Het beheersen van de viscositeit van eiwitoplossingen is essentieel voor het optimaliseren van ultrafiltratieconcentratieprocessen in de biofarmaceutische productie. Een verhoogde viscositeit in eiwitoplossingen – met name bij hoge eiwitconcentraties – heeft een directe invloed op de membraanprestaties, de procesefficiëntie en de economische aspecten van ultrafiltratie-eiwitconcentratieprocessen. De viscositeit van de oplossing neemt toe met het eiwitgehalte als gevolg van antilichaamclustering en elektrostatische interacties, die de weerstand tegen de stroming en de drukval over het ultrafiltratiemembraan verhogen. Dit resulteert in lagere permeaatstromen en langere operationele tijden, vooral bij transversale filtratie (TFF)-processen.
De transmembraandruk (TMP), de drijvende kracht achter ultrafiltratie, is nauw verbonden met de viscositeit. Werken buiten het normale transmembraandrukbereik versnelt membraanvervuiling en verergert concentratiepolarisatie – de ophoping van eiwitten nabij het membraan die de lokale viscositeit voortdurend verhoogt. Zowel concentratiepolarisatie als membraanvervuiling leiden tot verminderde prestaties van het ultrafiltratiemembraan en kunnen de levensduur van het membraan verkorten als ze niet worden aangepakt. Experimenteel onderzoek toont aan dat membraanvervuiling en concentratiepolarisatie bij ultrafiltratie sterker zijn bij hogere TMP-waarden en bij viskeuzere vloeistoffen, waardoor realtime TMP-regeling essentieel is om de doorvoer te maximaliseren en de reinigingsfrequentie te minimaliseren.
Het optimaliseren van de ultrafiltratieconcentratie vereist geïntegreerde strategieën:
- viscositeitsmeting van eiwitoplossingRegelmatige viscositeitsmetingen – met behulp vaninline viscometers—helpt bij het voorspellen van filtratiesnelheden en het anticiperen op knelpunten in het proces, waardoor snelle procesaanpassingen mogelijk worden.
- VoedingsconditioneringDoor de pH-waarde, ionsterkte en temperatuur aan te passen, kan de viscositeit worden verlaagd en vervuiling worden verminderd. Zo versterkt de toevoeging van natriumionen de hydratatieafstoting tussen eiwitten, waardoor aggregatie en vervuiling worden tegengegaan, terwijl calciumionen de vorming van eiwitbruggen en vervuiling juist bevorderen.
- Gebruik van hulpstoffenDoor viscositeitsverlagende hulpstoffen toe te voegen aan sterk geconcentreerde eiwitoplossingen, verbetert de membraanpermeabiliteit en wordt de transmembraandruk bij ultrafiltratie verlaagd, wat de algehele efficiëntie verhoogt.
- Geavanceerde stromingsregimesDoor de dwarsstroomsnelheid te verhogen, afwisselende dwarsstromen toe te passen of luchtstraalinjectie te gebruiken, worden vervuilingslagen verstoord. Deze technieken helpen de permeaatstroom op peil te houden en de frequentie van membraanvervanging te verlagen door de vorming van afzettingen te minimaliseren.
- Membraanselectie en -reinigingHet kiezen van chemisch resistente membranen (bijvoorbeeld SiC of thermosaliënte hybriden) en het optimaliseren van de reinigingsfrequentie van de membranen met geschikte protocollen (bijvoorbeeld reiniging met natriumhypochloriet) zijn cruciaal voor het verlengen van de levensduur van de membranen en het verlagen van de operationele kosten.
Kortom, effectieve viscositeitsregeling en TMP-beheer vormen de hoeksteen van succesvolle prestaties in de concentratiefase van ultrafiltratie, en hebben een directe invloed op de productopbrengst, de frequentie van membraanreiniging en de levensduur van dure membraaninstallaties.
Inzicht in de viscositeit van eiwitoplossingen bij ultrafiltratie
1.1. Wat is de viscositeit van eiwitoplossingen?
Viscositeit beschrijft de weerstand van een vloeistof tegen stroming; in eiwitoplossingen geeft het aan in hoeverre moleculaire wrijving de beweging belemmert. De SI-eenheid voor viscositeit is de pascalseconde (Pa·s), maar voor biologische vloeistoffen wordt vaak de centipoise (cP) gebruikt. Viscositeit heeft een directe invloed op hoe gemakkelijk eiwitoplossingen tijdens de productie kunnen worden gepompt of gefilterd en beïnvloedt de toediening van geneesmiddelen, met name bij biofarmaceutische middelen met een hoge concentratie.
De eiwitconcentratie is de belangrijkste factor die de viscositeit beïnvloedt. Naarmate de eiwitconcentratie stijgt, nemen de intermoleculaire interacties en de verdringing toe, waardoor de viscositeit stijgt, vaak niet-lineair. Boven een bepaalde drempelwaarde remmen de eiwit-eiwitinteracties de diffusie in de oplossing verder af. Zo bereiken geconcentreerde monoklonale antilichaamoplossingen die in de farmaceutische industrie worden gebruikt vaak viscositeitsniveaus die subcutane injectie bemoeilijken of de verwerkingssnelheid beperken.
Modellen die de viscositeit in geconcentreerde eiwitoplossingen voorspellen, houden nu rekening met moleculaire geometrie en aggregatieneigingen. De morfologie van eiwitten – of ze nu langwerpig, bolvormig of geneigd tot aggregatie zijn – heeft een significant effect op de viscositeit bij hoge concentraties. Recente ontwikkelingen in microfluïdische analyse maken nauwkeurige viscositeitsmetingen mogelijk met minimale monstervolumes, waardoor nieuwe eiwitformuleringen snel kunnen worden gescreend.
1.2. Hoe de viscositeit verandert tijdens ultrafiltratie
Tijdens ultrafiltratie zorgt concentratiepolarisatie ervoor dat eiwitten zich snel ophopen aan het grensvlak tussen membraan en oplossing. Dit creëert steile lokale concentratiegradiënten en verhoogt de viscositeit nabij het membraan. De verhoogde viscositeit in dit gebied belemmert de massaoverdracht en vermindert de permeaatstroom.
Concentratiepolarisatie is iets anders dan membraanvervuiling. Polarisatie is dynamisch en omkeerbaar en treedt binnen enkele minuten op naarmate de filtratie vordert. Vervuiling daarentegen ontwikkelt zich in de loop van de tijd en omvat vaak onomkeerbare afzetting of chemische transformatie aan het membraanoppervlak. Nauwkeurige diagnostiek maakt realtime monitoring van de concentratiepolarisatielaag mogelijk, waardoor de gevoeligheid ervan voor de dwarsstroomsnelheid en de transmembraandruk wordt onthuld. Zo helpt een hogere stroomsnelheid of een lagere transmembraandruk (TMP) de viskeuze grenslaag te verstoren en de flux te herstellen.
Operationele parameters hebben een directe invloed op het viscositeitsgedrag:
- Transmembraandruk (TMP)Een hogere TMP (Transmediate Membrane Pressure) versterkt de polarisatie, waardoor de lokale viscositeit toeneemt en de flux afneemt.
- DwarsstroomsnelheidVerhoogde stroomsnelheid beperkt de ophoping, waardoor de viscositeit nabij het membraan wordt gematigd.
- Reinigingsfrequentie van het membraanRegelmatig reinigen vermindert de ophoping van vuil op de lange termijn en beperkt het prestatieverlies als gevolg van een lagere viscositeit.
Bij de concentratiefasen van ultrafiltratie moeten deze parameters geoptimaliseerd worden om nadelige viscositeitseffecten te minimaliseren en de doorvoer te handhaven.
1.3. Eiwitoplossingseigenschappen die de viscositeit beïnvloeden
Moleculair gewichtEnsamenstellingDe viscositeit wordt voornamelijk bepaald door de structuur. Grotere, complexere eiwitten of aggregaten resulteren in een hogere viscositeit vanwege de belemmerde beweging en de sterkere intermoleculaire krachten. De vorm van eiwitten beïnvloedt de stroming verder: langwerpige of aggregatiegevoelige ketens veroorzaken meer weerstand dan compacte, bolvormige eiwitten.
pHDit heeft een cruciale invloed op de lading en oplosbaarheid van eiwitten. Door de pH van de oplossing aan te passen aan de buurt van het iso-elektrisch punt van een eiwit, wordt de netto lading geminimaliseerd, de afstoting tussen eiwitten verminderd en de viscositeit tijdelijk verlaagd, wat de filtratie vergemakkelijkt. Zo kan ultrafiltratie bij een pH dicht bij het iso-elektrisch punt van BSA of IgG de permeaatstroom en de scheidingsselectiviteit aanzienlijk verbeteren.
Ionische sterkteDit beïnvloedt de viscositeit door de elektrische dubbellaag rond eiwitten te veranderen. Een verhoogde ionsterkte schermt elektrostatische interacties af, waardoor de eiwitdoorvoer door membranen wordt bevorderd, maar ook het risico op aggregatie en bijbehorende viscositeitspieken toeneemt. De afweging tussen doorvoerefficiëntie en selectiviteit hangt vaak af van het nauwkeurig afstemmen van de zoutconcentratie en de buffersamenstelling.
Kleine moleculaire additieven, zoals argininehydrochloride of guanidine, kunnen worden gebruikt om de viscositeit te verlagen. Deze stoffen verstoren hydrofobe of elektrostatische aantrekkingskrachten, verminderen aggregatie en verbeteren de vloei-eigenschappen van de oplossing. Temperatuur fungeert als een verdere regelvariabele; lagere temperaturen verhogen de viscositeit, terwijl extra warmte deze vaak verlaagt.
Bij het meten van de viscositeit van een eiwitoplossing moet rekening worden gehouden met:
- Molecuulgewichtsverdelingen
- Samenstelling van de oplossing (zouten, hulpstoffen, additieven)
- pH- en buffersysteemselectie
- instelling van de ionsterkte
Deze factoren zijn cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties van ultrafiltratiemembranen en het waarborgen van consistentie gedurende de verschillende concentratiefasen en TFF-processen.
Basisprincipes van ultrafiltratie: eiwitconcentratie
Principes van ultrafiltratie: concentratiefase
Ultrafiltratie voor eiwitconcentratie werkt door een transmembraandruk (TMP) uit te oefenen op een semipermeabel membraan. Hierdoor worden oplosmiddel en kleine opgeloste stoffen door het membraan geperst, terwijl eiwitten en grotere moleculen worden tegengehouden. Het proces maakt gebruik van selectieve permeatie op basis van moleculaire grootte, waarbij de molecuulgewichtsgrens (MWCO) van het membraan de maximale grootte van moleculen bepaalt die erdoorheen kunnen. Eiwitten die de MWCO overschrijden, hopen zich op aan de retentaatzijde, waardoor hun concentratie toeneemt naarmate er permeaat wordt afgetapt.
De concentratiefase van ultrafiltratie is gericht op volumevermindering en verrijking van de eiwitoplossing. Naarmate de filtratie vordert, neemt de viscositeit van de eiwitoplossing doorgaans toe, wat van invloed is op de flux en de TMP-vereisten. Vastgehouden eiwitten kunnen met elkaar en met het membraan interageren, waardoor het proces in de praktijk complexer is dan eenvoudige grootte-uitsluiting. Elektrostatische interacties, eiwitaggregatie en oplossingseigenschappen zoals pH en ionsterkte beïnvloeden de retentie en de scheidingsresultaten. In sommige gevallen domineert advectief transport over diffusie, vooral in membranen met grotere poriën, wat de verwachtingen die uitsluitend gebaseerd zijn op de MWCO-selectie compliceert [zie onderzoekssamenvatting].
Transversale stromingsfiltratie (TFF) uitgelegd
Transversale stromingsfiltratie, ook wel tangentiële stromingsfiltratie (TFF) genoemd, leidt de eiwitoplossing tangentieel over het membraanoppervlak. Deze aanpak staat in contrast met dead-end filtratie, waarbij de stroming loodrecht op het membraan staat en de deeltjes direct op en in het filter duwt.
Belangrijkste verschillen en gevolgen:
- Vervuilingscontrole:TFF vermindert de opbouw van eiwit- en deeltjeslagen, ook wel bekend als koekvorming, door potentiële verontreinigingen continu van het membraan te verwijderen. Dit resulteert in een stabielere permeaatstroom en eenvoudiger onderhoud.
- Eiwitbehoud:TFF maakt een betere beheersing van concentratiepolarisatie mogelijk – een laag vastgehouden moleculen nabij het membraan – die, indien niet onder controle gehouden, de scheidingsselectiviteit kan verminderen en vervuiling kan bevorderen. De dynamische stroming in TFF vermindert dit effect, waardoor een hoge eiwitretentie en scheidingsefficiëntie behouden blijven.
- Fluxstabiliteit:TFF maakt langere operationele perioden met een constante doorstroming mogelijk, waardoor de efficiëntie in processen met eiwitrijke of deeltjesrijke grondstoffen wordt verhoogd. Doodlopende filtratie daarentegen raakt snel verstopt door vervuiling, wat de doorvoer verlaagt en frequente reinigingsinterventies vereist.
Geavanceerde TFF-varianten, zoals afwisselende tangentiële stroming (ATF), verstoren de vervuiling en de vorming van filterkoek verder door periodiek de tangentiële snelheden om te keren of te variëren, waardoor de levensduur van het filter wordt verlengd en de eiwitdoorvoer wordt verbeterd [zie onderzoekssamenvatting]. Zowel in klassieke als in geavanceerde TFF-opstellingen moeten de operationele instellingen – zoals TMP, dwarsstroomsnelheid en reinigingsfrequentie – worden afgestemd op het specifieke eiwitsysteem, het membraantype en de beoogde concentratie om de prestaties te optimaliseren en vervuiling te minimaliseren.
Transmembraandruk (TMP) bij ultrafiltratie
3.1. Wat is transmembraandruk?
Transmembraandruk (TMP) is het drukverschil over een filtratiemembraan, waardoor oplosmiddel van de toevoerzijde naar de permeaatzijde wordt gedreven. TMP is de belangrijkste kracht achter het scheidingsproces bij ultrafiltratie, waardoor oplosmiddel door het membraan kan passeren terwijl eiwitten en andere macromoleculen worden tegengehouden.
TMP-formule:
- Eenvoudig verschil: TMP = P_feed − P_permeate
- Technische methode: TMP = [(P_toevoer + P_retentaat)/2] − P_permeaat
Hier is P_feed de inlaatdruk, P_retentate de uitlaatdruk aan de retentaatzijde en P_permeate de druk aan de permeaatzijde. Door de druk in het retentaat (of concentraat) mee te nemen, wordt een nauwkeurigere waarde langs het membraanoppervlak verkregen, waarbij rekening wordt gehouden met drukgradiënten veroorzaakt door stromingsweerstand en vervuiling. - Voedingsdruk en debiet
- Retentaatdruk (indien van toepassing)
- Permeaatdruk (vaak atmosferische druk)
- Membraanweerstand
De transmembraandruk (TMP) varieert afhankelijk van het membraantype, het systeemontwerp en de procesomstandigheden.
Controlevariabelen:
3.2. TMP en het ultrafiltratieproces
De transmembraandruk (TMP) speelt een centrale rol bij de eiwitconcentratie tijdens ultrafiltratie, doordat deze eiwitoplossingen door het membraan perst. De druk moet hoog genoeg zijn om de weerstand van het membraan en eventueel opgehoopt materiaal te overwinnen, maar niet zo hoog dat vervuiling wordt versneld.
Invloed van de viscositeit van de oplossing en de eiwitconcentratie
- Viscositeit van eiwitoplossingen:Een hogere viscositeit verhoogt de stromingsweerstand, waardoor een hogere transmembraandruk (TMP) nodig is om dezelfde permeaatstroom te behouden. Het toevoegen van glycerol aan de toevoer of het werken met geconcentreerde eiwitten verhoogt bijvoorbeeld de viscositeit en daarmee de benodigde operationele TMP.
- Eiwitconcentratie:Tijdens de concentratiefase van de ultrafiltratie neemt de viscositeit van de oplossing toe, stijgt de transmembraandruk (TMP) en neemt het risico op membraanvervuiling of concentratiepolarisatie toe.
- De wet van Darcy:De transmembraandruk (TMP), de permeaatstroom (J) en de viscositeit (μ) zijn met elkaar verbonden via TMP = J × μ × R_m (membraanweerstand). Voor eiwitoplossingen met een hoge viscositeit is een zorgvuldige afstelling van de TMP essentieel voor efficiënte ultrafiltratie.
Voorbeelden:
- Ultrafiltratie van dichte antilichaamoplossingen vereist zorgvuldig beheer van de transmembraandruk (TMP) om de stijgende viscositeit tegen te gaan.
- PEGylering of andere eiwitmodificaties veranderen de interactie met het membraan, waardoor de transmembraanpotentiaal (TMP) die nodig is voor de gewenste flux wordt beïnvloed.
3.3. Monitoring en optimalisatie van TMP
Het handhaven van TMP binnen denormaal transmembraan drukbereikis cruciaal voor stabiele prestaties van het ultrafiltratiemembraan en de productkwaliteit. Na verloop van tijd, naarmate de ultrafiltratie vordert, kunnen concentratiepolarisatie en vervuiling ervoor zorgen dat de transmembraandruk (TMP) stijgt, soms snel.
Monitoringpraktijken:
- Realtime monitoring:TMP wordt gemeten via inlaat, retentaat en permeaat.druktransmitters.
- Raman-spectroscopie:Gebruikt voor niet-invasieve monitoring van eiwit- en hulpstofconcentraties, waardoor adaptieve TMP-regeling tijdens ultrafiltratie en diafiltratie mogelijk wordt.
- Geavanceerde bediening:Uitgebreide Kalman-filters (EKF) kunnen sensorgegevens verwerken en de transmembraandruk (TMP) automatisch aanpassen om overmatige vervuiling te voorkomen.
- Stel de initiële TMP in binnen het normale bereik:Niet te laag om de doorstroming te verminderen, en niet te hoog om snelle vervuiling te voorkomen.
- Pas de TMP aan naarmate de viscositeit toeneemt:Verhoog de transmembraandruk (TMP) tijdens de ultrafiltratieconcentratiefase alleen stapsgewijs indien nodig.
- Regel de toevoerstroom en de pH-waarde:Het verhogen van de toevoersnelheid of het verlagen van de transmembraandruk vermindert concentratiepolarisatie en vervuiling.
- Membraanreiniging en -vervanging:Hogere TMP-waarden worden geassocieerd met frequentere reiniging en een kortere levensduur van het membraan.
Optimalisatiestrategieën:
Voorbeelden:
- Corrosie in eiwitverwerkingslijnen leidt tot een verhoogde transmembraandruk (TMP) en een verlaagde doorstroming, waardoor membraanreiniging of -vervanging nodig is om de normale werking te herstellen.
- Enzymatische voorbehandeling (bijv. toevoeging van pectinase) kan de transmembraandruk (TMP) verlagen en de levensduur van het membraan verlengen tijdens ultrafiltratie van koolzaadeiwit met een hoge viscositeit.
3.4. TMP in TFF-systemen
Tangentiële (dwars)stroomfiltratie (TFF) werkt door de voedingsoplossing langs het membraan te leiden in plaats van er rechtstreeks doorheen, wat de dynamiek van de transmembraandruk (TMP) aanzienlijk beïnvloedt.
Regulering en evenwicht van TMP
- TFF transmembraandruk (TFF TMP):Dit wordt geregeld door zowel de toevoersnelheid als de pompdruk te controleren om overmatige transmembraandruk (TMP) te voorkomen en tegelijkertijd de permeaatstroom te maximaliseren.
- Parameters optimaliseren:Een hogere toevoersnelheid vermindert de lokale afzetting van eiwitten, stabiliseert de transmembraandruk (TMP) en vermindert membraanvervuiling.
- Computationele modellering:CFD-modellen voorspellen en optimaliseren TFF TMP voor maximale productterugwinning, zuiverheid en opbrengst – vooral essentieel voor processen zoals mRNA- of extracellulaire vesikelisolatie.
Voorbeelden:
- Bij bioprocessing levert de optimale TFF TMP een mRNA-terugwinning van >70% op zonder afbraak, waarmee het beter presteert dan ultracentrifugatiemethoden.
- Adaptieve TMP-regeling, gebaseerd op wiskundige modellen en sensorfeedback, vermindert de frequentie van membraanvervanging en verlengt de levensduur van membranen door vervuiling tegen te gaan.
Belangrijkste conclusies:
- De transmembraandruk (TMP) moet actief beheerd worden in TFF om de procesefficiëntie, de doorstroming en de conditie van het membraan te behouden.
- Systematische optimalisatie van de transmembraandruk (TMP) verlaagt de operationele kosten, ondersteunt de terugwinning van zeer zuivere producten en verlengt de levensduur van membranen bij eiwitultrafiltratie en aanverwante processen.
Vervuilingsmechanismen en hun relatie tot viscositeit
Belangrijkste vervuilingsroutes bij eiwit-ultrafiltratie
Eiwitultrafiltratie wordt beïnvloed door verschillende, afzonderlijke vervuilingsprocessen:
Corrosieaanslag:Dit verschijnsel treedt op wanneer corrosieproducten – meestal ijzeroxiden – zich ophopen op membraanoppervlakken. Deze producten verminderen de flux en zijn moeilijk te verwijderen met standaard chemische reinigingsmiddelen. Corrosievervuiling leidt tot een aanhoudend verlies van membraanprestaties en verhoogt de frequentie van membraanvervanging in de loop der tijd. De impact is vooral ernstig bij PVDF- en PES-membranen die worden gebruikt in waterzuiverings- en eiwittoepassingen.
Organische vervuiling:Vervuiling wordt voornamelijk veroorzaakt door eiwitten zoals runderalbumine (BSA) en kan worden versterkt in aanwezigheid van andere organische stoffen zoals polysacchariden (bijvoorbeeld natriumalginaat). Mechanismen omvatten adsorptie aan membraanporiën, verstopping van poriën en de vorming van een koeklaag. Synergetische effecten treden op wanneer meerdere organische componenten aanwezig zijn, waarbij systemen met gemengde vervuiling een ernstigere vervuiling ondervinden dan systemen met slechts één eiwit.
Concentratiepolarisatie:Naarmate de ultrafiltratie vordert, hopen de vastgehouden eiwitten zich op nabij het membraanoppervlak, waardoor de lokale concentratie en viscositeit toenemen. Dit creëert een polarisatielaag die de neiging tot vervuiling vergroot en de doorstroming vermindert. Het proces versnelt naarmate de concentratiefase van de ultrafiltratie vordert, wat direct wordt beïnvloed door de transmembraandruk en de stromingsdynamiek.
Vervuiling door colloïdale en gemengde vervuiling:Colloïdale stoffen (bijvoorbeeld silica, anorganische mineralen) kunnen een wisselwerking aangaan met eiwitten, waardoor complexe aggregaatlagen ontstaan die membraanvervuiling verergeren. De aanwezigheid van colloïdaal silica verlaagt bijvoorbeeld de fluxsnelheid aanzienlijk, vooral in combinatie met organisch materiaal of onder suboptimale pH-omstandigheden.
Invloed van de viscositeit van de oplossing op de ontwikkeling van vervuiling
De viscositeit van eiwitoplossingen heeft een sterke invloed op de vervuilingskinetiek en de membraanverdichting:
Versnelde overtredingen:Een hogere viscositeit van de eiwitoplossing verhoogt de weerstand tegen terugtransport van vastgehouden opgeloste stoffen, waardoor de vorming van een filterkoek sneller verloopt. Dit vergroot de transmembraandruk (TMP), wat de membraanverdichting en -vervuiling versnelt.
Effecten van de samenstelling van de oplossing:Het type eiwit beïnvloedt de viscositeit; globulaire eiwitten (bijv. BSA) en langgerekte eiwitten gedragen zich anders wat betreft stroming en polarisatie. Het toevoegen van stoffen zoals polysacchariden of glycerol verhoogt de viscositeit aanzienlijk, wat vervuiling bevordert. Additieven en eiwitaggregatie bij hoge concentraties versnellen de membraanverstopping verder, waardoor zowel de flux als de levensduur van het membraan direct afnemen.
Operationele gevolgen:Een hogere viscositeit vereist een verhoogde transmembraandruk (TMP) om de filtratiesnelheid in transversale stromingsfiltratieprocessen te behouden. Langdurige blootstelling aan een hoge TMP bevordert onomkeerbare vervuiling, waardoor membraanreiniging vaak vaker nodig is of membraanvervanging eerder.
Rol van voereigenschappen
De eigenschappen van het voer – met name de eiwiteigenschappen en de waterchemie – bepalen de ernst van de vervuiling:
Eiwitgrootte en -verdeling:Grotere of geaggregeerde eiwitten hebben een grotere neiging tot verstopping van de poriën en de vorming van een filterkoek, waardoor de viscositeit en de neiging tot verdichting tijdens ultrafiltratie-eiwitconcentratie toenemen.
pH:Een verhoogde pH-waarde verhoogt de elektrostatische afstoting, waardoor eiwitten zich niet in de buurt van het membraan ophopen en vervuiling wordt verminderd. Daarentegen verminderen zure omstandigheden de afstoting, met name voor colloïdaal siliciumdioxide, waardoor membraanvervuiling verergert en de doorstroomsnelheid afneemt.
Temperatuur:Lagere procestemperaturen verlagen over het algemeen de kinetische energie, wat de vervuilingssnelheid kan vertragen, maar ook de viscositeit van de oplossing kan verhogen. Hoge temperaturen versnellen de vervuiling, maar kunnen ook de reinigingseffectiviteit verbeteren.
Colloïdale/anorganische materie:De aanwezigheid van colloïdaal siliciumdioxide of metalen versterkt de vervuiling, vooral onder zure omstandigheden. Siliciumdioxidedeeltjes verhogen de totale viscositeit van de oplossing en verstoppen fysiek de poriën, waardoor de ultrafiltratieconcentratie minder efficiënt wordt en de algehele levensduur en prestaties van het membraan afnemen.
Ionische samenstelling:Het toevoegen van bepaalde ionen (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) kan vervuiling verminderen door de elektrostatische en hydratatiekrachten tussen eiwitten en membranen te beïnvloeden. Ionen zoals Ca²⁺ bevorderen echter vaak aggregatie en verhogen het vervuilingspotentieel.
Voorbeelden:
- Bij transversale filtratie zal een toevoer die rijk is aan eiwitten met een hoog moleculair gewicht en een verhoogde viscositeit een snelle afname van de flux ondervinden, waardoor de reinigings- en vervangingsprocedures intensiever worden.
- Wanneer het voedingswater colloïdaal siliciumdioxide bevat en verzuurd is, worden de aggregatie en afzetting van siliciumdioxide versterkt, waardoor de vervuilingssnelheid sterk toeneemt en de membraanprestaties afnemen.
Samenvattend is inzicht in de wisselwerking tussen de viscositeit van de oplossing, de soorten vervuiling en de kenmerken van de toevoer essentieel voor het optimaliseren van de ultrafiltratieconcentratie, het verminderen van membraanvervuiling en het maximaliseren van de levensduur van het membraan.
Concentratiepolarisatie en het beheer ervan
Wat is concentratiepolarisatie?
Concentratiepolarisatie is de gelokaliseerde ophoping van vastgehouden opgeloste stoffen – zoals eiwitten – aan het grensvlak tussen membraan en oplossing tijdens ultrafiltratie. In de context van eiwitoplossingen hebben eiwitten die door het semipermeabele membraan worden tegengehouden de neiging zich op te hopen in een dunne grenslaag vlak bij het oppervlak, wanneer de vloeistof erlangs stroomt. Deze ophoping resulteert in een steile concentratiegradiënt: een hoge eiwitconcentratie direct bij het membraan en een veel lagere concentratie in de rest van de oplossing. Dit fenomeen is omkeerbaar en wordt bepaald door hydrodynamische krachten. Het staat in contrast met membraanvervuiling, waarbij sprake is van een meer permanente afzetting of adsorptie in of op het membraan.
Hoe concentratiepolarisatie de viscositeit en vervuiling verergert
Aan het membraanoppervlak vormt de continue ophoping van eiwitten een grenslaag die de lokale concentratie van opgeloste stoffen verhoogt. Dit heeft twee belangrijke gevolgen:
Plaatselijke toename van de viscositeit:Naarmate de eiwitconcentratie nabij het membraan toeneemt, stijgt ook de viscositeit van de eiwitoplossing in dit microgebied. De verhoogde viscositeit belemmert het terugtransport van opgeloste stoffen vanaf het membraan, waardoor de concentratiegradiënt verder steiler wordt en een vicieuze cirkel ontstaat van toenemende weerstand tegen de stroming. Dit resulteert in een lagere permeaatstroom en een hogere energiebehoefte voor voortdurende filtratie.
Bevordering van membraanvervuiling:Een hoge eiwitconcentratie nabij het membraan vergroot de kans op eiwitaggregatie en, in sommige systemen, de vorming van een gellaag. Deze laag blokkeert de poriën van het membraan en versterkt de weerstand tegen de stroming. Dergelijke omstandigheden creëren een ideale omgeving voor onomkeerbare vervuiling, waarbij eiwitaggregaten en onzuiverheden zich fysiek of chemisch aan de membraanmatrix binden.
Experimentele beeldvorming (bijvoorbeeld elektronenmicroscopie) bevestigt de snelle agglomeratie van nanogrote eiwitclusters aan het membraan, die kunnen uitgroeien tot aanzienlijke afzettingen als de operationele instellingen niet op de juiste manier worden beheerd.
Strategieën om concentratiepolarisatie te minimaliseren
Het beheersen van concentratiepolarisatie bij ultrafiltratie voor eiwitconcentratie of transversale stromingsfiltratie vereist een tweeledige aanpak: het aanpassen van de hydrodynamica en het afstemmen van de operationele parameters.
Optimalisatie van de dwarsstroomsnelheid:
Het verhogen van de dwarsstroomsnelheid vergroot de tangentiële stroming over het membraan, wat schuifkrachten bevordert en de concentratiegrenslaag dunner maakt. Krachtigere schuifkrachten vegen opgehoopte eiwitten van het membraanoppervlak, waardoor zowel polarisatie als het risico op vervuiling afnemen. Het gebruik van statische mengers of het introduceren van gasdoorvoer verstoort bijvoorbeeld de opgeloste stoflaag, wat de permeaatstroom en de efficiëntie van het dwarsstroomfiltratieproces aanzienlijk verbetert.
Het wijzigen van operationele parameters:
Transmembraandruk (TMP):De transmembraandruk (TMP) is het drukverschil over het membraan en de drijvende kracht achter ultrafiltratie. Het verhogen van de TMP om de filtratie te versnellen kan echter averechts werken door de concentratiepolarisatie te versterken. Het aanhouden van het normale transmembraandrukbereik – en dus niet de limieten overschrijden die zijn vastgesteld voor eiwitultrafiltratie – helpt overmatige ophoping van opgeloste stoffen en de daarmee samenhangende toename van de lokale viscositeit te voorkomen.
Schuifsnelheid:De schuifsnelheid, een functie van de dwarsstroomsnelheid en het kanaalontwerp, speelt een centrale rol in de dynamiek van het transport van opgeloste stoffen. Een hoge schuifsnelheid houdt de polarisatielaag dun en beweeglijk, waardoor het gebied met een tekort aan opgeloste stoffen nabij het membraan frequent kan worden vernieuwd. Een hogere schuifsnelheid verkort de tijd die eiwitten hebben om zich op te hopen en minimaliseert de viscositeitsstijging aan het grensvlak.
Voedingseigenschappen:Het aanpassen van de eigenschappen van de binnenkomende eiwitoplossing – zoals het verlagen van de viscositeit, het verminderen van het aggregaatgehalte of het beheersen van de pH en de ionsterkte – kan de omvang en de impact van concentratiepolarisatie verminderen. Voorbehandeling van de voedingsoplossing en veranderingen in de samenstelling kunnen de prestaties van ultrafiltratiemembranen verbeteren en de levensduur van de membranen verlengen door de frequentie van membraanreiniging te verlagen.
Toepassingsvoorbeeld:
Een installatie die gebruikmaakt van tangentiële filtratie (TFF) voor de concentratie van monoklonale antilichamen, past zorgvuldig geoptimaliseerde dwarsstroomsnelheden toe en handhaaft de transmembraandruk (TMP) binnen een strikt bereik. Hierdoor minimaliseren operators concentratiepolarisatie en membraanvervuiling, waardoor zowel de frequentie van membraanvervanging als het aantal reinigingscycli afneemt. Dit leidt direct tot lagere operationele kosten en een hogere productopbrengst.
Het op de juiste wijze aanpassen en bewaken van deze variabelen – inclusief realtime meting van de viscositeit van de eiwitoplossing – is essentieel voor het optimaliseren van de concentratieprestaties van ultrafiltratie en het beperken van nadelige effecten die verband houden met concentratiepolarisatie bij de eiwitverwerking.
Optimalisatie van ultrafiltratie voor eiwitoplossingen met hoge viscositeit
6.1. Operationele beste praktijken
Om optimale ultrafiltratieprestaties te behouden bij eiwitoplossingen met een hoge viscositeit, is een delicate balans nodig tussen transmembraandruk (TMP), eiwitconcentratie en viscositeit van de oplossing. TMP – het drukverschil over het membraan – beïnvloedt direct de ultrafiltratiesnelheid van de eiwitconcentratie en de mate van membraanvervuiling. Bij de verwerking van viskeuze oplossingen zoals monoklonale antilichamen of serumproteïnen met een hoge concentratie, kan een te grote toename van de TMP aanvankelijk de flux verhogen, maar het versnelt ook snel de vervuiling en de eiwitophoping aan het membraanoppervlak. Dit leidt tot een gecompromitteerd en instabiel filtratieproces, wat bevestigd wordt door beeldvormende studies die de vorming van dichte eiwitlagen aantonen bij verhoogde TMP en eiwitconcentraties boven de 200 mg/ml.
De optimale aanpak houdt in dat het systeem wordt gebruikt nabij, maar niet boven, de kritische transmembraandruk (TMP). Op dit punt wordt de productiviteit gemaximaliseerd, terwijl het risico op onomkeerbare vervuiling minimaal blijft. Voor zeer hoge viscositeiten suggereren recente bevindingen dat het verlagen van de TMP en tegelijkertijd het verhogen van de toevoer (transversale filtratie) kan helpen om concentratiepolarisatie en eiwitafzetting te verminderen. Studies naar de concentratie van Fc-fusie-eiwitten tonen bijvoorbeeld aan dat lagere TMP-instellingen helpen om een stabiele flux te behouden en tegelijkertijd productverlies te verminderen.
Een geleidelijke en methodische verhoging van de eiwitconcentratie tijdens ultrafiltratie is cruciaal. Abrupte concentratiestappen kunnen de oplossing te snel in een hoge viscositeit brengen, waardoor zowel het risico op aggregatie als de ernst van vervuiling toeneemt. In plaats daarvan maakt een stapsgewijze verhoging van de eiwitconcentratie het mogelijk om procesparameters zoals transmembraandruk (TMP), dwarsstroomsnelheid en pH parallel aan te passen, wat bijdraagt aan de stabiliteit van het systeem. Casestudies naar enzymatische ultrafiltratie bevestigen dat het handhaven van lagere werkdrukken tijdens deze fasen zorgt voor een gecontroleerde concentratieverhoging, waardoor de afname van de flux wordt geminimaliseerd en de productintegriteit wordt beschermd.
6.2. Vervangingsfrequentie en onderhoud van het membraan
De frequentie van membraanvervanging bij ultrafiltratie is nauw verbonden met indicatoren van vervuiling en afnemende flux. In plaats van uitsluitend te vertrouwen op de relatieve fluxdaling als indicator voor het einde van de levensduur, is het monitoren van de specifieke vervuilingsweerstand – een kwantitatieve maat die de weerstand weergeeft die wordt veroorzaakt door opgehoopt materiaal – betrouwbaarder gebleken, met name bij gemengde eiwit- of eiwit-polysaccharidestromen, waar vervuiling sneller en ernstiger kan optreden.
Het monitoren van aanvullende vervuilingsindicatoren is eveneens cruciaal. Zichtbare tekenen van oppervlakteafzetting, een ongelijkmatige permeaatstroom of aanhoudende stijgingen van de transmembraandruk (ondanks reiniging) zijn allemaal waarschuwingssignalen van gevorderde vervuiling die voorafgaat aan membraanfalen. Technieken zoals het volgen van de gemodificeerde vervuilingsindex (MFI-UF) en het correleren ervan met de membraanprestaties maken een voorspellende planning van vervanging mogelijk in plaats van reactieve aanpassingen, waardoor de stilstandtijd wordt geminimaliseerd en de onderhoudskosten worden beheerst.
De integriteit van membranen wordt niet alleen aangetast door de ophoping van organische vervuiling, maar ook door corrosie, met name in processen met extreme pH-waarden of hoge zoutconcentraties. Regelmatige inspecties en chemische reinigingsprocedures moeten worden ingevoerd om zowel corrosie als de afzetting van vervuiling tegen te gaan. Wanneer corrosiegerelateerde vervuiling wordt geconstateerd, moeten de reinigingsfrequentie en vervangingsintervallen van het membraan worden aangepast om een langere levensduur en consistente prestaties van het ultrafiltratiemembraan te garanderen. Grondig en gepland onderhoud is essentieel om de impact van deze problemen te beperken en een effectieve werking te behouden.
6.3. Procesbeheer en inline viscositeitsmeting
Nauwkeurige, realtime meting van de viscositeit van eiwitoplossingen is essentieel voor procesbeheersing bij ultrafiltratie, met name bij toenemende concentraties en viscositeiten. Inline viscositeitsmeetsystemen bieden continue monitoring, waardoor directe feedback mogelijk is en dynamische aanpassingen aan de systeemparameters kunnen worden uitgevoerd.
Opkomende technologieën hebben het landschap van de viscositeitsmeting van eiwitoplossingen ingrijpend veranderd:
Raman-spectroscopie met Kalman-filteringRealtime Raman-analyse, ondersteund door uitgebreide Kalman-filters, maakt robuuste tracking van eiwitconcentratie en buffersamenstelling mogelijk. Deze aanpak verhoogt de gevoeligheid en nauwkeurigheid en ondersteunt procesautomatisering voor ultrafiltratieconcentratie en diafiltratie.
Geautomatiseerde kinematische capillaire viscometrieDeze technologie maakt gebruik van computervisie om automatisch de viscositeit van oplossingen te meten, waardoor handmatige fouten worden voorkomen en herhaalbare, gemultiplexte monitoring over meerdere processtromen mogelijk is. De technologie is gevalideerd voor zowel standaard als complexe eiwitformuleringen en vermindert de noodzaak tot ingrijpen tijdens de ultrafiltratieconcentratiefase.
Microfluïdische reologie-apparatenMicrofluïdische systemen leveren gedetailleerde, continue reologische profielen, zelfs voor niet-Newtoniaanse, hoogviskeuze eiwitoplossingen. Deze zijn met name waardevol in de farmaceutische industrie, ter ondersteuning van procesanalytische technologie (PAT)-strategieën en integratie met feedbackloops.
Procesbesturing met behulp van deze tools maakt de implementatie van feedbackloops mogelijk voor realtime aanpassing van de transmembraandruk (TMP), de toevoersnelheid of de dwarsstroomsnelheid als reactie op veranderingen in de viscositeit. Als bijvoorbeeld inline-sensoren een plotselinge stijging van de viscositeit detecteren (door een toename van de concentratie of aggregatie), kan de TMP automatisch worden verlaagd of de dwarsstroomsnelheid worden verhoogd om het ontstaan van concentratiepolarisatie tijdens ultrafiltratie te beperken. Deze aanpak verlengt niet alleen de levensduur van het membraan, maar draagt ook bij aan een consistente productkwaliteit door de factoren die de viscositeit van eiwitoplossingen beïnvloeden dynamisch te beheren.
De keuze voor de meest geschikte viscositeitsmonitoringstechnologie hangt af van de specifieke eisen van de ultrafiltratietoepassing, waaronder het verwachte viscositeitsbereik, de complexiteit van de eiwitformulering, de integratiebehoeften en de kosten. Deze vooruitgang in realtime monitoring en dynamische procesbesturing heeft de mogelijkheden om ultrafiltratie voor eiwitoplossingen met een hoge viscositeit te optimaliseren aanzienlijk verbeterd, waardoor zowel operationele stabiliteit als een hoge productopbrengst worden gewaarborgd.
Probleemoplossing en veelvoorkomende problemen bij eiwitultrafiltratie
7.1. Symptomen, oorzaken en remedies
Verhoogde transmembraandruk
Een stijging van de transmembraandruk (TMP) tijdens ultrafiltratie duidt op een toenemende weerstand over het membraan. De effecten van de transmembraandruk op ultrafiltratie zijn direct: het normale transmembraandrukbereik is doorgaans procesafhankelijk, maar aanhoudende stijgingen verdienen nader onderzoek. Twee veelvoorkomende oorzaken springen eruit:
- Hogere viscositeit van de eiwitoplossing:Naarmate de viscositeit van eiwitoplossingen toeneemt – wat vaak het geval is bij een hoge eiwitconcentratie tijdens ultrafiltratie – stijgt de benodigde druk voor de doorstroming. Dit is vooral merkbaar in de laatste concentratie- en diafiltratiestappen, waar de oplossingen het meest stroperig zijn.
- Membraanvervuiling:Vervuilende stoffen zoals eiwitaggregaten of mengsels van polysacchariden en eiwitten kunnen zich hechten aan membraanporiën of deze blokkeren, wat resulteert in een snelle stijging van de transmembraandruk (TMP).
Oplossingen:
- Verlaag de transmembraandruk (TMP) en verhoog de toevoersnelheid.Door de transmembraandruk (TMP) te verlagen en tegelijkertijd de toevoersnelheid te verhogen, wordt concentratiepolarisatie en de vorming van een gellaag verminderd, wat een stabiele flux bevordert.
- Regelmatige reiniging van het membraanBepaal de optimale reinigingsfrequentie van het membraan om opgehoopte vervuiling te verwijderen. Monitor de effectiviteit door na de reiniging de viscositeit van de eiwitoplossing te meten.
- Vervang verouderde membranenEen frequentere vervanging van het membraan kan nodig zijn als de reiniging onvoldoende is of als de levensduur van het membraan is bereikt.
Dalende fluxsnelheid: diagnostische boom
Een constante afname van de flux tijdens de ultrafiltratieconcentratiefase wijst op productiviteitsproblemen. Volg deze diagnostische procedure:
- Bewaak de TMP en de viscositeit:Als beide waarden zijn gestegen, controleer dan op vervuiling of de aanwezigheid van een gellaag.
- Controleer de samenstelling en pH-waarde van het voer:Veranderingen op dit punt kunnen de viscositeit van eiwitoplossingen veranderen en vervuiling bevorderen.
- Beoordeel de prestaties van het membraan:Een afname van de permeaatstroom ondanks reiniging duidt op mogelijke membraanschade of onomkeerbare vervuiling.
Oplossingen:
- Optimaliseer de temperatuur, pH-waarde en ionsterkte van de toevoer om vervuiling en concentratiepolarisatie tijdens ultrafiltratie te verminderen.
- Gebruik oppervlaktegemodificeerde of roterende membraanmodules om gellagen te verstoren en de doorstroming te herstellen.
- Voer routinematig metingen uit van de viscositeit van eiwitoplossingen om veranderingen te voorspellen die de doorstroming beïnvloeden.
Snelle aangroei of gelvorming
Snelle gelvorming is het gevolg van overmatige concentratiepolarisatie aan het membraanoppervlak. De transmembraandruk bij transversale filtratie (TFF) is met name gevoelig voor veranderingen in de voedingsstroom bij een hoge viscositeit of een hoog eiwitgehalte.
Beperkende strategieën:
- Gebruik hydrofiele, negatief geladen membraanoppervlakken (bijvoorbeeld polyvinylideenfluoride [PVDF]-membranen) om de binding en aanhechting van eiwitten te minimaliseren.
- Behandel het voedingsmateriaal vooraf met coagulatie of elektrocoagulatie om sterk vervuilende stoffen te verwijderen vóór ultrafiltratie.
- Integreer mechanische apparaten, zoals roterende modules, in het dwarsstroomfiltratieproces om de dikte van de filterkoek te verminderen en de vorming van de gellaag te vertragen.
7.2. Aanpassen aan voervariabiliteit
Eiwitultrafiltratiesystemen moeten zich aanpassen aan de variabiliteit in de eigenschappen of samenstelling van de eiwitten in de toevoer. Factoren die de viscositeit van eiwitoplossingen beïnvloeden, zoals de samenstelling van de buffer, de eiwitconcentratie en de neiging tot aggregatie, kunnen het gedrag van het systeem veranderen.
Reactiestrategieën
- Realtime monitoring van viscositeit en samenstelling:Gebruik inline analytische sensoren (Raman-spectroscopie + Kalman-filtering) voor snelle detectie van veranderingen in de toevoer, waarmee betere resultaten worden behaald dan met traditionele UV- of IR-methoden.
- Adaptieve procesbesturing:Parameterinstellingen aanpassen (debiet(TMP, membraanselectie) als reactie op waargenomen veranderingen. Een verhoogde viscositeit van de eiwitoplossing kan bijvoorbeeld een lagere TMP en hogere schuifsnelheden vereisen.
- Membraanselectie:Gebruik membranen met een poriegrootte en oppervlaktechemie die geoptimaliseerd zijn voor de huidige eigenschappen van de voedingsstroom, waarbij een balans wordt gevonden tussen eiwitretentie en doorstroming.
- Voorbehandeling van het voer:Als plotselinge veranderingen in de samenstelling van de toevoer vervuiling bevorderen, voeg dan coagulatie- of filtratiestappen toe vóór de ultrafiltratie.
Voorbeelden:
- Bij bioprocessing moeten bufferwisselingen of veranderingen in antilichaamaggregaten via het besturingssysteem aanpassingen in de transmembraandruk (TMP) en de doorstroming teweegbrengen.
- Bij chromatografie-gekoppelde ultrafiltratie kunnen adaptieve meng-integer-optimalisatiealgoritmen de variabiliteit minimaliseren en de operationele kosten verlagen, terwijl de prestaties van het ultrafiltratiemembraan behouden blijven.
Regelmatige monitoring van de viscositeit van de eiwitoplossing en onmiddellijke aanpassing aan de procesomstandigheden helpen de ultrafiltratieconcentratie te optimaliseren, de doorvoer te handhaven en membraanvervuiling en concentratiepolarisatie te minimaliseren.
Veelgestelde vragen
8.1. Wat is het normale bereik voor de transmembraandruk bij ultrafiltratie van eiwitoplossingen?
Het normale transmembraandrukbereik (TMP) in ultrafiltratiesystemen voor eiwitconcentratie is afhankelijk van het membraantype, het moduleontwerp en de kenmerken van de toevoer. Voor de meeste ultrafiltratieprocessen voor eiwitten wordt de TMP doorgaans tussen 1 en 3 bar (15-45 psi) gehandhaafd. TMP-waarden boven 0,2 MPa (ongeveer 29 psi) kunnen leiden tot membraanschade, snelle vervuiling en een verkorte levensduur van het membraan. In biomedische en bioprocessingtoepassingen mag de aanbevolen TMP over het algemeen niet hoger zijn dan 0,8 bar (~12 psi) om membraanbreuk te voorkomen. Voor processen zoals transversale filtratie zorgt het handhaven van dit TMP-bereik ervoor dat zowel de opbrengst als de eiwitintegriteit gewaarborgd blijven.
8.2. Hoe beïnvloedt de viscositeit van eiwitoplossingen de prestaties van ultrafiltratie?
De viscositeit van een eiwitoplossing heeft een directe invloed op de prestaties van ultrafiltratieconcentratie. Een hoge viscositeit verhoogt de stromingsweerstand en de transmembraandruk (TMP), wat resulteert in een lagere permeaatstroom en snelle membraanvervuiling. Dit effect is vooral merkbaar bij monoklonale antilichamen of Fc-fusie-eiwitten in hoge concentraties, waarbij de viscositeit toeneemt als gevolg van eiwit-eiwitinteracties en ladingseffecten. Het beheersen en optimaliseren van de viscositeit met behulp van hulpstoffen of enzymatische behandelingen verbetert de permeaatstroom, vermindert vervuiling en maakt hogere concentraties mogelijk tijdens de ultrafiltratieconcentratiefase. Het monitoren van de viscositeit van de eiwitoplossing is cruciaal voor een efficiënt proces.
8.3. Wat is concentratiepolarisatie en waarom is het belangrijk in TFF?
Concentratiepolarisatie bij ultrafiltratie is de ophoping van eiwitten aan het membraanoppervlak, waardoor een gradiënt ontstaat tussen de bulkoplossing en het membraanoppervlak. Bij transversale filtratie leidt dit tot een verhoogde lokale viscositeit en mogelijk een omkeerbare afname van de flux. Indien dit niet wordt aangepakt, kan het membraanvervuiling bevorderen en de systeemefficiëntie verminderen. Het aanpakken van concentratiepolarisatie bij ultrafiltratie vereist het optimaliseren van de dwarsstroomsnelheid, de transmembraandruk (TMP) en de membraanselectie om een dunne polarisatielaag te behouden. Nauwkeurige controle zorgt voor een hoge doorvoer en een laag risico op vervuiling.
8.4. Hoe bepaal ik wanneer ik mijn ultrafiltratiemembraan moet vervangen?
Vervang het ultrafiltratiemembraan wanneer u een duidelijke afname van de doorvoer (flux) constateert, aanhoudende stijgingen van de transmembraandruk (TMP) die niet met standaardreiniging kunnen worden verholpen, of zichtbare vervuiling die na reiniging achterblijft. Andere indicatoren zijn verlies van selectiviteit (het niet afstoten van doelproteïnen zoals verwacht) en het niet voldoen aan de prestatiespecificaties. Het monitoren van de frequentie van membraanvervanging in combinatie met regelmatige flux- en selectiviteitstests is essentieel voor het maximaliseren van de levensduur van het membraan in ultrafiltratieprocessen voor de concentratie van eiwitoplossingen.
8.5. Welke operationele parameters kan ik aanpassen om eiwitvervuiling in TFF te minimaliseren?
Belangrijke operationele parameters om eiwitvervuiling bij dwarsstroomfiltratie te minimaliseren zijn onder meer:
- Zorg voor een adequate dwarsstroomsnelheid om lokale eiwitophoping te verminderen en concentratiepolarisatie te beheersen.
- Werk binnen het aanbevolen TMP-bereik, doorgaans 3–5 psi (0,2–0,35 bar), om overmatige productlekkage en beschadiging van het membraan te voorkomen.
- Pas regelmatig reinigingsprotocollen voor membranen toe om onomkeerbare vervuiling te beperken.
- Bewaak de voedingsoplossing en behandel deze indien nodig voor om de viscositeit te beheersen (bijvoorbeeld met behulp van enzymatische behandelingen zoals pectinase).
- Selecteer membraanmaterialen en poriegroottes (MWCO) die geschikt zijn voor de beoogde eiwitgrootte en procesdoelstellingen.
Integratie van hydrocycloonvoorfiltratie of enzymatische voorbehandeling kan de systeemprestaties verbeteren, met name voor vloeistoffen met een hoge viscositeit. Houd de samenstelling van de vloeistof nauwlettend in de gaten en pas de instellingen dynamisch aan om membraanvervuiling te minimaliseren en de concentratiefase van de ultrafiltratie te optimaliseren.
Geplaatst op: 3 november 2025
