Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

바이오의약품 제조에서 단백질 용액의 점도를 제어하는 것은 초여과 농축 공정을 최적화하는 데 매우 중요합니다. 단백질 용액, 특히 고농도 단백질 용액의 점도 증가는 초여과 단백질 농축 공정에서 막 성능, 공정 효율 및 경제성에 직접적인 영향을 미칩니다. 항체 응집 및 정전기적 상호작용으로 인해 단백질 함량이 증가함에 따라 용액 점도가 높아지고, 이는 초여과 막을 통과하는 유동 저항과 압력 강하를 증가시킵니다. 결과적으로 투과 유량이 감소하고 운전 시간이 길어지며, 특히 횡류여과(TFF) 공정에서 이러한 현상이 두드러집니다.

초여과 공정의 핵심 동력인 막횡단압(TMP)은 점도와 밀접한 관련이 있습니다. 정상적인 막횡단압 범위를 벗어나 작동하면 막 오염이 가속화되고 농도 분극 현상(막 근처에 단백질이 축적되어 국소 점도가 지속적으로 증가하는 현상)이 악화됩니다. 농도 분극과 막 오염 모두 초여과 막의 성능 저하를 초래하며, 방치할 경우 막의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 실험 결과에 따르면 초여과에서 막 오염과 농도 분극 현상은 TMP 값이 높을수록, 그리고 공급액의 점도가 높을수록 더욱 두드러지게 나타나므로, 처리량을 극대화하고 세척 빈도를 최소화하기 위해서는 실시간 TMP 제어가 필수적입니다.

초여과 농축을 최적화하려면 통합적인 전략이 필요합니다.

단백질 용액 점도 측정정기적인 점도 평가—사용법인라인 점도계—여과 속도를 예측하고 공정 병목 현상을 예상하여 신속한 공정 변경을 지원합니다.
사료 조절pH, 이온 강도 및 온도를 조절하면 점도를 낮추고 파울링을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 나트륨 이온을 첨가하면 단백질 간의 수화 반발력이 강화되어 응집 및 파울링이 완화되는 반면, 칼슘 이온은 단백질 가교 및 파울링을 촉진하는 경향이 있습니다.
부형제 사용점도 저하 부형제를 고농축 단백질 용액에 첨가하면 막 투과성이 향상되고 초여과 시 막횡단 압력이 감소하여 전반적인 효율이 높아집니다.
고급 유동 체제횡류 속도를 높이거나, 교대 횡류 방식을 사용하거나, 공기 분사 방식을 사용하면 파울링 층을 제거할 수 있습니다. 이러한 기술은 침전물 형성을 최소화하여 투과 유량을 유지하고 멤브레인 교체 빈도를 줄이는 데 도움이 됩니다.
멤브레인 선택 및 세척화학적으로 내성이 강한 멤브레인(예: SiC 또는 열팽창성 하이브리드)을 선택하고 적절한 프로토콜(예: 차아염소산나트륨 세척)을 사용하여 멤브레인 세척 빈도를 최적화하는 것은 멤브레인 수명을 연장하고 운영 비용을 절감하는 데 매우 중요합니다.

전반적으로 효과적인 점도 제어 및 막전위(TMP) 관리는 성공적인 초여과 농축 단계 성능의 핵심이며, 제품 수율, 막 세척 빈도 및 고가의 막 설비 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

초여과 과정에서 단백질 용액의 점도 이해하기

1.1. 단백질 용액의 점도는 얼마입니까?

점도는 유체의 흐름에 대한 저항을 나타내는 지표이며, 단백질 용액에서는 분자 간 마찰이 움직임을 얼마나 방해하는지를 보여줍니다. 점도의 SI 단위는 파스칼-초(Pa·s)이지만, 생체 유체에서는 센티포이즈(cP)가 일반적으로 사용됩니다. 점도는 제조 과정에서 단백질 용액을 펌핑하거나 여과하는 용이성에 직접적인 영향을 미치며, 특히 고농도 생물 치료제의 경우 약물 전달에도 중요한 역할을 합니다.

단백질 농도는 점도에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 단백질 농도가 증가함에 따라 분자 간 상호작용과 혼잡이 심화되어 점도가 상승하며, 종종 비선형적으로 증가합니다. 특정 임계값을 넘어서면 단백질 간 상호작용으로 인해 용액 내 확산이 더욱 억제됩니다. 예를 들어, 의약품에 사용되는 고농도 단일클론 항체 용액은 종종 피하 주사에 어려움을 초래하거나 공정 속도를 제한하는 높은 점도에 도달합니다.

고농도 단백질 용액의 점도를 예측하는 모델은 이제 분자 구조와 응집 경향을 고려합니다. 단백질의 형태(길쭉한 모양, 구형, 또는 응집성)는 고농도에서 점도에 상당한 영향을 미칩니다. 최근 미세유체 분석 기술의 발전으로 최소량의 시료로도 정밀한 점도 측정이 가능해졌으며, 이를 통해 새로운 단백질 제형을 신속하게 스크리닝할 수 있게 되었습니다.

1.2. 초여과 과정 중 점도 변화 양상

한외여과 과정에서 농도 분극 현상이 발생하여 단백질이 막-용액 계면에 빠르게 축적됩니다. 이로 인해 급격한 국소 농도 기울기가 형성되고 막 근처의 점도가 상승합니다. 이 영역의 점도 증가는 물질 전달을 저해하고 투과 유량을 감소시킵니다.

농도 분극 현상은 막 오염과는 구별되는 현상입니다. 분극은 동적이고 가역적인 현상으로, 여과가 진행됨에 따라 수분 내에 발생합니다. 반면, 오염은 시간이 지남에 따라 발생하며 막 표면에 비가역적인 침착이나 화학적 변형을 수반하는 경우가 많습니다. 정확한 진단을 통해 농도 분극층을 실시간으로 추적하고, 유속 및 막횡단압에 대한 민감도를 파악할 수 있습니다. 예를 들어, 유속을 증가시키거나 막횡단압(TMP)을 감소시키면 점성 경계층을 파괴하여 투과 유량을 회복할 수 있습니다.

작동 매개변수는 점도 변화에 직접적인 영향을 미칩니다.

막횡단압(TMP)TMP가 높을수록 분극이 심화되어 국소 점도가 증가하고 플럭스가 감소합니다.
횡류 속도향상된 유속은 축적을 제한하고 막 근처의 점도를 완화합니다.
멤브레인 세척 빈도잦은 세척은 장기간 축적되는 이물질을 줄이고 점도 증가로 인한 성능 저하를 완화합니다.

초여과 농축 단계는 점도에 미치는 악영향을 최소화하고 처리량을 유지하기 위해 이러한 매개변수를 최적화해야 합니다.

1.3. 단백질 용액의 점도에 영향을 미치는 특성

분자량그리고구성점도는 주로 크기에 따라 결정됩니다. 크고 복잡한 단백질이나 응집체는 움직임이 제한되고 분자간 힘이 강해 점도가 높아집니다. 단백질의 모양 또한 유동에 영향을 미치는데, 길쭉하거나 응집되기 쉬운 사슬은 조밀한 구형 단백질보다 저항이 더 큽니다.

pHpH는 단백질의 전하와 용해도에 결정적인 영향을 미칩니다. 용액의 pH를 단백질의 등전점 근처로 조절하면 순전하가 최소화되고, 단백질 간 반발력이 감소하며, 일시적으로 점도가 낮아져 여과가 용이해집니다. 예를 들어, BSA 또는 IgG의 등전점 근처에서 한외여과를 수행하면 투과 유량과 분리 선택성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

이온 강도이온 농도는 단백질 주변의 전기 이중층을 변화시켜 점도에 영향을 미칩니다. 이온 농도가 증가하면 정전기적 상호작용이 차단되어 단백질이 막을 통과하는 것이 촉진되지만, 응집 및 그에 따른 점도 급증의 위험도 높아집니다. 투과 효율과 선택성 사이의 균형을 맞추는 것은 종종 염 농도와 완충액 조성의 미세 조정을 통해 이루어집니다.

아르기닌 염산염이나 구아니딘과 같은 저분자 첨가제는 점도를 낮추는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 물질은 소수성 또는 정전기적 인력을 방해하고, 응집을 줄이며, 용액의 유동성을 개선합니다. 온도는 점도 조절에 중요한 변수입니다. 온도가 낮아지면 점도가 증가하고, 열을 가하면 점도가 감소하는 경우가 많습니다.

단백질 용액 점도 측정 시 다음 사항을 고려해야 합니다.

분자량 분포
용액 조성(염, 부형제, 첨가제)
pH 및 완충 시스템 선택
이온 강도 설정

이러한 요소들은 초여과막 성능을 최적화하고 농축 단계 및 TFF 공정 전반에 걸쳐 일관성을 보장하는 데 매우 중요합니다.

초여과 단백질 농축의 기본 원리

초여과 농축 단계의 원리

한외여과 단백질 농축법은 반투과성 막에 막압(TMP)을 가하여 용매와 작은 용질은 통과시키고 단백질과 큰 분자는 걸러내는 방식으로 작동합니다. 이 공정은 분자 크기에 따른 선택적 투과를 이용하며, 막의 분자량 차단 한계(MWCO)는 통과할 수 있는 분자의 최대 크기를 결정합니다. MWCO를 초과하는 단백질은 잔류액 쪽에 축적되어 투과액이 배출됨에 따라 농도가 증가합니다.

한외여과 농축 단계는 단백질 용액의 부피 감소 및 농축을 목표로 합니다. 여과가 진행됨에 따라 단백질 용액의 점도가 일반적으로 상승하여 투과 유량 및 막전위도(TMP) 요구 사항에 영향을 미칩니다. 잔류 단백질은 서로 또는 막과 상호작용할 수 있으므로 실제 공정은 단순한 크기 배제보다 훨씬 복잡합니다. 정전기적 상호작용, 단백질 응집, 그리고 pH 및 이온 강도와 같은 용액 특성은 잔류 및 분리 결과에 영향을 미칩니다. 어떤 경우에는, 특히 기공 크기가 큰 막에서 대류 수송이 확산보다 우세하여 분자량 차단 한계(MWCO) 선택에만 의존한 예측이 복잡해집니다[연구 요약 참조].

횡류여과(TFF) 설명

횡방향 흐름 여과(Transverse flow filtration), 또는 접선 방향 흐름 여과(Tangential flow filtration, TFF)는 단백질 용액을 막 표면을 가로질러 접선 방향으로 통과시키는 방식입니다. 이 방식은 흐름이 막에 수직으로 진행하여 입자를 필터 위로 직접 밀어 넣는 막힘 여과(Dead-end filtration)와는 대조적입니다.

주요 차이점 및 영향:

오염 방지:TFF는 막 표면에서 잠재적인 오염 물질을 지속적으로 제거함으로써 케이크 형성으로 알려진 단백질 및 미립자 층의 축적을 줄입니다. 결과적으로 투과 유량이 더욱 안정되고 유지 보수가 용이해집니다.
단백질 보유율:TFF는 막 근처에 잔류 분자층이 형성되는 농도 분극 현상을 효과적으로 관리할 수 있도록 지원합니다. 농도 분극 현상은 제어되지 않을 경우 분리 선택성을 저하시키고 막 오염을 증가시킬 수 있습니다. TFF의 동적 유동은 이러한 현상을 완화하여 높은 단백질 보유율과 분리 효율을 유지하는 데 도움을 줍니다.
플럭스 안정성:TFF는 일정한 유속으로 더 긴 운전 시간을 가능하게 하여 단백질 함량이 높거나 입자가 많은 원료를 사용하는 공정의 효율성을 높입니다. 반면, 막힘 여과는 오염으로 인해 빠르게 성능이 저하되어 처리량이 감소하고 잦은 세척 작업이 필요합니다.

교대 접선 유동(ATF)과 같은 고급 TFF 변형은 접선 유속을 주기적으로 반전시키거나 변화시켜 파울링 및 케이크 형성을 더욱 효과적으로 억제하여 필터 수명을 연장하고 단백질 처리량을 향상시킵니다[연구 요약 참조]. 기존 및 고급 TFF 방식 모두에서 성능을 최적화하고 파울링을 최소화하기 위해서는 막전위압(TMP), 교차 유속, 세척 빈도와 같은 작동 설정을 특정 단백질 시스템, 멤브레인 유형 및 목표 농도에 맞게 조정해야 합니다.

초여과에서의 막횡단압(TMP)

3.1. 막횡단압이란 무엇인가?

막횡단압(TMP)은 여과막 양단의 압력 차이로, 용매를 공급측에서 투과측으로 밀어내는 힘입니다. TMP는 한외여과에서 분리 과정의 핵심 동력으로, 용매는 막을 통과시키고 단백질 및 기타 거대 분자는 걸러내는 역할을 합니다.

TMP 공식:

간단한 차이: TMP = 공급 압력 − 투과 압력
공학적 방법: TMP = [(공급 압력 + 잔류 압력)/2] − 투과 압력
여기서 P_feed는 유입 압력, P_retentate는 잔류액 측 출구 압력, P_permeate는 투과액 측 압력입니다. 잔류액(또는 농축액) 압력을 포함하면 유동 저항 및 파울링으로 인한 압력 구배를 고려하여 막 표면을 따라 더 정확한 값을 얻을 수 있습니다.
공급 압력 및 유량
(해당되는 경우) 압력 유지
투과 압력(대부분 대기압)
막 저항
TMP는 멤브레인 종류, 시스템 설계 및 공정 조건에 따라 달라집니다.

변수 제어:

3.2. TMP와 초여과 공정

막횡단압력(TMP)은 단백질 용액을 막을 통해 이동시켜 초여과 단백질 농축에 핵심적인 역할을 합니다. 압력은 막의 저항과 축적된 물질을 극복할 만큼 충분히 높아야 하지만, 막 오염을 가속화할 정도로 높아서는 안 됩니다.

용액 점도 및 단백질 농도의 영향

단백질 용액의 점도:점도가 높을수록 유동 저항이 증가하여 동일한 투과 유량을 유지하려면 더 높은 막횡단압(TMP)이 필요합니다. 예를 들어, 공급액에 글리세롤을 첨가하거나 고농축 단백질을 사용하여 운전하면 점도가 높아지고 따라서 운전에 필요한 막횡단압도 높아집니다.
단백질 농도:초여과 농축 단계에서 농도가 증가함에 따라 용액의 점도가 상승하고, 막전위도(TMP)가 증가하며, 막 오염이나 농도 분극 현상이 발생할 위험이 커집니다.
다르시의 법칙:막전위도(TMP), 투과 유량(J) 및 점도(μ)는 TMP = J × μ × R_m(막 저항)의 관계를 갖습니다. 고점도 단백질 용액의 경우 효율적인 한외여과를 위해서는 TMP를 신중하게 조절하는 것이 매우 중요합니다.

예시:

고농도 항체 용액의 초여과에는 점도 상승을 억제하기 위해 TMP를 신중하게 관리해야 합니다.
PEG화 또는 기타 단백질 변형은 막과의 상호작용을 변화시켜 원하는 유속에 필요한 막전위도(TMP)에 영향을 미칩니다.

3.3. TMP 모니터링 및 최적화

TMP를 유지하는 것정상 막횡단 압력 범위이는 안정적인 초여과 멤브레인 성능과 제품 품질에 매우 중요합니다. 시간이 지남에 따라 초여과가 진행되면서 농도 분극 및 파울링으로 인해 TMP가 상승할 수 있으며, 때로는 급격하게 상승할 수도 있습니다.

모니터링 관행:

실시간 모니터링:TMP는 유입액, 잔류액 및 투과액을 통해 추적됩니다.압력 트랜스미터.
라만 분광법:단백질 및 부형제 농도를 비침습적으로 모니터링하는 데 사용되며, 초여과 및 투석여과 과정에서 적응형 막전위도(TMP) 제어를 용이하게 합니다.
고급 제어:확장 칼만 필터(EKF)는 센서 데이터를 처리하여 과도한 오염을 방지하기 위해 TMP를 자동으로 조정할 수 있습니다.
초기 TMP를 정상 범위 내로 설정하십시오.유속을 감소시키지 않을 정도로 너무 낮지도 않고, 빠른 오염을 방지하지 못할 정도로 너무 높지도 않아야 합니다.
점도가 증가함에 따라 TMP를 조정하십시오.초여과 농축 단계에서는 필요에 따라 TMP를 점진적으로 높이십시오.
공급 유량 및 pH를 제어합니다.공급 유량을 증가시키거나 막횡단압(TMP)을 낮추면 농도 분극 및 막 오염을 완화할 수 있습니다.
멤브레인 세척 및 교체:TMP가 높을수록 세척 빈도가 잦아지고 멤브레인 수명이 단축됩니다.

최적화 전략:

예시:

단백질 가공 라인에서 발생하는 부식성 오염은 막횡단압(TMP) 증가 및 유속 감소를 초래하여 정상 작동을 복원하기 위해 멤브레인 세척 또는 교체가 필요합니다.
효소 전처리(예: 펙티나아제 첨가)는 고점도 유채 단백질 한외여과 과정에서 막횡단압(TMP)을 낮추고 막의 수명을 연장할 수 있습니다.

3.4. TFF 시스템의 TMP

접선형(횡방향) 흐름 여과(TFF)는 공급 용액을 막을 직접 통과시키는 대신 막을 가로질러 흐르게 함으로써 작동하며, 이는 막횡단압(TMP) 역학에 상당한 영향을 미칩니다.

TMP의 조절 및 균형

TFF 막횡단 압력(TFF TMP):이 시스템은 공급 유량과 펌프 압력을 모두 제어하여 과도한 TMP를 방지하고 투과 유량을 최대화함으로써 관리됩니다.
매개변수 최적화:공급 유량을 증가시키면 단백질의 국소 침착이 감소하고, 막전위도(TMP)가 안정화되며, 막 오염이 줄어듭니다.
컴퓨터 모델링:CFD 모델은 제품 회수율, 순도 및 수율을 극대화하기 위해 TFF TMP를 예측하고 최적화합니다. 이는 특히 mRNA 또는 세포외 소포 분리와 같은 공정에 매우 중요합니다.

예시:

생물공정에서 최적의 TFF TMP는 분해 없이 70% 이상의 mRNA 회수율을 달성하여 초원심분리법보다 우수한 성능을 보입니다.
수학적 모델과 센서 피드백을 기반으로 하는 적응형 TMP 제어는 막 오염 완화를 통해 막 교체 빈도를 줄이고 막 수명을 연장합니다.

핵심 요약:

TFF에서 공정 효율, 유량 및 막 건강을 유지하려면 TMP(막횡단압)를 적극적으로 관리해야 합니다.
체계적인 TMP 최적화는 단백질 한외여과 및 관련 공정에서 운영 비용을 절감하고, 고순도 제품 회수를 지원하며, 멤브레인 수명을 연장합니다.

오염 메커니즘과 점도와의 관계

단백질 초여과에서 주요 오염 경로

단백질 초여과는 여러 가지 뚜렷한 오염 경로의 영향을 받습니다.

부식성 오염:부식성 오염은 부식 생성물, 주로 산화철이 멤브레인 표면에 축적될 때 발생합니다. 이러한 오염물은 투과량을 감소시키고 일반적인 화학 세척제로 제거하기 어렵습니다. 부식성 오염은 멤브레인 성능의 지속적인 저하를 초래하고 시간이 지남에 따라 멤브레인 교체 빈도를 증가시킵니다. 특히 수처리 및 단백질 생산에 사용되는 PVDF 및 PES 멤브레인에서 그 영향이 심각합니다.

유기물 오염:주로 소 혈청 알부민(BSA)과 같은 단백질에 의해 유발되며, 다당류(예: 알긴산나트륨)와 같은 다른 유기물질이 존재할 경우 더욱 심화될 수 있습니다. 막 기공에 대한 흡착, 기공 막힘, 케이크 층 형성 등이 그 메커니즘입니다. 여러 유기 성분이 존재할 경우 상승작용이 나타나며, 혼합 오염물질 시스템은 단일 단백질 공급 시스템보다 더 심각한 오염을 경험합니다.

농도 분극:한외여과가 진행됨에 따라, 잔류 단백질은 막 표면 근처에 축적되어 국소 농도와 점도를 증가시킵니다. 이는 막분극층을 형성하여 막오염 발생 가능성을 높이고 유속을 감소시킵니다. 이러한 현상은 한외여과 농축 단계가 진행됨에 따라 가속화되며, 막횡단 압력과 유동 역학의 직접적인 영향을 받습니다.

콜로이드성 및 혼합 오염물질에 의한 오염:콜로이드 물질(예: 실리카, 무기 광물)은 단백질과 상호작용하여 복잡한 응집층을 형성하고, 이는 막 오염을 악화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 콜로이드 실리카가 존재할 경우, 특히 유기물과 결합하거나 최적 pH 조건이 아닐 때 투과율이 현저히 감소합니다.

용액 점도가 오염 발생에 미치는 영향

단백질 용액의 점도는 막 오염 속도와 막 압축에 큰 영향을 미칩니다.

가속 파울링:단백질 용액의 점도가 높을수록 잔류 용질의 역수송 저항이 증가하여 케이크 층 형성이 빨라집니다. 이는 막횡단 압력(TMP)을 증폭시켜 막 압축 및 오염을 가속화합니다.

용액 조성 효과:단백질 종류는 점도에 영향을 미칩니다. 구형 단백질(예: BSA)과 장축 단백질은 유동 및 분극 특성에서 서로 다른 거동을 보입니다. 다당류나 글리세롤과 같은 화합물을 첨가하면 점도가 크게 증가하여 막 오염을 촉진합니다. 고농도의 첨가제와 단백질 응집은 막 막힘 속도를 더욱 가속화하여 투과량과 막 수명을 직접적으로 감소시킵니다.

운영상의 결과:점도가 높을수록 횡류 여과 공정에서 여과 속도를 유지하기 위해 더 높은 막횡단압(TMP)이 필요합니다. 높은 TMP에 장시간 노출되면 비가역적 오염이 가속화되어 막 세척 빈도가 잦아지거나 막 교체 시기가 앞당겨지는 경우가 많습니다.

사료 특성의 역할

사료의 특성, 즉 단백질의 성질과 물의 화학적 성질이 오염의 심각도를 결정합니다.

단백질 크기 및 분포:크기가 크거나 응집된 단백질은 기공 막힘 및 케이크 축적을 유발하는 경향이 더 크며, 이는 초여과 단백질 농축 과정에서 점도와 압축 경향을 증가시킵니다.

pH:pH가 높아지면 정전기적 반발력이 증가하여 단백질이 막 근처에 응집되는 것을 방지하고 막 오염을 줄입니다. 반대로 산성 조건에서는 반발력이 감소하는데, 특히 콜로이드 실리카의 경우 더욱 그러하여 막 오염이 심화되고 유속이 감소합니다.

온도:일반적으로 공정 온도가 낮으면 운동 에너지가 감소하여 오염 속도가 느려지지만 용액 점도가 증가합니다. 온도가 높으면 오염이 가속화되지만 세척 효과가 향상될 수도 있습니다.

콜로이드/무기 물질:콜로이드성 실리카 또는 금속의 존재는 특히 산성 조건에서 파울링을 심화시킵니다. 실리카 입자는 용액의 전체 점도를 증가시키고 기공을 물리적으로 막아 초여과 농축 효율을 저하시키고 멤브레인의 수명과 성능을 전반적으로 감소시킵니다.

이온 구성:특정 이온(Na⁺, Zn²⁺, K⁺)을 첨가하면 단백질과 막 사이의 정전기적 및 수화력을 조절하여 막 오염을 줄일 수 있습니다. 그러나 Ca²⁺와 같은 이온은 종종 응집을 촉진하고 막 오염 가능성을 높입니다.

예시:

횡류 여과 과정에서 고분자량 단백질이 풍부하고 점도가 높은 공급액은 유속이 급격히 감소하여 세척 및 교체 횟수가 증가합니다.
공급수에 콜로이드성 실리카가 함유되어 있고 산성화되면 실리카 응집 및 침전이 심화되어 막 오염 속도가 크게 증가하고 막 성능이 저하됩니다.

요약하자면, 용액 점도, 오염 유형 및 공급액 특성 간의 상호 작용을 이해하는 것은 초여과 농축을 최적화하고, 멤브레인 오염을 줄이며, 멤브레인 수명을 극대화하는 데 필수적입니다.

농도 분극 현상 및 그 관리

농도 분극이란 무엇인가?

농도 분극이란 초여과 과정에서 막/용액 계면에 단백질과 같은 용질이 국소적으로 축적되는 현상입니다. 단백질 용액의 경우, 액체가 반투과성 막에 부딪히며 흐르면 막에 의해 걸러진 단백질이 막 표면에 인접한 얇은 경계층에 쌓이는 경향이 있습니다. 이러한 축적은 막 바로 위에서 단백질 농도가 높고 용액 전체에서는 훨씬 낮은 급격한 농도 기울기를 형성합니다. 이 현상은 가역적이며 유체역학적 힘에 의해 좌우됩니다. 이는 막 내부 또는 표면에 보다 영구적인 침전이나 흡착이 발생하는 막 오염과는 대조적입니다.

농도 분극 현상이 점도 및 오염을 악화시키는 방식

막 표면에서 단백질이 지속적으로 축적되어 경계층이 형성되고, 이로 인해 국소적인 용질 농도가 증가합니다. 이는 두 가지 중요한 영향을 미칩니다.

국소적인 점도 증가:막 근처에서 단백질 농도가 증가함에 따라 이 미세 영역에서 단백질 용액의 점도 또한 증가합니다. 점도가 높아지면 용질이 막에서 멀어지는 방향으로 역수송하는 것이 어려워져 농도 기울기가 더욱 가파르게 되고, 유동 저항이 증가하는 악순환이 발생합니다. 결과적으로 투과 유량이 감소하고 지속적인 여과에 필요한 에너지가 증가합니다.

막 오염 촉진:막 근처의 높은 단백질 농도는 단백질 응집 가능성을 높이고, 일부 시스템에서는 겔층 형성을 유발합니다. 이 겔층은 막의 기공을 막아 유동 저항을 더욱 증가시킵니다. 이러한 조건은 단백질 응집체와 불순물이 물리적 또는 화학적으로 막 기질에 결합하여 비가역적인 오염을 발생시키기에 적합합니다.

실험적 영상화(예: 전자 현미경)를 통해 나노 크기의 단백질 클러스터가 막에서 빠르게 응집되는 현상이 확인되었으며, 작동 설정이 적절하게 관리되지 않으면 상당한 양의 침전물로 성장할 수 있습니다.

농도 분극을 최소화하기 위한 전략

초여과 단백질 농축 또는 횡류 여과에서 농도 분극 현상을 관리하려면 유체역학을 조정하고 작동 매개변수를 미세 조정하는 두 가지 접근 방식이 필요합니다.

교차류 속도 최적화:
횡류 속도를 높이면 막을 가로지르는 접선 방향 흐름이 증가하여 전단력이 촉진되고 농도 경계층이 얇아집니다. 강한 전단력은 막 표면에 축적된 단백질을 제거하여 분극 현상과 파울링 위험을 줄입니다. 예를 들어, 정적 믹서를 사용하거나 가스 주입을 도입하면 용질층이 파괴되어 횡류 여과 공정에서 투과 유량과 효율이 현저히 향상됩니다.

작동 매개변수 수정:

막횡단압(TMP):막횡단압력(TMP)은 막을 가로지르는 압력 차이이며, 초여과를 촉진하는 원동력입니다. 그러나 여과 속도를 높이기 위해 TMP를 높이면 농도 분극 현상이 심화되어 오히려 역효과를 초래할 수 있습니다. 단백질 초여과에 설정된 한계를 넘지 않는 정상적인 막횡단압력 범위를 유지하는 것이 용질의 과도한 축적과 그로 인한 국소 점도 증가를 방지하는 데 도움이 됩니다.

전단율:전단율은 횡류 속도와 채널 설계에 따라 달라지며 용질 수송 역학에서 핵심적인 역할을 합니다. 높은 전단율은 분극층을 얇고 유동적으로 유지하여 막 근처의 용질이 고갈된 영역이 자주 새로 생성되도록 합니다. 전단율이 증가하면 단백질이 축적되는 시간이 줄어들고 계면에서의 점도 상승이 최소화됩니다.

사료 특성:유입되는 단백질 용액의 점도를 낮추거나, 응집체 함량을 줄이거나, pH 및 이온 강도를 조절하는 등 용액의 특성을 조정하면 농도 분극 현상의 정도와 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 공급액 전처리 및 제형 변경은 한외여과막 성능을 향상시키고 막 세척 빈도를 줄여 막 수명을 연장할 수 있습니다.

응용 사례:
접선 유동 여과(TFF)를 사용하여 단일클론 항체를 농축하는 공장에서는 최적화된 교차 유속을 적용하고 막횡단압(TMP)을 엄격한 범위 내에서 유지합니다. 이를 통해 농축 분극 및 막 오염을 최소화하여 막 교체 빈도와 세척 주기를 줄임으로써 운영 비용을 절감하고 제품 수율을 향상시킵니다.

이러한 변수들을 적절히 조정하고 모니터링하는 것(실시간 단백질 용액 점도 측정을 포함)은 초여과 농축 성능을 최적화하고 단백질 처리 과정에서 농도 분극과 관련된 부작용을 완화하는 데 필수적입니다.

고점도 단백질 용액에 대한 초여과 최적화

6.1. 운영 모범 사례

고점도 단백질 용액을 이용한 최적의 한외여과 성능을 유지하려면 막횡단압(TMP), 단백질 농도, 용액 점도 간의 미묘한 균형이 필요합니다. 막을 가로지르는 압력 차이인 TMP는 한외여과 단백질 농축 속도와 막 오염 정도에 직접적인 영향을 미칩니다. 단일클론 항체나 고농도 혈청 단백질과 같은 고점도 용액을 처리할 때, TMP가 과도하게 증가하면 초기에는 투과량이 증가할 수 있지만, 막 표면의 오염과 단백질 축적을 급격히 가속화합니다. 이는 여과 공정의 불안정성을 초래하며, 높은 TMP와 200mg/mL 이상의 단백질 농도에서 조밀한 단백질 층이 형성되는 것을 보여주는 영상 연구를 통해 확인되었습니다.

최적의 접근 방식은 시스템을 임계 막전위도(TMP) 근처에서, 하지만 그 임계치를 초과하지 않도록 운전하는 것입니다. 이 지점에서 생산성은 극대화되지만 비가역적 오염 위험은 최소화됩니다. 점도가 매우 높은 경우, 최근 연구 결과에 따르면 TMP를 낮추고 동시에 공급 유량을 증가시키는 것(횡류 여과)이 농도 분극 및 단백질 침전을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, Fc 융합 단백질 농축 연구에서는 낮은 TMP 설정이 제품 손실을 줄이면서 안정적인 유속을 유지하는 데 도움이 된다는 것을 보여줍니다.

초여과 과정에서 단백질 농도를 점진적이고 체계적으로 증가시키는 것이 매우 중요합니다. 급격한 농도 증가는 용액의 점도를 너무 빨리 높여 응집 위험과 파울링 심각도를 증가시킬 수 있습니다. 대신, 단백질 농도를 점진적으로 높이면 막횡단압(TMP), 교차 유속, pH와 같은 공정 변수를 동시에 조절할 수 있어 시스템 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 효소 초여과 사례 연구에 따르면 이러한 단계에서 낮은 작동 압력을 유지하면 농도 증가를 제어하여 유속 감소를 최소화하고 제품의 품질을 보호할 수 있습니다.

6.2. 멤브레인 교체 주기 및 유지 관리

한외여과에서 막 교체 빈도는 막 오염 및 유속 감소 지표와 밀접하게 관련되어 있습니다. 수명 종료 지표로 상대적인 유속 감소에만 의존하기보다는, 축적된 물질로 인해 발생하는 저항을 정량적으로 나타내는 특정 오염 저항을 모니터링하는 것이 특히 혼합 단백질 또는 단백질-다당류 공급액에서 더 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 이러한 공급액에서는 막 오염이 더 빠르고 심각하게 발생할 수 있습니다.

추가적인 오염 지표를 모니터링하는 것 또한 매우 중요합니다. 표면 침전물, 불균일한 투과 유량, 또는 (세척에도 불구하고) 지속적인 막횡단압(TMP) 증가와 같은 가시적인 징후는 모두 막 고장에 앞서 발생하는 심각한 오염의 경고 신호입니다. 수정된 오염 지수(MFI-UF)를 추적하고 이를 막 성능과 연관시키는 등의 기술을 통해 사후 대응적인 교체가 아닌 예측적인 교체 계획을 수립할 수 있으므로 가동 중지 시간을 최소화하고 유지 보수 비용을 절감할 수 있습니다.

막의 무결성은 유기 오염물질 축적뿐만 아니라 부식에 의해서도 손상되며, 특히 극단적인 pH 조건이나 높은 염 농도에서 작동하는 공정에서 부식이 더욱 심해집니다. 부식 및 오염물질 침착을 관리하기 위해서는 정기적인 검사와 화학 세척을 시행해야 합니다. 부식으로 인한 오염이 관찰될 경우, 막의 수명을 연장하고 일관된 한외여과 성능을 유지하기 위해 막 세척 빈도와 교체 주기를 조정해야 합니다. 철저하고 계획적인 유지보수는 이러한 문제의 영향을 최소화하고 효율적인 운전을 연장하는 데 필수적입니다.

6.3. 공정 제어 및 인라인 점도 측정

단백질 용액의 점도를 정확하고 실시간으로 측정하는 것은 특히 농도와 점도가 증가함에 따라 한외여과 공정 제어에 필수적입니다. 인라인 점도 측정 시스템은 지속적인 모니터링을 제공하여 즉각적인 피드백을 가능하게 하고 시스템 매개변수를 동적으로 조정할 수 있도록 합니다.

신기술의 등장으로 단백질 용액 점도 측정 분야가 혁신적으로 변화했습니다.

칼만 필터링을 이용한 라만 분광법확장 칼만 필터가 적용된 실시간 라만 분석은 단백질 농도 및 완충액 조성의 정확한 추적을 가능하게 합니다. 이러한 접근 방식은 감도와 정확도를 향상시켜 한외여과 농축 및 투석여과 공정 자동화를 지원합니다.

자동화된 운동학적 모세관 점도 측정법이 기술은 컴퓨터 비전을 활용하여 용액 점도를 자동으로 측정함으로써 수동 오류를 극복하고 여러 공정 흐름에 걸쳐 반복적이고 다중화된 모니터링을 제공합니다. 표준 및 복합 단백질 제형 모두에 대해 검증되었으며, 한외여과 농축 단계에서의 개입을 줄여줍니다.

미세유체 유변학 장치미세유체 시스템은 비뉴턴 유체인 고점도 단백질 용액을 포함하여 모든 종류의 유체에 대해 상세하고 연속적인 유변학적 프로파일을 제공합니다. 이러한 시스템은 특히 제약 제조 분야에서 공정 분석 기술(PAT) 전략을 지원하고 피드백 루프와 통합하는 데 매우 유용합니다.

이러한 도구를 사용한 공정 제어는 점도 변화에 따라 막전위도(TMP), 공급 속도 또는 교차유속을 실시간으로 조정하는 피드백 루프를 구현할 수 있도록 합니다. 예를 들어, 인라인 센싱이 점도의 급격한 상승(농도 증가 또는 응집으로 인한)을 감지하면 TMP를 자동으로 낮추거나 교차유속을 높여 한외여과 과정에서 농도 분극 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 막의 수명을 연장할 뿐만 아니라 단백질 용액의 점도에 영향을 미치는 요인들을 동적으로 관리함으로써 일관된 제품 품질을 유지하는 데에도 도움이 됩니다.

가장 적합한 점도 모니터링 기술의 선택은 예상 점도 범위, 단백질 제형의 복잡성, 통합 요구 사항 및 비용을 포함한 초여과 공정의 특정 요구 사항에 따라 달라집니다. 실시간 모니터링 및 동적 공정 제어의 발전은 고점도 단백질 용액에 대한 초여과 공정을 최적화하는 능력을 크게 향상시켜 운영 안정성과 높은 제품 수율을 모두 보장합니다.

단백질 초여과 시 문제 해결 및 일반적인 문제점

7.1. 증상, 원인 및 치료법

증가된 막횡단압력

초여과 과정에서 막횡단압(TMP)이 상승하는 것은 막을 가로지르는 저항이 증가하고 있음을 나타냅니다. 막횡단압이 초여과에 미치는 영향은 직접적입니다. 정상적인 막횡단압 범위는 일반적으로 공정에 따라 다르지만, 지속적인 증가는 조사할 가치가 있습니다. 두 가지 일반적인 원인이 두드러집니다.

단백질 용액의 점도가 높을수록:단백질 용액의 점도가 증가함에 따라(일반적으로 초여과 단백질 농도가 높을 때) 유동에 필요한 압력이 상승합니다. 이는 용액의 점도가 가장 높은 최종 농축 및 투석여과 단계에서 두드러지게 나타납니다.
막 오염:단백질 응집체 또는 다당류-단백질 혼합물과 같은 오염 물질은 막의 기공에 달라붙거나 막아 막 전위(TMP)가 급격히 상승할 수 있습니다.

해결책:

TMP를 낮추고 공급 유량을 증가시키세요TMP를 낮추는 동시에 공급 속도를 높이면 농도 분극 및 겔층 형성이 감소하여 안정적인 유속을 촉진합니다.
정기적인 멤브레인 세척축적된 오염 물질을 제거하기 위한 최적의 막 세척 빈도를 설정합니다. 세척 후 단백질 용액 점도 측정을 통해 세척 효과를 모니터링합니다.
노후된 멤브레인을 교체하세요세척이 불충분하거나 멤브레인 수명이 다한 경우 멤브레인 교체 빈도를 늘려야 할 수 있습니다.

감소하는 플럭스율: 진단 트리

초여과 농축 단계에서 유속이 지속적으로 감소하는 것은 생산성 문제를 시사합니다. 다음 진단 방법을 따르십시오.

TMP와 점도를 모니터링하십시오.두 수치 모두 증가했다면 오염이나 겔층의 존재 여부를 확인하십시오.
사료 성분 및 pH를 검사하십시오:이러한 변화는 단백질 용액의 점도를 변화시키고 오염을 촉진할 수 있습니다.
막 성능을 평가하십시오:세척에도 불구하고 투과 유량이 감소하는 것은 막 손상 또는 비가역적 오염 가능성을 시사합니다.

해결책:

초여과 공정에서 오염 및 농도 분극 현상을 완화하기 위해 공급액의 온도, pH 및 이온 강도를 최적화하십시오.
표면 개질 또는 회전식 멤브레인 모듈을 사용하여 겔 층을 파괴하고 유속을 복원하십시오.
단백질 용액의 점도를 정기적으로 측정하여 유동성에 영향을 미치는 변화를 예측하십시오.

급속한 오염 또는 겔층 형성

겔 층의 급속한 형성은 막 표면에서의 과도한 농도 분극 현상으로 인해 발생합니다. 횡류 여과(TFF)의 막횡단 압력은 특히 고점도 또는 고단백질 공급 조건에서 이러한 현상에 취약합니다.

완화 전략:

단백질 결합 및 부착을 최소화하기 위해 친수성이면서 음전하를 띠는 막 표면(예: 폴리비닐리덴 플루오라이드[PVDF] 막)을 적용하십시오.
초여과 전에 응집 또는 전기응집을 이용하여 공급액을 전처리하여 오염 유발 가능성이 높은 물질을 제거합니다.
케이크 층 두께를 줄이고 겔 층 형성을 지연시키기 위해 횡류 여과 공정에 회전 모듈과 같은 기계 장치를 통합합니다.

7.2. 사료 변동성에 대한 적응

단백질 한외여과 시스템은 공급 단백질의 특성이나 조성의 변화에 적응해야 합니다. 완충액 조성, 단백질 농도, 응집 경향 등 단백질 용액의 점도에 영향을 미치는 요인들은 시스템의 작동 방식을 바꿀 수 있습니다.

대응 전략

실시간 점도 및 성분 모니터링:기존의 UV 또는 IR 방식보다 뛰어난 성능을 발휘하는 인라인 분석 센서(라만 분광법 + 칼만 필터링)를 도입하여 사료 변화를 신속하게 감지하십시오.
적응형 공정 제어:매개변수 설정을 조정합니다(유량감지된 변화에 따라 막 전위(TMP, 막 선택)를 조절합니다. 예를 들어, 단백질 용액의 점도가 증가하면 더 낮은 TMP와 높은 전단 속도가 필요할 수 있습니다.
멤브레인 선택:현재 공급액의 특성에 최적화된 기공 크기와 표면 화학적 성질을 가진 멤브레인을 사용하여 단백질 보유율과 투과율의 균형을 맞추십시오.
사료 전처리:공급 원료의 성질이 급격하게 변하여 오염이 촉진될 경우, 초여과 공정 이전에 응집 또는 여과 단계를 도입하십시오.

예시:

생물공정에서 완충액 교체 또는 항체 응집체의 변화는 제어 시스템을 통해 TMP 및 유량 조정을 유발해야 합니다.
크로마토그래피 연계 초여과 공정에서 적응형 혼합 정수 최적화 알고리즘은 초여과 멤브레인 성능을 유지하면서 변동성을 최소화하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

단백질 용액 점도 측정의 정기적인 추적과 공정 조건에 대한 즉각적인 조정은 초여과 농축을 최적화하고 처리량을 유지하며 막 오염 및 농도 분극을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

자주 묻는 질문

8.1. 단백질 용액의 한외여과에서 막횡단 압력의 정상 범위는 무엇입니까?

초여과 단백질 농축 시스템에서 일반적인 막횡단압(TMP) 범위는 막 종류, 모듈 설계 및 공급액 특성에 따라 달라집니다. 대부분의 단백질 초여과 공정에서 TMP는 일반적으로 1~3 bar(15~45 psi) 사이로 유지됩니다. TMP 값이 0.2 MPa(약 29 psi)를 초과하면 막 손상, 급속한 오염 및 막 수명 단축의 위험이 있습니다. 생의학 및 생물공정 분야에서는 막 파열을 방지하기 위해 권장되는 TMP가 일반적으로 0.8 bar(약 12 psi)를 넘지 않아야 합니다. 횡류 여과와 같은 공정에서는 이 TMP 범위 내를 유지함으로써 수율과 단백질의 무결성을 모두 확보할 수 있습니다.

8.2. 단백질 용액의 점도는 한외여과 성능에 어떤 영향을 미칩니까?

단백질 용액의 점도는 한외여과 농축 공정의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 점도가 높으면 유동 저항이 증가하고 막전위(TMP)가 상승하여 투과 유량이 감소하고 막 오염이 빠르게 진행됩니다. 이러한 현상은 고농도의 단클론 항체 또는 Fc 융합 단백질에서 더욱 두드러지는데, 단백질 간 상호작용 및 전하 효과로 인해 점도가 증가하기 때문입니다. 부형제 또는 효소 처리를 통해 점도를 관리하고 최적화하면 투과 유량이 향상되고 막 오염이 감소하며 한외여과 농축 단계에서 더 높은 농도를 달성할 수 있습니다. 효율적인 공정을 유지하기 위해서는 단백질 용액의 점도 측정을 모니터링하는 것이 매우 중요합니다.

8.3. 농도 분극이란 무엇이며 TFF에서 왜 중요한가?

한외여과에서 농도 분극 현상은 막 표면에 단백질이 축적되어 용액과 막 계면 사이에 농도 기울기가 발생하는 현상입니다. 횡류 여과에서 이러한 농도 분극은 국소 점도를 증가시키고 가역적인 투과 유량 감소를 초래할 수 있습니다. 이를 방치할 경우 막 오염을 촉진하고 시스템 효율을 저하시킬 수 있습니다. 한외여과에서 농도 분극 문제를 해결하려면 교차 유속, 막횡단압(TMP), 그리고 막 선택을 최적화하여 분극층을 얇게 유지해야 합니다. 정확한 제어를 통해 처리량을 높이고 막 오염 위험을 낮출 수 있습니다.

8.4. 초여과막을 언제 교체해야 하는지 어떻게 결정하나요?

처리량(플럭스)이 현저하게 감소하거나, 표준 세척으로 해결되지 않는 막횡단압(TMP)의 지속적인 증가, 또는 세척 후에도 눈에 보이는 파울링이 남아 있는 경우 초여과 멤브레인을 교체해야 합니다. 추가적인 지표로는 선택성 저하(목표 단백질을 예상대로 걸러내지 못하는 현상) 및 성능 사양 미달이 있습니다. 정기적인 플럭스 및 선택성 테스트를 통해 멤브레인 교체 빈도를 모니터링하는 것은 단백질 용액 초여과 농축 공정에서 멤브레인 수명을 극대화하는 데 필수적입니다.