Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығын бақылау биофармацевтикалық өндірісте ультрафильтрация концентрация процестерін оңтайландыру үшін өте маңызды. Ақуыз ерітінділеріндегі жоғары тұтқырлық, әсіресе ақуыздың жоғары концентрациясында, мембрананың өнімділігіне, процесінің тиімділігіне және ультрафильтрация ақуыз концентрациясын қолданудағы экономикаға тікелей әсер етеді. Ерітінді тұтқырлығы антидене кластерлері мен электростатикалық өзара әрекеттесулерге байланысты ақуыз мөлшерімен бірге артады, бұл ағынға төзімділікті және ультрафильтрация мембранасындағы қысымның төмендеуін арттырады. Бұл переимпульт ағындарының төмендеуіне және жұмыс уақытының ұзаруына әкеледі, әсіресе көлденең ағынды сүзу (TFF) процестерінде.

Ультрафильтрацияның қозғаушы күші болып табылатын трансмембраналық қысым (ТМП) тұтқырлықпен тығыз байланысты. Қалыпты трансмембраналық қысым диапазонынан тыс жұмыс істеу мембрананың ластануын жеделдетеді және концентрациялық поляризацияны күшейтеді - мембрананың жанында ақуыздардың жиналуы, бұл жергілікті тұтқырлықты үнемі арттырады. Концентрациялық поляризация да, мембрананың ластануы да ультрафильтрация мембранасының өнімділігінің төмендеуіне әкеледі және бақыланбаған жағдайда мембрананың қызмет ету мерзімін қысқартуы мүмкін. Тәжірибелік жұмыстар ультрафильтрациядағы мембрананың ластануы мен концентрациялық поляризацияның жоғары ТМП мәндерінде және тұтқырлығы жоғары берілістерде айқынырақ болатынын көрсетеді, бұл нақты уақыттағы ТМП басқаруын өткізу қабілетін барынша арттыру және тазалау жиілігін азайту үшін маңызды етеді.

Ультрафильтрация концентрациясын оңтайландыру үшін кешенді стратегиялар қажет:

Ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын өлшеуТұтқырлықты үнемі бағалау—пайдаланужелілік вискозиметрлер— сүзу жылдамдығын болжауға және процестің кедергілерін болжауға көмектеседі, процесті жылдам өзгертуді қолдайды.
Азықтандыруды баптаурН, иондық күшті және температураны реттеу тұтқырлықты төмендетіп, ластануды азайта алады. Мысалы, натрий иондарын қосу ақуыздар арасындағы гидратацияны күшейтеді, агрегация мен ластануды азайтады, ал кальций иондары ақуыздың көпірленуі мен ластануына ықпал етеді.
Қосымша заттарды қолдануТұтқырлықты төмендететін қосымша заттарды жоғары концентрацияланған ақуыз ерітінділеріне қосу мембрана өткізгіштігін жақсартады және ультрафильтрациядағы трансмембраналық қысымды төмендетеді, бұл жалпы тиімділікті арттырады.
Жетілдірілген ағын режимдеріКөлденең ағын жылдамдығын арттыру, айнымалы көлденең ағынды қолдану немесе ауа ағынын қолдану ластану қабаттарының бұзылуына әкеледі. Бұл әдістер шөгінділердің пайда болуын азайту арқылы ену ағынын сақтауға және мембраналарды ауыстыру жиілігін азайтуға көмектеседі.
Мембрананы таңдау және тазалауХимиялық тұрғыдан серпімді мембраналарды (мысалы, SiC немесе термосалиенттік гибридтер) таңдау және мембрананы тазалау жиілігін тиісті хаттамалармен оңтайландыру (мысалы, натрий гипохлоритін тазалау) мембрананың қызмет ету мерзімін ұзарту және пайдалану шығындарын азайту үшін өте маңызды.

Жалпы алғанда, тұтқырлықты тиімді бақылау және TMP басқару ультрафильтрация концентрациясының фазалық өнімділігінің табысты болуының негізі болып табылады, өнімнің өнімділігіне, мембрананы тазалау жиілігіне және қымбат мембраналық активтердің ұзақ мерзімділігіне тікелей әсер етеді.

Ультрафильтрациядағы ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын түсіну

1.1. Ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығы дегеніміз не?

Тұтқырлық сұйықтықтың ағынға төзімділігін сипаттайды; ақуыз ерітінділерінде ол молекулалық үйкелістің қозғалысқа қаншалықты кедергі келтіретінін көрсетеді. Тұтқырлықтың SI бірлігі - Паскаль-секунд (Па·с), бірақ биологиялық сұйықтықтар үшін сантипуаз (cP) жиі қолданылады. Тұтқырлық ақуыз ерітінділерінің өндіріс кезінде қаншалықты оңай айдалатынына немесе сүзілетініне тікелей әсер етеді және дәрілік заттардың жеткізілуіне, әсіресе жоғары концентрациялы биотерапияларға әсер етеді.

Ақуыз концентрациясы тұтқырлыққа әсер ететін негізгі фактор болып табылады. Ақуыз деңгейі жоғарылаған сайын, молекулааралық өзара әрекеттесулер мен тығыздалу артады, бұл тұтқырлықтың жоғарылауына әкеледі, көбінесе сызықтық емес. Белгілі бір шектен жоғары болғанда, ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуі ерітіндідегі диффузияны одан әрі тежейді. Мысалы, фармацевтикада қолданылатын концентрацияланған моноклоналды антидене ерітінділері көбінесе тері астына енгізуді қиындататын немесе өңдеу жылдамдығын шектейтін тұтқырлық деңгейлеріне жетеді.

Концентрлі ақуыз ерітінділеріндегі тұтқырлықты болжайтын модельдер қазір молекулалық геометрия мен агрегация үрдістерін қамтиды. Ақуыз морфологиясы - ол созылған, шар тәрізді немесе агрегацияға бейім болсын - жоғары концентрациялардағы тұтқырлыққа айтарлықтай әсер етеді. Микрофлюидтік бағалаудағы соңғы жетістіктер тұтқырлықты минималды үлгі көлемінен дәл өлшеуге мүмкіндік береді, бұл жаңа ақуыз формулаларын жылдам скринингтеуге мүмкіндік береді.

1.2. Ультрафильтрация кезінде тұтқырлық қалай өзгереді

Ультрафильтрация кезінде концентрация поляризациясы мембрана-ерітінді шекарасында ақуыздарды тез жинақтайды. Бұл тік жергілікті концентрация градиенттерін тудырады және мембрана маңындағы тұтқырлықты арттырады. Бұл аймақтағы тұтқырлықтың жоғарылауы масса тасымалын қиындатады және переимплит ағынын азайтады.

Концентрациялық поляризация мембраналық ластанудан ерекшеленеді. Поляризация динамикалық және қайтымды, сүзілу процесінде бірнеше минут ішінде жүреді. Салыстырмалы түрде, ластану уақыт өте келе дамиды және көбінесе мембрана бетінде қайтымсыз тұнбаны немесе химиялық трансформацияны қамтиды. Дәл диагностика концентрациялық поляризация қабатын нақты уақыт режимінде бақылауға мүмкіндік береді, оның көлденең ағын жылдамдығына және трансмембраналық қысымға сезімталдығын анықтайды. Мысалы, жылдамдықты арттыру немесе трансмембраналық қысымды (ТМҚ) төмендету тұтқыр шекаралық қабатты бұзуға, ағынды қалпына келтіруге көмектеседі.

Пайдалану параметрлері тұтқырлық мінез-құлқына тікелей әсер етеді:

Трансмембраналық қысым (ТМП)Жоғары TMP поляризацияны күшейтеді, жергілікті тұтқырлықты арттырады және ағынды азайтады.
Көлденең ағын жылдамдығыЖылдамдықтың жоғарылауы жиналуды шектейді, мембрана маңындағы тұтқырлықты төмендетеді.
Мембрананы тазалау жиілігіЖиі тазалау ұзақ мерзімді жиналуды азайтады және тұтқырлыққа байланысты өнімділіктің жоғалуын азайтады.

Ультрафильтрация концентрациясының фазалары тұтқырлықтың жағымсыз әсерлерін азайту және өткізу қабілетін сақтау үшін осы параметрлерді оңтайландыруы керек.

1.3. Ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығына әсер ететін қасиеттері

Молекулалық салмақжәнекомпозициянегізінен тұтқырлықты анықтайды. Үлкенірек, күрделірек ақуыздар немесе агрегаттар қозғалыстың тежелуіне және молекулааралық күштердің айтарлықтай көп болуына байланысты жоғары тұтқырлық береді. Ақуыздардың пішіні ағынды одан әрі модуляциялайды - созылған немесе агрегацияға бейім тізбектер ықшам глобулярлы ақуыздарға қарағанда көбірек кедергі тудырады.

pHақуыздың заряды мен ерігіштігіне айтарлықтай әсер етеді. Ақуыздың изоэлектрлік нүктесінің жанында ерітіндінің рН мәнін реттеу таза зарядты азайтады, ақуыз-ақуыз итерілуін азайтады және тұтқырлықты уақытша төмендетеді, сүзілуді жеңілдетеді. Мысалы, BSA немесе IgG изоэлектрлік нүктесіне жақын жерде ультрафильтрацияны жүргізу перементті ағын мен бөлу селективтілігін айтарлықтай арттыра алады.

Иондық күшақуыздардың айналасындағы қос электрлік қабатты өзгерту арқылы тұтқырлыққа әсер етеді. Иондық күштің жоғарылауы электростатикалық өзара әрекеттесуді тежейді, ақуыздың мембраналар арқылы өтуін жақсартады, сонымен қатар агрегация қаупін және сәйкесінше тұтқырлықтың күрт өсуін арттырады. Тасымалдау тиімділігі мен селективтілік арасындағы ымыра көбінесе тұз концентрациясы мен буферлік құрамды дәл реттеуге байланысты.

Тұтқырлықты азайту үшін аргинин гидрохлориді немесе гуанидин сияқты шағын молекулалық қоспаларды пайдалануға болады. Бұл агенттер гидрофобты немесе электростатикалық тартылыс күшін бұзады, агрегацияны азайтады және ерітінді ағынының қасиеттерін жақсартады. Температура қосымша бақылау айнымалысы ретінде әрекет етеді; төмен температура тұтқырлықты арттырады, ал қосымша жылу көбінесе оны төмендетеді.

Ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын өлшеу мыналарды ескеруі керек:

Молекулалық салмақ үлестірімдері
Ерітінді құрамы (тұздар, қосымша заттар, қоспалар)
рН және буферлік жүйені таңдау
Иондық күштің параметрі

Бұл факторлар ультрафильтрация мембранасының жұмысын оңтайландыру және концентрация фазалары мен TFF процестерінің үйлесімділігін қамтамасыз ету үшін өте маңызды.

Ультрафильтрациялық ақуыз концентрациясының негіздері

Ультрафильтрация концентрация фазасының принциптері

Ультрафильтрациялық ақуыз концентрациясы жартылай өткізгіш мембрана арқылы трансмембраналық қысымды (ТМП) қолдану арқылы жұмыс істейді, бұл еріткішті және ұсақ еріген заттарды ақуыздар мен үлкен молекулаларды ұстап тұра отырып өткізеді. Бұл процесс молекулалық өлшемге негізделген селективті өткізгіштікті пайдаланады, ал мембрананың молекулалық салмақ шегі (МСШ) өтетін молекулалардың максималды өлшемін анықтайды. МСШШ-дан асатын ақуыздар ретенттік жағында жиналады, бұл перметативтік алынған кезде олардың концентрациясын арттырады.

Ультрафильтрация концентрациясының фазасы ақуыз ерітіндісінің көлемін азайтуға және байытуға бағытталған. Фильтрация процесінде ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығы әдетте артады, бұл ағын мен TMP талаптарына әсер етеді. Ұсталған ақуыздар бір-бірімен және мембранамен әрекеттесуі мүмкін, бұл нақты әлемдегі процесті қарапайым өлшемді алып тастауға қарағанда күрделі етеді. Электростатикалық өзара әрекеттесулер, ақуыз агрегациясы және рН және иондық күш сияқты ерітінді сипаттамалары ұстау және бөлу нәтижелеріне әсер етеді. Кейбір жағдайларда, әсіресе үлкен тесіктері бар мембраналарда, адвективті тасымалдау диффузиядан басым болады, бұл тек MWCO таңдауына негізделген күтулерді қиындатады [зерттеу қорытындысын қараңыз].

Көлденең ағынды сүзу (TFF) түсіндірмесі

Көлденең ағынды сүзу, сондай-ақ тангенциалды ағынды сүзу (TFF) деп аталады, ақуыз ерітіндісін мембрана беті арқылы тангенциалды түрде бағыттайды. Бұл тәсіл тұйық сүзуге қарама-қайшы келеді, мұнда ағын мембранаға перпендикуляр болып, бөлшектерді тікелей сүзгіге және сүзгіге итереді.

Негізгі айырмашылықтар мен әсерлер:

Ластануды бақылау:TFF мембранадан ықтимал ластаушы заттарды үздіксіз сыпырып алу арқылы ақуыз бен бөлшектер қабаттарының жиналуын, яғни торттың пайда болуын азайтады. Бұл ену ағынының тұрақтылығын арттырады және күтімді жеңілдетеді.
Ақуызды ұстап қалу:TFF концентрация поляризациясын - мембрананың жанында ұсталып қалған молекулалар қабатын - жақсы басқаруды қолдайды, егер ол бақыланбаса, бөлу селективтілігін төмендетіп, ластануды күшейте алады. TFF-тегі динамикалық ағын бұл әсерді азайтады, ақуызды жоғары ұстап тұру және бөлу тиімділігін сақтауға көмектеседі.
Ағын тұрақтылығы:TFF тұрақты ағынмен ұзақ жұмыс істеуге мүмкіндік береді, бұл ақуызға бай немесе бөлшектерге бай жемдермен жұмыс істейтін процестерде тиімділікті арттырады. Керісінше, тұйық сүзгілеу ластану, өнімділіктің төмендеуі және жиі тазалау араласуларын қажет ету салдарынан тез арада қиындайды.

Ауыспалы тангенциалды ағын (ATF) сияқты озық TFF нұсқалары тангенциалды жылдамдықтарды мезгіл-мезгіл өзгерту немесе өзгерту арқылы ластану мен тордың пайда болуын одан әрі бұзады, сүзгінің қызмет ету мерзімін ұзартады және ақуыздың өткізу қабілетін жақсартады [зерттеу қорытындысын қараңыз]. Классикалық және озық TFF параметрлерінде өнімділікті оңтайландыру және ластануды азайту үшін TMP, көлденең ағын жылдамдығы және тазалау жиілігі сияқты жұмыс параметрлері нақты ақуыз жүйесіне, мембрана түріне және нысана концентрациясына бейімделуі керек.

Ультрафильтрациядағы трансмембраналық қысым (ТМП)

3.1. Трансмембраналық қысым дегеніміз не?

Трансмембраналық қысым (ТМҚ) – сүзу мембранасындағы қысым айырмашылығы, ол еріткішті беру жағынан ену жағына қарай жылжытады. ТМҚ – ультрафильтрациядағы бөлу процесінің негізгі күші, ол еріткіштің ақуыздар мен басқа макромолекулаларды сақтай отырып, мембрана арқылы өтуіне мүмкіндік береді.

ТМП формуласы:

Қарапайым айырмашылық: TMP = P_feed − P_permeate
Инженерлік әдіс: TMP = [(P_feed + P_retentate)/2] − P_permeate
Мұнда P_feed - кіріс қысымы, P_retentate - ретентация жағындағы шығыс қысымы, ал P_permeate - перементация жағындағы қысым. Ретентат (немесе концентрат) қысымын қосу мембрана беті бойымен дәлірек мән береді, ағын кедергісі мен ластанудан туындаған қысым градиенттерін ескереді.
Беру қысымы және ағын жылдамдығы
Қысымды ұстап тұру (қажет болған жағдайда)
Пермеат қысымы (көбінесе атмосфералық)
Мембраналық кедергі
TMP мембрана түріне, жүйенің дизайнына және процесс жағдайларына байланысты өзгереді.

Басқарылатын айнымалылар:

3.2. TMP және ультрафильтрация процесі

ТМФ ультрафильтрациялық ақуыз концентрациясында орталық рөл атқарады, ақуыз ерітінділерін мембрана арқылы өткізеді. Қысым мембранадан және кез келген жинақталған материалдан келетін кедергіні жеңу үшін жеткілікті жоғары болуы керек, бірақ ластануды тездететіндей жоғары болмауы керек.

Ерітіндінің тұтқырлығы мен ақуыз концентрациясының әсері

Ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығы:Жоғары тұтқырлық ағынға төзімділікті арттырады, бұл переимплит ағынын бірдей деңгейде ұстап тұру үшін жоғары TMP қажет етеді. Мысалы, қорекке глицерин қосу немесе концентрлі ақуыздармен жұмыс істеу тұтқырлықты арттырады, демек, қажетті жұмыс TMP.
Ақуыз концентрациясы:Ультрафильтрация концентрация фазасында концентрация жоғарылаған сайын ерітіндінің тұтқырлығы артады, ТМФ жоғарылайды және мембрананың ластану немесе концентрацияның поляризациялану қаупі артады.
Дарси заңы:TMP, пермета ағыны (J) және тұтқырлық (μ) TMP = J × μ × R_m (мембрана кедергісі) арқылы байланысты. Жоғары тұтқырлықтағы ақуыз ерітінділері үшін тиімді ультрафильтрация үшін TMP-ны мұқият реттеу өте маңызды.

Мысалдар:

Тығыз антидене ерітінділерін ультрафильтрациялау тұтқырлықтың жоғарылауына қарсы тұру үшін мұқият ТМП басқаруын қажет етеді.
PEGylation немесе басқа ақуыз модификациялары мембранамен өзара әрекеттесуін өзгертеді, бұл қажетті ағын үшін қажетті TMP-ге әсер етеді.

3.3. TMP мониторингі және оңтайландыру

TMP ішінде сақтауқалыпты трансмембраналық қысым диапазоныультрафильтрация мембранасының тұрақты жұмысы мен өнім сапасы үшін өте маңызды. Уақыт өте келе, ультрафильтрация дамыған сайын, концентрацияның поляризациясы мен ластануы ТМП-ның кейде тез өсуіне әкелуі мүмкін.

Бақылау тәжірибелері:

Нақты уақыт режиміндегі мониторинг:TMP кіріс, ретентат және перемета арқылы бақыланадықысым таратқыштар.
Раман спектроскопиясы:Ақуыз бен қосымша заттардың концентрациясын инвазивті емес бақылау үшін қолданылады, ультрафильтрация және диафильтрация кезінде адаптивті ТМП бақылауын жеңілдетеді.
Кеңейтілген басқару:Кеңейтілген Калман сүзгілері (EKF) сенсор деректерін өңдей алады, шамадан тыс ластануды болдырмау үшін TMP-ны автоматты түрде реттейді.
Бастапқы TMP қалыпты диапазонда орнатыңыз:Ағынды азайту үшін тым төмен емес, тез ластануды болдырмау үшін тым жоғары емес.
Тұтқырлық артқан сайын TMP реттеңіз:Ультрафильтрация концентрациясы фазасында ТМП-ны тек қажет болған жағдайда біртіндеп арттырыңыз.
Азық ағынын және рН-ты бақылау:Қоректендіру ағынын арттыру немесе TMP деңгейін төмендету концентрацияның поляризациясын және ластануын азайтады.
Мембрананы тазалау және ауыстыру:Жоғары TMP жиі тазалаумен және мембрана қызмет ету мерзімінің қысқаруымен байланысты.

Оңтайландыру стратегиялары:

Мысалдар:

Ақуызды өңдеу желілеріндегі коррозияның ластануы ТМП-ның жоғарылауына және ағынның төмендеуіне әкеледі, бұл қалыпты жұмысты қалпына келтіру үшін мембрананы тазалауды немесе ауыстыруды қажет етеді.
Ферментативті алдын ала өңдеу (мысалы, пектиназа қосу) жоғары тұтқырлықтағы рапс ақуызының ультрафильтрациясы кезінде ТМП-ны төмендетіп, мембрананың қызмет ету мерзімін ұзартуы мүмкін.

3.4. TFF жүйелеріндегі TMP

Тангенциалды (көлденең) ағынды сүзу (TFF) қоректендіру ерітіндісін тікелей мембрана арқылы емес, мембрана арқылы өткізу арқылы жұмыс істейді, бұл TMP динамикасына айтарлықтай әсер етеді.

ТМП реттеуі және балансы

TFF трансмембраналық қысымы (TFF TMP):ТМП шамадан тыс болуын болдырмау және переимптидтік ағынды барынша арттыру үшін қоректендіру ағынының жылдамдығы мен сорғы қысымын басқару арқылы басқарылады.
Параметрлерді оңтайландыру:Тамақ ағынының артуы ақуыздардың жергілікті тұнбасын азайтады, ТМП-ны тұрақтандырады және мембраналардың ластануын азайтады.
Есептеу модельдеуі:CFD модельдері өнімді максималды қалпына келтіру, тазалық және өнімділік үшін TFF TMP болжайды және оңтайландырады, әсіресе мРНҚ немесе жасушадан тыс көпіршіктерді оқшаулау сияқты процестер үшін өте маңызды.

Мысалдар:

Биопроцесс кезінде оңтайлы TFF TMP ыдырамай мРНҚ-ның 70%-дан астам қалпына келуін қамтамасыз етеді, бұл ультрацентрифугалау әдістерінен асып түседі.
Математикалық модельдер мен сенсорлық кері байланыс арқылы бейімделетін TMP басқаруы мембрананы ауыстыру жиілігін азайтады және ластануды азайту арқылы мембрананың қызмет ету мерзімін ұзартады.

Негізгі қорытындылар:

Процестің тиімділігін, ағынын және мембрананың денсаулығын сақтау үшін TFF-те TMP трансмембраналық қысымын белсенді түрде басқару қажет.
Жүйелі ТМП оңтайландыру пайдалану шығындарын азайтады, жоғары тазалықтағы өнімді қалпына келтіруді қолдайды және ақуыз ультрафильтрациясында және онымен байланысты процестерде мембрананың қызмет ету мерзімін ұзартады.

Ақуыздың жоғары концентрациясын бақылау және өлшеу

Ластану механизмдері және олардың тұтқырлықпен байланысы

Ақуыз ультрафильтрациясындағы негізгі ластану жолдары

Ақуыздың ультрафильтрациясына бірнеше түрлі ластану жолдары әсер етеді:

Коррозиядан болатын ластану:Коррозия өнімдері, әдетте темір оксидтері, мембрана беттерінде жиналған кезде пайда болады. Бұлар ағынды азайтады және стандартты химиялық тазартқыш заттармен кетіру қиын. Коррозияның ластануы мембрана өнімділігінің тұрақты төмендеуіне әкеледі және уақыт өте келе мембрананы ауыстыру жиілігін арттырады. Оның әсері суды тазарту және ақуызды қолдануда қолданылатын PVDF және PES мембраналарында әсіресе қатты байқалады.

Органикалық ластану:Негізінен ірі қара сарысу альбумині (BSA) сияқты ақуыздармен индукцияланады және полисахаридтер (мысалы, натрий альгинаты) сияқты басқа органикалық заттардың қатысуымен күшеюі мүмкін. Механизмдерге мембраналық тесіктерге адсорбция, тесіктердің бітелуі және торт қабатының пайда болуы кіреді. Синергетикалық әсерлер бірнеше органикалық компоненттер болған кезде пайда болады, аралас ластаушы жүйелер бір ақуызды жемдерге қарағанда ауыр ластануды бастан кешіреді.

Концентрациялық поляризация:Ультрафильтрация дамыған сайын, сақталған ақуыздар мембрана бетінің жанында жиналып, жергілікті концентрация мен тұтқырлықты арттырады. Бұл ластануға бейімділікті арттыратын және ағынды азайтатын поляризация қабатын жасайды. Процесс ультрафильтрация концентрация фазасы дамыған сайын жеделдейді, бұл трансмембраналық қысым мен ағын динамикасына тікелей әсер етеді.

Коллоидты және аралас ластану:Коллоидты заттар (мысалы, кремний диоксиді, бейорганикалық минералдар) ақуыздармен әрекеттесіп, мембраналардың ластануын күшейтетін күрделі агрегаттық қабаттар түзуі мүмкін. Мысалы, коллоидты кремний диоксидінің болуы, әсіресе органикалық заттармен біріктірілгенде немесе рН оңтайлы емес жағдайларда ағын жылдамдығын айтарлықтай төмендетеді.

Ерітіндінің тұтқырлығының ластанудың дамуына әсері

Ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығы ластану кинетикасына және мембрананың тығыздалуына қатты әсер етеді:

Жеделдетілген ластану:Ақуыз ерітіндісінің жоғары тұтқырлығы ұсталған еріген заттардың кері тасымалдануына төзімділікті арттырады, бұл торт қабатының тезірек түзілуіне ықпал етеді. Бұл трансмембраналық қысымды (ТМҚ) арттырады, мембрананың тығыздалуын және ластануын жеделдетеді.

Ерітінді құрамының әсері:Ақуыз түрі тұтқырлықты өзгертеді; шар тәрізді ақуыздар (мысалы, BSA) және кеңейтілген ақуыздар ағын мен поляризацияға қатысты әртүрлі әрекет етеді. Полисахаридтер немесе глицерин сияқты қосылыстарды қосу тұтқырлықты айтарлықтай арттырады, ластануды күшейтеді. Қоспалар мен ақуыздардың жоғары концентрациядағы агрегациясы мембраналардың бітелу жылдамдығын одан әрі күшейтеді, бұл ағынды да, мембрананың қызмет ету мерзімін де тікелей қысқартады.

Операциялық салдарлар:Жоғары тұтқырлық көлденең ағынды сүзу процестерінде сүзу жылдамдығын сақтау үшін TMP-нің жоғарылауын қажет етеді. Жоғары TMP-ге ұзақ уақыт әсер ету қайтымсыз ластануды күшейтеді, көбінесе мембрананы жиі тазалауды немесе мембрананы ертерек ауыстыруды қажет етеді.

Азық сипаттамаларының рөлі

Азықтың сипаттамалары, атап айтқанда ақуыз қасиеттері және судың химиялық құрамы, ластанудың ауырлығын анықтайды:

Ақуыз мөлшері және таралуы:Ірі немесе агрегацияланған ақуыздар тері тесіктерінің бітелуіне және торлардың жиналуына бейім, бұл ультрафильтрациялық ақуыз концентрациясы кезінде тұтқырлық пен тығыздалу үрдістерін арттырады.

рН:Жоғары рН электростатикалық итеруді арттырады, ақуыздардың мембрана маңында агрегациялануына жол бермейді, осылайша ластануды азайтады. Керісінше, қышқылдық орта итеруді, әсіресе коллоидты кремний диоксиді үшін, азайтады, мембрана ластануын күшейтеді және ағын жылдамдығын төмендетеді.

Температура:Төмен температурадағы процесс әдетте кинетикалық энергияны азайтады, бұл ластану жылдамдығын баяулатуы мүмкін, бірақ сонымен бірге ерітіндінің тұтқырлығын арттырады. Жоғары температура ластануды тездетеді, бірақ сонымен бірге тазалау тиімділігін арттыруы мүмкін.

Коллоидты/бейорганикалық заттар:Коллоидты кремний диоксидінің немесе металдардың болуы, әсіресе қышқылдық жағдайларда, ластануды күшейтеді. Кремний диоксиді бөлшектері ерітіндінің жалпы тұтқырлығын арттырады және тесіктерді физикалық түрде бітейді, бұл ультрафильтрация концентрациясының тиімділігін төмендетеді және мембрананың жалпы қызмет ету мерзімі мен өнімділігін төмендетеді.

Иондық құрамы:Белгілі бір иондық түрлерді (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) қосу ақуыздар мен мембраналар арасындағы электростатикалық және гидратациялық күштерді өзгерту арқылы ластануды азайтуы мүмкін. Дегенмен, Ca²⁺ сияқты иондар көбінесе агрегацияны күшейтеді және ластану әлеуетін арттырады.

Мысалдар:

Көлденең ағынды сүзу кезінде жоғары молекулалық салмақтағы ақуыздарға және жоғары тұтқырлыққа бай қоректену ағынының тез төмендеуіне, тазалау және ауыстыру процедураларының күшеюіне әкеледі.
Қоректік су коллоидты кремний диоксидінен тұрып, қышқылданған кезде, кремний диоксидінің агрегациясы мен тұнбасы күшейеді, бұл ластану жылдамдығын айтарлықтай арттырады және мембрананың жұмысын төмендетеді.

Қорытындылай келе, ерітіндінің тұтқырлығы, ластану түрлері және беріліс сипаттамалары арасындағы өзара байланысты түсіну ультрафильтрация концентрациясын оңтайландыру, мембраналық ластануды азайту және мембрананың қызмет ету мерзімін барынша арттыру үшін өте маңызды.

Концентрациялық поляризация және оны басқару

Концентрациялық поляризация дегеніміз не?

Концентрациялық поляризация - ультрафильтрация кезінде мембрана/ерітінді интерфейсінде сақталған еріген заттың, мысалы, ақуыздардың, локализацияланған жинақталуы. Ақуыз ерітінділері жағдайында сұйықтық жартылай өткізгіш мембранаға ағып жатқанда, мембрана қабылдамаған ақуыздар бетіне жақын жұқа шекаралық қабатта жиналуға бейім. Бұл жиналу концентрация градиентінің күрт өзгеруіне әкеледі: мембрананың дәл жанында ақуыздың жоғары концентрациясы, ерітіндінің негізгі бөлігінде әлдеқайда төмен. Бұл құбылыс қайтымды және гидродинамикалық күштермен басқарылады. Ол мембрананың ішінде немесе үстіне тұрақты тұнба немесе адсорбцияны қамтитын мембрананың ластануына қарама-қайшы келеді.

Концентрациялық поляризация тұтқырлық пен ластануды қалай күшейтеді

Мембрана бетінде ақуыздардың үздіксіз жиналуы жергілікті еріген зат концентрациясын арттыратын шекаралық қабатты құрайды. Мұның екі маңызды әсері бар:

Тұтқырлықтың жергілікті жоғарылауы:Мембрана маңында ақуыз концентрациясы жоғарылаған сайын, осы микроаймақтағы ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығы да артады. Тұтқырлықтың жоғарылауы еріген заттың мембранадан кері тасымалдануына кедергі келтіреді, концентрация градиентін одан әрі тіктейді және ағынға төзімділікті арттыратын кері байланыс циклін жасайды. Бұл переимплит ағынының азаюына және сүзілуді жалғастыру үшін энергия қажеттілігінің жоғарылауына әкеледі.

Мембраналық ластануды жеңілдету:Мембрана маңындағы ақуыздың жоғары концентрациясы ақуыздың агрегациялану ықтималдығын және кейбір жүйелерде гель қабатының пайда болу ықтималдығын арттырады. Бұл қабат мембрана тесіктерін бітеп, ағынға төзімділікті одан әрі күшейтеді. Мұндай жағдайлар ақуыз агрегаттары мен қоспалары мембрана матрицасына физикалық немесе химиялық жолмен байланысатын қайтымсыз ластанудың басталуына қолайлы.

Эксперименттік бейнелеу (мысалы, электронды микроскопия) мембранадағы наноөлшемді ақуыз кластерлерінің тез агломерациясын растайды, егер операциялық параметрлер дұрыс басқарылмаса, олар айтарлықтай шөгінділерге айналуы мүмкін.

Шоғырлану поляризациясын азайту стратегиялары

Ультрафильтрациялық ақуыз концентрациясында немесе көлденең ағынды сүзуде концентрация поляризациясын басқару екі жақты тәсілді қажет етеді: гидродинамиканы реттеу және жұмыс параметрлерін реттеу.

Айқас ағын жылдамдығын оңтайландыру:
Айқас ағын жылдамдығын арттыру мембрана арқылы тангенциалды ағынды арттырады, ығысуды күшейтеді және концентрация шекаралық қабатын жұқартады. Күшті ығысу жинақталған ақуыздарды мембрана бетінен сыпырып тастайды, бұл поляризацияны да, ластану қаупін де азайтады. Мысалы, статикалық араластырғыштарды пайдалану немесе газды шашыратуды енгізу еріген зат қабатын бұзады, бұл көлденең ағынды сүзу процесінде ену ағынын және тиімділігін айтарлықтай жақсартады.

Операциялық параметрлерді өзгерту:

Трансмембраналық қысым (ТМҚ):ТМП - мембранадағы қысым айырмашылығы және ультрафильтрацияның қозғаушы күші. Дегенмен, сүзілуді жеделдету үшін ТМП-ны жоғарылату концентрация поляризациясын күшейту арқылы кері әсер етуі мүмкін. Қалыпты трансмембраналық қысым диапазонын сақтау - ақуыз ультрафильтрациясы үшін белгіленген шектен аспау - еріген заттардың шамадан тыс жиналуын және жергілікті тұтқырлықтың жоғарылауын болдырмауға көмектеседі.

Қиысу жылдамдығы:Көлденең ағын жылдамдығы мен арна дизайнының функциясы болып табылатын ығысу жылдамдығы еріген заттардың тасымалдану динамикасында орталық рөл атқарады. Жоғары ығысу поляризация қабатын жұқа және қозғалмалы ұстайды, бұл мембрананың жанындағы еріген заттың азайған аймағын жиі жаңартуға мүмкіндік береді. Ығысу жылдамдығының артуы ақуыздардың жиналу уақытын қысқартады және шекарада тұтқырлықтың жоғарылауын азайтады.

Беріліс қасиеттері:Кіріс ақуыз ерітіндісінің қасиеттерін реттеу, мысалы, ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын төмендету, агрегаттық құрамды азайту немесе рН мен иондық беріктікті бақылау, концентрация поляризациясының дәрежесі мен әсерін азайтуға көмектеседі. Жемді алдын ала өңдеу және құрамды өзгерту ультрафильтрация мембранасының өнімділігін арттырып, мембрананы тазалау жиілігін азайту арқылы мембрананың қызмет ету мерзімін ұзартуы мүмкін.

Қолдану мысалы:
Моноклоналды антиденелерді шоғырландыру үшін тангенциалды ағынды сүзуді (TFF) қолданатын зауыт мұқият оңтайландырылған көлденең ағын жылдамдықтарын қолданады және TMP-ны қатаң шекте сақтайды. Осылайша, операторлар концентрацияның поляризациясын және мембрананың ластануын азайтады, мембрананы ауыстыру жиілігін де, тазалау циклдерін де азайтады - бұл пайдалану шығындарын тікелей төмендетеді және өнім өнімділігін жақсартады.

Бұл айнымалыларды тиісті түрде реттеу және бақылау, соның ішінде нақты уақыт режимінде ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын өлшеу, ультрафильтрация концентрациясының өнімділігін оңтайландыру және ақуызды өңдеу кезінде концентрацияның поляризациясына байланысты жағымсыз әсерлерді азайту үшін өте маңызды.

Жоғары тұтқырлықтағы ақуыз ерітінділері үшін ультрафильтрацияны оңтайландыру

6.1. Операциялық үздік тәжірибелер

Жоғары тұтқырлықтағы ақуыз ерітінділерімен оңтайлы ультрафильтрация өнімділігін сақтау трансмембраналық қысым (ТМФ), ақуыз концентрациясы және ерітінді тұтқырлығы арасындағы нәзік тепе-теңдікті қажет етеді. ТМФ - мембранадағы қысым айырмашылығы - ультрафильтрация ақуызының концентрация жылдамдығына және мембрананың ластану дәрежесіне тікелей әсер етеді. Моноклоналды антиденелер немесе жоғары концентрациядағы сарысу ақуыздары сияқты тұтқыр ерітінділерді өңдеген кезде ТМФ-ның кез келген шамадан тыс жоғарылауы бастапқыда ағынды күшейтуі мүмкін, бірақ сонымен бірге мембрана бетінде ластануды және ақуыздың жиналуын тездетеді. Бұл бұзылған және тұрақсыз сүзу процесіне әкеледі, бұл ТМФ жоғарылаған кезде және ақуыз концентрациясы 200 мг/мл-ден жоғары болғанда тығыз ақуыз қабаттарының пайда болатынын көрсететін бейнелеу зерттеулерімен расталады.

Оңтайлы тәсіл жүйені маңызды TMP-ге жақын, бірақ одан аспайтындай етіп іске қосуды қамтиды. Бұл кезде өнімділік барынша артады, бірақ қайтымсыз ластану қаупі минималды болып қалады. Өте жоғары тұтқырлықтар үшін соңғы зерттеулер TMP-ны азайтуды және бір уақытта қоректендіру ағынын (көлденең ағынды сүзу) арттыруды ұсынады, бұл концентрацияның поляризациясын және ақуыздың тұнуын азайтуға көмектеседі. Мысалы, Fc-біріктіру ақуызының концентрациясын зерттеу TMP параметрлерінің төмендігі өнімнің жоғалуын азайта отырып, тұрақты ағынды сақтауға көмектесетінін көрсетеді.

Ультрафильтрация кезінде ақуыз концентрациясын біртіндеп және әдістемелік түрде арттыру өте маңызды. Концентрацияның күрт қадамдары ерітіндіні тым тез жоғары тұтқырлық режиміне мәжбүрлеп, агрегация қаупін де, ластанудың ауырлығын да арттырады. Оның орнына, ақуыз деңгейін біртіндеп арттыру TMP, көлденең ағын жылдамдығы және рН сияқты процесс параметрлерін параллель реттеуге мүмкіндік береді, бұл жүйенің тұрақтылығын сақтауға көмектеседі. Ферменттік ультрафильтрация жағдайлық зерттеулері осы фазалар кезінде жұмыс қысымын төмендету концентрацияның бақыланатын өсуін қамтамасыз ететінін, өнімнің тұтастығын қорғай отырып, ағынның төмендеуін азайтатынын растайды.

6.2. Мембрананы ауыстыру жиілігі және техникалық қызмет көрсету

Ультрафильтрация кезінде мембрананы ауыстыру жиілігі ластану және ағынның төмендеуі көрсеткіштерімен тығыз байланысты. Қызмет ету мерзімінің аяқталу көрсеткіші ретінде тек салыстырмалы ағынның төмендеуіне сүйенудің орнына, жинақталған материалдың әсерінен болатын кедергіні білдіретін сандық өлшем болып табылатын ластануға төзімділікті бақылау, әсіресе аралас ақуызды немесе ақуыз-полисахаридті жемдерде, ластану тезірек және ауыр түрде жүруі мүмкін жерлерде сенімдірек болып шықты.

Қосымша ластану көрсеткіштерін бақылау да өте маңызды. Беткі шөгінділердің көрінетін белгілері, біркелкі емес ену ағыны немесе TMP тұрақты түрде жоғарылауы (тазалауға қарамастан) мембрананың істен шығуына дейінгі дамыған ластанудың ескерту сигналдары болып табылады. Өзгертілген ластану индексін (MFI-UF) бақылау және оны мембрананың өнімділігімен корреляциялау сияқты әдістер реактивті өзгерістердің орнына ауыстыруды болжамды жоспарлауға мүмкіндік береді, осылайша тоқтап қалу уақытын азайтады және техникалық қызмет көрсету шығындарын бақылайды.

Мембрана тұтастығы тек органикалық ластаушы заттардың жиналуынан ғана емес, сонымен қатар коррозиядан да, әсіресе рН жоғары немесе тұз концентрациясы жоғары процестерде бұзылады. Коррозияны да, ластаушы заттардың шөгуін де басқару үшін үнемі тексерулер мен химиялық тазалау процедураларын енгізу қажет. Коррозияға байланысты ластану байқалған кезде, мембрананың ұзақ қызмет ету мерзімін және ультрафильтрация мембранасының тұрақты жұмысын қамтамасыз ету үшін мембрананы тазалау жиілігі мен ауыстыру аралықтарын реттеу қажет. Бұл мәселелердің әсерін азайту және тиімді жұмысты ұзарту үшін мұқият, жоспарлы техникалық қызмет көрсету өте маңызды.

6.3. Процесті басқару және тұтқырлықты өлшеу

Ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын дәл, нақты уақыт режимінде өлшеу ультрафильтрация процесін басқару үшін, әсіресе концентрациялар мен тұтқырлықтар артқан кезде өте маңызды. Кіріктірілген тұтқырлықты өлшеу жүйелері үздіксіз бақылауды қамтамасыз етеді, бұл дереу кері байланыс алуға және жүйе параметрлеріне динамикалық түзетулер енгізуге мүмкіндік береді.

Жаңа технологиялар ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын өлшеу ландшафтын түбегейлі өзгертті:

Калман сүзгісі бар Раман спектроскопиясыКальман сүзгілерінің кеңейтілген қолдауымен нақты уақыт режиміндегі Раман талдауы ақуыз концентрациясы мен буферлік құрамды сенімді бақылауға мүмкіндік береді. Бұл тәсіл сезімталдық пен дәлдікті арттырады, ультрафильтрация концентрациясы мен диафильтрация процесін автоматтандыруды қолдайды.

Автоматтандырылған кинематикалық капиллярлық вискометрияКомпьютерлік көруді пайдалана отырып, бұл технология ерітіндінің тұтқырлығын автоматты түрде өлшейді, қолмен жасалатын қателіктерді жояды және бірнеше процесс ағындары бойынша қайталанатын, мультиплекстелген бақылауды ұсынады. Ол стандартты және күрделі ақуыз формулалары үшін тексерілген және ультрафильтрация концентрациясы фазасында араласуды азайтады.

Микрофлюидті реология құрылғыларыМикрофлюидтік жүйелер Ньютондық емес, жоғары тұтқырлықтағы ақуыз ерітінділері үшін де егжей-тегжейлі, үздіксіз реологиялық профильдерді қамтамасыз етеді. Бұлар фармацевтикалық өндірісте, әсіресе процесті аналитикалық технология (PAT) стратегияларын және кері байланыс циклдарымен интеграцияны қолдайтындықтан, өте құнды.

Осы құралдарды пайдалана отырып, процесті басқару тұтқырлықтың өзгеруіне жауап ретінде TMP, беру жылдамдығы немесе көлденең ағын жылдамдығын нақты уақыт режимінде реттеу үшін кері байланыс циклдерін енгізуге мүмкіндік береді. Мысалы, егер ішкі сенсор тұтқырлықтың кенеттен жоғарылауын анықтаса (концентрацияның жоғарылауына немесе агрегацияға байланысты), ультрафильтрациядағы концентрация поляризациясының басталуын шектеу үшін TMP автоматты түрде азайтылуы немесе көлденең ағын жылдамдығын арттыруы мүмкін. Бұл тәсіл мембрананың қызмет ету мерзімін ұзартып қана қоймай, ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығына әсер ететін факторларды динамикалық түрде басқару арқылы өнімнің тұрақты сапасын қолдайды.

Тұтқырлықты бақылаудың ең қолайлы технологиясын таңдау ультрафильтрация қолданудың нақты талаптарына, соның ішінде күтілетін тұтқырлық диапазонына, ақуыз формуласының күрделілігіне, интеграция қажеттіліктеріне және құнына байланысты. Нақты уақыт режиміндегі мониторинг пен динамикалық процесті басқарудағы бұл жетістіктер жоғары тұтқырлықтағы ақуыз ерітінділері үшін ультрафильтрацияны оңтайландыру мүмкіндігін айтарлықтай жақсартты, бұл операциялық тұрақтылықты да, өнімнің жоғары өнімділігін де қамтамасыз етеді.

Ақуыз ультрафильтрациясындағы ақаулықтарды жою және жиі кездесетін мәселелер

7.1. Симптомдары, себептері және емдеу әдістері

Трансмембраналық қысымның жоғарылауы

Ультрафильтрация кезінде трансмембраналық қысымның (ТМҚ) жоғарылауы мембранадағы кедергінің артуын көрсетеді. Трансмембраналық қысымның ультрафильтрацияға әсері тікелей: қалыпты трансмембраналық қысым диапазоны әдетте процеске байланысты, бірақ тұрақты өсу зерттеуді қажет етеді. Екі кең таралған себеп бар:

Ақуыз ерітіндісінің жоғары тұтқырлығы:Ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығы артқан сайын — әдетте ультрафильтрациялық ақуыз концентрациясының жоғары деңгейінде — ағын үшін қажетті қысым артады. Бұл ерітінділер ең тұтқыр болатын соңғы концентрация мен диафильтрация сатыларында айқын көрінеді.
Мембраналық ластану:Ақуыз агрегаттары немесе полисахарид-ақуыз қоспалары сияқты ластаушы заттар мембрана тесіктеріне жабысып немесе бітеп тастауы мүмкін, бұл TMP-нің тез көтерілуіне әкеледі.

Емдеу құралдары:

TMP деңгейін төмендетіңіз және қоректендіру ағынын арттырыңызБеру жылдамдығын арттыра отырып, TMP-ны азайту концентрацияның поляризациясын және гель қабатының түзілуін азайтады, бұл ағынның тұрақтылығын арттырады.
Мембрананы үнемі тазалауЖиналған ластаушы заттарды кетіру үшін мембрананы тазалаудың оңтайлы жиілігін белгілеңіз. Тазалағаннан кейін ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын өлшеу арқылы тиімділігін бақылаңыз.
Ескірген мембраналарды ауыстыру: Тазалау жеткіліксіз болса немесе мембрананың қызмет ету мерзімі аяқталған болса, мембрананы ауыстыру жиілігін арттыру қажет болуы мүмкін.

Ағын жылдамдығының төмендеуі: Диагностикалық ағаш

Ультрафильтрация концентрациясы фазасында ағынның тұрақты төмендеуі өнімділікке қатысты мәселелерді көрсетеді. Осы диагностикалық тәсілді қолданыңыз:

TMP және тұтқырлықты бақылау:Егер екеуі де көбейген болса, ластануды немесе гель қабатының бар-жоғын тексеріңіз.
Азықтың құрамын және рН деңгейін тексеріңіз:Мұндағы ауытқулар ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығын өзгертіп, ластануға ықпал етуі мүмкін.
Мембрананың жұмысын бағалау:Тазалау сигналдарына қарамастан, ену ағынының азаюы мембрананың зақымдануы немесе қайтымсыз ластану болуы мүмкін.

Шешімдер:

Ультрафильтрация кезінде ластануды және концентрацияның поляризациясын азайту үшін қоректенудегі температураны, рН және иондық күшті оңтайландырыңыз.
Гель қабаттарын бұзу және ағынды қалпына келтіру үшін беткі модификацияланған немесе айналмалы мембраналық модульдерді пайдаланыңыз.
Ағынға әсер ететін өзгерістерді болжау үшін ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын әдеттегідей өлшеңіз.

Жылдам ластану немесе гель қабатының түзілуі

Гель қабатының тез түзілуі мембрана бетіндегі шамадан тыс концентрациялы поляризациядан туындайды. Көлденең ағынды сүзу (ТФФ) трансмембраналық қысымы жоғары тұтқырлық немесе жоғары ақуызды қоректендіру жағдайларында әсіресе сезімтал.

Жеңілдету стратегиялары:

Ақуыздың байланысуын және жабысуын азайту үшін гидрофильді, теріс зарядталған мембраналық беттерді (мысалы, поливинилиденфторидті [PVDF] мембраналарын) жағыңыз.
Ультрафильтрация алдында жемді коагуляция немесе электрокоагуляция арқылы алдын ала өңдеңіз, бұл ластануды арттыратын заттарды кетіруге мүмкіндік береді.
Торт қабатының қалыңдығын азайту және гель қабатының түзілуін кешіктіру үшін көлденең ағынды сүзу процесіне айналмалы модульдер сияқты механикалық құрылғыларды біріктіріңіз.

7.2. Берілістің өзгергіштігіне бейімделу

Ақуыздың ультрафильтрация жүйелері жемдік ақуыздың қасиеттерінің немесе құрамының өзгергіштігіне бейімделуі керек. Ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығына әсер ететін факторлар, мысалы, буферлік құрам, ақуыз концентрациясы және агрегацияға бейімділік, жүйенің жұмысын өзгертуі мүмкін.

Жауап беру стратегиялары

Нақты уақыттағы тұтқырлық пен құрамды бақылау:Берілу өзгерістерін жылдам анықтау үшін, дәстүрлі УК немесе ИҚ әдістерінен асып түсетін, желі ішіндегі аналитикалық сенсорларды (Раман спектроскопиясы + Кальман сүзгісі) орналастырыңыз.
Адаптивті процесті басқару:Параметр параметрлерін реттеу (ағын жылдамдығы, TMP, мембраналық таңдау) анықталған өзгерістерге жауап ретінде. Мысалы, ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығының жоғарылауы TMP-нің төмендеуін және жоғары ығысу жылдамдығын қажет етуі мүмкін.
Мембрананы таңдау:Ақуыздың сақталуы мен ағынын теңестіре отырып, ағымдағы қоректендіру қасиеттеріне оңтайландырылған кеуек өлшемі мен бетінің химиялық құрамы бар мембраналарды пайдаланыңыз.
Азықтарды алдын ала өңдеу:Егер жемнің сипатындағы кенеттен өзгерістер ластануға ықпал етсе, ультрафильтрациядан бұрын коагуляция немесе сүзу қадамдарын енгізіңіз.

Мысалдар:

Биопроцесс кезінде буферлік ауыстырғыштар немесе антидене агрегаттарының өзгеруі басқару жүйесі арқылы TMP және ағынды реттеуді іске қосуы керек.
Хроматографиямен байланысты ультрафильтрация үшін адаптивті араластыру-бүтін санды оңтайландыру алгоритмдері ультрафильтрация мембранасының өнімділігін сақтай отырып, өзгергіштікті азайтып, пайдалану шығындарын азайта алады.

Ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын өлшеуді үнемі бақылау және процесс жағдайларына дереу түзету ультрафильтрация концентрациясын оңтайландыруға, өткізу қабілетін сақтауға және мембрананың ластануын және концентрацияның поляризациясын азайтуға көмектеседі.

Жиі қойылатын сұрақтар

8.1. Ақуыз ерітінділерінің ультрафильтрациясындағы трансмембраналық қысымның қалыпты диапазоны қандай?

Ультрафильтрациялық ақуыз концентрация жүйелеріндегі қалыпты трансмембраналық қысым (ТМП) диапазоны мембрана түріне, модуль дизайнына және беріліс сипаттамаларына байланысты. Ақуыздың ультрафильтрация процестерінің көпшілігі үшін ТМП әдетте 1-ден 3 барға дейін (15–45 psi) сақталады. 0,2 МПа-дан (шамамен 29 psi) жоғары ТМП мәндері мембрананың зақымдалуына, тез ластануға және мембрананың қызмет ету мерзімінің қысқаруына әкелуі мүмкін. Биомедициналық және биоөңдеу қолданбаларында мембрананың жарылуын болдырмау үшін ұсынылған ТМП әдетте 0,8 бардан (~12 psi) аспауы керек. Көлденең ағынды сүзу сияқты процестер үшін осы ТМП диапазонында болу шығымдылықты да, ақуыздың тұтастығын да қамтамасыз етеді.

8.2. Ақуыз ерітінділерінің тұтқырлығы ультрафильтрация өнімділігіне қалай әсер етеді?

Ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығы ультрафильтрация концентрациясының өнімділігіне тікелей әсер етеді. Жоғары тұтқырлық ағынға төзімділікті арттырады және TMP жоғарылатады, бұл перематозды ағынның азаюына және мембрананың тез ластануына әкеледі. Бұл әсер моноклоналды антиденелермен немесе Fc-біріктіру ақуыздарымен жоғары концентрацияда айқын көрінеді, мұнда тұтқырлық ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуі және заряд әсерлеріне байланысты артады. Қосалқы заттармен немесе ферментативті өңдеумен тұтқырлықты басқару және оңтайландыру ағынды жақсартады, ластануды азайтады және ультрафильтрация концентрациясы фазасында жоғары қол жеткізуге болатын концентрацияларға мүмкіндік береді. Ақуыз ерітіндісінің тұтқырлығын өлшеуді бақылау тиімді өңдеуді сақтау үшін өте маңызды.

8.3. Концентрациялық поляризация дегеніміз не және ол TFF-те неліктен маңызды?

Ультрафильтрациядағы концентрация поляризациясы - бұл мембрана бетінде ақуыздардың жиналуы, бұл ерітіндінің негізгі бөлігі мен мембрана шекарасы арасында градиент тудырады. Көлденең ағынды сүзуде бұл жергілікті тұтқырлықтың жоғарылауына және ағынның қайтымды төмендеуіне әкеледі. Басқарылмаса, бұл мембрананың ластануына ықпал етуі және жүйенің тиімділігін төмендетуі мүмкін. Ультрафильтрациядағы концентрация поляризациясын шешу жұқа поляризация қабатын сақтау үшін көлденең ағын жылдамдығын, ТМП және мембрананы таңдауды оңтайландыруды қамтиды. Дәл бақылау өткізу қабілеттілігін жоғары, ал ластану қаупін төмен ұстайды.

8.4. Ультрафильтрациялық мембрананы қашан ауыстыру керектігін қалай шешемін?

Өткізгіштіктің (ағынның) айтарлықтай төмендеуін, стандартты тазалау арқылы жойылмайтын ТМП-ның тұрақты жоғарылауын немесе тазалаудан кейін көрінетін ластануды байқасаңыз, ультрафильтрациялық мембрананы ауыстырыңыз. Қосымша көрсеткіштерге селективтіліктің жоғалуы (нысаналы ақуыздарды күтілгендей қабылдамау) және өнімділік сипаттамаларына қол жеткізе алмау жатады. Тұрақты ағын және селективтілік сынағы арқылы мембрананы ауыстыру жиілігін бақылау ақуыз ерітіндісінің ультрафильтрациялық концентрация процестерінде мембрананың қызмет ету мерзімін барынша арттырудың негізі болып табылады.

8.5. TFF-те ақуыздың ластануын азайту үшін қандай жұмыс параметрлерін реттеуге болады?

Көлденең ағынды сүзу кезінде ақуыздың ластануын азайтудың негізгі жұмыс параметрлеріне мыналар жатады:

Жергілікті ақуыздың жиналуын азайту және концентрацияның поляризациясын басқару үшін көлденең ағынның жеткілікті жылдамдығын сақтаңыз.
Өнімнің шамадан тыс ағып кетуін және мембрананың зақымдалуын болдырмау үшін ұсынылған TMP диапазонында, әдетте 3–5 psi (0,2–0,35 бар) жұмыс істеңіз.
Қайтымсыз ластануды шектеу үшін мембрананы үнемі тазалау хаттамаларын қолданыңыз.
Тұтқырлықты бақылау үшін жем ерітіндісін бақылаңыз және қажет болған жағдайда алдын ала өңдеңіз (мысалы, пектиназа сияқты ферментативті өңдеулерді қолдану).
Мақсатты ақуыз мөлшері мен процесс мақсаттарына сәйкес келетін мембраналық материалдар мен тесіктердің өлшемдерін (MWCO) таңдаңыз.

Гидроциклонды алдын ала сүзуді немесе ферментативті алдын ала өңдеуді біріктіру жүйенің өнімділігін, әсіресе жоғары тұтқырлықты қоректендіру үшін жақсарта алады. Қоректендіру құрамын мұқият бақылап, мембраналық ластануды азайту және ультрафильтрация концентрациясының фазасын оңтайландыру үшін параметрлерді динамикалық түрде реттеңіз.