Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Olbaltumvielu šķīdumu viskozitātes kontrole ir būtiska, lai optimizētu ultrafiltrācijas koncentrēšanas procesus biofarmaceitisko līdzekļu ražošanā. Paaugstināta viskozitāte olbaltumvielu šķīdumos, īpaši augstās olbaltumvielu koncentrācijās, tieši ietekmē membrānas veiktspēju, procesa efektivitāti un ekonomiku ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrācijas pielietojumos. Šķīduma viskozitāte palielinās līdz ar olbaltumvielu saturu antivielu klasteru veidošanās un elektrostatiskās mijiedarbības dēļ, kas palielina plūsmas pretestību un spiediena kritumu pāri ultrafiltrācijas membrānai. Tas samazina permeāta plūsmu un pagarina darbības laiku, īpaši šķērsplūsmas filtrācijas (TFF) procesos.

Transmembrānas spiediens (TMP), ultrafiltrācijas virzītājspēks, ir cieši saistīts ar viskozitāti. Darbība ārpus normālā transmembrānas spiediena diapazona paātrina membrānas piesārņojumu un saasina koncentrācijas polarizāciju — olbaltumvielu uzkrāšanos membrānas tuvumā, kas nepārtraukti palielina lokālo viskozitāti. Gan koncentrācijas polarizācija, gan membrānas piesārņojums samazina ultrafiltrācijas membrānas veiktspēju un, ja to nekontrolē, var saīsināt membrānas kalpošanas laiku. Eksperimentālie pētījumi liecina, ka membrānas piesārņojums un koncentrācijas polarizācija ultrafiltrācijā ir izteiktāka pie augstākām TMP vērtībām un ar viskozākām padevēm, padarot TMP kontroli reāllaikā būtisku, lai palielinātu caurlaidspēju un samazinātu tīrīšanas biežumu.

Ultrafiltrācijas koncentrācijas optimizēšanai ir nepieciešamas integrētas stratēģijas:

Olbaltumvielu šķīduma viskozitātes mērīšanaRegulāra viskozitātes novērtēšana — izmantojotlīnijas viskozimetri—palīdz prognozēt filtrācijas ātrumu un procesa sastrēgumus, atbalstot ātras procesa modifikācijas.
Barības kondicionēšanaPielāgojot pH līmeni, jonu stiprumu un temperatūru, var samazināt viskozitāti un samazināt piesārņojumu. Piemēram, nātrija jonu pievienošana uzlabo hidratācijas atgrūšanos starp olbaltumvielām, mazinot agregāciju un piesārņojumu, savukārt kalcija joni parasti veicina olbaltumvielu tiltiņu veidošanos un piesārņojumu.
Palīgvielu lietošanaViskozitāti pazeminošu palīgvielu iekļaušana ļoti koncentrētos olbaltumvielu šķīdumos uzlabo membrānas caurlaidību un samazina transmembrānas spiedienu ultrafiltrācijas laikā, tādējādi palielinot kopējo efektivitāti.
Uzlaboti plūsmas režīmiPalielinot šķērsplūsmas ātrumu, izmantojot mainīgu šķērsplūsmu vai gaisa strūklas iesmidzināšanu, tiek izjaukti piesārņojošie slāņi. Šīs metodes palīdz uzturēt permeāta plūsmu un samazināt membrānas nomaiņas biežumu, samazinot nogulšņu veidošanos.
Membrānas izvēle un tīrīšanaĶīmiski izturīgu membrānu (piemēram, SiC vai termoizolējošu hibrīdu) izvēle un membrānu tīrīšanas biežuma optimizēšana ar piemērotiem protokoliem (piemēram, tīrīšana ar nātrija hipohlorītu) ir izšķiroša, lai pagarinātu membrānas kalpošanas laiku un samazinātu ekspluatācijas izmaksas.

Kopumā efektīva viskozitātes kontrole un TMP pārvaldība ir veiksmīgas ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzes veiktspējas stūrakmens, tieši ietekmējot produkta ražu, membrānas tīrīšanas biežumu un dārgu membrānu resursu ilgmūžību.

Izpratne par olbaltumvielu šķīduma viskozitāti ultrafiltrācijā

1.1. Kāda ir olbaltumvielu šķīdumu viskozitāte?

Viskozitāte raksturo šķidruma pretestību plūsmai; olbaltumvielu šķīdumos tā norāda, cik lielā mērā molekulārā berze kavē kustību. Viskozitātes SI mērvienība ir paskāls-sekunde (Pa·s), bet bioloģiskajiem šķidrumiem parasti izmanto centipoise (cP). Viskozitāte tieši ietekmē to, cik viegli olbaltumvielu šķīdumus var sūknēt vai filtrēt ražošanas laikā, un ietekmē zāļu piegādi, īpaši augstas koncentrācijas bioterapeitisko līdzekļu gadījumā.

Olbaltumvielu koncentrācija ir dominējošais faktors, kas ietekmē viskozitāti. Pieaugot olbaltumvielu līmenim, palielinās starpmolekulārā mijiedarbība un drūzmēšanās, izraisot viskozitātes kāpumu, bieži vien nelineāru. Virs noteikta sliekšņa olbaltumvielu-olbaltumvielu mijiedarbība vēl vairāk nomāc difūziju šķīdumā. Piemēram, koncentrēti monoklonālo antivielu šķīdumi, ko izmanto farmācijā, bieži sasniedz viskozitātes līmeni, kas apgrūtina subkutānu injekciju vai ierobežo apstrādes ātrumu.

Modeļi, kas prognozē viskozitāti koncentrētos olbaltumvielu šķīdumos, tagad ietver molekulāro ģeometriju un agregācijas tendences. Olbaltumvielu morfoloģija — neatkarīgi no tā, vai tā ir iegarena, globulāra vai pakļauta agregācijai — būtiski ietekmē viskozitāti augstās koncentrācijās. Jaunākie sasniegumi mikrofluidikas novērtēšanā ļauj precīzi izmērīt viskozitāti no minimāliem paraugu tilpumiem, atvieglojot jaunu olbaltumvielu formulu ātru skrīningu.

1.2. Kā viskozitāte mainās ultrafiltrācijas laikā

Ultrafiltrācijas laikā koncentrācijas polarizācijas rezultātā membrānas un šķīduma saskarnē ātri uzkrājas olbaltumvielas. Tas rada stāvus lokālus koncentrācijas gradientus un paaugstina viskozitāti membrānas tuvumā. Paaugstināta viskozitāte šajā reģionā kavē masas pārnesi un samazina permeāta plūsmu.

Koncentrācijas polarizācija atšķiras no membrānas piesārņojuma. Polarizācija ir dinamiska un atgriezeniska, tā notiek dažu minūšu laikā, filtrācijai progresējot. Salīdzinājumam, piesārņojums attīstās laika gaitā un bieži vien ietver neatgriezenisku nogulsnēšanos vai ķīmisku pārveidošanos uz membrānas virsmas. Precīza diagnostika ļauj reāllaikā izsekot koncentrācijas polarizācijas slānim, atklājot tā jutību pret šķērsplūsmas ātrumu un transmembrānas spiedienu. Piemēram, ātruma palielināšana vai transmembrānas spiediena (TMP) samazināšana palīdz izjaukt viskozo robežslāni, atjaunojot plūsmu.

Darbības parametri tieši ietekmē viskozitātes uzvedību:

Transmembrānas spiediens (TMP)Augstāks temperatūras spiediens (TMP) pastiprina polarizāciju, palielinot lokālo viskozitāti un samazinot plūsmu.
Šķērsplūsmas ātrumsPalielināts ātrums ierobežo uzkrāšanos, samazinot viskozitāti membrānas tuvumā.
Membrānas tīrīšanas biežumsBieža tīrīšana samazina ilgtermiņa uzkrāšanos un mazina viskozitātes izraisītu veiktspējas zudumu.

Ultrafiltrācijas koncentrācijas fāzēm ir jāoptimizē šie parametri, lai līdz minimumam samazinātu nelabvēlīgo viskozitātes ietekmi un uzturētu caurlaidspēju.

1.3. Olbaltumvielu šķīduma īpašības, kas ietekmē viskozitāti

Molekulmasaunkompozīcijagalvenokārt nosaka viskozitāti. Lielāki, sarežģītāki proteīni vai agregāti rada augstāku viskozitāti traucētās kustības un ievērojamāku starpmolekulāro spēku dēļ. Proteīnu forma vēl vairāk modulē plūsmu — iegarenas vai uz agregāciju tendētas ķēdes rada lielāku pretestību nekā kompakti globulāri proteīni.

pHkritiski ietekmē olbaltumvielu lādiņu un šķīdību. Šķīduma pH regulēšana tuvu olbaltumvielu izoelektriskajam punktam samazina neto lādiņu, samazina olbaltumvielu-olbaltumvielu atgrūšanos un īslaicīgi pazemina viskozitāti, atvieglojot filtrāciju. Piemēram, ultrafiltrācijas veikšana tuvu BSA vai IgG izoelektriskajam punktam var ievērojami uzlabot permeāta plūsmu un atdalīšanas selektivitāti.

Jonu stiprumsietekmē viskozitāti, mainot elektrisko dubultslāni ap olbaltumvielām. Palielināta jonu stiprība filtrē elektrostatiskās mijiedarbības, veicinot olbaltumvielu pārnešanu caur membrānām, bet arī palielinot agregācijas un atbilstošu viskozitātes pieaugumu risku. Kompromiss starp pārnešanas efektivitāti un selektivitāti bieži vien ir atkarīgs no sāls koncentrācijas un bufera sastāva precīzas regulēšanas.

Viskozitātes mazināšanai var izmantot mazmolekulāras piedevas, piemēram, arginīna hidrohlorīdu vai guanidīnu. Šie līdzekļi izjauc hidrofobos vai elektrostatiskos pievilkšanās spēkus, samazina agregāciju un uzlabo šķīduma plūsmas īpašības. Temperatūra darbojas kā papildu kontroles mainīgais; zemāka temperatūra palielina viskozitāti, savukārt papildu siltums to bieži samazina.

Olbaltumvielu šķīduma viskozitātes mērīšanā jāņem vērā:

Molekulmasas sadalījums
Šķīduma sastāvs (sāļi, palīgvielas, piedevas)
pH un bufersistēmas izvēle
Jonu stipruma iestatījums

Šie faktori ir kritiski svarīgi ultrafiltrācijas membrānas veiktspējas optimizēšanai un konsekvences nodrošināšanai visās koncentrācijas fāzēs un TFF procesos.

Ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrācijas pamati

Ultrafiltrācijas koncentrācijas fāzes principi

Ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrēšana darbojas, piemērojot transmembrānas spiedienu (TMP) pāri daļēji caurlaidīgai membrānai, virzot cauri šķīdinātāju un mazas izšķīdušās vielas, vienlaikus aizturot olbaltumvielas un lielākas molekulas. Process izmanto selektīvu permeāciju, kuras pamatā ir molekulu lielums, un membrānas molekulmasas robežvērtība (MWCO) nosaka maksimālo caurlaidīgo molekulu lielumu. Olbaltumvielas, kas pārsniedz MWCO, uzkrājas retentāta pusē, palielinot to koncentrāciju, permeāta izvadīšanas laikā.

Ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzes mērķis ir samazināt olbaltumvielu šķīduma tilpumu un bagātināt to. Filtrācijas gaitā olbaltumvielu šķīduma viskozitāte parasti palielinās, ietekmējot plūsmas un TMP prasības. Aizturētie proteīni var mijiedarboties viens ar otru un ar membrānu, padarot reālo procesu sarežģītāku nekā vienkārša izmēru izslēgšana. Elektrostatiskā mijiedarbība, olbaltumvielu agregācija un šķīduma īpašības, piemēram, pH un jonu stiprums, ietekmē aiztures un atdalīšanas rezultātus. Dažos gadījumos advektīvā transportēšana dominē pār difūziju, īpaši membrānās ar lielākām porām, sarežģot cerības, kas balstītas tikai uz MWCO izvēli [skatīt pētījuma kopsavilkumu].

Šķērsplūsmas filtrācijas (TFF) skaidrojums

Šķērsplūsmas filtrācija, ko sauc arī par tangenciālās plūsmas filtrāciju (TFF), olbaltumvielu šķīdumu virza tangenciāli pāri membrānas virsmai. Šī pieeja ir pretstatā filtrācijai bezkontakta režīmā, kur plūsma ir perpendikulāra membrānai, iespiežot daļiņas tieši filtrā un uz tā.

Galvenās atšķirības un ietekmes:

Piesārņojuma kontrole:TFF samazina olbaltumvielu un daļiņu slāņu uzkrāšanos, kas pazīstama kā kūkas veidošanās, nepārtraukti noslaukot potenciālos piesārņotājus no membrānas. Tas nodrošina stabilāku permeāta plūsmu un vieglāku apkopi.
Olbaltumvielu saglabāšana:TFF atbalsta labāku koncentrācijas polarizācijas pārvaldību — aizturētu molekulu slāni membrānas tuvumā —, kas, ja netiek kontrolēts, var samazināt atdalīšanas selektivitāti un palielināt piesārņojumu. Dinamiskā plūsma TFF mazina šo efektu, palīdzot uzturēt augstu olbaltumvielu aizturi un atdalīšanas efektivitāti.
Plūsmas stabilitāte:TFF nodrošina ilgākus darbības periodus ar nemainīgu plūsmu, palielinot efektivitāti procesos ar augstu olbaltumvielu vai daļiņām bagātu izejvielu saturu. Turpretī strupceļa filtrāciju ātri apgrūtina piesārņojums, samazinot caurlaidspēju un nepieciešama bieža tīrīšana.

Uzlaboti TFF varianti, piemēram, mainīga tangenciālā plūsma (ATF), vēl vairāk traucē piesārņojumu un kūku veidošanos, periodiski mainot vai apgriežot tangenciālos ātrumus, pagarinot filtra kalpošanas laiku un uzlabojot olbaltumvielu caurlaidību [skatīt pētījuma kopsavilkumu]. Gan klasiskajos, gan uzlabotajos TFF iestatījumos darbības iestatījumi, piemēram, TMP, šķērsplūsmas ātrums un tīrīšanas biežums, ir jāpielāgo konkrētajai olbaltumvielu sistēmai, membrānas tipam un mērķa koncentrācijai, lai optimizētu veiktspēju un samazinātu piesārņojumu.

Transmembrānas spiediens (TMP) ultrafiltrācijā

3.1. Kas ir transmembrānas spiediens?

Transmembrānas spiediens (TMP) ir spiediena starpība filtrācijas membrānā, virzot šķīdinātāju no padeves puses uz permeāta pusi. TMP ir galvenais spēks, kas ietekmē atdalīšanas procesu ultrafiltrācijā, ļaujot šķīdinātājam iziet cauri membrānai, vienlaikus saglabājot olbaltumvielas un citas makromolekulas.

TMP formula:

Vienkārša atšķirība: TMP = P_feed − P_permeate
Inženierijas metode: TMP = [(P_padeves + P_retentāta)/2] − P_permeāta
Šeit P_feed ir ieplūdes spiediens, P_retentate ir izejas spiediens retentāta pusē un P_permeate ir permeāta puses spiediens. Retentāta (vai koncentrāta) spiediena iekļaušana nodrošina precīzāku vērtību gar membrānas virsmu, ņemot vērā spiediena gradientus, ko izraisa plūsmas pretestība un piesārņojums.
Padeves spiediens un plūsmas ātrums
Retentāta spiediens (ja piemērojams)
Permeāta spiediens (bieži atmosfēras)
Membrānas pretestība
TMP atšķiras atkarībā no membrānas veida, sistēmas konstrukcijas un procesa apstākļiem.

Kontrolējošie mainīgie:

3.2. TMP un ultrafiltrācijas process

TMP ir būtiska loma ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrācijā, virzot olbaltumvielu šķīdumus caur membrānu. Spiedienam jābūt pietiekami augstam, lai pārvarētu membrānas un uzkrātā materiāla pretestību, bet ne tik augstam, lai tas paātrinātu piesārņojumu.

Šķīduma viskozitātes un olbaltumvielu koncentrācijas ietekme

Olbaltumvielu šķīdumu viskozitāte:Augstāka viskozitāte palielina plūsmas pretestību, tāpēc ir nepieciešams augstāks temperatūras mērīšanas ātrums (TMP), lai uzturētu tādu pašu permeāta plūsmu. Piemēram, glicerīna pievienošana padevei vai darbība ar koncentrētiem proteīniem palielina viskozitāti un līdz ar to nepieciešamo darbības temperatūras mērīšanas ātrumu (TMP).
Olbaltumvielu koncentrācija:Palielinoties koncentrācijai ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzē, palielinās šķīduma viskozitāte, palielinās TMP un palielinās membrānas piesārņojuma vai koncentrācijas polarizācijas risks.
Dārsija likums:TMP, permeāta plūsma (J) un viskozitāte (μ) ir saistīti ar TMP = J × μ × R_m (membrānas pretestība). Augstas viskozitātes olbaltumvielu šķīdumiem rūpīga TMP pielāgošana ir ļoti svarīga efektīvai ultrafiltrācijai.

Piemēri:

Blīvu antivielu šķīdumu ultrafiltrācijai nepieciešama rūpīga TMP pārvaldība, lai novērstu pieaugošo viskozitāti.
PEGilēšana vai citas olbaltumvielu modifikācijas maina mijiedarbību ar membrānu, ietekmējot TMP, kas nepieciešams vēlamajai plūsmai.

3.3. TMP uzraudzība un optimizācija

TMP uzturēšana noteiktās robežāsNormāls transmembrānas spiediena diapazonsir ļoti svarīga ultrafiltrācijas membrānas stabilai darbībai un produkta kvalitātei. Laika gaitā, ultrafiltrācijai progresējot, koncentrācijas polarizācija un piesārņojums var izraisīt TMP paaugstināšanos, dažreiz strauji.

Uzraudzības prakse:

Reāllaika uzraudzība:TMP tiek izsekots, izmantojot ieplūdi, retentātu un permeātuspiediena raidītāji.
Ramana spektroskopija:Izmanto neinvazīvai olbaltumvielu un palīgvielu koncentrāciju uzraudzībai, veicinot adaptīvu TMP kontroli ultrafiltrācijas un diafiltrācijas laikā.
Paplašināta vadība:Paplašinātie Kalmana filtri (EKF) var apstrādāt sensoru datus, automātiski pielāgojot TMP, lai izvairītos no pārmērīgas piesārņošanas.
Iestatiet sākotnējo TMP normas robežās:Ne pārāk zems, lai samazinātu plūsmu, un ne pārāk augsts, lai izvairītos no straujas piesārņošanas.
Pielāgojiet TMP, palielinoties viskozitātei:Ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzes laikā TMP pakāpeniski jāpaaugstina tikai pēc nepieciešamības.
Kontrolējiet barības plūsmu un pH līmeni:Barības plūsmas palielināšana vai TMP samazināšana mazina koncentrācijas polarizāciju un piesārņojumu.
Membrānas tīrīšana un nomaiņa:Augstāki TMP ir saistīti ar biežāku tīrīšanu un saīsinātu membrānas kalpošanas laiku.

Optimizācijas stratēģijas:

Piemēri:

Korozijas aplikums olbaltumvielu pārstrādes līnijās izraisa palielinātu termiskā spiediena (TMP) un samazinātu plūsmu, tāpēc normālas darbības atjaunošanai ir nepieciešama membrānas tīrīšana vai nomaiņa.
Enzimātiska pirmapstrāde (piemēram, pektināzes pievienošana) var samazināt TMP un pagarināt membrānas kalpošanas laiku augstas viskozitātes rapšu olbaltumvielu ultrafiltrācijas laikā.

3.4. TMP TFF sistēmās

Tangenciālā (šķērsvirziena) plūsmas filtrācija (TFF) darbojas, virzot padeves šķīdumu pāri membrānai, nevis tieši caur to, būtiski ietekmējot TMP dinamiku.

TMP regulēšana un līdzsvars

TFF transmembrānas spiediens (TFF TMP):Tiek pārvaldīts, kontrolējot gan padeves plūsmas ātrumu, gan sūkņa spiedienu, lai izvairītos no pārmērīga TMP, vienlaikus maksimāli palielinot permeāta plūsmu.
Optimizācijas parametri:Palielināta barības plūsma samazina olbaltumvielu lokālo nogulsnēšanos, stabilizē TMP un samazina membrānas piesārņojumu.
Skaitļošanas modelēšana:CFD modeļi prognozē un optimizē TFF TMP maksimālai produkta atgūšanai, tīrībai un ražībai, kas ir īpaši svarīgi tādiem procesiem kā mRNS vai ekstracelulāro vezikulu izolēšana.

Piemēri:

Bioapstrādē optimāla TFF TMP nodrošina >70% mRNS atgūšanu bez degradācijas, pārspējot ultracentrifugēšanas metodes.
Adaptīvā TMP vadība, kuras pamatā ir matemātiskie modeļi un sensoru atgriezeniskā saite, samazina membrānas nomaiņas biežumu un uzlabo membrānas kalpošanas laiku, mazinot piesārņojumu.

Galvenie secinājumi:

TMP transmembrānas spiediens TFF ir aktīvi jāpārvalda, lai uzturētu procesa efektivitāti, plūsmu un membrānas veselību.
Sistemātiska TMP optimizācija samazina ekspluatācijas izmaksas, atbalsta augstas tīrības pakāpes produktu atgūšanu un pagarina membrānas kalpošanas laiku olbaltumvielu ultrafiltrācijā un saistītajos procesos.

Augstas olbaltumvielu koncentrācijas uzraudzība un mērīšana

Piesārņošanās mehānismi un to saistība ar viskozitāti

Galvenie piesārņojuma ceļi olbaltumvielu ultrafiltrācijā

Olbaltumvielu ultrafiltrāciju ietekmē vairāki atšķirīgi piesārņojuma ceļi:

Korozijas aplikums:Rodas, kad uz membrānas virsmām uzkrājas korozijas produkti — parasti dzelzs oksīdi. Tie samazina plūsmu un tos ir grūti noņemt ar standarta ķīmiskajiem tīrīšanas līdzekļiem. Korozijas radītie piesārņojumi laika gaitā noved pie pastāvīga membrānas veiktspējas zuduma un palielina membrānas nomaiņas biežumu. Tās ietekme ir īpaši smaga PVDF un PES membrānām, ko izmanto ūdens attīrīšanā un olbaltumvielu ieguvē.

Organiskais piesārņojums:To galvenokārt izraisa olbaltumvielas, piemēram, liellopu seruma albumīns (BSA), un to var pastiprināt citu organisko vielu, piemēram, polisaharīdu (piemēram, nātrija algināta), klātbūtnē. Mehānismi ietver adsorbciju uz membrānas porām, poru aizsērēšanu un kūkas slāņa veidošanos. Sinerģiska iedarbība rodas, ja ir klāt vairākas organiskās sastāvdaļas, un jauktas piesārņošanas sistēmas piedzīvo nopietnāku piesārņojumu nekā barības, kas satur tikai vienu olbaltumvielu.

Koncentrācijas polarizācija:Ultrafiltrācijas gaitā saglabātie proteīni uzkrājas membrānas virsmas tuvumā, palielinot lokālo koncentrāciju un viskozitāti. Tas rada polarizācijas slāni, kas palielina piesārņojuma iespējamību un samazina plūsmu. Process paātrinās, ultrafiltrācijas koncentrācijas fāzei progresējot, un to tieši ietekmē transmembrānas spiediens un plūsmas dinamika.

Koloidālā un jauktā piesārņojuma apaugums:Koloidālās vielas (piemēram, silīcija dioksīds, neorganiskie minerāli) var mijiedarboties ar olbaltumvielām, radot sarežģītus agregātu slāņus, kas saasina membrānas piesārņojumu. Koloidālā silīcija dioksīda klātbūtne, piemēram, ievērojami samazina plūsmas ātrumu, īpaši, ja to kombinē ar organiskām vielām vai suboptimālos pH apstākļos.

Šķīduma viskozitātes ietekme uz piesārņojuma attīstību

Olbaltumvielu šķīdumu viskozitāte spēcīgi ietekmē piesārņojuma kinētiku un membrānas sablīvēšanos:

Paātrināta piesārņošana:Augstāka olbaltumvielu šķīduma viskozitāte palielina izturību pret aizturēto izšķīdušo vielu atpakaļtransportu, veicinot ātrāku kūkas slāņa veidošanos. Tas palielina transmembrānas spiedienu (TMP), paātrinot membrānas sablīvēšanos un aizsērēšanu.

Šķīduma sastāva ietekme:Olbaltumvielu tips maina viskozitāti; globulārie proteīni (piemēram, BSA) un pagarinātie proteīni uzvedas atšķirīgi attiecībā uz plūsmu un polarizāciju. Tādu savienojumu kā polisaharīdu vai glicerīna pievienošana ievērojami palielina viskozitāti, veicinot piesārņojumu. Piedevas un olbaltumvielu agregācija augstās koncentrācijās vēl vairāk pastiprina membrānu aizsērēšanas ātrumu, tieši samazinot gan plūsmu, gan membrānas kalpošanas laiku.

Darbības sekas:Augstāka viskozitāte prasa lielāku TMP (temperatūras palielināšanos), lai uzturētu filtrācijas ātrumu šķērsplūsmas filtrācijas procesos. Ilgstoša augsta TMP iedarbība veicina neatgriezenisku piesārņojumu, bieži vien radot nepieciešamību pēc biežākas membrānas tīrīšanas vai agrākas membrānas nomaiņas.

Barības īpašību loma

Barības īpašības, proti, olbaltumvielu īpašības un ūdens ķīmiskais sastāvs, nosaka piesārņojuma pakāpi:

Olbaltumvielu lielums un sadalījums:Lielākiem vai agregētiem proteīniem ir lielāka tendence izraisīt poru aizsprostošanos un kūkas uzkrāšanos, palielinot viskozitāti un sablīvēšanās tendences ultrafiltrācijas proteīnu koncentrēšanas laikā.

pH:Paaugstināts pH līmenis palielina elektrostatisko atgrūšanos, novēršot olbaltumvielu agregāciju membrānas tuvumā, tādējādi samazinot piesārņojumu. Turpretī skābā vide samazina atgrūšanos, īpaši koloidālajam silīcija dioksīdam, saasinot membrānas piesārņojumu un samazinot plūsmas ātrumu.

Temperatūra:Zemāka procesa temperatūra parasti samazina kinētisko enerģiju, kas var palēnināt piesārņojuma veidošanos, bet arī palielināt šķīduma viskozitāti. Augsta temperatūra paātrina piesārņojumu, bet var arī uzlabot tīrīšanas efektivitāti.

Koloidālā/neorganiskā viela:Koloidālā silīcija dioksīda vai metālu klātbūtne pastiprina piesārņojumu, īpaši skābā vidē. Silīcija dioksīda daļiņas palielina kopējo šķīduma viskozitāti un fiziski aizsprosto poras, padarot ultrafiltrācijas koncentrāciju mazāk efektīvu un samazinot membrānas kalpošanas laiku un veiktspēju.

Jonu sastāvs:Pievienojot noteiktas jonu sugas (Na⁺, Zn²⁺, K⁺), var samazināt piesārņojumu, mainot elektrostatiskos un hidratācijas spēkus starp olbaltumvielām un membrānām. Tomēr tādi joni kā Ca²⁺ bieži veicina agregāciju un palielina piesārņojuma potenciālu.

Piemēri:

Šķērsplūsmas filtrācijas laikā barības masa, kas bagāta ar augstas molekulmasas olbaltumvielām un paaugstinātu viskozitāti, piedzīvos strauju plūsmas samazināšanos, palielinot tīrīšanas un nomaiņas nepieciešamību.
Kad padeves ūdens satur koloidālo silīcija dioksīdu un tiek paskābināts, silīcija dioksīda agregācija un nogulsnēšanās pastiprinās, ievērojami palielinot piesārņojuma līmeni un samazinot membrānas veiktspēju.

Rezumējot, izpratne par šķīduma viskozitātes, piesārņojuma veidu un padeves īpašību mijiedarbību ir būtiska, lai optimizētu ultrafiltrācijas koncentrāciju, samazinātu membrānas piesārņojumu un palielinātu membrānas kalpošanas laiku.

Koncentrācijas polarizācija un tās pārvaldība

Kas ir koncentrācijas polarizācija?

Koncentrācijas polarizācija ir aizturēto šķīdinātāju, piemēram, olbaltumvielu, lokalizēta uzkrāšanās membrānas/šķīduma saskarnē ultrafiltrācijas laikā. Olbaltumvielu šķīdumu kontekstā, šķidrumam plūstot pret puscaurlaidīgo membrānu, membrānas atgrūdītie proteīni mēdz uzkrāties plānā robežslānī blakus virsmai. Šī uzkrāšanās rada stāvu koncentrācijas gradientu: augsta olbaltumvielu koncentrācija tieši pie membrānas, daudz zemāka kopējā šķīdumā. Šī parādība ir atgriezeniska un to regulē hidrodinamiskie spēki. Tā atšķiras no membrānas piesārņojuma, kas ietver pastāvīgāku nogulsnēšanos vai adsorbciju membrānas iekšpusē vai uz tās.

Kā koncentrācijas polarizācija saasina viskozitāti un piesārņojumu

Membrānas virsmā nepārtraukta olbaltumvielu uzkrāšanās veido robežslāni, kas palielina lokālo šķīdinātāju koncentrāciju. Tam ir divas būtiskas sekas:

Lokalizēta viskozitātes palielināšanās:Pieaugot olbaltumvielu koncentrācijai membrānas tuvumā, palielinās arī olbaltumvielu šķīduma viskozitāte šajā mikroreģionā. Paaugstināta viskozitāte kavē šķīdināmās vielas atpakaļtransportu prom no membrānas, vēl vairāk palielinot koncentrācijas gradientu un radot atgriezeniskās saites cilpu ar pieaugošu pretestību plūsmai. Tas samazina permeāta plūsmu un palielina enerģijas patēriņu turpmākai filtrēšanai.

Membrānas piesārņojuma veicināšana:Augsta olbaltumvielu koncentrācija membrānas tuvumā palielina olbaltumvielu agregācijas iespējamību un dažās sistēmās gēla slāņa veidošanās iespējamību. Šis slānis aizsprosto membrānas poras un vēl vairāk pastiprina plūsmas pretestību. Šādi apstākļi ir labvēlīgi neatgriezeniskas piesārņojuma veidošanās procesam, kur olbaltumvielu agregāti un piemaisījumi fiziski vai ķīmiski saistās ar membrānas matricu.

Eksperimentālā attēlveidošana (piemēram, elektronmikroskopija) apstiprina nanoizmēra olbaltumvielu kopu strauju aglomerāciju pie membrānas, kas var izaugt par ievērojamiem nogulumiem, ja darbības iestatījumi netiek atbilstoši pārvaldīti.

Stratēģijas koncentrācijas polarizācijas samazināšanai

Koncentrācijas polarizācijas pārvaldībai ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrācijā vai šķērsvirziena plūsmas filtrācijā nepieciešama divējāda pieeja: hidrodinamikas pielāgošana un darbības parametru regulēšana.

Šķērsplūsmas ātruma optimizācija:
Palielinot šķērsplūsmas ātrumu, palielinās tangenciālā plūsma pāri membrānai, veicinot bīdi un samazinot koncentrācijas robežslāni. Enerģiskāka bīde aizslauka uzkrātos proteīnus no membrānas virsmas, samazinot gan polarizāciju, gan piesārņojuma risku. Piemēram, statisko maisītāju izmantošana vai gāzes iesmidzināšana izjauc šķīdinātāja slāni, ievērojami uzlabojot permeāta plūsmu un efektivitāti šķērsplūsmas filtrācijas procesā.

Darbības parametru modificēšana:

Transmembrānas spiediens (TMP):TMP ir spiediena starpība pāri membrānai un ultrafiltrācijas virzītājspēks. Tomēr TMP palielināšana, lai paātrinātu filtrāciju, var izraisīt pretēju efektu, pastiprinot koncentrācijas polarizāciju. Normālā transmembrānas spiediena diapazona ievērošana — nepārsniedzot olbaltumvielu ultrafiltrācijai noteiktos ierobežojumus — palīdz novērst pārmērīgu izšķīdušo vielu uzkrāšanos un ar to saistīto lokālās viskozitātes palielināšanos.

Bīdes ātrums:Bīdes ātrumam, kas ir atkarīgs no šķērsplūsmas ātruma un kanāla konstrukcijas, ir būtiska loma šķīdinātāju transporta dinamikā. Augsta bīdes jauda uztur polarizācijas slāni plānu un kustīgu, ļaujot bieži atjaunot šķīdinātāju noplicināto apgabalu membrānas tuvumā. Bīdes ātruma palielināšana samazina olbaltumvielu uzkrāšanās laiku un samazina viskozitātes pieaugumu saskarnē.

Barības īpašības:Ienākošā proteīna šķīduma īpašību pielāgošana, piemēram, proteīna šķīduma viskozitātes samazināšana, agregātu satura samazināšana vai pH un jonu stipruma kontrole, var palīdzēt samazināt koncentrācijas polarizācijas apmēru un ietekmi. Barības pirmapstrāde un formulas izmaiņas var uzlabot ultrafiltrācijas membrānas veiktspēju un pagarināt membrānas kalpošanas laiku, samazinot membrānas tīrīšanas biežumu.

Lietojuma piemērs:
Rūpnīca, kas izmanto tangenciālās plūsmas filtrāciju (TFF) monoklonālo antivielu koncentrēšanai, piemēro rūpīgi optimizētus šķērsplūsmas ātrumus un uztur TMP stingrā diapazonā. Tādējādi operatori samazina koncentrācijas polarizāciju un membrānas piesārņojumu, samazinot gan membrānas nomaiņas biežumu, gan tīrīšanas ciklus, tādējādi tieši samazinot ekspluatācijas izmaksas un uzlabojot produkta ražu.

Šo mainīgo lielumu atbilstoša pielāgošana un uzraudzība, tostarp olbaltumvielu šķīduma viskozitātes mērīšana reāllaikā, ir būtiska, lai optimizētu ultrafiltrācijas koncentrācijas veiktspēju un mazinātu ar koncentrācijas polarizāciju saistītās negatīvās sekas olbaltumvielu apstrādē.

Ultrafiltrācijas optimizēšana augstas viskozitātes olbaltumvielu šķīdumiem

6.1. Darbības labākā prakse

Lai uzturētu optimālu ultrafiltrācijas veiktspēju ar augstas viskozitātes olbaltumvielu šķīdumiem, ir nepieciešams delikāts līdzsvars starp transmembrānas spiedienu (TMP), olbaltumvielu koncentrāciju un šķīduma viskozitāti. TMP — spiediena starpība pāri membrānai — tieši ietekmē ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrācijas ātrumu un membrānas piesārņojuma pakāpi. Apstrādājot viskozus šķīdumus, piemēram, monoklonālās antivielas vai augstas koncentrācijas seruma proteīnus, jebkurš pārmērīgs TMP pieaugums sākotnēji var palielināt plūsmu, taču tas arī strauji paātrina piesārņojumu un olbaltumvielu uzkrāšanos membrānas virsmā. Tas noved pie kompromitēta un nestabila filtrācijas procesa, ko apstiprina attēlveidošanas pētījumi, kas parāda blīvu olbaltumvielu slāņu veidošanos pie paaugstināta TMP un olbaltumvielu koncentrācijas virs 200 mg/ml.

Optimālā pieeja ietver sistēmas darbināšanu kritiskā temperatūras posma (TMP) tuvumā, bet nepārsniedzot to. Šajā brīdī produktivitāte ir maksimāla, bet neatgriezeniskas piesārņojuma risks joprojām ir minimāls. Ļoti augstas viskozitātes gadījumā jaunākie atklājumi liecina par TMP samazināšanu un vienlaicīgu padeves plūsmas palielināšanu (šķērsvirziena plūsmas filtrācija), lai palīdzētu mazināt koncentrācijas polarizāciju un olbaltumvielu nogulsnēšanos. Piemēram, pētījumi par Fc-saplūšanas olbaltumvielu koncentrāciju liecina, ka zemāki TMP iestatījumi palīdz uzturēt stabilu plūsmu, vienlaikus samazinot produkta zudumus.

Pakāpeniska un metodiska olbaltumvielu koncentrācijas palielināšana ultrafiltrācijas laikā ir ļoti svarīga. Pēkšņas koncentrēšanas pakāpes var pārāk ātri piespiest šķīdumu nonākt augstas viskozitātes režīmā, palielinot gan agregācijas risku, gan piesārņojuma pakāpi. Tā vietā pakāpeniska olbaltumvielu līmeņa palielināšana ļauj paralēli pielāgot tādus procesa parametrus kā TMP, šķērsplūsmas ātrums un pH, palīdzot uzturēt sistēmas stabilitāti. Enzīmu ultrafiltrācijas gadījumu pētījumi apstiprina, ka zemāka darba spiediena uzturēšana šo fāžu laikā nodrošina kontrolētu koncentrācijas pieaugumu, samazinot plūsmas samazināšanos un vienlaikus aizsargājot produkta integritāti.

6.2. Membrānas nomaiņas biežums un apkope

Membrānas nomaiņas biežums ultrafiltrācijā ir cieši saistīts ar piesārņojuma un plūsmas samazināšanās rādītājiem. Tā vietā, lai paļautos tikai uz relatīvo plūsmas samazināšanos kā ekspluatācijas laika beigu indikatoru, ir izrādījusies uzticamāka īpatnējās piesārņojuma pretestības uzraudzība — kvantitatīvs rādītājs, kas atspoguļo uzkrātā materiāla radīto pretestību —, īpaši jauktu olbaltumvielu vai olbaltumvielu-polisaharīdu barības maisījumos, kur piesārņojums var notikt ātrāk un nopietnāk.

Svarīgi ir arī uzraudzīt papildu piesārņojuma indikatorus. Redzamas virsmas nogulsnēšanās pazīmes, nevienmērīga permeāta plūsma vai pastāvīgs TMP pieaugums (neskatoties uz tīrīšanu) ir brīdinājuma signāli par progresējošu piesārņojumu, kas notiek pirms membrānas atteices. Tādas metodes kā modificētā piesārņojuma indeksa (MFI-UF) izsekošana un tā korelēšana ar membrānas veiktspēju ļauj paredzēt nomaiņas plānošanu, nevis reaģēt uz izmaiņām, tādējādi samazinot dīkstāves laiku un kontrolējot uzturēšanas izmaksas.

Membrānas integritāti apdraud ne tikai organisko piesārņotāju uzkrāšanās, bet arī korozija, īpaši procesos, kas notiek ekstremālā pH līmenī vai ar augstu sāls koncentrāciju. Lai pārvaldītu gan koroziju, gan piesārņotāju nogulsnēšanos, jāievieš regulāras pārbaudes un ķīmiskās tīrīšanas procedūras. Ja tiek novērota ar koroziju saistīta piesārņošana, membrānu tīrīšanas biežums un nomaiņas intervāli ir jāpielāgo, lai nodrošinātu ilgstošu membrānas kalpošanas laiku un nemainīgu ultrafiltrācijas membrānas veiktspēju. Rūpīga, plānota apkope ir būtiska, lai mazinātu šo problēmu ietekmi un paildzinātu efektīvu darbību.

6.3. Procesa kontrole un viskozitātes mērīšana līnijā

Precīza proteīna šķīduma viskozitātes mērīšana reāllaikā ir būtiska ultrafiltrācijas procesa kontrolei, jo īpaši palielinoties koncentrācijām un viskozitātei. Iebūvētās viskozitātes mērīšanas sistēmas nodrošina nepārtrauktu uzraudzību, ļaujot saņemt tūlītēju atgriezenisko saiti un dinamiski pielāgot sistēmas parametrus.

Jaunās tehnoloģijas ir pārveidojušas olbaltumvielu šķīdumu viskozitātes mērīšanas ainavu:

Ramana spektroskopija ar Kalmana filtrēšanuReāllaika Ramana analīze, ko atbalsta paplašinātie Kalmana filtri, nodrošina stabilu olbaltumvielu koncentrācijas un bufera sastāva izsekošanu. Šī pieeja palielina jutību un precizitāti, atbalstot ultrafiltrācijas koncentrēšanas un diafiltrācijas procesu automatizāciju.

Automatizēta kinemātiskā kapilārā viskozimetrijaIzmantojot datorredzi, šī tehnoloģija automātiski mēra šķīduma viskozitāti, novēršot manuālas kļūdas un piedāvājot atkārtojamu, multipleksētu uzraudzību vairākās procesa plūsmās. Tā ir apstiprināta gan standarta, gan sarežģītām olbaltumvielu formulām un samazina iejaukšanos ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzē.

Mikrofluidiskās reoloģijas ierīcesMikrofluidikas sistēmas nodrošina detalizētus, nepārtrauktus reoloģiskos profilus pat neņūtoniskiem, augstas viskozitātes olbaltumvielu šķīdumiem. Tās ir īpaši vērtīgas farmaceitiskajā ražošanā, atbalstot procesu analīzes tehnoloģiju (PAT) stratēģijas un integrāciju ar atgriezeniskās saites cilpām.

Procesa vadība, izmantojot šos rīkus, ļauj ieviest atgriezeniskās saites cilpas TMP, padeves ātruma vai šķērsplūsmas ātruma regulēšanai reāllaikā, reaģējot uz viskozitātes izmaiņām. Piemēram, ja iekšējā sensoru sistēma konstatē pēkšņu viskozitātes pieaugumu (koncentrācijas palielināšanās vai agregācijas dēļ), TMP var automātiski samazināt vai šķērsplūsmas ātrumu palielināt, lai ierobežotu koncentrācijas polarizācijas sākšanos ultrafiltrācijā. Šī pieeja ne tikai pagarina membrānas kalpošanas laiku, bet arī nodrošina nemainīgu produkta kvalitāti, dinamiski pārvaldot faktorus, kas ietekmē olbaltumvielu šķīdumu viskozitāti.

Vispiemērotākās viskozitātes uzraudzības tehnoloģijas izvēle ir atkarīga no ultrafiltrācijas pielietojuma īpašajām prasībām, tostarp paredzamā viskozitātes diapazona, olbaltumvielu formulēšanas sarežģītības, integrācijas vajadzībām un izmaksām. Šie reāllaika uzraudzības un dinamiskās procesa vadības sasniegumi ir ievērojami uzlabojuši spēju optimizēt ultrafiltrāciju augstas viskozitātes olbaltumvielu šķīdumiem, nodrošinot gan darbības stabilitāti, gan augstu produkta ražu.

Problēmu novēršana un bieži sastopamās problēmas olbaltumvielu ultrafiltrācijā

7.1. Simptomi, cēloņi un līdzekļi

Paaugstināts transmembrānas spiediens

Transmembrānas spiediena (SMP) paaugstināšanās ultrafiltrācijas laikā norāda uz pieaugošu pretestību visā membrānā. Transmembrānas spiediena ietekme uz ultrafiltrāciju ir tieša: normālais transmembrānas spiediena diapazons parasti ir atkarīgs no procesa, bet ilgstošs paaugstinājums ir pelnījis izmeklēšanu. Izceļas divi izplatīti cēloņi:

Augstāka olbaltumvielu šķīduma viskozitāte:Palielinoties olbaltumvielu šķīdumu viskozitātei — parasti pie augstas ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrācijas —, palielinās plūsmai nepieciešamais spiediens. Tas ir izteikti izteikti galīgās koncentrācijas un diafiltrācijas posmos, kur šķīdumi ir viskozākie.
Membrānas piesārņojums:Piesārņotāji, piemēram, olbaltumvielu agregāti vai polisaharīdu un olbaltumvielu maisījumi, var pielipt pie membrānas porām vai bloķēt tās, kā rezultātā strauji palielinās TMP.

Līdzekļi:

Samaziniet TMP un palieliniet barības plūsmuTMP samazināšana, vienlaikus palielinot padeves ātrumu, mazina koncentrācijas polarizāciju un gēla slāņa veidošanos, veicinot stabilu plūsmu.
Regulāra membrānas tīrīšanaNosakiet optimālu membrānas tīrīšanas biežumu, lai noņemtu uzkrātos piesārņotājus. Pēc tīrīšanas uzraugiet efektivitāti, mērot proteīna šķīduma viskozitāti.
Nomainiet novecojušās membrānasJa tīrīšana nav pietiekama vai membrānas kalpošanas laiks ir beidzies, var būt nepieciešams nomainīt membrānu biežāk.

Samazinoša plūsmas ātruma diagnostika: diagnostikas koks

Pastāvīga plūsmas samazināšanās ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzē liecina par bažām par produktivitāti. Jāievēro šāda diagnostikas pieeja:

TMP un viskozitātes uzraudzība:Ja abi ir palielinājušies, pārbaudiet, vai nav piesārņojuma vai želejas slāņa.
Pārbaudiet barības sastāvu un pH līmeni:Šeit notikušās nobīdes var mainīt olbaltumvielu šķīdumu viskozitāti un veicināt piesārņojumu.
Novērtējiet membrānas veiktspēju:Permeāta plūsmas samazināšanās, neskatoties uz tīrīšanu, norāda uz iespējamu membrānas bojājumu vai neatgriezenisku piesārņojumu.

Risinājumi:

Optimizējiet temperatūru, pH līmeni un jonu stiprumu barības vielā, lai mazinātu piesārņojumu un koncentrācijas polarizāciju ultrafiltrācijas laikā.
Izmantojiet virsmas modificētus vai rotējošus membrānas moduļus, lai izjauktu gēla slāņus un atjaunotu plūsmu.
Veiciet regulārus olbaltumvielu šķīduma viskozitātes mērījumus, lai paredzētu izmaiņas, kas ietekmē plūsmu.

Ātra aplipšana vai želejveida slāņa veidošanās

Ātra gēla slāņa veidošanās rodas pārmērīgas koncentrācijas polarizācijas dēļ uz membrānas virsmas. Šķērsvirziena plūsmas filtrācijas (TFF) transmembrānas spiediens ir īpaši jutīgs augstas viskozitātes vai augsta olbaltumvielu satura padeves apstākļos.

Mazināšanas stratēģijas:

Uzklājiet hidrofilas, negatīvi lādētas membrānas virsmas (piemēram, polivinilidēnfluorīda [PVDF] membrānas), lai samazinātu olbaltumvielu saistīšanos un pielipšanu.
Pirms ultrafiltrācijas apstrādāt barību, izmantojot koagulāciju vai elektrokoagulāciju, lai noņemtu vielas ar augstu piesārņojuma līmeni.
Integrējiet mehāniskas ierīces, piemēram, rotējošus moduļus, šķērsvirziena plūsmas filtrācijas procesā, lai samazinātu kūkas slāņa biezumu un aizkavētu želejas slāņa veidošanos.

7.2. Pielāgošanās barības mainīgumam

Olbaltumvielu ultrafiltrācijas sistēmām ir jāpielāgojas barības olbaltumvielu īpašību vai sastāva mainībai. Faktori, kas ietekmē olbaltumvielu šķīdumu viskozitāti, piemēram, bufera sastāvs, olbaltumvielu koncentrācija un agregācijas tieksme, var mainīt sistēmas darbību.

Atbildes stratēģijas

Viskozitātes un sastāva monitorings reāllaikā:Izvietojiet iebūvētus analītiskos sensorus (Ramana spektroskopija + Kalmana filtrēšana), lai ātri noteiktu padeves izmaiņas, pārspējot mantotās UV vai IR metodes.
Adaptīvā procesa vadība:Pielāgot parametru iestatījumus (plūsmas ātrums, TMP, membrānas izvēle), reaģējot uz konstatētajām izmaiņām. Piemēram, palielināta olbaltumvielu šķīduma viskozitāte var prasīt zemāku TMP un lielu bīdes ātrumu.
Membrānas izvēle:Izmantojiet membrānas ar poru izmēru un virsmas ķīmiju, kas ir optimizēta pašreizējām padeves īpašībām, līdzsvarojot olbaltumvielu aizturi un plūsmu.
Barības pirmapstrāde:Ja pēkšņas barības īpašību izmaiņas veicina piesārņojumu, pirms ultrafiltrācijas jāievieš koagulācijas vai filtrācijas darbības.

Piemēri:

Bioapstrādē bufera slēdžiem vai antivielu agregātu izmaiņām vajadzētu aktivizēt TMP un plūsmas regulēšanu, izmantojot vadības sistēmu.
Ar hromatogrāfiju saistītai ultrafiltrācijai adaptīvie sajaukšanas optimizācijas algoritmi var samazināt mainīgumu un samazināt ekspluatācijas izmaksas, vienlaikus saglabājot ultrafiltrācijas membrānas veiktspēju.

Regulāra olbaltumvielu šķīduma viskozitātes mērījumu izsekošana un tūlītēja pielāgošana procesa apstākļiem palīdz optimizēt ultrafiltrācijas koncentrāciju, uzturēt caurlaidspēju un samazināt membrānas piesārņojumu un koncentrācijas polarizāciju.

Bieži uzdotie jautājumi

8.1. Kāds ir transmembrānas spiediena normālais diapazons olbaltumvielu šķīdumu ultrafiltrācijā?

Normālais transmembrānas spiediena (TMP) diapazons ultrafiltrācijas olbaltumvielu koncentrācijas sistēmās ir atkarīgs no membrānas veida, moduļa konstrukcijas un padeves īpašībām. Vairumā olbaltumvielu ultrafiltrācijas procesu TMP parasti tiek uzturēts no 1 līdz 3 bāriem (15–45 psi). TMP vērtības virs 0,2 MPa (aptuveni 29 psi) var radīt membrānas bojājumu, ātras piesārņošanas un saīsināta membrānas kalpošanas laika risku. Biomedicīnas un bioapstrādes lietojumprogrammās ieteicamais TMP parasti nedrīkst pārsniegt 0,8 bārus (~12 psi), lai izvairītos no membrānas plīsuma. Tādos procesos kā šķērsplūsmas filtrācija, ievērojot šo TMP diapazonu, tiek nodrošināta gan raža, gan olbaltumvielu integritāte.

8.2. Kā olbaltumvielu šķīdumu viskozitāte ietekmē ultrafiltrācijas veiktspēju?

Olbaltumvielu šķīduma viskozitāte tieši ietekmē ultrafiltrācijas koncentrēšanas veiktspēju. Augsta viskozitāte palielina plūsmas pretestību un paaugstina TMP, kā rezultātā samazinās permeāta plūsma un notiek strauja membrānas piesārņošanās. Šis efekts ir izteikts ar monoklonālām antivielām vai Fc-saplūšanas proteīniem augstā koncentrācijā, kur viskozitāte palielinās olbaltumvielu-olbaltumvielu mijiedarbības un lādiņa efektu dēļ. Viskozitātes pārvaldība un optimizēšana ar palīgvielām vai fermentatīvu apstrādi uzlabo plūsmu, samazina piesārņojumu un ļauj sasniegt augstākas koncentrācijas ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzē. Olbaltumvielu šķīduma viskozitātes mērījumu uzraudzība ir ļoti svarīga efektīvas apstrādes uzturēšanai.

8.3. Kas ir koncentrācijas polarizācija un kāpēc tā ir svarīga transfēriskajā frekvenču spektrā (TFF)?

Koncentrācijas polarizācija ultrafiltrācijā ir olbaltumvielu uzkrāšanās membrānas virsmā, izraisot gradientu starp kopējo šķīdumu un membrānas saskarni. Šķērsplūsmas filtrācijā tas noved pie palielinātas lokālās viskozitātes un potenciāli atgriezeniskas plūsmas samazināšanās. Ja to nekontrolē, tas var veicināt membrānas piesārņojumu un samazināt sistēmas efektivitāti. Koncentrācijas polarizācijas novēršana ultrafiltrācijā ietver šķērsplūsmas ātruma, temperatūras mērīšanas punkta (TMP) un membrānas izvēles optimizēšanu, lai saglabātu plānu polarizācijas slāni. Precīza kontrole uztur augstu caurlaidspēju un zemu piesārņojuma risku.

8.4. Kā es varu izlemt, kad nomainīt ultrafiltrācijas membrānu?

Nomainiet ultrafiltrācijas membrānu, ja novērojat ievērojamu caurlaidības (plūsmas) samazināšanos, pastāvīgu TMP palielināšanos, ko standarta tīrīšana nevar novērst, vai redzamu piesārņojumu, kas saglabājas pēc tīrīšanas. Papildu indikatori ietver selektivitātes zudumu (nespēja atgrūst mērķa proteīnus, kā paredzēts) un nespēju sasniegt veiktspējas specifikācijas. Membrānas nomaiņas biežuma uzraudzība, regulāri pārbaudot plūsmu un selektivitātes testus, ir pamats membrānas kalpošanas laika maksimizēšanai olbaltumvielu šķīduma ultrafiltrācijas koncentrēšanas procesos.

8.5. Kādus darbības parametrus es varu pielāgot, lai samazinātu olbaltumvielu piesārņojumu TFF?

Galvenie darbības parametri, lai samazinātu olbaltumvielu piesārņojumu šķērsplūsmas filtrācijā, ir šādi:

Uzturēt atbilstošu šķērsplūsmas ātrumu, lai samazinātu lokālo olbaltumvielu uzkrāšanos un pārvaldītu koncentrācijas polarizāciju.
Lai novērstu pārmērīgu produkta noplūdi un membrānas bojājumus, darbojieties ieteicamajā TMP diapazonā, parasti 3–5 psi (0,2–0,35 bar).
Lai ierobežotu neatgriezenisku piesārņojumu, regulāri veiciet membrānu tīrīšanas procedūras.
Uzraugiet un, ja nepieciešams, iepriekš apstrādājiet barības šķīdumu, lai kontrolētu viskozitāti (piemēram, izmantojot fermentatīvu apstrādi, piemēram, pektināzi).
Izvēlieties membrānas materiālus un poru izmērus (MWCO), kas piemēroti mērķa olbaltumvielu izmēram un procesa mērķiem.

Hidrociklona priekšfiltrācijas vai fermentatīvas priekšapstrādes integrēšana var uzlabot sistēmas veiktspēju, īpaši augstas viskozitātes izejvielām. Precīzi izsekojiet izejvielu sastāvam un dinamiski pielāgojiet iestatījumus, lai samazinātu membrānas piesārņojumu un optimizētu ultrafiltrācijas koncentrēšanas fāzi.