Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Det er viktig å kontrollere viskositeten til proteinløsninger for å optimalisere ultrafiltreringskonsentrasjonsprosesser i biofarmasøytisk produksjon. Forhøyet viskositet i proteinløsninger – spesielt ved høye proteinkonsentrasjoner – påvirker direkte membranytelse, prosesseffektivitet og økonomi i ultrafiltreringsproteinkonsentrasjonsapplikasjoner. Løsningens viskositet øker med proteininnholdet på grunn av antistoffklynging og elektrostatiske interaksjoner, som øker motstanden mot strømning og trykkfall over ultrafiltreringsmembranen. Dette resulterer i lavere permeatflukser og lengre driftstider, spesielt i transversal flowfiltration (TFF)-prosesser.

Transmembrantrykk (TMP), drivkraften bak ultrafiltrering, er nært knyttet til viskositet. Å operere utenfor det normale transmembrantrykkområdet akselererer membranforurensning og forverrer konsentrasjonspolarisering – oppbygging av proteiner nær membranen som kontinuerlig øker den lokale viskositeten. Både konsentrasjonspolarisering og membranforurensning resulterer i redusert ultrafiltreringsmembranytelse og kan forkorte membranens levetid hvis de ikke kontrolleres. Eksperimentelt arbeid viser at membranforurensning og konsentrasjonspolarisering i ultrafiltrering er mer uttalt ved høyere TMP-verdier og med mer viskøse tilførselsmengder, noe som gjør sanntids TMP-kontroll avgjørende for å maksimere gjennomstrømningen og minimere rengjøringsfrekvensen.

Optimalisering av ultrafiltreringskonsentrasjon krever integrerte strategier:

Måling av proteinløsningens viskositetRegelmessige viskositetsvurderinger – ved bruk avinline viskosimetere– bidra til å forutsi filtreringshastigheter og forutse flaskehalser i prosessen, noe som støtter raske prosessmodifikasjoner.
FôrkondisjoneringJustering av pH, ionestyrke og temperatur kan senke viskositeten og redusere tilsmussing. For eksempel øker tilsetning av natriumioner hydreringsfrastøtningen mellom proteiner, noe som reduserer aggregering og tilsmussing, mens kalsiumioner har en tendens til å fremme proteinbrobygging og tilsmussing.
Bruk av hjelpestofferInnlemmelse av viskositetssenkende hjelpestoffer i høykonsentrerte proteinløsninger forbedrer membranpermeabiliteten og reduserer transmembrantrykket i ultrafiltrering, noe som øker den totale effektiviteten.
Avanserte strømningsregimerØkning av kryssstrømningshastigheten, bruk av vekslende kryssstrøm eller bruk av luftstråleinjeksjon forstyrrer begroingslagene. Disse teknikkene bidrar til å opprettholde permeatstrømmen og redusere hyppigheten av membranutskifting ved å minimere avleiringsdannelse.
Membranvalg og rengjøringÅ velge kjemisk robuste membraner (f.eks. SiC eller termosalienthybrider) og optimalisere membranrengjøringsfrekvensen med passende protokoller (f.eks. natriumhypoklorittrengjøring) er avgjørende for å forlenge membranens levetid og redusere driftskostnader.

Samlet sett er effektiv viskositetskontroll og TMP-styring hjørnesteinen i vellykket ytelse i ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen, og påvirker direkte produktutbytte, membranrengjøringsfrekvens og levetiden til dyre membranressurser.

Forståelse av proteinløsningsviskositet i ultrafiltrering

1.1. Hva er viskositeten til proteinløsninger?

Viskositet beskriver en væskes motstand mot strømning; i proteinløsninger markerer den hvor mye molekylær friksjon hindrer bevegelse. SI-enheten for viskositet er Pascal-sekund (Pa·s), men centipoise (cP) brukes ofte for biologiske væsker. Viskositet påvirker direkte hvor lett proteinløsninger kan pumpes eller filtreres under produksjon og påvirker legemiddellevering, spesielt for bioterapeutiske midler med høy konsentrasjon.

Proteinkonsentrasjon er den dominerende faktoren som påvirker viskositeten. Etter hvert som proteinnivåene stiger, øker intermolekylære interaksjoner og trengsel, noe som fører til at viskositeten stiger, ofte ikke-lineært. Over en viss terskel undertrykker protein-protein-interaksjoner diffusjonen i løsningen ytterligere. For eksempel når konsentrerte monoklonale antistoffløsninger som brukes i legemidler ofte viskositetsnivåer som utfordrer subkutan injeksjon eller begrenser prosesseringshastigheter.

Modeller som predikerer viskositet i konsentrerte proteinløsninger, inkluderer nå molekylær geometri og aggregeringstendenser. Proteinmorfologi – enten den er langstrakt, kuleformet eller tilbøyelig til aggregering – påvirker viskositeten betydelig ved høye konsentrasjoner. Nylige fremskritt innen mikrofluidisk vurdering muliggjør presis viskositetsmåling fra minimale prøvevolumer, noe som letter rask screening av nye proteinformuleringer.

1.2. Hvordan viskositeten endres under ultrafiltrering

Under ultrafiltrering akkumuleres proteiner raskt ved membran-løsningsgrensesnittet på grunn av konsentrasjonspolarisering. Dette skaper bratte lokale konsentrasjonsgradienter og øker viskositeten nær membranen. Forhøyet viskositet i dette området hindrer masseoverføring og reduserer permeatfluks.

Konsentrasjonspolarisering er forskjellig fra membranforurensning. Polarisering er dynamisk og reversibel, og skjer i løpet av minutter etter hvert som filtreringen skrider frem. Til sammenligning utvikler forurensning seg over tid og involverer ofte irreversibel avsetning eller kjemisk transformasjon på membranoverflaten. Nøyaktig diagnostikk tillater sanntidssporing av konsentrasjonspolarisasjonslaget, noe som avslører dets følsomhet for kryssstrømningshastighet og transmembrantrykk. For eksempel bidrar økning av hastighet eller reduksjon av transmembrantrykk (TMP) til å forstyrre det viskøse grenselaget og gjenopprette fluksen.

Driftsparametere påvirker viskositetsoppførselen direkte:

Transmembrantrykk (TMP)Høyere TMP intensiverer polariseringen, øker den lokale viskositeten og reduserer fluksen.
KryssstrømningshastighetØkt hastighet begrenser akkumulering og modererer viskositeten nær membranen.
Hyppigheten av membranrengjøringHyppig rengjøring reduserer langsiktig oppbygging og reduserer viskositetsdrevet ytelsestap.

Ultrafiltreringskonsentrasjonsfaser må optimalisere disse parameterne for å minimere negative viskositetseffekter og opprettholde gjennomstrømningen.

1.3. Egenskaper til proteinløsninger som påvirker viskositeten

Molekylvektogkomposisjonbestemmer hovedsakelig viskositeten. Større, mer komplekse proteiner eller aggregater gir høyere viskositet på grunn av hindret bevegelse og mer betydelige intermolekylære krefter. Formen på proteiner modulerer ytterligere strømning – langstrakte eller aggregeringsutsatte kjeder forårsaker mer motstand enn kompakte globulære proteiner.

pHpåvirker proteinladning og løselighet kritisk. Justering av løsningens pH nær et proteins isoelektriske punkt minimerer nettoladning, reduserer protein-protein-frastøting og senker viskositeten midlertidig, noe som letter filtrering. For eksempel kan ultrafiltrering nær det isoelektriske punktet til BSA eller IgG markant forbedre permeatfluks og separasjonsselektivitet.

Ionisk styrkepåvirker viskositeten ved å endre det elektriske dobbeltlaget rundt proteiner. Økt ionestyrke skjermer elektrostatiske interaksjoner, noe som fremmer proteinoverføring gjennom membraner, men øker også risikoen for aggregering og tilsvarende viskositetstopper. Avveiningen mellom overføringseffektivitet og selektivitet henger ofte sammen med finjustering av saltkonsentrasjoner og buffersammensetning.

Småmolekylære tilsetningsstoffer – som argininhydroklorid eller guanidin – kan brukes til å redusere viskositeten. Disse stoffene forstyrrer hydrofobe eller elektrostatiske tiltrekninger, reduserer aggregering og forbedrer løsningens flytegenskaper. Temperatur fungerer som en ytterligere kontrollvariabel; lavere temperaturer øker viskositeten, mens ekstra varme ofte reduserer den.

Måling av viskositet i proteinløsninger bør vurdere:

Molekylvektfordelinger
Løsningssammensetning (salter, hjelpestoffer, tilsetningsstoffer)
Valg av pH og buffersystem
Innstilling av ionisk styrke

Disse faktorene er avgjørende for å optimalisere ultrafiltreringsmembranens ytelse og sikre konsistens på tvers av konsentrasjonsfaser og TFF-prosesser.

Grunnleggende om ultrafiltrering av proteinkonsentrasjon

Prinsipper for ultrafiltreringskonsentrasjonsfase

Ultrafiltrering av proteinkonsentrering skjer ved å påføre et transmembrantrykk (TMP) over en semipermeabel membran, som driver løsningsmiddel og små oppløste stoffer gjennom samtidig som proteiner og større molekyler holdes tilbake. Prosessen utnytter selektiv permeasjon basert på molekylstørrelse, der membranens molekylvektsgrense (MWCO) definerer den maksimale størrelsen på molekyler som passerer. Proteiner som overstiger MWCO akkumuleres på retentatsiden, og øker konsentrasjonen etter hvert som permeatet trekkes ut.

Ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen har som mål å redusere volum og berike proteinløsningen. Etter hvert som filtreringen skrider frem, øker viskositeten til proteinløsningen vanligvis, noe som påvirker fluks- og TMP-krav. Tilbakeholdte proteiner kan samhandle med hverandre og med membranen, noe som gjør den virkelige prosessen mer kompleks enn enkel størrelseseksklusjon. Elektrostatiske interaksjoner, proteinaggregering og løsningsegenskaper som pH og ionestyrke påvirker retensjons- og separasjonsresultater. I noen tilfeller dominerer advektiv transport over diffusjon, spesielt i membraner med større porer, noe som kompliserer forventninger basert utelukkende på MWCO-valg [se forskningssammendrag].

Forklaring av tverrstrømsfiltrering (TFF)

Tverrstrømsfiltrering, også kalt tangentiell strømningsfiltrering (TFF), leder proteinløsningen tangentielt over membranoverflaten. Denne tilnærmingen står i kontrast til blindveisfiltrering, hvor strømmen er vinkelrett på membranen og skyver partikler direkte på og inn i filteret.

Viktige forskjeller og virkninger:

Kontroll av begroing:TFF reduserer oppbyggingen av protein- og partikkellag, kjent som kakedannelse, ved kontinuerlig å fjerne potensielle forurensninger fra membranen. Dette resulterer i en mer stabil permeatstrøm og enklere vedlikehold.
Proteinretensjon:TFF støtter bedre håndtering av konsentrasjonspolarisering – et lag med tilbakeholdte molekyler nær membranen – som, hvis den ikke kontrolleres, kan redusere separasjonsselektiviteten og øke tilsmussingen. Den dynamiske flyten i TFF demper denne effekten, og bidrar til å opprettholde høy proteinretensjon og separasjonseffektivitet.
Fluksstabilitet:TFF muliggjør lengre driftsperioder med jevn strømning, noe som øker effektiviteten i prosesser med proteinrike eller partikkelrike råvarer. Blindveisfiltrering, derimot, hindres raskt av tilsmussing, noe som reduserer gjennomstrømningen og krever hyppige rengjøringsinngrep.

Avanserte TFF-varianter, som alternerende tangensiell strømning (ATF), forstyrrer ytterligere tilsmussing og kakedannelse ved periodisk å reversere eller variere tangensielle hastigheter, noe som forlenger filterets levetid og forbedrer proteingjennomstrømningen [se forskningssammendrag]. I både klassiske og avanserte TFF-oppsett må driftsinnstillinger – som TMP, kryssstrømningshastighet og rengjøringsfrekvens – skreddersys til det spesifikke proteinsystemet, membrantypen og målkonsentrasjonen for å optimalisere ytelsen og minimere tilsmussing.

Transmembrantrykk (TMP) i ultrafiltrering

3.1. Hva er transmembrantrykk?

Transmembrantrykk (TMP) er trykkforskjellen over en filtreringsmembran, som driver løsningsmiddel fra matesiden mot permeatsiden. TMP er hovedkraften bak separasjonsprosessen i ultrafiltrering, som lar løsningsmiddel passere gjennom membranen samtidig som proteiner og andre makromolekyler holdes tilbake.

TMP-formel:

Enkel forskjell: TMP = P_feed − P_permeat
Ingeniørmetode: TMP = [(P_tilførsel + P_retentat)/2] − P_permeat
Her er P_feed innløpstrykket, P_retentate er utløpstrykket på retentatsiden, og P_permeate er permeattrykket. Å inkludere retentattrykket (eller konsentrattrykket) gir en mer nøyaktig verdi langs membranoverflaten, og tar hensyn til trykkgradienter forårsaket av strømningsmotstand og tilsmussing.
Matetrykk og strømningshastighet
Retenteringstrykk (hvis aktuelt)
Permeattrykk (ofte atmosfærisk)
Membranmotstand
TMP varierer etter membrantype, systemdesign og prosessforhold.

Kontrollerende variabler:

3.2. TMP og ultrafiltreringsprosessen

TMP spiller en sentral rolle i proteinkonsentrasjonen i ultrafiltrering, og driver proteinløsninger gjennom membranen. Trykket må være høyt nok til å overvinne motstanden fra membranen og eventuelt akkumulert materiale, men ikke så høyt at det akselererer tilsmussing.

Påvirkning av løsningsviskositet og proteinkonsentrasjon

Viskositet av proteinløsninger:Høyere viskositet øker strømningsmotstanden, noe som krever en høyere TMP for å opprettholde samme permeatfluks. For eksempel øker tilsetning av glyserol til tilførselen eller drift med konsentrerte proteiner viskositeten og dermed den nødvendige operasjonelle TMP-en.
Proteinkonsentrasjon:Etter hvert som konsentrasjonen øker i løpet av ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen, øker løsningens viskositet, TMP øker, og risikoen for membranforurensning eller konsentrasjonspolarisering øker.
Darcys lov:TMP, permeatfluks (J) og viskositet (μ) er relatert via TMP = J × μ × R_m (membranresistens). For proteinløsninger med høy viskositet er nøye justering av TMP avgjørende for effektiv ultrafiltrering.

Eksempler:

Ultrafiltrering av tette antistoffløsninger krever nøye TMP-håndtering for å motvirke økende viskositet.
PEGylering eller andre proteinmodifikasjoner endrer interaksjonen med membranen, og påvirker TMP som kreves for ønsket fluks.

3.3. Overvåking og optimalisering av TMP

Opprettholde TMP innenfornormalt transmembrantrykkområdeer avgjørende for stabil ytelse og produktkvalitet hos ultrafiltreringsmembraner. Over tid, etter hvert som ultrafiltreringen utvikler seg, kan konsentrasjonspolarisering og tilsmussing føre til at TMP øker, noen ganger raskt.

Overvåkingspraksis:

Sanntidsovervåking:TMP spores via innløp, retentat og permeattrykktransmittere.
Raman-spektroskopi:Brukes til ikke-invasiv overvåking av protein- og hjelpestoffkonsentrasjoner, noe som letter adaptiv TMP-kontroll under ultrafiltrering og diafiltrering.
Avansert kontroll:Utvidede Kalman-filtre (EKF) kan behandle sensordata og automatisk justere TMP for å unngå overdreven tilsmussing.
Sett innledende TMP innenfor normalt område:Ikke for lav for å redusere fluks, ikke for høy for å unngå rask tilsmussing.
Juster TMP etter hvert som viskositeten øker:I løpet av ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen, øk TMP trinnvis kun etter behov.
Kontroll av fôrfluks og pH:Økning av fôrfluks eller senking av TMP reduserer konsentrasjonspolarisering og tilsmussing.
Rengjøring og utskifting av membran:Høyere TMP-verdier er assosiert med hyppigere rengjøring og redusert membranlevetid.

Optimaliseringsstrategier:

Eksempler:

Korrosjonsforurensning i proteinprosesseringslinjer fører til økt TMP og redusert fluks, noe som krever rengjøring eller utskifting av membranen for å gjenopprette normal drift.
Enzymatisk forbehandling (f.eks. tilsetning av pektinase) kan senke TMP og forlenge membranens levetid under ultrafiltrering av rapsprotein med høy viskositet.

3.4. TMP i TFF-systemer

Tangensiell (tverrgående) strømningsfiltrering (TFF) fungerer ved å kanalisere tilførselsløsningen over membranen i stedet for direkte gjennom den, noe som påvirker TMP-dynamikken betydelig.

Regulering og balanse av TMP

TFF-transmembrantrykk (TFF TMP):Styres ved å kontrollere både matestrømningshastigheten og pumpetrykket for å unngå for høy TMP samtidig som permeatfluksen maksimeres.
Optimalisering av parametere:Økende fôrstrøm reduserer lokal avsetning av proteiner, stabiliserer TMP og reduserer membranforurensning.
Beregningsmodellering:CFD-modeller forutsier og optimaliserer TFF TMP for maksimal produktutvinning, renhet og utbytte – spesielt viktig for prosesser som mRNA eller isolering av ekstracellulær vesikkel.

Eksempler:

I bioprosessering gir optimal TFF TMP >70 % mRNA-utvinning uten nedbrytning, noe som overgår ultrasentrifugeringsmetoder.
Adaptiv TMP-kontroll, informert av matematiske modeller og sensortilbakemeldinger, reduserer hyppigheten av membranutskifting og forbedrer membranens levetid ved å redusere tilsmussing.

Viktige konklusjoner:

TMP-transmembrantrykket må styres aktivt i TFF for å opprettholde prosesseffektivitet, fluks og membranhelse.
Systematisk TMP-optimalisering senker driftskostnadene, støtter produktgjenvinning med høy renhet og forlenger membranens levetid i proteinultrafiltrering og relaterte prosesser.

Overvåk og mål høye proteinkonsentrasjoner

Tilsmussingsmekanismer og deres forhold til viskositet

De viktigste tilsmussingsveiene i proteinultrafiltrering

Proteinultrafiltrering påvirkes av flere forskjellige tilsmussingsveier:

Korrosjonsbegroing:Oppstår når korrosjonsprodukter – vanligvis jernoksider – samler seg på membranoverflater. Disse reduserer fluks og er vanskelige å fjerne med vanlige kjemiske rengjøringsmidler. Korrosjonsforurensning fører til vedvarende tap av membranens ytelse og øker hyppigheten av membranutskiftninger over tid. Virkningen er spesielt alvorlig med PVDF- og PES-membraner som brukes i vannbehandling og proteinapplikasjoner.

Organisk begroing:Hovedsakelig indusert av proteiner som bovint serumalbumin (BSA), og kan intensiveres i nærvær av andre organiske stoffer som polysakkarider (f.eks. natriumalginat). Mekanismene inkluderer adsorpsjon til membranporer, poretetting og dannelse av et kakelag. Synergistiske effekter oppstår når flere organiske komponenter er tilstede, der systemer med blandet tilsmussing opplever mer alvorlig tilsmussing enn fôr med ett enkelt protein.

Konsentrasjonspolarisering:Etter hvert som ultrafiltreringen utvikler seg, akkumuleres tilbakeholdte proteiner nær membranoverflaten, noe som øker den lokale konsentrasjonen og viskositeten. Dette skaper et polarisasjonslag som øker tilsmussingstilbøyeligheten og reduserer fluks. Prosessen akselererer etter hvert som ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen utvikler seg, direkte påvirket av transmembrantrykk og strømningsdynamikk.

Kolloidalt og blandet begroing:Kolloidalt materiale (f.eks. silika, uorganiske mineraler) kan samhandle med proteiner og skape komplekse aggregatlag som forverrer membranforurensning. Tilstedeværelsen av kolloidalt silika reduserer for eksempel strømningshastighetene markant, spesielt når det kombineres med organisk materiale eller under suboptimale pH-forhold.

Innflytelse av løsningens viskositet på utvikling av begroing

Viskositeten til proteinløsninger påvirker tilsmussingskinetikken og membrankomprimeringen sterkt:

Akselerert begroing:Høyere viskositet i proteinløsninger øker motstanden mot tilbaketransport av tilbakeholdte løsede stoffer, noe som muliggjør raskere dannelse av kakelag. Dette forsterker transmembrantrykket (TMP), noe som fremskynder membrankomprimering og tilsmussing.

Effekter av løsningssammensetning:Proteintype endrer viskositet; globulære proteiner (f.eks. BSA) og utvidede proteiner oppfører seg forskjellig når det gjelder strømning og polarisering. Tilsetning av forbindelser som polysakkarider eller glyserol øker viskositeten betydelig, noe som fremmer tilsmussing. Tilsetningsstoffer og proteinaggregering ved høye konsentrasjoner intensiverer ytterligere hastigheten som membraner tetter seg med, noe som direkte reduserer både strømning og membranens levetid.

Operasjonelle konsekvenser:Høyere viskositet krever økt TMP for å opprettholde filtreringshastigheter i transversale strømningsfiltreringsprosesser. Langvarig eksponering for høy TMP øker irreversibel tilsmussing, noe som ofte nødvendiggjør hyppigere membranrengjøring eller tidligere membranutskifting.

Rollen til fôrkarakteristikker

Fôrets egenskaper – nemlig proteinegenskaper og vannkjemi – bestemmer alvorlighetsgraden av tilsmussing:

Proteinstørrelse og -fordeling:Større eller aggregerte proteiner har en større tendens til å forårsake poreblokkering og kakeoppbygging, noe som øker viskositeten og komprimeringstendensene under ultrafiltreringsproteinkonsentrasjon.

pH:Forhøyet pH øker elektrostatisk frastøting, noe som hindrer proteiner i å aggregere nær membranen, og dermed reduserer tilsmussing. I motsetning til dette reduserer sure forhold frastøting, spesielt for kolloidal silika, noe som forverrer membrantilsmussing og reduserer flukshastigheter.

Temperatur:Lavere prosesstemperaturer reduserer generelt kinetisk energi, noe som kan redusere tilsmussingshastigheten, men også øke løsningens viskositet. Høye temperaturer akselererer tilsmussing, men kan også forbedre rengjøringseffektiviteten.

Kolloidalt/uorganisk materiale:Tilstedeværelsen av kolloidal silika eller metaller forsterker tilsmussing, spesielt under sure forhold. Silikapartikler øker den totale løsningens viskositet og tetter fysisk porene, noe som gjør ultrafiltreringskonsentrasjonen mindre effektiv og reduserer den totale membranens levetid og ytelse.

Ionisk sammensetning:Tilsetning av visse ioniske forbindelser (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) kan redusere tilsmussing ved å modifisere elektrostatiske krefter og hydreringskrefter mellom proteiner og membraner. Imidlertid fremmer ioner som Ca²⁺ ofte aggregering og øker potensialet for tilsmussing.

Eksempler:

Under tverrstrømsfiltrering vil et fôr rikt på proteiner med høy molekylvekt og forhøyet viskositet oppleve rask nedgang i strømningen, noe som øker rengjørings- og utskiftingsrutinene.
Når matevannet inneholder kolloidal silika og er surgjort, intensiveres silika-aggregering og -avsetning, noe som øker tilsmussingshastigheten betraktelig og reduserer membranens ytelse.

Oppsummert er det viktig å forstå samspillet mellom løsningens viskositet, tilsmussingstyper og tilførselsegenskaper for å optimalisere ultrafiltreringskonsentrasjonen, redusere membrantilsmussing og maksimere membranens levetid.

Konsentrasjonspolarisering og håndtering av den

Hva er konsentrasjonspolarisering?

Konsentrasjonspolarisering er den lokaliserte akkumuleringen av tilbakeholdte løsemidler – som proteiner – ved membran/løsningsgrensesnittet under ultrafiltrering. I forbindelse med proteinløsninger, når væske strømmer mot den semipermeable membranen, har proteiner som avvises av membranen en tendens til å hope seg opp i et tynt grensesjikt ved siden av overflaten. Denne oppbyggingen resulterer i en bratt konsentrasjonsgradient: høy proteinkonsentrasjon rett ved membranen, mye lavere i bulkløsningen. Fenomenet er reversibelt og styres av hydrodynamiske krefter. Det står i kontrast til membranforurensning, som innebærer mer permanent avsetning eller adsorpsjon inne i eller på membranen.

Hvordan konsentrasjonspolarisering forverrer viskositet og tilsmussing

På membranoverflaten danner den kontinuerlige akkumuleringen av proteiner et grensesjikt som øker den lokale konsentrasjonen av løsemidler. Dette har to betydelige effekter:

Lokal økning i viskositet:Etter hvert som proteinkonsentrasjonen stiger nær membranen, øker også viskositeten til proteinløsningen i denne mikroregionen. Forhøyet viskositet hindrer tilbaketransporten av løst stoff bort fra membranen, noe som ytterligere bratter konsentrasjonsgradienten og skaper en tilbakekoblingssløyfe med økende motstand mot strømning. Dette resulterer i redusert permeatfluks og et høyere energibehov for fortsatt filtrering.

Tilrettelegging av membranforurensning:Høy proteinkonsentrasjon nær membranen øker sannsynligheten for proteinaggregering og, i noen systemer, dannelse av et gellag. Dette laget tetter membranporene og forsterker ytterligere motstanden mot strømning. Slike forhold er modne for utbruddet av irreversibel tilsmussing, der proteinaggregater og urenheter binder seg fysisk eller kjemisk til membranmatrisen.

Eksperimentell avbildning (f.eks. elektronmikroskopi) bekrefter rask agglomerasjon av nanostørrelsesproteinklynger ved membranen, som kan vokse til betydelige avleiringer hvis driftsforholdene ikke håndteres riktig.

Strategier for å minimere konsentrasjonspolarisering

Håndtering av konsentrasjonspolarisering i ultrafiltreringsproteinkonsentrasjon eller tverrstrømsfiltrering krever en dobbel tilnærming: justering av hydrodynamikk og finjustering av driftsparametere.

Optimalisering av kryssstrømningshastighet:
Økning av tverrstrømningshastigheten øker den tangentielle strømningen over membranen, noe som fremmer skjæring og tynner ut konsentrasjonsgrenselaget. Kraftigere skjæring feier akkumulerte proteiner av membranoverflaten, noe som reduserer både polarisering og risikoen for tilsmussing. For eksempel forstyrrer bruk av statiske blandere eller innføring av gasssparging det oppløste stofflaget, noe som forbedrer permeatfluksen og effektiviteten i den tverrstrømningsfiltreringsprosessen.

Endring av driftsparametere:

Transmembrantrykk (TMP):TMP er trykkforskjellen over membranen og drivkraften for ultrafiltrering. Å øke TMP for å akselerere filtreringen kan imidlertid slå tilbake ved å intensivere konsentrasjonspolariseringen. Å overholde det normale transmembrane trykkområdet – å ikke overskride grensene som er satt for proteinultrafiltrering – bidrar til å forhindre overdreven opphopning av løsemidler og den tilhørende økningen i lokal viskositet.

Skjærhastighet:Skjærhastighet, en funksjon av kryssstrømningshastighet og kanaldesign, spiller en sentral rolle i dynamikken til transport av løsemidler. Høy skjærhastighet holder polarisasjonslaget tynt og mobilt, noe som tillater hyppig fornyelse av det løsemiddelutarmede området nær membranen. Økende skjærhastighet reduserer tiden proteiner har for å akkumulere og minimerer viskositetsøkning ved grenseflaten.

Feedegenskaper:Justering av egenskapene til den innkommende proteinløsningen – som å senke viskositeten til proteinløsningen, redusere aggregatinnholdet eller kontrollere pH og ionestyrke – kan bidra til å redusere omfanget og virkningen av konsentrasjonspolarisering. Forbehandling av fôr og endringer i formuleringen kan forbedre ultrafiltreringsmembranens ytelse og forlenge membranens levetid ved å redusere hyppigheten av membranrengjøring.

Eksempel på bruk:
Et anlegg som bruker tangentiell strømningsfiltrering (TFF) for å konsentrere monoklonale antistoffer, anvender nøye optimaliserte kryssstrømningshastigheter og opprettholder TMP innenfor et strengt vindu. Ved å gjøre dette minimerer operatørene konsentrasjonspolarisering og membranforurensning, noe som reduserer både membranutskiftningsfrekvensen og rengjøringssyklusene – noe som direkte senker driftskostnadene og forbedrer produktutbyttet.

Passende justering og overvåking av disse variablene – inkludert måling av viskositet i proteinløsninger i sanntid – er grunnleggende for å optimalisere ultrafiltreringskonsentrasjonsytelsen og redusere bivirkninger knyttet til konsentrasjonspolarisering i proteinprosessering.

Optimalisering av ultrafiltrering for proteinløsninger med høy viskositet

6.1. Beste praksis for drift

Å opprettholde optimal ultrafiltreringsytelse med proteinløsninger med høy viskositet krever en delikat balanse mellom transmembrantrykk (TMP), proteinkonsentrasjon og løsningens viskositet. TMP – forskjellen i trykk over membranen – påvirker direkte ultrafiltreringsproteinkonsentrasjonshastigheten og graden av membranforurensning. Ved behandling av viskøse løsninger som monoklonale antistoffer eller serumproteiner med høy konsentrasjon, kan enhver overdreven økning i TMP i utgangspunktet øke fluksen, men den akselererer også raskt forurensning og proteinopphopning på membranoverflaten. Dette fører til en kompromittert og ustabil filtreringsprosess, bekreftet av bildestudier som viser tette proteinlag som dannes ved forhøyede TMP- og proteinkonsentrasjoner over 200 mg/ml.

Den optimale tilnærmingen innebærer å kjøre systemet nær, men ikke over, den kritiske TMP-en. På dette tidspunktet er produktiviteten maksimert, men risikoen for irreversibel tilsmussing forblir minimal. For svært høye viskositeter tyder nyere funn på å redusere TMP og samtidig øke matestrømmen (tverrgående strømningsfiltrering) for å bidra til å redusere konsentrasjonspolarisering og proteinavsetning. For eksempel viser studier av Fc-fusjonsproteinkonsentrasjon at lavere TMP-innstillinger bidrar til å opprettholde stabil fluks samtidig som produkttap reduseres.

En gradvis og metodisk økning i proteinkonsentrasjonen under ultrafiltrering er avgjørende. Brå konsentrasjonstrinn kan tvinge løsningen inn i et høyviskositetsregime for raskt, noe som øker både aggregeringsrisikoen og alvorlighetsgraden av tilsmussing. I stedet tillater trinnvis økning av proteinnivåene at prosessparametere som TMP, kryssstrømningshastighet og pH justeres parallelt, noe som bidrar til å opprettholde systemstabilitet. Casestudier av enzym-ultrafiltrering bekrefter at det å opprettholde lavere driftstrykk i disse fasene sikrer en kontrollert økning i konsentrasjon, noe som minimerer fluksnedgangen samtidig som produktets integritet beskyttes.

6.2. Hyppighet og vedlikehold av membranutskifting

Hyppigheten av membranutskifting i ultrafiltrering er tett knyttet til indikatorer på tilsmussing og synkende fluks. I stedet for å utelukkende stole på relativ fluksnedgang som en indikator på slutten av levetiden, har overvåking av den spesifikke tilsmussingsmotstanden – et kvantitativt mål som representerer motstanden som påføres av akkumulert materiale – vist seg å være mer pålitelig, spesielt i blandede protein- eller protein-polysakkarid-fôr, hvor tilsmussing kan forekomme raskere og mer alvorlig.

Overvåking av ytterligere indikatorer på tilsmussing er også kritisk. Synlige tegn på overflateavsetning, ujevn permeatstrøm eller vedvarende økning i TMP (til tross for rengjøring) er alle varselsignaler om avansert tilsmussing som går forut for membransvikt. Teknikker som å spore den modifiserte tilsmussingsindeksen (MFI-UF) og korrelere den med membranytelse muliggjør prediktiv planlegging av utskifting i stedet for reaktive endringer, og dermed minimeres nedetid og vedlikeholdskostnader kontrolleres.

Membranintegriteten kompromitteres ikke bare av opphopning av organisk forurensning, men også av korrosjon, spesielt i prosesser som kjører ved ekstrem pH eller med høye saltkonsentrasjoner. Regelmessige inspeksjoner og kjemiske rengjøringsrutiner bør iverksettes for å håndtere både korrosjon og forurensningsavsetning. Når korrosjonsrelatert forurensning observeres, må membranrengjøringsfrekvensen og utskiftingsintervallene justeres for å sikre langvarig membranlevetid og konsistent ultrafiltreringsmembranytelse. Grundig, planlagt vedlikehold er avgjørende for å redusere virkningen av disse problemene og forlenge effektiv drift.

6.3. Proseskontroll og måling av viskositet i linjen

Nøyaktig måling av viskositeten til proteinløsninger i sanntid er avgjørende for prosesskontroll i ultrafiltrering, spesielt når konsentrasjoner og viskositeter øker. Inline-viskositetsmålesystemer gir kontinuerlig overvåking, noe som gir umiddelbar tilbakemelding og muliggjør dynamiske justeringer av systemparametere.

Nye teknologier har forvandlet landskapet for måling av viskositet i proteinløsninger:

Ramanspektroskopi med Kalman-filtreringRaman-analyse i sanntid, støttet av utvidede Kalman-filtre, muliggjør robust sporing av proteinkonsentrasjon og buffersammensetning. Denne tilnærmingen øker følsomheten og nøyaktigheten, og støtter prosessautomatisering for ultrafiltreringskonsentrasjon og diafiltrering.

Automatisert kinematisk kapillærviskometriVed hjelp av datasyn måler denne teknologien automatisk løsningens viskositet, overvinner manuelle feil og tilbyr repeterbar, multiplekset overvåking på tvers av flere prosessstrømmer. Den er validert for både standard og komplekse proteinformuleringer og reduserer behovet for intervensjon under ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen.

Mikrofluidiske reologienheterMikrofluidiske systemer leverer detaljerte, kontinuerlige reologiske profiler, selv for ikke-newtonske proteinløsninger med høy viskositet. Disse er spesielt verdifulle i farmasøytisk produksjon, og støtter prosessanalytisk teknologi (PAT)-strategier og integrering med tilbakekoblingsløkker.

Proseskontroll ved bruk av disse verktøyene muliggjør implementering av tilbakekoblingsløkker for sanntidsjustering av TMP, matehastighet eller kryssstrømningshastighet som respons på viskositetsendringer. Hvis for eksempel inline-sensing oppdager en plutselig økning i viskositet (på grunn av konsentrasjonsøkning eller aggregering), kan TMP automatisk reduseres eller kryssstrømningshastigheten økes for å begrense starten på konsentrasjonspolarisering i ultrafiltrering. Denne tilnærmingen forlenger ikke bare membranens levetid, men støtter også konsistent produktkvalitet ved å håndtere faktorene som påvirker viskositeten til proteinløsninger dynamisk.

Valg av den mest passende viskositetsovervåkingsteknologien avhenger av de spesifikke kravene til ultrafiltreringsapplikasjonen, inkludert forventet viskositetsområde, proteinformuleringskompleksitet, integrasjonsbehov og kostnader. Disse fremskrittene innen sanntidsovervåking og dynamisk prosesskontroll har forbedret muligheten til å optimalisere ultrafiltrering for proteinløsninger med høy viskositet betydelig, noe som sikrer både driftsstabilitet og høyt produktutbytte.

Feilsøking og vanlige problemer i proteinultrafiltrering

7.1. Symptomer, årsaker og løsninger

Økt transmembrantrykk

En økning i transmembrantrykk (TMP) under ultrafiltrering indikerer økende motstand over membranen. Effektene av transmembrantrykk på ultrafiltrering er direkte: det normale transmembrantrykkområdet er vanligvis prosessavhengig, men vedvarende økninger fortjener undersøkelse. To vanlige årsaker skiller seg ut:

Høyere viskositet av proteinløsning:Etter hvert som viskositeten til proteinløsninger øker – vanligvis ved høy ultrafiltreringsproteinkonsentrasjon – øker trykket som trengs for strømning. Dette er uttalt i sluttkonsentrasjons- og diafiltreringstrinnene der løsningene er mest viskøse.
Membranforurensning:Tilsmussinger som proteinaggregater eller polysakkarid-proteinblandinger kan feste seg til eller blokkere membranporer, noe som resulterer i en rask TMP-topping.

Rettsmidler:

Senk TMP og øk fôrfluksenÅ redusere TMP samtidig som matehastigheten økes, reduserer konsentrasjonspolarisering og dannelse av gellag, noe som fremmer stabil fluks.
Regelmessig rengjøring av membranenEtabler en optimal frekvens for rengjøring av membranen for å fjerne oppsamlet smuss. Overvåk effektiviteten via viskositetsmåling av proteinløsningen etter rengjøring.
Bytt ut aldrende membranerØkt membranutskiftningsfrekvens kan være nødvendig hvis rengjøringen er utilstrekkelig eller membranens levetid er nådd.

Synkende fluksrate: Diagnostisk tre

En jevn reduksjon i fluks i løpet av ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen tyder på produktivitetsproblemer. Følg denne diagnostiske tilnærmingen:

Overvåk TMP og viskositet:Hvis begge har økt, sjekk for tilsmussing eller tilstedeværelse av gellag.
Kontroller fôrsammensetningen og pH-verdien:Endringer her kan endre viskositeten til proteinløsninger og fremme tilsmussing.
Vurder membranens ytelse:Reduksjon i permeatfluks til tross for rengjøring signaliserer mulig membranskade eller irreversibel tilsmussing.

Løsninger:

Optimaliser temperatur, pH og ionestyrke i fôret for å redusere tilsmussing og konsentrasjonspolarisering i ultrafiltrering.
Bruk overflatemodifiserte eller roterende membranmoduler for å forstyrre gellagene og gjenopprette fluks.
Utfør rutinemessig viskositetsmåling av proteinløsninger for å forutse endringer som påvirker strømningen.

Rask tilsmussing eller dannelse av gellag

Rask dannelse av gellag skyldes overdreven konsentrasjonspolarisering på membranoverflaten. Transmembrantrykk ved tverrstrømsfiltrering (TFF) er spesielt følsomt under forhold med høy viskositet eller høyt proteininnhold.

Avbøtende strategier:

Påfør hydrofile, negativt ladede membranoverflater (f.eks. polyvinylidenfluorid [PVDF]-membraner) for å minimere proteinbinding og -feste.
Forbehandle fôret med koagulering eller elektrokoagulasjon for å fjerne sterkt tilsmussende stoffer før ultrafiltrering.
Integrer mekaniske innretninger som roterende moduler i den tverrgående strømningsfiltreringsprosessen for å redusere tykkelsen på kakelaget og forsinke dannelsen av gellaget.

7.2. Justering til fôrvariabilitet

Protein-ultrafiltreringssystemer må tilpasse seg variasjon i fôrproteinets egenskaper eller sammensetning. Faktorer som påvirker viskositeten til proteinløsninger – som buffersammensetning, proteinkonsentrasjon og aggregeringstendens – kan endre systemets oppførsel.

Responsstrategier

Viskositets- og sammensetningsovervåking i sanntid:Bruk innebygde analytiske sensorer (Raman-spektroskopi + Kalman-filtrering) for rask deteksjon av endringer i fôret, og overgå eldre UV- eller IR-metoder.
Adaptiv prosesskontroll:Juster parameterinnstillingene (strømningshastighet, TMP, membranvalg) som respons på oppdagede endringer. For eksempel kan økt viskositet i proteinløsningen kreve lavere TMP og høye skjærhastigheter.
Membranvalg:Bruk membraner med porestørrelse og overflatekjemi som er optimalisert for gjeldende fôregenskaper, og balanserer proteinretensjon og -fluks.
Forbehandling av fôr:Hvis plutselige endringer i fôrets natur fremmer tilsmussing, introduser koagulasjons- eller filtreringstrinn oppstrøms for ultrafiltrering.

Eksempler:

I bioprosessering bør bufferbrytere eller endringer i antistoffaggregater utløse TMP- og strømningsjusteringer via kontrollsystemet.
For kromatografikoblet ultrafiltrering kan adaptive blandings-heltallsoptimaliseringsalgoritmer minimere variasjon og redusere driftskostnader, samtidig som ultrafiltreringsmembranens ytelse opprettholdes.

Rutinemessig sporing av viskositetsmåling av proteinløsninger og umiddelbar justering av prosessforhold bidrar til å optimalisere ultrafiltreringskonsentrasjonen, opprettholde gjennomstrømningen og minimere membranforurensning og konsentrasjonspolarisering.

Ofte stilte spørsmål

8.1. Hva er normalområdet for transmembrantrykk ved ultrafiltrering av proteinløsninger?

Det normale transmembrantrykkområdet (TMP) i ultrafiltreringssystemer for proteinkonsentrasjon avhenger av membrantype, moduldesign og tilførselsegenskaper. For de fleste protein-ultrafiltreringsprosesser holdes TMP vanligvis mellom 1 og 3 bar (15–45 psi). TMP-verdier over 0,2 MPa (ca. 29 psi) kan risikere membranskade, rask tilsmussing og forkortet membranlevetid. I biomedisinske og bioprosesseringsapplikasjoner bør anbefalt TMP vanligvis ikke overstige 0,8 bar (~12 psi) for å unngå membranbrudd. For prosesser som tverrstrømsfiltrering sikrer det å holde seg innenfor dette TMP-området både utbytte og proteinintegritet.

8.2. Hvordan påvirker viskositeten til proteinløsninger ultrafiltreringsytelsen?

Viskositeten til proteinløsningen påvirker direkte ytelsen til ultrafiltreringskonsentrasjonen. Høy viskositet øker strømningsmotstanden og hever TMP, noe som resulterer i redusert permeatfluks og rask membranforurensning. Denne effekten er uttalt med monoklonale antistoffer eller Fc-fusjonsproteiner ved høy konsentrasjon, hvor viskositeten øker på grunn av protein-protein-interaksjoner og ladningseffekter. Håndtering og optimalisering av viskositet med hjelpestoffer eller enzymatiske behandlinger forbedrer fluksen, reduserer forurensning og tillater høyere oppnåelige konsentrasjoner under ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen. Overvåking av viskositetsmåling av proteinløsningen er avgjørende for å opprettholde effektiv prosessering.

8.3. Hva er konsentrasjonspolarisering og hvorfor er det viktig i TFF?

Konsentrasjonspolarisering i ultrafiltrering er akkumulering av proteiner på membranoverflaten, noe som forårsaker en gradient mellom bulkløsningen og membrangrensesnittet. Ved tverrstrømsfiltrering fører dette til økt lokal viskositet og potensielt reversibel strømningsnedgang. Hvis det ikke håndteres, kan det fremme membranforurensning og redusere systemeffektiviteten. Å håndtere konsentrasjonspolarisering i ultrafiltrering innebærer å optimalisere tverrstrømningshastigheter, TMP og membranvalg for å opprettholde et tynt polarisasjonslag. Nøyaktig kontroll holder gjennomstrømningen høy og risikoen for forurensning lav.

8.4. Hvordan bestemmer jeg når jeg skal bytte ut ultrafiltreringsmembranen min?

Skift ut ultrafiltreringsmembranen når du observerer en markant nedgang i gjennomstrømning (flux), vedvarende økninger i TMP som standard rengjøring ikke kan løse, eller synlig tilsmussing som gjenstår etter rengjøring. Ytterligere indikatorer inkluderer tap av selektivitet (manglende avvisning av målproteiner som forventet) og manglende evne til å nå ytelsesspesifikasjoner. Overvåking av membranutskiftningsfrekvens med regelmessig flux- og selektivitetstesting er grunnlaget for å maksimere membranens levetid i ultrafiltreringskonsentrasjonsprosesser for proteinløsninger.

8.5. Hvilke driftsparametere kan jeg justere for å minimere proteinforurensning i TFF?

Viktige driftsparametere for å minimere proteinforurensning i tverrstrømsfiltrering inkluderer:

Oppretthold tilstrekkelig kryssstrømningshastighet for å redusere lokal proteinoppbygging og håndtere konsentrasjonspolarisering.
Bruk innenfor det anbefalte TMP-området, vanligvis 3–5 psi (0,2–0,35 bar), for å forhindre overdreven produktlekkasje og membranskade.
Bruk regelmessige protokoller for rengjøring av membraner for å begrense irreversibel tilsmussing.
Overvåk og forbehandle om nødvendig tilførselsløsningen for å kontrollere viskositeten (for eksempel ved bruk av enzymatiske behandlinger som pektinase).
Velg membranmaterialer og porestørrelser (MWCO) som er egnet for målproteinstørrelse og prosessmål.

Integrering av hydrosyklonforfiltrering eller enzymatisk forbehandling kan forbedre systemytelsen, spesielt for høyviskøse fôr. Følg nøye med på fôrsammensetningen og juster innstillingene dynamisk for å minimere membranforurensning og optimalisere ultrafiltreringskonsentrasjonsfasen.