Контролирањето на вискозитетот на протеинските раствори е од витално значење за оптимизирање на процесите на ултрафилтрациска концентрација во биофармацевтското производство. Зголемениот вискозитет во протеинските раствори - особено при високи концентрации на протеини - директно влијае на перформансите на мембраната, ефикасноста на процесот и економичноста во апликациите за ултрафилтрациска концентрација на протеини. Вискозитетот на растворот се зголемува со содржината на протеини поради групирање на антитела и електростатски интеракции, кои го зголемуваат отпорот на проток и падот на притисокот низ ултрафилтрациската мембрана. Ова резултира со помали флуксови на пермеат и подолго време на работа, особено во процесите на трансверзална филтрација (TFF).
Трансмембранскиот притисок (TMP), движечката сила зад ултрафилтрацијата, е тесно поврзан со вискозитетот. Работата надвор од нормалниот опсег на трансмембрански притисок го забрзува замаглувањето на мембраната и ја влошува концентрационата поларизација - натрупување на протеини во близина на мембраната што постојано го зголемува локалниот вискозитет. И концентрационата поларизација и мембранското замаглување резултираат со намалени перформанси на ултрафилтрационата мембрана и можат да го скратат животниот век на мембраната доколку не се контролираат. Експерименталната работа покажува дека замаглувањето на мембраната и концентрационата поларизација при ултрафилтрација се поизразени при повисоки вредности на TMP и со повискозни доводи, што ја прави контролата на TMP во реално време неопходна за максимизирање на протокот и минимизирање на фреквенцијата на чистење.
Оптимизирањето на ултрафилтрациската концентрација бара интегрирани стратегии:
- Мерење на вискозитетот на протеинскиот растворРедовни проценки на вискозитетот - користејќивискозиметри во линија—помага во предвидување на стапките на филтрација и предвидување на тесните грла во процесот, поддржувајќи брзи модификации на процесот.
- Кондиционирање на хранаПрилагодувањето на pH вредноста, јонската јачина и температурата може да ја намали вискозноста и да го намали загадувањето. На пример, додавањето на натриумови јони го подобрува отпорот на хидратација помеѓу протеините, ублажувајќи ја агрегацијата и загадувањето, додека калциумовите јони имаат тенденција да го поттикнуваат поврзувањето и загадувањето на протеините.
- Употреба на ексципиенсиВклучувањето на ексципиенси што го намалуваат вискозитетот во високо концентрирани протеински раствори ја подобрува пропустливоста на мембраната и го намалува трансмембранскиот притисок при ултрафилтрација, зголемувајќи ја целокупната ефикасност.
- Напредни режими на протокЗголемувањето на брзината на вкрстен проток, употребата на наизменичен вкрстен проток или употребата на вбризгување со воздушен млаз ги нарушува слоевите на загадување. Овие техники помагаат да се одржи протокот на пропустливост и да се намали фреквенцијата на замена на мембраната со минимизирање на формирањето на наслаги.
- Избор на мембрана и чистењеИзборот на хемиски отпорни мембрани (на пр., SiC или термосалиентни хибриди) и оптимизирањето на фреквенцијата на чистење на мембраните со соодветни протоколи (на пр., чистење со натриум хипохлорит) се клучни за продолжување на животниот век на мембраната и намалување на оперативните трошоци.
Генерално, ефикасната контрола на вискозитетот и управувањето со TMP се камен-темелник на успешното работење на ултрафилтрациската фаза на концентрација, директно влијаејќи на приносот на производот, фреквенцијата на чистење на мембраната и долговечноста на скапите мембрански средства.
Разбирање на вискозноста на протеинскиот раствор при ултрафилтрација
1.1. Колкава е вискозноста на протеинските раствори?
Вискозитетот го опишува отпорот на течноста кон проток; кај протеинските раствори, тој означува колку молекуларно триење го попречува движењето. SI единицата за вискозитет е Паскал-секунда (Pa·s), но центипоаз (cP) најчесто се користи за биолошки течности. Вискозитетот директно влијае на тоа колку лесно протеинските раствори можат да се пумпаат или филтрираат за време на производството и влијае на испораката на лекови, особено за биотерапевтски средства со висока концентрација.
Концентрацијата на протеини е доминантен фактор што влијае на вискозитетот. Како што се зголемуваат нивоата на протеини, се зголемуваат меѓумолекуларните интеракции и натрупувањето, што предизвикува зголемување на вискозитетот, честопати нелинеарно. Над одреден праг, интеракциите протеин-протеин дополнително ја потиснуваат дифузијата во растворот. На пример, концентрираните раствори на моноклонални антитела што се користат во фармацевтските производи често достигнуваат нивоа на вискозитет што го предизвикуваат поткожното инјектирање или ги ограничуваат стапките на обработка.
Моделите што го предвидуваат вискозитетот во концентрирани протеински раствори сега вклучуваат молекуларна геометрија и тенденции за агрегација. Морфологијата на протеините - без разлика дали е издолжена, глобуларна или склона кон агрегација - значително влијае на вискозитетот при високи концентрации. Неодамнешните достигнувања во микрофлуидната проценка овозможуваат прецизно мерење на вискозитетот од минимални волумени на примероци, олеснувајќи го брзото скрининг на нови протеински формулации.
1.2. Како се менува вискозитетот за време на ултрафилтрација
За време на ултрафилтрацијата, поларизацијата на концентрацијата брзо акумулира протеини на интерфејсот мембрана-раствор. Ова создава стрмни локални градиенти на концентрација и го зголемува вискозитетот во близина на мембраната. Зголемениот вискозитет во овој регион го попречува преносот на маса и го намалува протокот на пермеат.
Концентрационата поларизација е различна од мембранското загадување. Поларизацијата е динамична и реверзибилна, се јавува во рок од неколку минути како што напредува филтрацијата. За споредба, загадувањето се развива со текот на времето и често вклучува неповратно таложење или хемиска трансформација на површината на мембраната. Точната дијагностика овозможува следење во реално време на слојот на концентрациона поларизација, откривајќи ја неговата чувствителност на брзината на вкрстен проток и трансмембранскиот притисок. На пример, зголемувањето на брзината или намалувањето на трансмембранскиот притисок (TMP) помага во нарушувањето на вискозниот граничен слој, обновувајќи го флуксот.
Оперативните параметри директно влијаат на однесувањето на вискозитетот:
- Трансмембрански притисок (TMP)Повисоката TMP ја интензивира поларизацијата, зголемувајќи ја локалната вискозност и намалувајќи го флуксот.
- Брзина на вкрстен протокЗголемената брзина ја ограничува акумулацијата, ублажувајќи ја вискозноста во близина на мембраната.
- Фреквенција на чистење на мембранатаЧестото чистење го намалува долготрајното таложење и го ублажува губењето на перформансите предизвикано од вискозитет.
Фазите на ултрафилтрациска концентрација мора да ги оптимизираат овие параметри за да ги минимизираат негативните ефекти на вискозитетот и да го одржат протокот.
1.3. Својства на протеинскиот раствор што влијаат на вискозитетот
Молекуларна тежинаикомпозицијаглавно го одредуваат вискозитетот. Поголемите, посложени протеини или агрегати даваат поголем вискозитет поради отежнато движење и позначајни меѓумолекуларни сили. Обликот на протеините дополнително го модулира протокот - издолжените или склоните кон агрегација синџири предизвикуваат поголем отпор од компактните глобуларни протеини.
pHкритично влијае на полнежот и растворливоста на протеините. Прилагодувањето на pH вредноста на растворот во близина на изоелектричната точка на протеинот го минимизира нето полнежот, ја намалува одбивноста протеин-протеин и привремено го намалува вискозитетот, олеснувајќи ја филтрацијата. На пример, работењето со ултрафилтрација во близина на изоелектричната точка на BSA или IgG може значително да го зголеми флуксот на пермеат и селективноста на сепарацијата.
Јонска јачинавлијае на вискозитетот со менување на електричниот двоен слој околу протеините. Зголемената јонска јачина ги контролира електростатските интеракции, промовирајќи го преносот на протеините низ мембраните, но исто така го зголемува ризикот од агрегација и соодветни скокови на вискозитетот. Компромисот помеѓу ефикасноста на преносот и селективноста често зависи од финото подесување на концентрациите на сол и составот на пуферот.
Мали молекуларни адитиви - како што се аргинин хидрохлорид или гванидин - може да се користат за ублажување на вискозитетот. Овие агенси ги нарушуваат хидрофобните или електростатските привлечности, ја намалуваат агрегацијата и ги подобруваат својствата на протокот на растворот. Температурата делува како дополнителна контролна променлива; пониските температури го зголемуваат вискозитетот, додека дополнителната топлина често го намалува.
Мерењето на вискозитетот на протеинскиот раствор треба да земе предвид:
- Распределба на молекуларна тежина
- Состав на растворот (соли, ексципиенси, адитиви)
- Избор на pH и пуферски систем
- Поставување на јонска јачина
Овие фактори се критични за оптимизирање на перформансите на ултрафилтрациската мембрана и обезбедување конзистентност низ фазите на концентрација и TFF процесите.
Основи на ултрафилтрациска концентрација на протеини
Принципи на ултрафилтрациска фаза на концентрација
Концентрацијата на ултрафилтрациски протеини функционира со примена на трансмембрански притисок (TMP) низ полупропустлива мембрана, при што растворувачот и малите растворени супстанции се движат низ нив, додека протеините и поголемите молекули се задржуваат. Процесот ја користи селективната пенетрација врз основа на големината на молекулите, при што граничната вредност на молекуларната тежина на мембраната (MWCO) ја дефинира максималната големина на молекулите што минуваат. Протеините што ја надминуваат MWCO се акумулираат на страната на ретентатот, зголемувајќи ја нивната концентрација како што се повлекува пермеатот.
Фазата на ултрафилтрациска концентрација е насочена кон намалување на волуменот и збогатување на протеинскиот раствор. Како што напредува филтрацијата, вискозитетот на протеинскиот раствор обично се зголемува, што влијае на барањата за флукс и TMP. Задржаните протеини можат да комуницираат едни со други и со мембраната, што го прави процесот во реалниот свет посложен од едноставното исклучување на големината. Електростатските интеракции, агрегацијата на протеините и карактеристиките на растворот, како што се pH вредноста и јонската јачина, влијаат на резултатите од задржувањето и сепарацијата. Во некои случаи, адвективниот транспорт доминира над дифузијата, особено во мембрани со поголеми пори, комплицирајќи ги очекувањата засновани исклучиво на селекцијата на MWCO [видете го резимето на истражувањето].
Објаснување на трансверзалната филтрација на проток (TFF)
Филтрацијата со попречен проток, исто така наречена филтрација со тангенцијален проток (TFF), го насочува протеинскиот раствор тангенцијално преку површината на мембраната. Овој пристап е во спротивност со филтрацијата со ќорсокак, каде што протокот е нормален на мембраната, туркајќи ги честичките директно врз и во филтерот.
Клучни разлики и влијанија:
- Контрола на загадување:TFF го намалува наталожувањето на слоеви од протеини и честички, познато како формирање на торта, со континуирано отстранување на потенцијалните загадувачи од мембраната. Ова резултира со постабилен флукс на протекување и полесно одржување.
- Задржување на протеини:TFF поддржува подобро управување со поларизацијата на концентрацијата - слој од задржани молекули во близина на мембраната - кој, доколку е неконтролиран, може да ја намали селективноста на сепарацијата и да го зголеми загадувањето. Динамичкиот проток во TFF го ублажува овој ефект, помагајќи да се одржи високо задржување на протеините и ефикасност на сепарацијата.
- Стабилност на флукс:TFF овозможува подолги оперативни периоди при постојан флукс, зголемувајќи ја ефикасноста во процесите со високо ниво на протеини или внесување богати со честички. Спротивно на тоа, филтрацијата без излез брзо се попречува од загадување, намалување на протокот и потреба од чести интервенции за чистење.
Напредните варијанти на TFF, како што е наизменичниот тангенцијален проток (ATF), дополнително го нарушуваат загадувањето и формирањето на колачи со периодично менување или менување на тангенцијалните брзини, продолжувајќи го животниот век на филтерот и подобрувајќи го протокот на протеини [видете го резимето на истражувањето]. И кај класичните и кај напредните TFF поставувања, оперативните поставки - како што се TMP, брзината на вкрстен проток и фреквенцијата на чистење - мора да бидат прилагодени на специфичниот протеински систем, типот на мембрана и целната концентрација за да се оптимизираат перформансите и да се минимизира загадувањето.
Трансмембрански притисок (TMP) при ултрафилтрација
3.1. Што е трансмембрански притисок?
Трансмембранскиот притисок (TMP) е разликата во притисокот низ филтрационата мембрана, која го насочува растворувачот од страната на внесување кон страната на пермеатот. TMP е главната сила зад процесот на сепарација при ултрафилтрација, дозволувајќи му на растворувачот да помине низ мембраната додека ги задржува протеините и другите макромолекули.
TMP формула:
- Едноставна разлика: TMP = P_feed − P_permeate
- Инженерски метод: TMP = [(P_feed + P_retentate)/2] − P_permeate
Тука, P_feed е влезниот притисок, P_retentate е излезниот притисок на страната на ретентатот, а P_permeate е притисокот на страната на пермеатот. Вклучувањето на притисокот на ретентатот (или концентратот) дава попрецизна вредност по површината на мембраната, земајќи ги предвид градиентите на притисок предизвикани од отпорот на проток и загадувањето. - Притисок за напојување и брзина на проток
- Притисок на задржување (кога е применливо)
- Пермеативен притисок (често атмосферски)
- Отпорност на мембраната
TMP варира во зависност од типот на мембрана, дизајнот на системот и условите на процесот.
Контролирање на променливи:
3.2. TMP и процесот на ултрафилтрација
TMP игра централна улога во концентрацијата на ултрафилтрациските протеини, движејќи ги протеинските раствори низ мембраната. Притисокот мора да биде доволно висок за да се надмине отпорот од мембраната и од секој акумулиран материјал, но не толку висок за да се забрза загадувањето.
Влијание на вискозитетот на растворот и концентрацијата на протеини
- Вискозитет на протеински раствори:Повисокиот вискозитет го зголемува отпорот на проток, што бара повисок TMP за да се одржи истиот флукс на пермеат. На пример, додавањето глицерол во добиточната храна или работењето со концентрирани протеини го зголемува вискозитетот, а со тоа и потребниот оперативен TMP.
- Концентрација на протеини:Како што концентрацијата се зголемува за време на фазата на ултрафилтрација, вискозитетот на растворот се зголемува, TMP се зголемува и ризикот од замаглување на мембраната или поларизација на концентрацијата расте.
- Дарсиев закон:TMP, флуксот на пермеат (J) и вискозитетот (μ) се поврзани преку TMP = J × μ × R_m (отпорност на мембраната). За раствори на протеини со висок вискозитет, внимателното прилагодување на TMP е од витално значење за ефикасна ултрафилтрација.
Примери:
- Ултрафилтрацијата на густи раствори на антитела бара внимателно управување со TMP за да се спротивстави на зголемувањето на вискозитетот.
- PEGилацијата или други модификации на протеините ја менуваат интеракцијата со мембраната, влијаејќи на TMP потребен за посакуваниот флукс.
3.3. Мониторинг и оптимизирање на TMP
Одржување на TMP во рамките нанормален опсег на трансмембрански притисоке клучен за стабилни перформанси на ултрафилтрациската мембрана и квалитет на производот. Со текот на времето, како што напредува ултрафилтрацијата, поларизацијата на концентрацијата и загадувањето може да предизвикаат зголемување на TMP, понекогаш и брзо.
Практики за следење:
- Мониторинг во реално време:TMP се следи преку влез, ретентат и пермеатпредаватели на притисок.
- Раманова спектроскопија:Се користи за неинвазивно следење на концентрациите на протеини и ексципиенси, олеснувајќи ја адаптивната контрола на TMP за време на ултрафилтрација и дијафилтрација.
- Напредна контрола:Проширените Калманови филтри (EKF) можат да обработуваат податоци од сензорите, автоматски прилагодувајќи го TMP за да се избегне прекумерно загадување.
- Поставете го почетниот TMP во нормален опсег:Не е премногу ниска за да се намали флуксот, не е премногу висока за да се избегне брзо загадување.
- Прилагодете го TMP како што се зголемува вискозитетот:За време на фазата на ултрафилтрациска концентрација, постепено зголемувајте го TMP само по потреба.
- Контролирајте го флуксот на добиточна храна и pH вредноста:Зголемувањето на доводниот флукс или намалувањето на TMP ја ублажува поларизацијата на концентрацијата и загадувањето.
- Чистење и замена на мембрана:Повисоките TMP се поврзани со почесто чистење и намален век на траење на мембраната.
Оптимизирање на стратегии:
Примери:
- Корозивното загадување во линиите за преработка на протеини доведува до зголемен TMP и намален флукс, што бара чистење или замена на мембраната за да се воспостави нормално работење.
- Ензимскиот претходен третман (на пр., додавање на пектиназа) може да го намали TMP и да го продолжи животниот век на мембраната за време на ултрафилтрација на протеини од репка со висок вискозитет.
3.4. TMP во TFF системи
Тангентната (попречна) филтрација на проток (TFF) функционира со насочување на растворот за напојување низ мембраната, а не директно низ неа, значително влијаејќи на динамиката на TMP.
Регулација и рамнотежа на TMP
- TFF трансмембрански притисок (TFF TMP):Се управува со контролирање и на брзината на проток на напојување и на притисокот на пумпата за да се избегне прекумерна TMP, а воедно да се максимизира протокот на протекување.
- Оптимизирање на параметри:Зголемувањето на протокот на храна го намалува локалното таложење на протеини, го стабилизира TMP и го намалува загадувањето на мембраната.
- Компјутерски моделирање:CFD моделите предвидуваат и оптимизираат TFF TMP за максимално обновување на производот, чистота и принос - особено витално за процеси како што се mRNA или изолација на екстрацелуларни везикули.
Примери:
- При биолошка обработка, оптималниот TFF TMP дава >70% обновување на mRNA без деградација, надминувајќи ги методите на ултрацентрифугирање.
- Адаптивната TMP контрола, информирана од математички модели и повратни информации од сензорите, ја намалува фреквенцијата на замена на мембраната и го продолжува животниот век на мембраната преку ублажување на загадувањето.
Клучни заклучоци:
- Трансмембранскиот притисок на TMP мора активно да се управува во TFF за да се одржи ефикасноста на процесот, флуксот и здравјето на мембраната.
- Систематската оптимизација на TMP ги намалува оперативните трошоци, го поддржува обновувањето на производот со висока чистота и го продолжува животниот век на мембраната при ултрафилтрација на протеини и сродни процеси.
Механизми за загадување и нивната врска со вискозитетот
Главни патишта на загадување при ултрафилтрација на протеини
Ултрафилтрацијата на протеините е под влијание на неколку различни патишта на загадување:
Корозивно загадување:Се јавува кога производите од корозија - обично железни оксиди - се акумулираат на површините на мембраната. Тие го намалуваат флуксот и тешко се отстрануваат со стандардни хемиски средства за чистење. Загадувањето од корозија доведува до постојано губење на перформансите на мембраната и ја зголемува фреквенцијата на замена на мембраната со текот на времето. Неговото влијание е особено сериозно кај PVDF и PES мембраните што се користат во третман на вода и апликации за протеини.
Органско загадување:Претежно предизвикано од протеини како што е говедскиот серумски албумин (BSA), и може да се интензивира во присуство на други органски материи како полисахариди (на пр., натриум алгинат). Механизмите вклучуваат адсорпција на мембранските пори, затнување на порите и формирање на слој од торта. Синергистички ефекти се јавуваат кога се присутни повеќе органски компоненти, при што системите со мешани загадувачи доживуваат посилно загадување од храните со еден протеин.
Концентрациона поларизација:Како што напредува ултрафилтрацијата, задржаните протеини се акумулираат во близина на површината на мембраната, зголемувајќи ја локалната концентрација и вискозитетот. Ова создава слој на поларизација што ја зголемува склоноста кон загадување и го намалува флуксот. Процесот се забрзува како што напредува фазата на концентрација на ултрафилтрација, директно под влијание на трансмембранскиот притисок и динамиката на проток.
Колоидно и мешано фулантно осиромашување:Колоидната материја (на пр., силициум диоксид, неоргански минерали) може да реагира со протеините, создавајќи сложени агрегатни слоеви кои го влошуваат мембранското загадување. Присуството на колоиден силициум диоксид, на пример, значително ги намалува стапките на флукс, особено кога се комбинира со органска материја или под услови на неоптимална pH вредност.
Влијание на вискозитетот на растворот врз развојот на загадување
Вискозитетот на протеинските раствори силно влијае на кинетиката на загадување и набивањето на мембраната:
Забрзано фаулирање:Повисокиот вискозитет на протеинскиот раствор ја зголемува отпорноста на обратен транспорт на задржаните растворени супстанции, олеснувајќи го побрзото формирање на слоеви на торта. Ова го зголемува трансмембранскиот притисок (TMP), забрзувајќи го набивањето и загадувањето на мембраната.
Ефекти од составот на растворот:Видот на протеинот ја менува вискозноста; глобуларните протеини (на пр., BSA) и проширените протеини се однесуваат различно во однос на протокот и поларизацијата. Додавањето соединенија како полисахариди или глицерол значително го зголемува вискозитетот, поттикнувајќи загадување. Адитивите и агрегацијата на протеините при високи концентрации дополнително ја интензивираат брзината со која мембраните се затнуваат, директно намалувајќи го и флуксот и животниот век на мембраната.
Оперативни последици:Повисокиот вискозитет бара зголемен TMP за да се одржат стапките на филтрација во процесите на филтрација со попречен проток. Продолжената изложеност на висок TMP го зголемува неповратното загадување, што често бара почесто чистење на мембраната или порана замена на мембраната.
Улога на карактеристиките на добиточната храна
Карактеристиките на храната - имено својствата на протеините и хемијата на водата - ја одредуваат сериозноста на загадувањето:
Големина и дистрибуција на протеини:Поголемите или агрегирани протеини имаат поголема тенденција да предизвикаат блокирање на порите и натрупување на торта, зголемувајќи ја вискозноста и тенденциите за набивање за време на концентрацијата на протеините при ултрафилтрација.
pH:Зголемената pH вредност ја зголемува електростатската одбиваност, спречувајќи протеините да се агрегираат во близина на мембраната, со што се намалува загадувањето. Спротивно на тоа, киселите услови ја намалуваат одбивањето, особено за колоидниот силициум диоксид, влошувајќи го загадувањето на мембраната и намалувајќи ги стапките на флукс.
Температура:Пониските температури на процесот генерално ја намалуваат кинетичката енергија, што може да ги забави стапките на загадување, но исто така да ја зголеми вискозноста на растворот. Високите температури го забрзуваат загадувањето, но исто така можат да ја зголемат ефикасноста на чистењето.
Колоидна/неорганска материја:Присуството на колоиден силициум диоксид или метали го интензивира загадувањето, особено под кисели услови. Честичките од силициум диоксид го зголемуваат вкупниот вискозитет на растворот и физички ги затнуваат порите, правејќи ја ултрафилтрациската концентрација помалку ефикасна и намалувајќи го вкупниот животен век и перформансите на мембраната.
Јонски состав:Додавањето на одредени јонски видови (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) може да го намали загадувањето со модифицирање на електростатските и хидратациските сили помеѓу протеините и мембраните. Сепак, јоните како Ca²⁺ често ја поттикнуваат агрегацијата и го зголемуваат потенцијалот за загадување.
Примери:
- За време на попречната филтрација, храната богата со протеини со висока молекуларна тежина и покачен вискозитет ќе доживее брзо опаѓање на флуксот, што ќе ги засили рутините за чистење и замена.
- Кога водата за напојување содржи колоиден силициум диоксид и е закиселена, агрегацијата и таложењето на силициум диоксид се интензивираат, значително зголемувајќи ги стапките на загадување и намалувајќи ги перформансите на мембраната.
Накратко, разбирањето на меѓусебната поврзаност помеѓу вискозитетот на растворот, видовите на загадување и карактеристиките на напојувањето е од суштинско значење за оптимизирање на концентрацијата на ултрафилтрација, намалување на загадувањето на мембраната и максимизирање на животниот век на мембраната.
Концентрациона поларизација и нејзино управување
Што е концентрациска поларизација?
Концентрационата поларизација е локализирана акумулација на задржана растворена супстанца - како што се протеините - на интерфејсот мембрана/раствор за време на ултрафилтрација. Во контекст на протеински раствори, како што течноста тече кон полупропустливата мембрана, протеините отфрлени од мембраната имаат тенденција да се натрупуваат во тенок граничен слој во непосредна близина на површината. Ова натрупување резултира со стрмен градиент на концентрација: висока концентрација на протеини веднаш до мембраната, многу пониска во растворот. Феноменот е реверзибилен и регулиран од хидродинамички сили. Тој е спротивен на мембранското загадување, кое вклучува потрајно таложење или адсорпција во или врз мембраната.
Како концентрационата поларизација го влошува вискозитетот и загадувањето
На површината на мембраната, континуираната акумулација на протеини формира граничен слој што ја зголемува локалната концентрација на растворена супстанца. Ова има два значајни ефекти:
Локализирано зголемување на вискозитетот:Како што концентрацијата на протеини се зголемува во близина на мембраната, вискозитетот на протеинскиот раствор во овој микрорегион исто така се зголемува. Зголемениот вискозитет го попречува обратниот транспорт на растворената супстанца подалеку од мембраната, дополнително го заострува градиентот на концентрација и создава повратна јамка со зголемен отпор кон протокот. Ова резултира со намален флукс на протекување и поголема потреба од енергија за континуирана филтрација.
Олеснување на мембранското загадување:Високата концентрација на протеини во близина на мембраната ја зголемува веројатноста за агрегација на протеини, а во некои системи и формирање на гел слој. Овој слој ги затнува порите на мембраната и дополнително го засилува отпорот кон протокот. Ваквите услови се поволни за појава на неповратно загадување, каде што протеинските агрегати и нечистотиите физички или хемиски се врзуваат за мембранската матрица.
Експерименталното снимање (на пр., електронска микроскопија) потврдува брза агломерација на наноголеми протеински кластери на мембраната, кои можат да прераснат во значителни наслаги ако оперативните услови не се соодветно управувани.
Стратегии за минимизирање на поларизацијата на концентрацијата
Управувањето со концентрационата поларизација при ултрафилтрациска концентрација на протеини или трансверзална филтрација на проток бара двоен пристап: прилагодување на хидродинамиката и подесување на оперативните параметри.
Оптимизација на брзината на вкрстениот проток:
Зголемувањето на брзината на вкрстениот проток го зголемува тангенцијалниот проток низ мембраната, поттикнувајќи смолкнување и истенчување на граничниот слој на концентрација. Посилното смолкнување ги отстранува акумулираните протеини од површината на мембраната, намалувајќи ја и поларизацијата и ризикот од загадување. На пример, употребата на статички мешалки или воведувањето на распрскување на гас го нарушува слојот на растворената супстанца, особено подобрувајќи го протокот на пропустлива супстанца и ефикасноста во процесот на филтрација со попречен проток.
Модификација на оперативните параметри:
Трансмембрански притисок (TMP):TMP е разликата во притисокот низ мембраната и движечката сила за ултрафилтрација. Сепак, покачувањето на TMP повисоко за да се забрза филтрацијата може да има спротивен ефект со интензивирање на поларизацијата на концентрацијата. Придржувањето кон нормалниот опсег на трансмембрански притисок - не надминување на ограничувањата поставени за ултрафилтрација на протеини - помага да се спречи прекумерно натрупување на растворена супстанца и поврзаното зголемување на локалната вискозност.
Стапка на смолкнување:Брзината на смолкнување, функција од брзината на вкрстениот проток и дизајнот на каналот, игра централна улога во динамиката на транспорт на растворената супстанца. Високото смолкнување го одржува поларизацискиот слој тенок и подвижен, овозможувајќи често обновување на регионот осиромашен со растворена супстанца во близина на мембраната. Зголемувањето на брзината на смолкнување го намалува времето што протеините го имаат за акумулирање и го минимизира зголемувањето на вискозитетот на интерфејсот.
Својства на фидот:Прилагодувањето на својствата на дојдовниот протеински раствор - како што е намалување на вискозноста на протеинскиот раствор, намалување на содржината на агрегат или контрола на pH вредноста и јонската јачина - може да помогне во намалувањето на степенот и влијанието на поларизацијата на концентрацијата. Предтретманот на добиточната храна и промените во формулацијата можат да ги подобрат перформансите на ултрафилтрациската мембрана и да го продолжат животниот век на мембраната со намалување на фреквенцијата на чистење на мембраната.
Пример за апликација:
Фабрика која користи тангенцијална филтрација на проток (TFF) за концентрирање на моноклонални антитела применува внимателно оптимизирани брзини на вкрстен проток и го одржува TMP во рамките на строг прозорец. Со тоа, операторите ја минимизираат поларизацијата на концентрацијата и замачкувањето на мембраната, намалувајќи ја и фреквенцијата на замена на мембраната и циклусите на чистење - директно намалувајќи ги оперативните трошоци и подобрувајќи го приносот на производот.
Соодветното прилагодување и следење на овие варијабли - вклучително и мерењето на вискозитетот на протеинскиот раствор во реално време - се фундаментални за оптимизирање на перформансите на ултрафилтрациската концентрација и ублажување на несаканите ефекти поврзани со поларизацијата на концентрацијата при обработката на протеини.
Оптимизирање на ултрафилтрацијата за раствори на протеини со висок вискозитет
6.1. Најдобри оперативни практики
Одржувањето на оптимални перформанси на ултрафилтрација со раствори на протеини со висок вискозитет бара деликатна рамнотежа помеѓу трансмембранскиот притисок (TMP), концентрацијата на протеини и вискозитетот на растворот. TMP - разликата во притисокот низ мембраната - директно влијае на стапката на концентрација на ултрафилтрациските протеини и степенот на загадување на мембраната. При обработка на вискозни раствори како што се моноклонални антитела или серумски протеини со висока концентрација, секое прекумерно зголемување на TMP може првично да го зголеми флуксот, но исто така брзо го забрзува загадувањето и акумулацијата на протеини на површината на мембраната. Ова води до компромитиран и нестабилен процес на филтрација, потврдено со студии за снимање кои покажуваат формирање на густи протеински слоеви при покачени TMP и концентрации на протеини над 200 mg/mL.
Оптималниот пристап вклучува работење на системот близу, но не и над критичната TMP. Во овој момент, продуктивноста е максимизирана, но ризикот од неповратно загадување останува минимален. За многу високи вискозности, неодамнешните наоди сугерираат намалување на TMP и истовремено зголемување на протокот на храна (филтрација на попречен проток) за да се помогне во ублажување на поларизацијата на концентрацијата и таложењето на протеини. На пример, студиите за концентрација на Fc-фузионирани протеини покажуваат дека пониските поставки за TMP помагаат во одржувањето на стабилен флукс, а воедно го намалуваат губењето на производот.
Постепеното и методично зголемување на концентрацијата на протеини за време на ултрафилтрацијата е од клучно значење. Наглите чекори на концентрација можат премногу брзо да го принудат растворот да влезе во режим на висок вискозитет, зголемувајќи ги и ризиците од агрегација и сериозноста на загадувањето. Наместо тоа, постепеното зголемување на нивоата на протеини овозможува паралелно прилагодување на параметрите на процесот, како што се TMP, брзината на вкрстен проток и pH, помагајќи да се одржи стабилноста на системот. Студиите на случаи на ензимска ултрафилтрација потврдуваат дека одржувањето на пониски работни притисоци за време на овие фази обезбедува контролирано зголемување на концентрацијата, минимизирајќи го падот на флуксот, а воедно заштитувајќи го интегритетот на производот.
6.2. Фреквенција на замена на мембрана и одржување
Фреквенцијата на замена на мембраната при ултрафилтрација е тесно поврзана со индикаторите за загадување и намалување на флуксот. Наместо да се потпираме исклучиво на релативното намалување на флуксот како индикатор на крајот на животниот век, следењето на специфичната отпорност на загадување - квантитативна мерка што ја претставува отпорноста наметната од акумулираниот материјал - се покажа како посигурно, особено кај мешани протеини или протеини-полисахаридни храни, каде што загадувањето може да се случи побрзо и посилно.
Мониторингот за дополнителни индикатори за загадување е исто така од клучно значење. Видливи знаци на површинско таложење, нееднаков проток на пермеат или постојано зголемување на TMP (и покрај чистењето) се предупредувачки сигнали за напредно загадување што претходи на дефект на мембраната. Техниките како што се следење на изменетиот индекс на загадување (MFI-UF) и негово поврзување со перформансите на мембраната овозможуваат предвидливо закажување на замена, наместо реактивни промени, со што се минимизира времето на застој и се контролираат трошоците за одржување.
Интегритетот на мембраната е компромитиран не само од натрупување на органски загадувачи, туку и од корозија, особено во процеси што се одвиваат при екстремна pH вредност или со високи концентрации на сол. Треба да се воспостават редовни инспекции и рутини за хемиско чистење за да се управува и со корозијата и со таложењето на загадувачи. Кога се забележува загадување поврзано со корозија, фреквенцијата на чистење на мембраната и интервалите за замена мора да се прилагодат за да се обезбеди одржлив животен век на мембраната и конзистентни перформанси на ултрафилтрациската мембрана. Темелното, планирано одржување е од суштинско значење за ублажување на влијанието на овие проблеми и продолжување на ефикасното работење.
6.3. Контрола на процесот и мерење на вискозитетот во линија
Точното мерење на вискозитетот на протеинскиот раствор во реално време е од суштинско значење за контрола на процесот при ултрафилтрација, особено како што се зголемуваат концентрациите и вискозитетот. Вградените системи за мерење на вискозитет обезбедуваат континуирано следење, овозможувајќи моментална повратна информација и овозможувајќи динамички прилагодувања на системските параметри.
Новите технологии го трансформираа пејзажот на мерењето на вискозитетот на протеинските раствори:
Раманова спектроскопија со Калманово филтрирањеРамановата анализа во реално време, поддржана од проширени Калманови филтри, овозможува робусно следење на концентрацијата на протеини и составот на пуферот. Овој пристап ја зголемува чувствителноста и точноста, поддржувајќи ја автоматизацијата на процесот за ултрафилтрациска концентрација и дијафилтрација.
Автоматизирана кинематска капиларна вискозиметријаКористејќи компјутерски вид, оваа технологија автоматски ја мери вискозноста на растворот, надминувајќи ги рачните грешки и нудејќи повторувачки, мултиплексиран мониторинг низ повеќе процесни текови. Таа е валидирана и за стандардни и за сложени протеински формулации и ја намалува интервенцијата за време на фазата на ултрафилтрациска концентрација.
Микрофлуидни реолошки уредиМикрофлуидните системи испорачуваат детални, континуирани реолошки профили, дури и за нењутонски, високо-вискозните протеински раствори. Овие се особено вредни во фармацевтското производство, поддржувајќи стратегии за процесна аналитичка технологија (PAT) и интеграција со повратни јамки.
Контролата на процесот со користење на овие алатки овозможува имплементација на повратни јамки за прилагодување во реално време на TMP, брзината на внесување или брзината на вкрстен проток како одговор на промените на вискозитетот. На пример, ако вграденото мерење детектира ненадејно зголемување на вискозитетот (поради зголемување на концентрацијата или агрегација), TMP може автоматски да се намали или брзината на вкрстен проток да се зголеми за да се ограничи почетокот на поларизацијата на концентрацијата при ултрафилтрација. Овој пристап не само што го продолжува животниот век на мембраната, туку и поддржува конзистентен квалитет на производот со динамичко управување со факторите што влијаат на вискозитетот на протеинските раствори.
Изборот на најсоодветната технологија за следење на вискозитетот зависи од специфичните барања на апликацијата за ултрафилтрација, вклучувајќи го очекуваниот опсег на вискозитет, сложеноста на формулацијата на протеините, потребите за интеграција и цената. Овие напредоци во следењето во реално време и динамичката контрола на процесот значително ја подобрија можноста за оптимизирање на ултрафилтрацијата за раствори на протеини со висок вискозитет, обезбедувајќи и оперативна стабилност и висок принос на производот.
Отстранување проблеми и чести проблеми при ултрафилтрација на протеини
7.1. Симптоми, причини и лекови
Зголемен трансмембрански притисок
Зголемувањето на трансмембранскиот притисок (TMP) за време на ултрафилтрацијата укажува на растечки отпор низ мембраната. Ефектите од трансмембранскиот притисок врз ултрафилтрацијата се директни: нормалниот опсег на трансмембрански притисок обично зависи од процесот, но одржливото зголемување заслужува истражување. Се издвојуваат две вообичаени причини:
- Повисок вискозитет на протеинскиот раствор:Како што се зголемува вискозитетот на протеинските раствори - најчесто при висока концентрација на ултрафилтрациски протеини - притисокот потребен за проток се зголемува. Ова е изразено во фазите на конечна концентрација и дијафилтрација каде што растворите се највискозни.
- Загадување на мембраната:Фулантите како што се протеинските агрегати или мешавините од полисахариди-протеини можат да се залепат или да ги блокираат мембранските пори, што резултира со брз скок на TMP.
Лекови:
- Намалете го TMP и зголемете го протокот на напојувањеНамалувањето на TMP, а воедно и зголемувањето на брзината на напојување, ја намалува поларизацијата на концентрацијата и формирањето на гел слој, промовирајќи стабилен флукс.
- Редовно чистење на мембранатаВоспоставете оптимална фреквенција на чистење на мембраната за отстранување на насобраните нечистотии. Следете ја ефикасноста преку мерење на вискозитетот на протеинскиот раствор по чистењето.
- Заменете ги старите мембраниМоже да биде потребна зголемена фреквенција на замена на мембраната ако чистењето е недоволно или е достигнат животниот век на мембраната.
Намалување на стапката на флукс: Дијагностичко дрво
Постојаното намалување на флуксот за време на фазата на ултрафилтрациска концентрација укажува на проблеми со продуктивноста. Следете го овој дијагностички пристап:
- Следете го TMP и вискозитетот:Ако и двете се зголемени, проверете за замачкување или присуство на гел слој.
- Проверете го составот на храната и pH вредноста:Поместувањата овде можат да ја променат вискозноста на протеинските раствори и да поттикнат загадување.
- Проценете ги перформансите на мембраната:Намалувањето на флуксот на протекување и покрај чистењето сигнализира можно оштетување на мембраната или неповратно загадување.
Решенија:
- Оптимизирајте ја температурата, pH вредноста и јонската јачина во добиточната храна за да го ублажите загадувањето и поларизацијата на концентрацијата при ултрафилтрација.
- Користете површински модифицирани или ротирачки мембрански модули за да ги прекинете слоевите на гелот и да го вратите флуксот.
- Спроведете рутинско мерење на вискозитетот на протеинскиот раствор за да ги предвидите промените што влијаат на протокот.
Брзо загадување или формирање на гел слој
Брзото формирање на гел слој е резултат на прекумерна поларизација на концентрацијата на површината на мембраната. Трансмембранскиот притисок на попречната филтрација на проток (TFF) е особено осетлив во услови на висок вискозитет или високо протеинска исхрана.
Стратегии за ублажување:
- Нанесете хидрофилни, негативно наелектризирани мембрански површини (на пр., мембрани од поливинилиден флуорид [PVDF]) за да се минимизира врзувањето и прицврстувањето на протеините.
- Претходно третирајте ја храната со коагулација или електрокоагулација за да ги отстраните супстанциите со висока загаденост пред ултрафилтрација.
- Интегрирајте механички уреди како што се ротирачки модули во процесот на филтрација со попречен проток за да ја намалите дебелината на слојот на тортата и да го одложите формирањето на слојот гел.
7.2. Прилагодување на варијабилноста на добиточната храна
Системите за ултрафилтрација на протеини мора да се прилагодат на варијабилноста во својствата или составот на протеините во добиточната храна. Факторите што влијаат на вискозноста на протеинските раствори - како што се составот на пуферот, концентрацијата на протеини и склоноста кон агрегација - можат да го променат однесувањето на системот.
Стратегии за одговор
- Мониторинг на вискозитетот и составот во реално време:Распоредете вградени аналитички сензори (Раманова спектроскопија + Калманово филтрирање) за брзо откривање на промени во напојувањето, надминувајќи ги традиционалните UV или IR методи.
- Адаптивна контрола на процесот:Прилагодете ги поставките на параметрите (брзина на проток, TMP, селекција на мембрана) како одговор на откриените промени. На пример, зголемениот вискозитет на протеинскиот раствор може да бара понизок TMP и високи стапки на смолкнување.
- Избор на мембрана:Користете мембрани со големина на порите и хемија на површината оптимизирани за тековните својства на храната, балансирајќи го задржувањето и флуксот на протеините.
- Предтретман на добиточна храна:Доколку ненадејните промени во природата на храната предизвикуваат загадување, воведете чекори на коагулација или филтрација пред ултрафилтрацијата.
Примери:
- При биолошката обработка, прекинувачите на пуферот или промените во агрегатите на антителата треба да предизвикаат TMP и прилагодувања на протокот преку контролниот систем.
- За ултрафилтрација поврзана со хроматографија, алгоритмите за адаптивна оптимизација на цели броеви со мешање можат да ја минимизираат варијабилноста и да ги намалат оперативните трошоци, а воедно да ги одржат перформансите на ултрафилтрациската мембрана.
Рутинското следење на мерењето на вискозитетот на протеинскиот раствор и непосредното прилагодување на условите на процесот помагаат да се оптимизира концентрацијата на ултрафилтрација, да се одржи пропусноста и да се минимизира загадувањето на мембраната и поларизацијата на концентрацијата.
Често поставувани прашања
8.1. Кој е нормалниот опсег за трансмембрански притисок при ултрафилтрација на протеински раствори?
Нормалниот опсег на трансмембрански притисок (TMP) во системите за концентрација на ултрафилтрациски протеини зависи од типот на мембрана, дизајнот на модулот и карактеристиките на напојувањето. За повеќето процеси на ултрафилтрациска протеинска филтрација, TMP обично се одржува помеѓу 1 и 3 бари (15–45 psi). Вредностите на TMP над 0,2 MPa (околу 29 psi) можат да доведат до ризик од оштетување на мембраната, брзо загадување и скратен животен век на мембраната. Во биомедицинските и биопроцесните апликации, препорачаниот TMP генерално не треба да надминува 0,8 бари (~12 psi) за да се избегне кинење на мембраната. За процеси како што е филтрација на попречен проток, останувањето во рамките на овој опсег на TMP ги штити и приносот и интегритетот на протеините.
8.2. Како вискозитетот на протеинските раствори влијае врз перформансите на ултрафилтрацијата?
Вискозитетот на протеинскиот раствор директно влијае на перформансите на ултрафилтрациската концентрација. Високиот вискозитет го зголемува отпорот на проток и го зголемува TMP, што резултира со намален флукс на пермеат и брзо загадување на мембраната. Овој ефект е изразен кај моноклонални антитела или Fc-фузиони протеини при висока концентрација, каде што вискозитетот се зголемува поради интеракциите протеин-протеин и ефектите на полнежот. Управувањето и оптимизирањето на вискозитетот со ексципиенси или ензимски третмани го подобрува флуксот, го намалува загадувањето и овозможува повисоки остварливи концентрации за време на фазата на ултрафилтрациска концентрација. Следењето на мерењето на вискозитетот на протеинскиот раствор е клучно за одржување на ефикасна обработка.
8.3. Што е концентрациска поларизација и зошто е важна кај TFF?
Концентрационата поларизација при ултрафилтрација е акумулација на протеини на површината на мембраната, што предизвикува градиент помеѓу растворот во најголемиот дел и мембранскиот интерфејс. При филтрација со попречен проток, ова води до зголемен локален вискозитет и потенцијално реверзибилно намалување на флуксот. Доколку не се контролира, може да го поттикне замаглувањето на мембраната и да ја намали ефикасноста на системот. Справувањето со концентрационата поларизација при ултрафилтрација вклучува оптимизирање на стапките на вкрстен проток, TMP и селекцијата на мембраната за да се одржи тенок слој на поларизација. Точната контрола го одржува протокот висок, а ризикот од замаглување низок.
8.4. Како да одлучам кога да ја заменам мојата ултрафилтрациска мембрана?
Заменете ја ултрафилтрациската мембрана кога ќе забележите значително намалување на протокот (флукс), постојано зголемување на TMP што стандардното чистење не може да го реши или видливо загадување што останува по чистењето. Дополнителни индикатори вклучуваат губење на селективноста (неуспех да се отфрлат целните протеини како што се очекуваше) и неможност да се постигнат спецификациите за перформанси. Следењето на фреквенцијата на замена на мембраната со редовно тестирање на флукс и селективност е основа за максимизирање на животниот век на мембраната во процесите на концентрација на ултрафилтрациски протеински раствор.
8.5. Кои оперативни параметри можам да ги прилагодам за да го минимизирам загадувањето со протеини во TFF?
Клучните оперативни параметри за минимизирање на загадувањето со протеини при попречна филтрација вклучуваат:
- Одржувајте соодветна брзина на вкрстен проток за да го намалите локалното натрупување на протеини и да управувате со поларизацијата на концентрацијата.
- Работете во рамките на препорачаниот опсег на TMP, обично 3–5 psi (0,2–0,35 бари), за да спречите прекумерно истекување на производот и оштетување на мембраната.
- Применувајте редовни протоколи за чистење на мембраната за да го ограничите неповратното загадување.
- Следете го и, доколку е потребно, претходно третирајте го растворот за храна за да ја контролирате вискозноста (на пример, користејќи ензимски третмани како пектиназа).
- Изберете мембрански материјали и големини на порите (MWCO) соодветни за големината на целниот протеин и целите на процесот.
Интегрирањето на хидроциклонска претфилтрација или ензимска преттретман може да ги подобри перформансите на системот, особено за високовискозни доводи. Внимателно следете го составот на доводот и динамички прилагодете ги поставките за да го минимизирате загадувањето на мембраната и да ја оптимизирате фазата на концентрација на ултрафилтрација.
Време на објавување: 03.11.2025
