskog tlaka ubrzava onečišćenje membrane i pogoršava koncentracijsku polarizaciju - nakupljanje proteina u blizini membrane što kontinuirano povećava lokalnu viskoznost. I koncentracijska polarizacija i onečišćenje membrane rezultiraju smanjenim performansama ultrafiltracijske membrane i mogu skratiti vijek trajanja membrane ako se ne kontroliraju. Eksperimentalni rad pokazuje da su onečišćenje membrane i koncentracijska polarizacija u ultrafiltraciji izraženiji pri višim vrijednostima TMP-a i s viskoznijim ulazima, što čini kontrolu TMP-a u stvarnom vremenu ključnom za maksimiziranje protoka i smanjenje učestalosti čišćenja.

Optimizacija koncentracije ultrafiltracije zahtijeva integrirane strategije:

Mjerenje viskoznosti otopine proteinaRedovite procjene viskoznosti - korištenjemlinijski viskozimetri—pomažu u predviđanju stopa filtracije i predviđanju uskih grla u procesu, podržavajući brze modifikacije procesa.
Kondicioniranje hranePrilagođavanje pH vrijednosti, ionske jakosti i temperature može smanjiti viskoznost i smanjiti onečišćenje. Na primjer, dodavanje natrijevih iona pojačava odbijanje hidratacije između proteina, ublažavajući agregaciju i onečišćenje, dok kalcijevi ioni imaju tendenciju poticanja premošćivanja i onečišćenja proteina.
Upotreba pomoćnih tvariUključivanje pomoćnih tvari koje snižavaju viskoznost u visoko koncentrirane proteinske otopine poboljšava propusnost membrane i smanjuje transmembranski tlak u ultrafiltraciji, povećavajući ukupnu učinkovitost.
Napredni režimi protokaPovećanje brzine poprečnog toka, korištenje naizmjeničnog poprečnog toka ili korištenje ubrizgavanja zračnog mlaza remeti slojeve onečišćenja. Ove tehnike pomažu u održavanju protoka permeata i smanjuju učestalost zamjene membrane minimiziranjem stvaranja naslaga.
Odabir i čišćenje membraneOdabir kemijski otpornih membrana (npr. SiC ili termosalientnih hibrida) i optimizacija učestalosti čišćenja membrane odgovarajućim protokolima (npr. čišćenje natrijevim hipokloritom) ključni su za produljenje vijeka trajanja membrane i smanjenje operativnih troškova.

Sveukupno, učinkovita kontrola viskoznosti i upravljanje TMP-om temelj su uspješne izvedbe ultrafiltracijske koncentracijske faze, izravno utječući na prinos proizvoda, učestalost čišćenja membrane i dugovječnost skupih membranskih sredstava.

Razumijevanje viskoznosti proteinske otopine u ultrafiltraciji

1.1. Kolika je viskoznost proteinskih otopina?

Viskoznost opisuje otpor tekućine protoku; u otopinama proteina označava koliko molekularno trenje ometa kretanje. SI jedinica za viskoznost je Pascal-sekunda (Pa·s), ali se za biološke tekućine obično koristi centipoise (cP). Viskoznost izravno utječe na to koliko se lako otopine proteina mogu pumpati ili filtrirati tijekom proizvodnje i utječe na isporuku lijekova, posebno za bioterapeutike visoke koncentracije.

Koncentracija proteina je dominantan faktor koji utječe na viskoznost. Kako razina proteina raste, povećavaju se intermolekularne interakcije i zgušnjavanje, što uzrokuje porast viskoznosti, često nelinearno. Iznad određenog praga, interakcije protein-protein dodatno potiskuju difuziju unutar otopine. Na primjer, koncentrirane otopine monoklonskih antitijela koje se koriste u farmaceutskim proizvodima često dosežu razine viskoznosti koje otežavaju potkožno injektiranje ili ograničavaju brzinu obrade.

Modeli koji predviđaju viskoznost u koncentriranim otopinama proteina sada uključuju molekularnu geometriju i tendencije agregacije. Morfologija proteina - bilo da je izdužena, globularna ili sklona agregaciji - značajno utječe na viskoznost pri visokim koncentracijama. Nedavni napredak u mikrofluidnoj procjeni omogućuje precizno mjerenje viskoznosti iz minimalnih volumena uzorka, olakšavajući brzi probir novih formulacija proteina.

1.2. Kako se viskoznost mijenja tijekom ultrafiltracije

Tijekom ultrafiltracije, koncentracijska polarizacija brzo akumulira proteine na granici membrane i otopine. To stvara strme lokalne gradijente koncentracije i povećava viskoznost u blizini membrane. Povećana viskoznost u ovom području ometa prijenos mase i smanjuje protok permeata.

Koncentracijska polarizacija razlikuje se od membranskog onečišćenja. Polarizacija je dinamična i reverzibilna, javlja se unutar nekoliko minuta kako filtracija napreduje. Za usporedbu, onečišćenje se razvija tijekom vremena i često uključuje nepovratno taloženje ili kemijsku transformaciju na površini membrane. Točna dijagnostika omogućuje praćenje sloja koncentracijske polarizacije u stvarnom vremenu, otkrivajući njegovu osjetljivost na brzinu poprečnog protoka i transmembranski tlak. Na primjer, povećanje brzine ili smanjenje transmembranskog tlaka (TMP) pomaže u poremećaju viskoznog graničnog sloja, obnavljajući fluks.

Radni parametri izravno utječu na ponašanje viskoznosti:

Transmembranski tlak (TMP)Viši TMP pojačava polarizaciju, povećavajući lokalnu viskoznost i smanjujući fluks.
Brzina poprečnog tokaPovećana brzina ograničava akumulaciju, umjerenom viskoznošću u blizini membrane.
Učestalost čišćenja membraneČesto čišćenje smanjuje dugoročno nakupljanje i ublažava gubitak performansi uzrokovan viskoznošću.

Faze ultrafiltracijske koncentracije moraju optimizirati ove parametre kako bi se smanjili negativni učinci viskoznosti i održao protok.

1.3. Svojstva otopine proteina koja utječu na viskoznost

Molekularna težinaisastavuglavnom određuju viskoznost. Veći, složeniji proteini ili agregati daju veću viskoznost zbog otežanog kretanja i značajnijih međumolekularnih sila. Oblik proteina dodatno modulira protok - izduženi ili lanci skloni agregaciji uzrokuju veći otpor od kompaktnih globularnih proteina.

pHkritično utječe na naboj i topljivost proteina. Podešavanje pH otopine blizu izoelektrične točke proteina minimizira neto naboj, smanjuje odbijanje proteina i privremeno smanjuje viskoznost, olakšavajući filtraciju. Na primjer, provođenje ultrafiltracije blizu izoelektrične točke BSA ili IgG može značajno poboljšati protok permeata i selektivnost odvajanja.

Ionska jakostutječe na viskoznost promjenom električnog dvostrukog sloja oko proteina. Povećana ionska jakost blokira elektrostatske interakcije, potičući prijenos proteina kroz membrane, ali i povećavajući rizik od agregacije i odgovarajućih skokova viskoznosti. Kompromis između učinkovitosti prijenosa i selektivnosti često ovisi o finom podešavanju koncentracija soli i sastava pufera.

Mali molekularni aditivi - poput arginin hidroklorida ili gvanidina - mogu se koristiti za ublažavanje viskoznosti. Ovi agensi narušavaju hidrofobne ili elektrostatske privlačnosti, smanjuju agregaciju i poboljšavaju svojstva protoka otopine. Temperatura djeluje kao daljnja kontrolna varijabla; niže temperature povećavaju viskoznost, dok je dodatna toplina često smanjuje.

Mjerenje viskoznosti proteinske otopine treba uzeti u obzir:

Raspodjela molekularne težine
Sastav otopine (soli, pomoćne tvari, aditivi)
Odabir pH i puferskog sustava
Postavka ionske jačine

Ovi čimbenici su ključni za optimizaciju performansi ultrafiltracijske membrane i osiguranje konzistentnosti kroz faze koncentracije i TFF procese.

Osnove ultrafiltracijske koncentracije proteina

Principi ultrafiltracijske faze koncentracije

Ultrafiltracijska koncentracija proteina djeluje primjenom transmembranskog tlaka (TMP) preko polupropusne membrane, tjerajući otapalo i male otopljene tvari, a zadržavajući proteine i veće molekule. Proces iskorištava selektivnu permeaciju na temelju veličine molekule, pri čemu granična molekularna težina membrane (MWCO) definira maksimalnu veličinu molekula koje prolaze. Proteini koji prelaze MWCO nakupljaju se na strani retentata, povećavajući svoju koncentraciju kako se permeat povlači.

Faza ultrafiltracijske koncentracije usmjerena je na smanjenje volumena i obogaćivanje otopine proteina. Kako filtracija napreduje, viskoznost otopine proteina obično raste, što utječe na zahtjeve fluksa i TMP-a. Zadržani proteini mogu međusobno djelovati i s membranom, što proces u stvarnom svijetu čini složenijim od jednostavnog isključivanja veličine. Elektrostatičke interakcije, agregacija proteina i karakteristike otopine poput pH i ionske jakosti utječu na rezultate zadržavanja i odvajanja. U nekim slučajevima, advektivni transport dominira nad difuzijom, posebno u membranama s većim porama, što komplicira očekivanja temeljena isključivo na odabiru MWCO [vidi sažetak istraživanja].

Objašnjenje transverzalne protočne filtracije (TFF)

Transverzalna filtracija protoka, također nazvana tangencijalna filtracija protoka (TFF), usmjerava otopinu proteina tangencijalno preko površine membrane. Ovaj pristup je u suprotnosti s filtracijom slijepog kraja, gdje je protok okomit na membranu, gurajući čestice izravno na i u filter.

Ključne razlike i utjecaji:

Kontrola obraštanja:TFF smanjuje nakupljanje proteinskih i čestičnih slojeva, poznato kao stvaranje kolača, kontinuiranim uklanjanjem potencijalnih onečišćenja s membrane. To rezultira stabilnijim protokom permeata i lakšim održavanjem.
Zadržavanje proteina:TFF podržava bolje upravljanje koncentracijskom polarizacijom - slojem zadržanih molekula u blizini membrane - koji, ako se ne kontrolira, može smanjiti selektivnost odvajanja i pojačati onečišćenje. Dinamički tok u TFF-u ublažava ovaj učinak, pomažući u održavanju visoke retencije proteina i učinkovitosti odvajanja.
Stabilnost fluksa:TFF omogućuje dulja operativna razdoblja uz konzistentan protok, povećavajući učinkovitost u procesima s visokoproteinskim ili česticama bogatim sirovinama. Nasuprot tome, filtracija u slijepom dijelu brzo se otežava onečišćenjem, smanjujući protok i zahtijevajući česte intervencije čišćenja.

Napredne varijante TFF-a, poput izmjeničnog tangencijalnog toka (ATF), dodatno ometaju onečišćenje i stvaranje kolača periodičnim preokretanjem ili promjenom tangencijalnih brzina, produžujući vijek trajanja filtera i poboljšavajući propusnost proteina [vidi sažetak istraživanja]. I u klasičnim i u naprednim TFF postavkama, operativne postavke - poput TMP-a, brzine unakrsnog toka i učestalosti čišćenja - moraju se prilagoditi specifičnom proteinskom sustavu, vrsti membrane i ciljanoj koncentraciji kako bi se optimizirale performanse i smanjilo onečišćenje.

Transmembranski tlak (TMP) u ultrafiltraciji

3.1. Što je transmembranski tlak?

Transmembranski tlak (TMP) je razlika tlaka na filtracijskoj membrani koja tjera otapalo s ulazne strane prema strani permeata. TMP je glavna sila iza procesa separacije u ultrafiltraciji, omogućujući otapalu da prođe kroz membranu, a zadrži proteine i druge makromolekule.

Formula TMP-a:

Jednostavna razlika: TMP = P_dovod − P_permeat
Inženjerska metoda: TMP = [(P_dovod + P_retentat)/2] − P_permeat
Ovdje je P_feed ulazni tlak, P_retentat izlazni tlak na strani retentata, a P_permeat tlak na strani permeata. Uključivanje tlaka retentata (ili koncentrata) daje točniju vrijednost duž površine membrane, uzimajući u obzir gradijente tlaka uzrokovane otporom protoka i onečišćenjem.
Tlak dovoda i brzina protoka
Tlak retentata (kada je primjenjivo)
Tlak permeata (često atmosferski)
Otpor membrane
TMP varira ovisno o vrsti membrane, dizajnu sustava i uvjetima procesa.

Kontrolne varijable:

3.2. TMP i proces ultrafiltracije

TMP igra središnju ulogu u koncentraciji proteina ultrafiltracijom, tjerajući otopine proteina kroz membranu. Tlak mora biti dovoljno visok da savlada otpor membrane i nakupljeni materijal, ali ne toliko visok da ubrza onečišćenje.

Utjecaj viskoznosti otopine i koncentracije proteina

Viskoznost proteinskih otopina:Veća viskoznost povećava otpor protoku, što zahtijeva veću temperaturu protočnosti (TMP) kako bi se održao isti protok permeata. Na primjer, dodavanje glicerola u ulaznu smjesu ili rad s koncentriranim proteinima povećava viskoznost, a time i potrebnu operativnu TMP.
Koncentracija proteina:Kako se koncentracija povećava tijekom faze ultrafiltracijske koncentracije, viskoznost otopine raste, TMP se povećava i raste rizik od onečišćenja membrane ili polarizacije koncentracije.
Darcyjev zakon:TMP, fluks permeata (J) i viskoznost (μ) povezani su putem TMP = J × μ × R_m (otpor membrane). Za otopine proteina visoke viskoznosti, pažljivo podešavanje TMP-a je ključno za učinkovitu ultrafiltraciju.

Primjeri:

Ultrafiltracija gustih otopina antitijela zahtijeva pažljivo upravljanje TMP-om kako bi se suzbilo povećanje viskoznosti.
PEGilacija ili druge modifikacije proteina mijenjaju interakciju s membranom, utječući na TMP potreban za željeni fluks.

3.3. Praćenje i optimizacija TMP-a

Održavanje TMP-a unutarnormalni raspon transmembranskog tlakaje ključan za stabilne performanse ultrafiltracijske membrane i kvalitetu proizvoda. Tijekom vremena, kako ultrafiltracija napreduje, polarizacija koncentracije i onečišćenje mogu uzrokovati porast TMP-a, ponekad i nagli porast.

Prakse praćenja:

Praćenje u stvarnom vremenu:TMP se prati preko ulaza, retentata i permeataodašiljači tlaka.
Ramanova spektroskopija:Koristi se za neinvazivno praćenje koncentracija proteina i pomoćnih tvari, olakšavajući adaptivnu kontrolu TMP-a tijekom ultrafiltracije i diafiltracije.
Napredna kontrola:Prošireni Kalmanovi filteri (EKF) mogu obrađivati podatke senzora, automatski podešavajući TMP kako bi se izbjeglo prekomjerno onečišćenje.
Postavite početni TMP unutar normalnog raspona:Ne prenisko da se smanji fluks, ne previsoko da se izbjegne brzo onečišćenje.
Prilagodite TMP kako se viskoznost povećava:Tijekom faze ultrafiltracijske koncentracije, postupno povećavajte TMP samo po potrebi.
Kontrola protoka hrane i pH:Povećanje protoka ulazne sirovine ili smanjenje TMP-a ublažava polarizaciju koncentracije i onečišćenje.
Čišćenje i zamjena membrane:Viši TMP-ovi povezani su s češćim čišćenjem i smanjenim vijekom trajanja membrane.

Strategije optimizacije:

Primjeri:

Korozijsko onečišćenje u linijama za preradu proteina dovodi do povećanja temperature hlađenja (TMP) i smanjenog protoka, što zahtijeva čišćenje ili zamjenu membrane kako bi se vratio normalan rad.
Enzimatska predobrada (npr. dodatak pektinaze) može sniziti TMP i produžiti vijek trajanja membrane tijekom ultrafiltracije proteina uljane repice visoke viskoznosti.

3.4. TMP u TFF sustavima

Tangencijalna (poprečna) protočna filtracija (TFF) djeluje tako da usmjerava otopinu ulaznog toka preko membrane, a ne izravno kroz nju, što značajno utječe na dinamiku TMP-a.

Regulacija i ravnoteža TMP-a

TFF transmembranski tlak (TFF TMP):Upravlja se kontroliranjem protoka ulaza i tlaka pumpe kako bi se izbjegao prekomjerni TMP, a istovremeno maksimizirao protok permeata.
Optimizacija parametara:Povećanje protoka hrane smanjuje lokalno taloženje proteina, stabilizira TMP i smanjuje onečišćenje membrane.
Računalno modeliranje:CFD modeli predviđaju i optimiziraju TFF TMP za maksimalni oporavak produkta, čistoću i prinos - što je posebno važno za procese poput izolacije mRNA ili izvanstaničnih vezikula.

Primjeri:

U bioprocesiranju, optimalni TFF TMP daje >70% oporavka mRNA bez degradacije, nadmašujući metode ultracentrifugiranja.
Adaptivna kontrola TMP-a, utemeljena na matematičkim modelima i povratnim informacijama senzora, smanjuje učestalost zamjene membrane i produžuje njezin vijek trajanja smanjenjem onečišćenja.

Ključne zaključke:

Transmembranski tlak TMP-a mora se aktivno upravljati u TFF-u kako bi se održala učinkovitost procesa, protok i zdravlje membrane.
Sustavna optimizacija TMP-a smanjuje operativne troškove, podržava izdvajanje proizvoda visoke čistoće i produžuje vijek trajanja membrane u ultrafiltraciji proteina i srodnim procesima.

Praćenje i mjerenje visokih koncentracija proteina

Mehanizmi obraštanja i njihov odnos prema viskoznosti

Glavni putevi onečišćenja u ultrafiltraciji proteina

Na ultrafiltraciju proteina utječe nekoliko različitih puteva onečišćenja:

Korozijsko onečišćenje:Do toga dolazi kada se produkti korozije - obično željezni oksidi - nakupljaju na površinama membrane. Oni smanjuju protok i teško ih je ukloniti standardnim kemijskim sredstvima za čišćenje. Korozijsko onečišćenje dovodi do trajnog gubitka performansi membrane i s vremenom povećava učestalost zamjene membrane. Njezin utjecaj je posebno ozbiljan kod PVDF i PES membrana koje se koriste u obradi vode i primjenama proteina.

Organsko obraštanje:Pretežno inducirano proteinima poput goveđeg serumskog albumina (BSA), a može se pojačati u prisutnosti drugih organskih tvari poput polisaharida (npr. natrijevog alginata). Mehanizmi uključuju adsorpciju na membranske pore, začepljenje pora i stvaranje sloja kolača. Sinergijski učinci javljaju se kada je prisutno više organskih komponenti, pri čemu sustavi s miješanim onečišćenjima doživljavaju teže onečišćenje od sustava s jednim proteinom.

Koncentracijska polarizacija:Kako ultrafiltracija napreduje, zadržani proteini se nakupljaju blizu površine membrane, povećavajući lokalnu koncentraciju i viskoznost. To stvara polarizacijski sloj koji povećava sklonost onečišćenju i smanjuje fluks. Proces se ubrzava kako napreduje faza ultrafiltracijske koncentracije, izravno pod utjecajem transmembranskog tlaka i dinamike protoka.

Koloidno i miješano obraštanje:Koloidna tvar (npr. silicijev dioksid, anorganski minerali) može stupiti u interakciju s proteinima, stvarajući složene agregatne slojeve koji pogoršavaju onečišćenje membrane. Prisutnost koloidnog silicijevog dioksida, na primjer, značajno smanjuje brzinu protoka, posebno kada se kombinira s organskom tvari ili pod suboptimalnim pH uvjetima.

Utjecaj viskoznosti otopine na razvoj obraštanja

Viskoznost proteinskih otopina snažno utječe na kinetiku onečišćenja i zbijanje membrane:

Ubrzano obraštanje:Veća viskoznost otopine proteina povećava otpornost na povratni transport zadržanih otopljenih tvari, što omogućuje brže stvaranje sloja kolača. To povećava transmembranski tlak (TMP), ubrzavajući zbijanje membrane i onečišćenje.

Učinci sastava otopine:Vrsta proteina mijenja viskoznost; globularni proteini (npr. BSA) i prošireni proteini ponašaju se drugačije u pogledu protoka i polarizacije. Dodavanje spojeva poput polisaharida ili glicerola značajno povećava viskoznost, potičući onečišćenje. Aditivi i agregacija proteina u visokim koncentracijama dodatno pojačavaju brzinu kojom se membrane začepljuju, izravno smanjujući i protok i vijek trajanja membrane.

Operativne posljedice:Veća viskoznost zahtijeva povećani TMP kako bi se održale brzine filtracije u procesima filtracije poprečnim tokom. Dugotrajna izloženost visokom TMP-u pojačava nepovratno onečišćenje, što često zahtijeva češće čišćenje membrane ili raniju zamjenu membrane.

Uloga karakteristika hrane

Karakteristike hrane - naime svojstva proteina i kemijski sastav vode - određuju ozbiljnost onečišćenja:

Veličina i raspodjela proteina:Veći ili agregirani proteini imaju veću sklonost izazivanju začepljenja pora i nakupljanja kolača, povećavajući viskoznost i tendenciju zbijanja tijekom ultrafiltracijske koncentracije proteina.

pH:Povišeni pH povećava elektrostatsko odbijanje, sprječavajući agregaciju proteina u blizini membrane, čime se smanjuje onečišćenje. Nasuprot tome, kiseli uvjeti smanjuju odbijanje, posebno za koloidni silicijev dioksid, pogoršavajući onečišćenje membrane i smanjujući brzinu protoka.

Temperatura:Niže temperature procesa općenito smanjuju kinetičku energiju, što može usporiti stopu onečišćenja, ali i povećati viskoznost otopine. Visoke temperature ubrzavaju onečišćenje, ali mogu i poboljšati učinkovitost čišćenja.

Koloidna/anorganska tvar:Prisutnost koloidnog silicijevog dioksida ili metala pojačava onečišćenje, posebno u kiselim uvjetima. Čestice silicijevog dioksida povećavaju ukupnu viskoznost otopine i fizički začepljuju pore, čineći ultrafiltracijsku koncentraciju manje učinkovitom i smanjujući ukupni vijek trajanja i performanse membrane.

Ionski sastav:Dodavanje određenih ionskih vrsta (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) može smanjiti onečišćenje modificiranjem elektrostatskih i hidratacijskih sila između proteina i membrana. Međutim, ioni poput Ca²⁺ često potiču agregaciju i povećavaju potencijal onečišćenja.

Primjeri:

Tijekom transverzalne protočne filtracije, ulazna materija bogata proteinima visoke molekularne težine i povišene viskoznosti doživjet će brzo smanjenje protoka, što će povećati potrebe za čišćenjem i zamjenom.
Kada voda za napajanje sadrži koloidni silicijev dioksid i zakiseli se, agregacija i taloženje silicija se pojačavaju, što znatno povećava stopu onečišćenja i smanjuje performanse membrane.

Ukratko, razumijevanje međudjelovanja viskoznosti otopine, vrsta onečišćenja i karakteristika ulazne sirovine ključno je za optimizaciju koncentracije ultrafiltracije, smanjenje onečišćenja membrane i maksimiziranje vijeka trajanja membrane.

Polarizacija koncentracije i njezino upravljanje

Što je koncentracijska polarizacija?

Koncentracijska polarizacija je lokalizirano nakupljanje zadržane otopljene tvari - poput proteina - na granici membrane i otopine tijekom ultrafiltracije. U kontekstu proteinskih otopina, kako tekućina teče prema polupropusnoj membrani, proteini koje membrana odbaci imaju tendenciju nakupljanja u tankom graničnom sloju uz površinu. To nakupljanje rezultira strmim gradijentom koncentracije: visoka koncentracija proteina odmah na membrani, mnogo niža u otopini. Fenomen je reverzibilan i njime upravljaju hidrodinamičke sile. To je u suprotnosti s onečišćenjem membrane, koje uključuje trajnije taloženje ili adsorpciju unutar ili na membranu.

Kako koncentracijska polarizacija pogoršava viskoznost i obraštanje

Na površini membrane, kontinuirano nakupljanje proteina formira granični sloj koji povećava lokalnu koncentraciju otopljene tvari. To ima dva značajna učinka:

Lokalizirano povećanje viskoznosti:Kako se koncentracija proteina povećava u blizini membrane, povećava se i viskoznost otopine proteina u ovom mikroregiji. Povećana viskoznost ometa povratni transport otopljene tvari dalje od membrane, dodatno povećavajući gradijent koncentracije i stvarajući povratnu spregu s povećanjem otpora protoku. To rezultira smanjenim protokom permeata i većom potrebnom energijom za nastavak filtracije.

Olakšavanje onečišćenja membrane:Visoka koncentracija proteina u blizini membrane povećava vjerojatnost agregacije proteina, a u nekim sustavima i stvaranja sloja gela. Ovaj sloj začepljuje pore membrane i dodatno pojačava otpor protoku. Takvi uvjeti su pogodni za nastanak nepovratnog onečišćenja, gdje se agregati proteina i nečistoće fizički ili kemijski vežu za matricu membrane.

Eksperimentalno snimanje (npr. elektronska mikroskopija) potvrđuje brzu aglomeraciju nanostruktura proteina na membrani, koje mogu narasti u značajne naslage ako se operativne postavke ne upravljaju na odgovarajući način.

Strategije za minimiziranje polarizacije koncentracije

Upravljanje koncentracijskom polarizacijom kod ultrafiltracijske koncentracije proteina ili transverzalne protočne filtracije zahtijeva dvostruki pristup: podešavanje hidrodinamike i podešavanje operativnih parametara.

Optimizacija brzine unakrsnog toka:
Povećanje brzine poprečnog toka povećava tangencijalni tok kroz membranu, potičući smicanje i stanjivanje graničnog sloja koncentracije. Energičnije smicanje uklanja nakupljene proteine s površine membrane, smanjujući i polarizaciju i rizik od onečišćenja. Na primjer, korištenje statičkih miksera ili uvođenje plinskog propuhivanja remeti sloj otopljene tvari, značajno poboljšavajući protok permeata i učinkovitost u procesu filtracije poprečnim tokom.

Izmjena operativnih parametara:

Transmembranski tlak (TMP):TMP je razlika tlaka na membrani i pokretačka sila ultrafiltracije. Međutim, povećanje TMP-a radi ubrzanja filtracije može imati kontraefekt intenziviranjem polarizacije koncentracije. Pridržavanje normalnog raspona transmembranskog tlaka - ne prekoračenje granica postavljenih za ultrafiltraciju proteina - pomaže u sprječavanju prekomjernog nakupljanja otopljene tvari i povezanog povećanja lokalne viskoznosti.

Brzina smicanja:Brzina smicanja, funkcija brzine poprečnog toka i dizajna kanala, igra središnju ulogu u dinamici transporta otopljene tvari. Visoko smicanje održava polarizacijski sloj tankim i pokretnim, omogućujući često obnavljanje područja osiromašenog otopljenom tvari u blizini membrane. Povećanje brzine smicanja smanjuje vrijeme akumulacije proteina i minimizira porast viskoznosti na granici faza.

Svojstva feeda:Prilagođavanje svojstava dolazne otopine proteina - poput snižavanja viskoznosti otopine proteina, smanjenja sadržaja agregata ili kontrole pH i ionske jakosti - može pomoći u smanjenju opsega i utjecaja polarizacije koncentracije. Prethodna obrada hrane i promjene formulacije mogu poboljšati performanse ultrafiltracijske membrane i produžiti vijek trajanja membrane smanjenjem učestalosti čišćenja membrane.

Primjer primjene:
Postrojenje koje koristi tangencijalnu filtraciju (TFF) za koncentriranje monoklonskih antitijela primjenjuje pažljivo optimizirane brzine unakrsnog protoka i održava TMP unutar strogog vremenskog okvira. Na taj način operateri minimiziraju polarizaciju koncentracije i onečišćenje membrane, smanjujući učestalost zamjene membrane i cikluse čišćenja - izravno smanjujući operativne troškove i poboljšavajući prinos proizvoda.

Odgovarajuće podešavanje i praćenje ovih varijabli - uključujući mjerenje viskoznosti otopine proteina u stvarnom vremenu - temeljni su za optimizaciju performansi ultrafiltracijske koncentracije i ublažavanje štetnih učinaka povezanih s polarizacijom koncentracije u obradi proteina.

Optimizacija ultrafiltracije za visokoviskozne proteinske otopine

6.1. Najbolje operativne prakse

Održavanje optimalnih performansi ultrafiltracije s otopinama proteina visoke viskoznosti zahtijeva delikatnu ravnotežu između transmembranskog tlaka (TMP), koncentracije proteina i viskoznosti otopine. TMP - razlika u tlaku preko membrane - izravno utječe na brzinu koncentracije proteina ultrafiltracije i stupanj onečišćenja membrane. Prilikom obrade viskoznih otopina poput monoklonskih antitijela ili proteina seruma visoke koncentracije, svako pretjerano povećanje TMP-a može u početku povećati protok, ali također brzo ubrzava onečišćenje i nakupljanje proteina na površini membrane. To dovodi do kompromitiranog i nestabilnog procesa filtracije, što potvrđuju slikovne studije koje pokazuju stvaranje gustih slojeva proteina pri povišenom TMP-u i koncentracijama proteina iznad 200 mg/mL.

Optimalni pristup uključuje rad sustava blizu, ali ne i preko, kritične TMP. U ovom trenutku, produktivnost je maksimizirana, ali rizik od nepovratnog onečišćenja ostaje minimalan. Za vrlo visoke viskoznosti, nedavna otkrića sugeriraju smanjenje TMP-a i istovremeno povećanje protoka ulazne smjese (filtracija poprečnim tokom) kako bi se ublažila polarizacija koncentracije i taloženje proteina. Na primjer, studije o koncentraciji Fc-fuzijskog proteina pokazuju da niže postavke TMP-a pomažu u održavanju stabilnog protoka uz smanjenje gubitka produkta.

Postupno i metodično povećanje koncentracije proteina tijekom ultrafiltracije ključno je. Nagli koraci koncentriranja mogu prebrzo dovesti otopinu u režim visoke viskoznosti, povećavajući i rizik od agregacije i ozbiljnost onečišćenja. Umjesto toga, postupno povećanje razine proteina omogućuje paralelno podešavanje procesnih parametara poput TMP-a, brzine unakrsnog protoka i pH-a, što pomaže u održavanju stabilnosti sustava. Studije slučaja enzimske ultrafiltracije potvrđuju da održavanje nižih radnih tlakova tijekom ovih faza osigurava kontrolirano povećanje koncentracije, minimizirajući pad protoka uz zaštitu integriteta proizvoda.

6.2. Učestalost zamjene i održavanje membrane

Učestalost zamjene membrane u ultrafiltraciji usko je povezana s pokazateljima onečišćenja i smanjenja protoka. Umjesto oslanjanja isključivo na relativno smanjenje protoka kao pokazatelj kraja životnog vijeka, praćenje specifične otpornosti na onečišćenje - kvantitativne mjere koja predstavlja otpor nametnut nakupljenim materijalom - pokazalo se pouzdanijim, posebno kod miješanih proteina ili proteina i polisaharida, gdje se onečišćenje može dogoditi brže i teže.

Praćenje dodatnih pokazatelja onečišćenja također je ključno. Vidljivi znakovi površinskog taloženja, neravnomjeran protok permeata ili uporno povećanje TMP-a (unatoč čišćenju) sve su to signali upozorenja na uznapredovalo onečišćenje koje prethodi kvaru membrane. Tehnike poput praćenja modificiranog indeksa onečišćenja (MFI-UF) i njegovog povezivanja s performansama membrane omogućuju prediktivno planiranje zamjene, a ne reaktivnih promjena, čime se minimizira vrijeme zastoja i kontroliraju troškovi održavanja.

Integritet membrane nije ugrožen samo nakupljanjem organskih nečistoća već i korozijom, posebno u procesima koji se izvode pri ekstremnim pH vrijednostima ili s visokim koncentracijama soli. Treba uvesti redovite inspekcije i rutine kemijskog čišćenja kako bi se upravljalo korozijom i taloženjem nečistoća. Kada se uoči onečišćenje povezano s korozijom, učestalost čišćenja membrane i intervali zamjene moraju se prilagoditi kako bi se osigurao održivi vijek trajanja membrane i dosljedne performanse ultrafiltracijske membrane. Temeljito, planirano održavanje ključno je za ublažavanje utjecaja ovih problema i produljenje učinkovitog rada.

6.3. Upravljanje procesom i mjerenje viskoznosti u liniji

Točno mjerenje viskoznosti otopine proteina u stvarnom vremenu ključno je za kontrolu procesa u ultrafiltraciji, posebno kako se koncentracije i viskoznosti povećavaju. Sustavi za mjerenje viskoznosti u liniji omogućuju kontinuirano praćenje, omogućujući trenutnu povratnu informaciju i dinamičko prilagođavanje parametara sustava.

Nove tehnologije transformirale su mjerenje viskoznosti proteinskih otopina:

Ramanova spektroskopija s Kalmanovim filtriranjemRamanova analiza u stvarnom vremenu, podržana proširenim Kalmanovim filterima, omogućuje robusno praćenje koncentracije proteina i sastava pufera. Ovaj pristup povećava osjetljivost i točnost, podržavajući automatizaciju procesa za ultrafiltracijsku koncentraciju i dijafiltraciju.

Automatizirana kinematička kapilarna viskozimetrijaKorištenjem računalnog vida, ova tehnologija automatski mjeri viskoznost otopine, prevladavajući ručne pogreške i nudeći ponovljivo, multipleksirano praćenje u više procesnih tokova. Validirana je za standardne i složene formulacije proteina te smanjuje intervencije tijekom faze ultrafiltracijske koncentracije.

Mikrofluidni reološki uređajiMikrofluidni sustavi pružaju detaljne, kontinuirane reološke profile, čak i za ne-Newtonove otopine proteina visoke viskoznosti. Posebno su vrijedni u farmaceutskoj proizvodnji, podržavajući strategije procesne analitičke tehnologije (PAT) i integraciju s povratnim petljama.

Upravljanje procesima pomoću ovih alata omogućuje implementaciju povratnih petlji za podešavanje TMP-a, brzine punjenja ili brzine protoka u stvarnom vremenu kao odgovor na promjene viskoznosti. Na primjer, ako linijsko očitavanje otkrije nagli porast viskoznosti (zbog povećanja koncentracije ili agregacije), TMP se može automatski smanjiti ili brzina protoka povećati kako bi se ograničio početak polarizacije koncentracije u ultrafiltraciji. Ovaj pristup ne samo da produžuje vijek trajanja membrane, već i podržava dosljednu kvalitetu proizvoda dinamičkim upravljanjem čimbenicima koji utječu na viskoznost proteinskih otopina.

Odabir najprikladnije tehnologije praćenja viskoznosti ovisi o specifičnim zahtjevima primjene ultrafiltracije, uključujući očekivani raspon viskoznosti, složenost formulacije proteina, potrebe integracije i troškove. Ovi napredci u praćenju u stvarnom vremenu i dinamičkoj kontroli procesa značajno su poboljšali sposobnost optimizacije ultrafiltracije za otopine proteina visoke viskoznosti, osiguravajući i operativnu stabilnost i visok prinos proizvoda.

Rješavanje problema i uobičajeni problemi u ultrafiltraciji proteina

7.1. Simptomi, uzroci i lijekovi

Povećani transmembranski tlak

Porast transmembranskog tlaka (TMP) tijekom ultrafiltracije ukazuje na rastući otpor kroz membranu. Učinci transmembranskog tlaka na ultrafiltraciju su izravni: normalni raspon transmembranskog tlaka obično ovisi o procesu, ali održivo povećanje zaslužuje istraživanje. Ističu se dva uobičajena uzroka:

Veća viskoznost otopine proteina:Kako se viskoznost proteinskih otopina povećava - obično pri visokoj koncentraciji proteina ultrafiltracije - raste i tlak potreban za protok. To je izraženo u koracima konačne koncentracije i diafiltracije gdje su otopine najviskoznije.
Zaprljanje membrane:Nečistoće poput proteinskih agregata ili smjesa polisaharida i proteina mogu se prilijepiti za membranske pore ili ih blokirati, što rezultira brzim porastom TMP-a.

Lijekovi:

Snižavanje TMP-a i povećanje protoka hraneSmanjenje TMP-a uz povećanje brzine punjenja smanjuje polarizaciju koncentracije i stvaranje sloja gela, potičući stabilan fluks.
Redovito čišćenje membraneUtvrdite optimalnu učestalost čišćenja membrane kako biste uklonili nakupljene nečistoće. Pratite učinkovitost mjerenjem viskoznosti otopine proteina nakon čišćenja.
Zamijenite stare membrane: Povećana učestalost zamjene membrane može biti potrebna ako čišćenje nije dovoljno ili je dosegnut vijek trajanja membrane.

Opadajuća brzina fluksa: Dijagnostičko stablo

Konzistentno smanjenje protoka tijekom faze ultrafiltracijske koncentracije ukazuje na probleme s produktivnošću. Slijedite ovaj dijagnostički pristup:

Praćenje TMP-a i viskoznosti:Ako su se oboje povećali, provjerite ima li onečišćenja ili prisutnosti sloja gela.
Provjerite sastav hrane i pH:Pomaci ovdje mogu promijeniti viskoznost proteinskih otopina i potaknuti onečišćenje.
Procijenite performanse membrane:Smanjenje protoka permeata unatoč čišćenju signalizira moguće oštećenje membrane ili nepovratno onečišćenje.

Rješenja:

Optimizirajte temperaturu, pH i ionsku jakost u ulaznoj vodi kako biste ublažili onečišćenje i polarizaciju koncentracije u ultrafiltraciji.
Koristite površinski modificirane ili rotirajuće membranske module za razbijanje slojeva gela i vraćanje fluksa.
Provodite rutinsko mjerenje viskoznosti otopine proteina kako biste predvidjeli promjene koje utječu na protok.

Brzo obraštanje ili stvaranje sloja gela

Brzo stvaranje sloja gela rezultat je prekomjerne polarizacije koncentracije na površini membrane. Transmembranski tlak filtracije poprečnog toka (TFF) posebno je osjetljiv u uvjetima visoke viskoznosti ili hranjenja s visokim udjelom proteina.

Strategije ublažavanja:

Nanesite hidrofilne, negativno nabijene membranske površine (npr. membrane od poliviniliden fluorida [PVDF]) kako biste smanjili vezanje i prianjanje proteina.
Prije ultrafiltracije, hranu prethodno obradite koagulacijom ili elektrokoagulacijom kako biste uklonili tvari koje uzrokuju veliko onečišćenje.
Integrirajte mehaničke uređaje poput rotirajućih modula u proces filtracije poprečnim tokom kako biste smanjili debljinu sloja kolača i odgodili stvaranje sloja gela.

7.2. Prilagođavanje varijabilnosti hrane

Sustavi za ultrafiltraciju proteina moraju se prilagoditi varijabilnosti svojstava ili sastava proteina u hrani. Čimbenici koji utječu na viskoznost otopina proteina - poput sastava pufera, koncentracije proteina i sklonosti agregaciji - mogu promijeniti ponašanje sustava.

Strategije odgovora

Praćenje viskoznosti i sastava u stvarnom vremenu:Ugradite analitičke senzore u liniji (Ramanova spektroskopija + Kalmanovo filtriranje) za brzo otkrivanje promjena u opskrbi, nadmašujući postojeće UV ili IR metode.
Adaptivno upravljanje procesima:Prilagodite postavke parametara (brzina protoka, TMP, selekcija membrane) kao odgovor na detektirane promjene. Na primjer, povećana viskoznost otopine proteina može zahtijevati niži TMP i visoke brzine smicanja.
Odabir membrane:Koristite membrane s veličinom pora i površinskom kemijom optimiziranom za trenutna svojstva hrane, uravnotežujući zadržavanje proteina i protok.
Prethodna obrada hrane:Ako nagle promjene u prirodi hrane potiču onečišćenje, uvedite korake koagulacije ili filtracije uzvodno od ultrafiltracije.

Primjeri:

U bioprocesiranju, promjene u puferima ili agregatima antitijela trebale bi pokrenuti TMP i prilagodbe protoka putem kontrolnog sustava.
Za ultrafiltraciju povezanu s kromatografijom, adaptivni algoritmi optimizacije miješanjem i cijelim brojevima mogu minimizirati varijabilnost i smanjiti operativne troškove uz održavanje performansi ultrafiltracijske membrane.

Rutinsko praćenje mjerenja viskoznosti proteinske otopine i trenutno prilagođavanje uvjetima procesa pomažu u optimizaciji koncentracije ultrafiltracije, održavanju protoka i minimiziranju onečišćenja membrane i polarizacije koncentracije.

Često postavljana pitanja

8.1. Koji je normalni raspon transmembranskog tlaka pri ultrafiltraciji proteinskih otopina?

Normalni raspon transmembranskog tlaka (TMP) u ultrafiltracijskim sustavima koncentracije proteina ovisi o vrsti membrane, dizajnu modula i karakteristikama ulaznog materijala. Za većinu procesa ultrafiltracije proteina, TMP se obično održava između 1 i 3 bara (15–45 psi). Vrijednosti TMP-a iznad 0,2 MPa (oko 29 psi) mogu riskirati oštećenje membrane, brzo onečišćenje i skraćeni vijek trajanja membrane. U biomedicinskim i bioprocesnim primjenama, preporučeni TMP općenito ne bi trebao prelaziti 0,8 bara (~12 psi) kako bi se izbjeglo pucanje membrane. Za procese poput filtracije poprečnim protokom, ostanak unutar ovog raspona TMP-a štiti i prinos i integritet proteina.

8.2. Kako viskoznost proteinskih otopina utječe na performanse ultrafiltracije?

Viskoznost otopine proteina izravno utječe na performanse ultrafiltracijske koncentracije. Visoka viskoznost povećava otpor protoka i podiže TMP, što rezultira smanjenim protokom permeata i brzim onečišćenjem membrane. Taj je učinak izražen kod monoklonskih antitijela ili Fc-fuzijskih proteina pri visokim koncentracijama, gdje se viskoznost povećava zbog interakcija protein-protein i učinaka naboja. Upravljanje i optimizacija viskoznosti pomoću pomoćnih tvari ili enzimskih tretmana poboljšava protok, smanjuje onečišćenje i omogućuje veće postižljive koncentracije tijekom faze ultrafiltracijske koncentracije. Praćenje mjerenja viskoznosti otopine proteina ključno je za održavanje učinkovite obrade.

8.3. Što je koncentracijska polarizacija i zašto je važna u TFF-u?

Koncentracijska polarizacija u ultrafiltraciji je nakupljanje proteina na površini membrane, što uzrokuje gradijent između otopine i membranskog sučelja. Kod transverzalne filtracije to dovodi do povećane lokalne viskoznosti i potencijalno reverzibilnog smanjenja fluksa. Ako se ne kontrolira, može potaknuti onečišćenje membrane i smanjiti učinkovitost sustava. Rješavanje koncentracijske polarizacije u ultrafiltraciji uključuje optimizaciju brzina poprečnog protoka, temperature temperature i odabira membrane kako bi se održao tanki sloj polarizacije. Točna kontrola održava visoku propusnost i nizak rizik od onečišćenja.

8.4. Kako da odlučim kada trebam zamijeniti ultrafiltracijsku membranu?

Zamijenite ultrafiltracijsku membranu kada primijetite značajan pad propusnosti (protoka), uporno povećanje TMP-a koje standardno čišćenje ne može riješiti ili vidljivo onečišćenje koje ostaje nakon čišćenja. Dodatni pokazatelji uključuju gubitak selektivnosti (neuspjeh u odbacivanju ciljnih proteina kako se očekuje) i nemogućnost postizanja specifikacija performansi. Praćenje učestalosti zamjene membrane redovitim testiranjem protoka i selektivnosti temelj je za maksimiziranje vijeka trajanja membrane u procesima ultrafiltracije otopine proteina.

8.5. Koje operativne parametre mogu prilagoditi kako bih smanjio onečišćenje proteinima u TFF-u?

Ključni operativni parametri za minimiziranje onečišćenja proteinima u transverzalnoj protočnoj filtraciji uključuju:

Održavajte odgovarajuću brzinu poprečnog protoka kako biste smanjili lokalno nakupljanje proteina i upravljali polarizacijom koncentracije.
Radite unutar preporučenog raspona TMP-a, obično 3–5 psi (0,2–0,35 bara), kako biste spriječili prekomjerno curenje proizvoda i oštećenje membrane.
Primjenjujte redovite protokole čišćenja membrane kako biste ograničili nepovratno onečišćenje.
Pratite i, ako je potrebno, prethodno tretirajte otopinu za hranjenje kako biste kontrolirali viskoznost (na primjer, enzimskim tretmanima poput pektinaze).
Odaberite membranske materijale i veličine pora (MWCO) prikladne za ciljanu veličinu proteina i ciljeve procesa.

Integriranje hidrociklonske predfiltracije ili enzimske predobrade može poboljšati performanse sustava, posebno za sirovine visoke viskoznosti. Pažljivo pratite sastav sirovine i dinamički prilagođavajte postavke kako biste smanjili onečišćenje membrane i optimizirali fazu ultrafiltracijske koncentracije.