Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Kontrola lepkości roztworów białek ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji procesów ultrafiltracji w produkcji biofarmaceutycznej. Podwyższona lepkość roztworów białek – szczególnie przy wysokich stężeniach białka – bezpośrednio wpływa na wydajność membrany, efektywność procesu i ekonomikę w zastosowaniach ultrafiltracji z zagęszczaniem białek. Lepkość roztworu rośnie wraz z zawartością białka ze względu na skupiska przeciwciał i oddziaływania elektrostatyczne, które zwiększają opór przepływu i spadek ciśnienia na membranie ultrafiltracyjnej. Skutkuje to niższymi strumieniami permeatu i dłuższym czasem pracy, szczególnie w procesach filtracji z przepływem poprzecznym (TFF).

Ciśnienie transbłonowe (TMP), siła napędowa ultrafiltracji, jest ściśle związana z lepkością. Praca poza normalnym zakresem ciśnienia transbłonowego przyspiesza zanieczyszczanie membrany i nasila polaryzację stężeniową – nagromadzenie białek w pobliżu membrany, które stale zwiększa lokalną lepkość. Zarówno polaryzacja stężeniowa, jak i zanieczyszczanie membrany prowadzą do obniżenia wydajności membrany ultrafiltracyjnej i mogą skrócić jej żywotność, jeśli nie zostaną odpowiednio kontrolowane. Badania eksperymentalne pokazują, że zanieczyszczanie membrany i polaryzacja stężeniowa w ultrafiltracji są wyraźniejsze przy wyższych wartościach TMP i przy bardziej lepkich materiałach zasilających, co sprawia, że kontrola TMP w czasie rzeczywistym jest niezbędna do maksymalizacji przepustowości i minimalizacji częstotliwości czyszczenia.

Optymalizacja stężenia ultrafiltracji wymaga zintegrowanych strategii:

Pomiar lepkości roztworu białka:Regularne oceny lepkości — przy użyciuwiskozymetry liniowe—pomagają przewidywać wskaźniki filtracji i przewidywać wąskie gardła w procesie, wspierając szybkie modyfikacje procesu.
Kondycjonowanie paszyRegulacja pH, siły jonowej i temperatury może obniżyć lepkość i ograniczyć osadzanie się zanieczyszczeń. Na przykład, dodanie jonów sodu wzmacnia odpychanie hydratacyjne między białkami, ograniczając agregację i osadzanie się zanieczyszczeń, podczas gdy jony wapnia sprzyjają tworzeniu się mostków białkowych i powstawaniu zanieczyszczeń.
Stosowanie substancji pomocniczych:Dodanie substancji pomocniczych obniżających lepkość do wysoce skoncentrowanych roztworów białka poprawia przepuszczalność błony i obniża ciśnienie transbłonowe podczas ultrafiltracji, zwiększając ogólną wydajność.
Zaawansowane reżimy przepływu: Zwiększenie prędkości przepływu krzyżowego, zastosowanie naprzemiennego przepływu krzyżowego lub wtrysk strumienia powietrza rozbija warstwy zanieczyszczeń. Techniki te pomagają utrzymać strumień permeatu i zmniejszyć częstotliwość wymiany membrany poprzez minimalizację tworzenia się osadów.
Dobór i czyszczenie membrany:Wybór membran odpornych chemicznie (np. SiC lub hybryd termosalitowych) i optymalizacja częstotliwości czyszczenia membrany przy użyciu odpowiednich protokołów (np. czyszczenie podchlorynem sodu) mają kluczowe znaczenie dla wydłużenia żywotności membrany i obniżenia kosztów operacyjnych.

Ogólnie rzecz biorąc, skuteczna kontrola lepkości i zarządzanie TMP stanowią podstawę udanej wydajności fazy zagęszczania ultrafiltracji, bezpośrednio wpływając na wydajność produktu, częstotliwość czyszczenia membrany i trwałość kosztownych elementów membranowych.

Zrozumienie lepkości roztworów białkowych w ultrafiltracji

1.1. Jaka jest lepkość roztworów białek?

Lepkość opisuje opór cieczy przed przepływem; w roztworach białek określa, jak bardzo tarcie molekularne utrudnia ruch. Jednostką lepkości w układzie SI jest paskalosekunda (Pa·s), ale w przypadku płynów biologicznych powszechnie stosuje się centypuazy (cP). Lepkość bezpośrednio wpływa na łatwość pompowania lub filtrowania roztworów białek podczas produkcji i wpływa na dostarczanie leków, zwłaszcza w przypadku bioterapeutyków o wysokim stężeniu.

Stężenie białka jest dominującym czynnikiem wpływającym na lepkość. Wraz ze wzrostem stężenia białka, nasilają się interakcje międzycząsteczkowe i zagęszczenie, co powoduje wzrost lepkości, często nieliniowy. Powyżej pewnego progu interakcje białko-białko dodatkowo hamują dyfuzję w roztworze. Na przykład, stężone roztwory przeciwciał monoklonalnych stosowane w produktach farmaceutycznych często osiągają poziomy lepkości, które utrudniają iniekcję podskórną lub ograniczają szybkość przetwarzania.

Modele prognozujące lepkość w stężonych roztworach białek uwzględniają obecnie geometrię molekularną i tendencje do agregacji. Morfologia białka – wydłużona, kulista, czy podatna na agregację – znacząco wpływa na lepkość przy wysokich stężeniach. Najnowsze postępy w ocenie mikroprzepływowej umożliwiają precyzyjny pomiar lepkości z minimalnych objętości próbek, co ułatwia szybkie badania przesiewowe nowych formulacji białek.

1.2. Jak zmienia się lepkość podczas ultrafiltracji

Podczas ultrafiltracji, polaryzacja stężeń szybko akumuluje białka na granicy faz membrana-roztwór. Powoduje to powstawanie stromych lokalnych gradientów stężeń i wzrost lepkości w pobliżu membrany. Podwyższona lepkość w tym obszarze utrudnia transport masy i zmniejsza przepływ permeatu.

Polaryzacja stężeniowa różni się od zanieczyszczania membrany. Polaryzacja jest dynamiczna i odwracalna, zachodząca w ciągu kilku minut w miarę postępu filtracji. Dla porównania, zanieczyszczanie rozwija się z czasem i często wiąże się z nieodwracalnym osadzaniem się lub przemianą chemiczną na powierzchni membrany. Dokładna diagnostyka umożliwia śledzenie warstwy polaryzacji stężeniowej w czasie rzeczywistym, ujawniając jej wrażliwość na prędkość przepływu poprzecznego i ciśnienie transbłonowe. Na przykład, zwiększenie prędkości lub zmniejszenie ciśnienia transbłonowego (TMP) pomaga rozerwać lepką warstwę graniczną, przywracając przepływ.

Parametry operacyjne mają bezpośredni wpływ na zachowanie lepkości:

Ciśnienie transbłonowe (TMP):Wyższe TMP wzmacnia polaryzację, zwiększając lokalną lepkość i zmniejszając strumień.
Prędkość przepływu krzyżowego:Zwiększona prędkość ogranicza akumulację, moderując lepkość w pobliżu membrany.
Częstotliwość czyszczenia membranyCzęste czyszczenie redukuje osady powstające w dłuższej perspektywie i łagodzi utratę wydajności spowodowaną lepkością.

Fazy zagęszczania ultrafiltracji muszą optymalizować te parametry, aby zminimalizować niekorzystny wpływ lepkości i utrzymać przepustowość.

1.3. Właściwości roztworu białka wpływające na lepkość

Masa cząsteczkowaIkompozycjaGłównym czynnikiem determinującym lepkość są białka lub agregaty o większej, złożonej strukturze. Większe, bardziej złożone białka lub agregaty charakteryzują się wyższą lepkością ze względu na utrudniony ruch i silniejsze siły międzycząsteczkowe. Kształt białek dodatkowo wpływa na przepływ – wydłużone lub podatne na agregację łańcuchy stawiają większy opór niż zwarte białka globularne.

pHKrytycznie wpływa na ładunek i rozpuszczalność białka. Dostosowanie pH roztworu w pobliżu punktu izoelektrycznego białka minimalizuje ładunek netto, zmniejsza odpychanie białko-białko i tymczasowo obniża lepkość, ułatwiając filtrację. Na przykład, zastosowanie ultrafiltracji w pobliżu punktu izoelektrycznego BSA lub IgG może znacznie zwiększyć przepływ permeatu i selektywność separacji.

Siła jonowaWpływa na lepkość poprzez zmianę podwójnej warstwy elektrycznej wokół białek. Zwiększona siła jonowa blokuje oddziaływania elektrostatyczne, promując transmisję białek przez błony, ale jednocześnie zwiększając ryzyko agregacji i odpowiadających jej skoków lepkości. Kompromis między wydajnością transmisji a selektywnością często zależy od precyzyjnego doboru stężeń soli i składu bufora.

Dodatki drobnocząsteczkowe – takie jak chlorowodorek argininy lub guanidyna – mogą być stosowane w celu zmniejszenia lepkości. Środki te zakłócają przyciąganie hydrofobowe lub elektrostatyczne, zmniejszają agregację i poprawiają właściwości przepływu roztworu. Temperatura stanowi dodatkową zmienną kontrolną; niższe temperatury zwiększają lepkość, podczas gdy dodatkowe ciepło często ją obniża.

Pomiar lepkości roztworu białka powinien uwzględniać:

Rozkłady mas cząsteczkowych
Skład roztworu (sole, substancje pomocnicze, dodatki)
Wybór pH i układu buforowego
Ustawienie siły jonowej

Czynniki te mają kluczowe znaczenie dla optymalizacji działania membrany ultrafiltracyjnej i zapewnienia spójności pomiędzy fazami zagęszczania i procesami TFF.

Podstawy zagęszczania białek metodą ultrafiltracji

Zasady ultrafiltracji fazy zagęszczającej

Zagęszczanie białek metodą ultrafiltracji polega na przyłożeniu ciśnienia transbłonowego (TMP) do membrany półprzepuszczalnej, co powoduje przepuszczenie rozpuszczalnika i małych substancji rozpuszczonych, a jednocześnie zatrzymywanie białek i większych cząsteczek. Proces ten wykorzystuje selektywną permeację opartą na wielkości cząsteczek, przy czym granica masy cząsteczkowej (MWCO) membrany definiuje maksymalną wielkość cząsteczek, które przechodzą przez membranę. Białka przekraczające MWCO gromadzą się po stronie retentatu, zwiększając swoje stężenie w miarę usuwania permeatu.

Faza zagęszczania ultrafiltracji ma na celu redukcję objętości i wzbogacenie roztworu białka. Wraz z postępem filtracji, lepkość roztworu białka zazwyczaj rośnie, co wpływa na zapotrzebowanie na strumień objętości i TMP. Zatrzymane białka mogą oddziaływać ze sobą nawzajem oraz z membraną, co sprawia, że rzeczywisty proces jest bardziej złożony niż proste wykluczanie wielkościowe. Oddziaływania elektrostatyczne, agregacja białek oraz właściwości roztworu, takie jak pH i siła jonowa, wpływają na wyniki retencji i separacji. W niektórych przypadkach transport adwekcyjny dominuje nad dyfuzją, szczególnie w membranach o większych porach, co komplikuje oczekiwania oparte wyłącznie na doborze MWCO [patrz podsumowanie badań].

Wyjaśnienie filtracji przepływowej poprzecznej (TFF)

Filtracja z przepływem poprzecznym, zwana również filtracją z przepływem stycznym (TFF), kieruje roztwór białka stycznie do powierzchni membrany. To podejście różni się od filtracji bezpowrotnej, w której przepływ jest prostopadły do membrany, wpychając cząsteczki bezpośrednio na filtr i do jego wnętrza.

Najważniejsze różnice i skutki:

Kontrola zanieczyszczeń:TFF redukuje gromadzenie się warstw białek i cząstek stałych, znane jako formowanie się bryłek, poprzez ciągłe usuwanie potencjalnych zanieczyszczeń z membrany. Efektem jest bardziej stabilny przepływ permeatu i łatwiejsza konserwacja.
Retencja białka:TFF wspomaga lepsze zarządzanie polaryzacją stężeniową – warstwą zatrzymanych cząsteczek w pobliżu membrany – która, jeśli nie jest kontrolowana, może zmniejszyć selektywność separacji i nasilić zanieczyszczenie. Dynamiczny przepływ w TFF łagodzi ten efekt, pomagając utrzymać wysoką retencję białek i wydajność separacji.
Stabilność strumienia:TFF umożliwia dłuższe okresy pracy przy stałym przepływie, zwiększając wydajność procesów z wsadem o wysokiej zawartości białka lub cząstek. Natomiast filtracja bezciśnieniowa jest szybko utrudniana przez zanieczyszczenia, co obniża przepustowość i wymaga częstych interwencji czyszczących.

Zaawansowane warianty TFF, takie jak naprzemienny przepływ styczny (ATF), dodatkowo hamują osadzanie się zanieczyszczeń i tworzenie się osadów poprzez okresowe odwracanie lub zmianę prędkości stycznych, wydłużając żywotność filtra i poprawiając przepustowość białek [patrz podsumowanie badań]. Zarówno w klasycznych, jak i zaawansowanych systemach TFF, ustawienia operacyjne – takie jak TMP, prędkość przepływu krzyżowego i częstotliwość czyszczenia – muszą być dostosowane do konkretnego układu białkowego, typu membrany i docelowego stężenia, aby zoptymalizować wydajność i zminimalizować osadzanie się zanieczyszczeń.

Ciśnienie transbłonowe (TMP) w ultrafiltracji

3.1. Czym jest ciśnienie transbłonowe?

Ciśnienie transmembranowe (TMP) to różnica ciśnień na membranie filtracyjnej, która powoduje przepływ rozpuszczalnika ze strony wlotowej w kierunku permeatu. TMP jest główną siłą napędową procesu separacji w ultrafiltracji, umożliwiając rozpuszczalnikowi przejście przez membranę przy jednoczesnym zatrzymywaniu białek i innych makrocząsteczek.

Wzór TMP:

Prosta różnica: TMP = P_feed − P_permeate
Metoda inżynierska: TMP = [(P_feed + P_retentate)/2] − P_permeate
W tym przypadku P_feed to ciśnienie wlotowe, P_retentate to ciśnienie wylotowe po stronie retentatu, a P_permeate to ciśnienie po stronie permeatu. Uwzględnienie ciśnienia retentatu (lub koncentratu) zapewnia dokładniejszą wartość wzdłuż powierzchni membrany, uwzględniając gradienty ciśnienia spowodowane oporem przepływu i zanieczyszczeniami.
Ciśnienie zasilania i natężenie przepływu
Ciśnienie retentatu (jeśli ma zastosowanie)
Ciśnienie permeatu (często atmosferyczne)
Oporność membrany
TMP różni się w zależności od rodzaju membrany, konstrukcji systemu i warunków procesu.

Kontrolowanie zmiennych:

3.2. TMP i proces ultrafiltracji

TMP odgrywa kluczową rolę w ultrafiltracyjnym zagęszczaniu białek, przepychając roztwory białkowe przez membranę. Ciśnienie musi być wystarczająco wysokie, aby pokonać opór membrany i nagromadzony materiał, ale nie na tyle wysokie, aby przyspieszyć osadzanie się zanieczyszczeń.

Wpływ lepkości roztworu i stężenia białka

Lepkość roztworów białek:Wyższa lepkość zwiększa opory przepływu, co wymaga wyższego TMP, aby utrzymać ten sam strumień permeatu. Na przykład, dodanie glicerolu do wsadu lub praca ze skoncentrowanymi białkami zwiększa lepkość, a tym samym wymaganą operacyjną TMP.
Koncentracja białka:Wraz ze wzrostem stężenia podczas fazy zagęszczania ultrafiltracji, wzrasta lepkość roztworu, wzrasta TMP i rośnie ryzyko zanieczyszczenia membrany lub polaryzacji stężenia.
Prawo Darcy'ego:TMP, strumień permeatu (J) i lepkość (μ) są powiązane poprzez TMP = J × μ × R_m (opór membrany). W przypadku roztworów białek o dużej lepkości, staranna regulacja TMP jest kluczowa dla wydajnej ultrafiltracji.

Przykłady:

Ultrafiltracja gęstych roztworów przeciwciał wymaga ostrożnego zarządzania TMP w celu przeciwdziałania rosnącej lepkości.
PEGylacja lub inne modyfikacje białka zmieniają interakcję z błoną, wpływając na TMP niezbędne do uzyskania pożądanego przepływu.

3.3 Monitorowanie i optymalizacja TMP

Utrzymywanie TMP w ramachnormalny zakres ciśnienia transbłonowegoma kluczowe znaczenie dla stabilnej wydajności membrany ultrafiltracyjnej i jakości produktu. Z czasem, w miarę postępu ultrafiltracji, polaryzacja stężeń i zanieczyszczenia mogą powodować wzrost TMP, czasami gwałtowny.

Praktyki monitorowania:

Monitorowanie w czasie rzeczywistym:TMP jest śledzony poprzez wlot, retentat i permeatprzetworniki ciśnienia.
Spektroskopia Ramana:Stosowany do nieinwazyjnego monitorowania stężeń białek i substancji pomocniczych, ułatwiający adaptacyjną kontrolę TMP podczas ultrafiltracji i diafiltracji.
Zaawansowana kontrola:Rozszerzone filtry Kalmana (EKF) mogą przetwarzać dane z czujników, automatycznie dostosowując TMP w celu uniknięcia nadmiernego zanieczyszczenia.
Ustaw początkowy TMP w normalnym zakresie:Nie za niska, aby zmniejszyć strumień, i nie za wysoka, aby uniknąć szybkiego zanieczyszczenia.
Dostosuj TMP w miarę wzrostu lepkości:W fazie zagęszczania ultrafiltracyjnego zwiększaj stężenie TMP stopniowo tylko w razie potrzeby.
Kontrola strumienia zasilającego i pH:Zwiększenie strumienia zasilającego lub obniżenie TMP łagodzi polaryzację stężeń i zanieczyszczenie.
Czyszczenie i wymiana membrany:Wyższe wartości TMP wiążą się z częstszym czyszczeniem i skróconą żywotnością membrany.

Strategie optymalizacji:

Przykłady:

Zanieczyszczenia korozyjne w liniach przetwórstwa białek prowadzą do wzrostu TMP i zmniejszenia strumienia, co wymaga czyszczenia membrany lub jej wymiany w celu przywrócenia normalnej pracy.
Wstępna obróbka enzymatyczna (np. dodanie pektynazy) może obniżyć TMP i wydłużyć żywotność membrany podczas ultrafiltracji białka rzepakowego o dużej lepkości.

3.4. TMP w systemach TFF

Filtracja przepływowa styczna (poprzeczna) (TFF) działa na zasadzie przepływu roztworu zasilającego przez membranę, a nie bezpośrednio przez nią, co znacząco wpływa na dynamikę TMP.

Regulacja i równowaga TMP

Ciśnienie transbłonowe TFF (TFF TMP):Jest zarządzany poprzez kontrolowanie zarówno szybkości przepływu zasilającego, jak i ciśnienia pompy, aby uniknąć nadmiernego TMP, maksymalizując jednocześnie strumień permeatu.
Optymalizacja parametrów:Zwiększenie przepływu zasilającego zmniejsza lokalne osadzanie się białek, stabilizuje TMP i redukuje zanieczyszczenie membrany.
Modelowanie obliczeniowe:Modele CFD prognozują i optymalizują TFF TMP w celu uzyskania maksymalnego odzysku produktu, jego czystości i wydajności, co jest szczególnie istotne w przypadku procesów takich jak izolacja mRNA lub pęcherzyków zewnątrzkomórkowych.

Przykłady:

W bioprzetwarzaniu optymalna TFF TMP pozwala na odzyskanie >70% mRNA bez degradacji, przewyższając pod tym względem metody ultracentrifugacji.
Adaptacyjna kontrola TMP, oparta na modelach matematycznych i informacjach zwrotnych z czujników, zmniejsza częstotliwość wymiany membrany i wydłuża jej żywotność dzięki ograniczaniu zanieczyszczeń.

Najważniejsze wnioski:

W procesie TFF konieczne jest aktywne zarządzanie ciśnieniem transbłonowym TMP w celu utrzymania wydajności procesu, przepływu i stanu membrany.
Systematyczna optymalizacja TMP obniża koszty operacyjne, wspomaga odzysk produktu o wysokiej czystości i wydłuża żywotność membrany w ultrafiltracji białek i pokrewnych procesach.

Monitoruj i mierz wysokie stężenia białka

Mechanizmy zanieczyszczeń i ich związek z lepkością

Główne ścieżki zanieczyszczeń w ultrafiltracji białek

Na ultrafiltrację białek wpływa kilka odrębnych ścieżek zanieczyszczeń:

Zanieczyszczenia korozyjne:Występuje, gdy produkty korozji – zazwyczaj tlenki żelaza – gromadzą się na powierzchniach membran. Zmniejszają one przepływ strumienia i są trudne do usunięcia standardowymi chemicznymi środkami czyszczącymi. Zanieczyszczenia korozyjne prowadzą do trwałego spadku wydajności membrany i zwiększają częstotliwość jej wymiany z upływem czasu. Ich wpływ jest szczególnie dotkliwy w przypadku membran PVDF i PES stosowanych w uzdatnianiu wody i w aplikacjach z białkami.

Zanieczyszczenia organiczne:Indukowane głównie przez białka, takie jak albumina surowicy bydlęcej (BSA), i może być nasilone w obecności innych substancji organicznych, takich jak polisacharydy (np. alginian sodu). Mechanizmy obejmują adsorpcję na porach membrany, zatykanie porów i tworzenie warstwy ciasta. Efekt synergistyczny występuje w obecności wielu składników organicznych, przy czym systemy z mieszanymi zanieczyszczeniami są bardziej podatne na zanieczyszczenie niż systemy z pojedynczym białkiem.

Polaryzacja stężeniowa:W miarę postępu ultrafiltracji zatrzymane białka gromadzą się w pobliżu powierzchni membrany, zwiększając lokalne stężenie i lepkość. Tworzy to warstwę polaryzacyjną, która zwiększa podatność na zanieczyszczenia i zmniejsza przepływ. Proces przyspiesza wraz z postępem fazy zagęszczania ultrafiltracji, na którą bezpośrednio wpływa ciśnienie transbłonowe i dynamika przepływu.

Zanieczyszczenia koloidalne i mieszane:Materia koloidalna (np. krzemionka, minerały nieorganiczne) może wchodzić w interakcje z białkami, tworząc złożone warstwy agregatów, które nasilają zanieczyszczenie membrany. Na przykład obecność krzemionki koloidalnej znacznie obniża szybkość przepływu, zwłaszcza w połączeniu z materią organiczną lub w warunkach suboptymalnego pH.

Wpływ lepkości roztworu na rozwój zanieczyszczeń

Lepkość roztworów białkowych ma duży wpływ na kinetykę zanieczyszczeń i zagęszczanie membrany:

Przyspieszone zanieczyszczenie:Wyższa lepkość roztworu białka zwiększa odporność na transport wsteczny zatrzymanych substancji rozpuszczonych, co przyspiesza formowanie się warstwy ciasta. To z kolei zwiększa ciśnienie transbłonowe (TMP), przyspieszając zagęszczanie membrany i jej zanieczyszczanie.

Efekty składu roztworu:Rodzaj białka zmienia lepkość; białka globularne (np. BSA) i białka wydłużone zachowują się odmiennie pod względem przepływu i polaryzacji. Dodanie związków, takich jak polisacharydy lub glicerol, znacząco podnosi lepkość, sprzyjając zanieczyszczeniu. Dodatki i agregacja białek w wysokich stężeniach dodatkowo przyspieszają zatykanie się membran, bezpośrednio zmniejszając zarówno przepływ, jak i żywotność membrany.

Konsekwencje operacyjne:Wyższa lepkość wymaga wyższego stężenia TMP, aby utrzymać wydajność filtracji w procesach filtracji z przepływem poprzecznym. Długotrwała ekspozycja na wysokie stężenie TMP nasila nieodwracalne zanieczyszczenia, często wymuszając częstsze czyszczenie membrany lub jej wcześniejszą wymianę.

Rola cech paszy

Charakterystyka paszy — a mianowicie właściwości białka i skład chemiczny wody — decyduje o stopniu zanieczyszczenia:

Wielkość i dystrybucja białka:Większe lub zagregowane białka mają większą tendencję do blokowania porów i tworzenia się brył, co zwiększa lepkość i tendencję do zagęszczania podczas zagęszczania białek metodą ultrafiltracji.

pH:Podwyższone pH zwiększa odpychanie elektrostatyczne, zapobiegając agregacji białek w pobliżu membrany, a tym samym zmniejszając zanieczyszczenie. Natomiast warunki kwaśne zmniejszają odpychanie, szczególnie w przypadku krzemionki koloidalnej, co nasila zanieczyszczenie membrany i zmniejsza przepływ.

Temperatura:Niższe temperatury procesu zazwyczaj zmniejszają energię kinetyczną, co może spowolnić proces osadzania się zanieczyszczeń, ale jednocześnie zwiększyć lepkość roztworu. Wysokie temperatury przyspieszają osadzanie się zanieczyszczeń, ale mogą również zwiększyć skuteczność czyszczenia.

Materia koloidalna/nieorganiczna:Obecność koloidalnej krzemionki lub metali nasila osadzanie się zanieczyszczeń, szczególnie w środowisku kwaśnym. Cząsteczki krzemionki zwiększają całkowitą lepkość roztworu i fizycznie blokują pory, co zmniejsza wydajność ultrafiltracji i skraca żywotność oraz wydajność membrany.

Skład jonowy:Dodanie pewnych jonów (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) może zmniejszyć zanieczyszczenie poprzez modyfikację sił elektrostatycznych i hydratacyjnych między białkami a błonami. Jednak jony takie jak Ca²⁺ często sprzyjają agregacji i zwiększają potencjał zanieczyszczeń.

Przykłady:

Podczas filtracji przepływowej poprzecznej wsad bogaty w białka o dużej masie cząsteczkowej i o podwyższonej lepkości będzie charakteryzował się szybkim spadkiem przepływu, co przyspieszy częstotliwość czyszczenia i wymiany.
Jeśli woda zasilająca zawiera krzemionkę koloidalną i zostanie zakwaszona, nasila się agregacja i osadzanie krzemionki, co znacznie zwiększa szybkość zanieczyszczeń i pogarsza wydajność membrany.

Podsumowując, zrozumienie wzajemnego oddziaływania lepkości roztworu, rodzajów zanieczyszczeń i właściwości wsadu jest niezbędne do optymalizacji stężenia ultrafiltracji, ograniczenia zanieczyszczeń membrany i wydłużenia jej żywotności.

Polaryzacja koncentracji i jej zarządzanie

Czym jest polaryzacja stężeniowa?

Polaryzacja stężeniowa to lokalna akumulacja zatrzymanej substancji rozpuszczonej – takiej jak białka – na granicy faz membrana/roztwór podczas ultrafiltracji. W kontekście roztworów białek, gdy ciecz przepływa przez membranę półprzepuszczalną, białka odrzucone przez membranę gromadzą się w cienkiej warstwie granicznej przylegającej do powierzchni. To nagromadzenie prowadzi do stromego gradientu stężeń: wysokie stężenie białka bezpośrednio przy membranie, znacznie niższe w roztworze głównym. Zjawisko to jest odwracalne i zależne od sił hydrodynamicznych. Stanowi ono przeciwieństwo do zanieczyszczania membrany, które wiąże się z trwalszym osadzaniem się lub adsorpcją wewnątrz lub na membranie.

Jak polaryzacja stężeniowa zwiększa lepkość i zanieczyszczenie

Na powierzchni błony ciągłe gromadzenie się białek tworzy warstwę graniczną, która zwiększa lokalne stężenie substancji rozpuszczonych. Ma to dwa istotne skutki:

Lokalny wzrost lepkości:Wraz ze wzrostem stężenia białka w pobliżu membrany, wzrasta również lepkość roztworu białka w tym mikroregionie. Podwyższona lepkość utrudnia transport wsteczny substancji rozpuszczonej z membrany, co dodatkowo zwiększa gradient stężeń i tworzy pętlę sprzężenia zwrotnego o rosnącym oporze przepływu. Powoduje to zmniejszenie strumienia permeatu i wyższe zapotrzebowanie na energię do dalszej filtracji.

Ułatwianie zanieczyszczania membrany:Wysokie stężenie białka w pobliżu membrany zwiększa prawdopodobieństwo jego agregacji, a w niektórych systemach – tworzenia się warstwy żelu. Warstwa ta zatyka pory membrany i dodatkowo zwiększa opór przepływu. Takie warunki sprzyjają nieodwracalnemu zanieczyszczeniu, w którym agregaty białek i zanieczyszczenia wiążą się fizycznie lub chemicznie z matrycą membrany.

Badania obrazowe (np. mikroskopia elektronowa) potwierdzają szybką aglomerację nanocząsteczkowych skupisk białek na błonie, które mogą rozrastać się do znacznych ilości, jeśli ustawienia operacyjne nie są odpowiednio zarządzane.

Strategie minimalizujące polaryzację koncentracji

Zarządzanie polaryzacją stężeń podczas ultrafiltracji białek lub filtracji przepływowej poprzecznej wymaga dwojakiego podejścia: dostosowania dynamiki hydrostatycznej i dostrojenia parametrów operacyjnych.

Optymalizacja prędkości przepływu poprzecznego:
Zwiększenie prędkości przepływu poprzecznego zwiększa przepływ styczny przez membranę, co sprzyja ścinaniu i rozrzedzaniu warstwy granicznej stężeń. Silniejsze ścinanie usuwa nagromadzone białka z powierzchni membrany, zmniejszając zarówno polaryzację, jak i ryzyko zanieczyszczenia. Na przykład, zastosowanie mieszalników statycznych lub wprowadzenie napowietrzania gazem zakłóca warstwę substancji rozpuszczonych, znacząco poprawiając przepływ permeatu i wydajność procesu filtracji w przepływie poprzecznym.

Modyfikacja parametrów operacyjnych:

Ciśnienie transbłonowe (TMP):TMP to różnica ciśnień po obu stronach membrany i siła napędowa ultrafiltracji. Jednak zwiększenie stężenia TMP w celu przyspieszenia filtracji może przynieść odwrotny skutek, nasilając polaryzację stężeń. Przestrzeganie normalnego zakresu ciśnień transbłonowych – nieprzekraczającego limitów wyznaczonych dla ultrafiltracji białek – pomaga zapobiegać nadmiernemu gromadzeniu się substancji rozpuszczonych i związanemu z tym wzrostowi lepkości lokalnej.

Szybkość ścinania:Szybkość ścinania, będąca funkcją prędkości przepływu krzyżowego i konstrukcji kanału, odgrywa kluczową rolę w dynamice transportu substancji rozpuszczonych. Wysokie ścinanie utrzymuje cienką i mobilną warstwę polaryzacyjną, umożliwiając częste odnawianie obszaru zubożonego w substancje rozpuszczone w pobliżu membrany. Zwiększenie szybkości ścinania skraca czas akumulacji białek i minimalizuje wzrost lepkości na granicy faz.

Właściwości kanału:Dostosowanie właściwości dopływającego roztworu białka – takie jak obniżenie lepkości roztworu białka, zmniejszenie zawartości agregatów lub kontrola pH i siły jonowej – może pomóc zmniejszyć zakres i wpływ polaryzacji stężeniowej. Wstępne przygotowanie wsadu i zmiany w składzie mogą poprawić wydajność membrany ultrafiltracyjnej i wydłużyć jej żywotność poprzez zmniejszenie częstotliwości czyszczenia.

Przykład zastosowania:
Zakład wykorzystujący filtrację styczną (TFF) do zagęszczania przeciwciał monoklonalnych stosuje starannie zoptymalizowane prędkości przepływu krzyżowego i utrzymuje TMP w ściśle określonym przedziale. Dzięki temu operatorzy minimalizują polaryzację stężenia i zanieczyszczenie membrany, zmniejszając częstotliwość wymiany membrany i cykli czyszczenia – co bezpośrednio obniża koszty operacyjne i zwiększa wydajność produktu.

Właściwa regulacja i monitorowanie tych zmiennych — łącznie z pomiarem lepkości roztworu białka w czasie rzeczywistym — są podstawą optymalizacji wydajności zagęszczania ultrafiltracji i łagodzenia niekorzystnych skutków związanych z polaryzacją stężeń podczas przetwarzania białek.

Optymalizacja ultrafiltracji dla roztworów białek o dużej lepkości

6.1. Najlepsze praktyki operacyjne

Utrzymanie optymalnej wydajności ultrafiltracji w przypadku roztworów białek o wysokiej lepkości wymaga zachowania delikatnej równowagi między ciśnieniem transbłonowym (TMP), stężeniem białka i lepkością roztworu. TMP – różnica ciśnień po obu stronach membrany – bezpośrednio wpływa na szybkość ultrafiltracji i stopień zanieczyszczenia membrany. Podczas przetwarzania lepkich roztworów, takich jak przeciwciała monoklonalne lub białka surowicy o wysokim stężeniu, każdy nadmierny wzrost TMP może początkowo zwiększyć przepływ, ale również gwałtownie przyspiesza zanieczyszczenia i akumulację białek na powierzchni membrany. Prowadzi to do zaburzeń i niestabilności procesu filtracji, co potwierdzają badania obrazowe, wykazujące tworzenie się gęstych warstw białek przy podwyższonym stężeniu TMP i białka powyżej 200 mg/ml.

Optymalne podejście polega na pracy systemu w pobliżu, ale nieprzekraczaniu, krytycznego TMP. W tym momencie wydajność jest maksymalizowana, a ryzyko nieodwracalnego zanieczyszczenia pozostaje minimalne. W przypadku bardzo wysokich lepkości, najnowsze odkrycia sugerują zmniejszenie TMP przy jednoczesnym zwiększeniu przepływu wsadu (filtracja poprzeczna), aby pomóc złagodzić polaryzację stężeń i odkładanie się białek. Na przykład, badania dotyczące stężenia białka fuzyjnego Fc wykazują, że niższe ustawienia TMP pomagają utrzymać stabilny strumień, jednocześnie zmniejszając straty produktu.

Stopniowe i metodyczne zwiększanie stężenia białka podczas ultrafiltracji ma kluczowe znaczenie. Gwałtowne zmiany stężenia mogą doprowadzić roztwór do zbyt szybkiego przejścia w stan wysokiej lepkości, zwiększając ryzyko agregacji i nasilenie zanieczyszczeń. Stopniowe zwiększanie stężenia białka pozwala na równoległą regulację parametrów procesu, takich jak TMP, prędkość przepływu krzyżowego i pH, co pomaga utrzymać stabilność systemu. Studia przypadków ultrafiltracji enzymatycznej potwierdzają, że utrzymanie niższych ciśnień roboczych w tych fazach zapewnia kontrolowany wzrost stężenia, minimalizując spadek strumienia i chroniąc integralność produktu.

6.2. Częstotliwość wymiany i konserwacji membrany

Częstotliwość wymiany membran w ultrafiltracji jest ściśle związana ze wskaźnikami zanieczyszczeń i spadku strumienia. Zamiast polegać wyłącznie na względnym spadku strumienia jako wskaźniku końca okresu eksploatacji, monitorowanie właściwej odporności na zanieczyszczenie – ilościowej miary reprezentującej opór stawiany przez nagromadzony materiał – okazało się bardziej wiarygodne, szczególnie w przypadku pasz o mieszanym składzie białkowym lub białkowo-polisacharydowym, gdzie zanieczyszczenie może wystąpić szybciej i bardziej dotkliwie.

Monitorowanie dodatkowych wskaźników zanieczyszczeń jest również kluczowe. Widoczne oznaki osadzania się zanieczyszczeń na powierzchni, nierównomierny przepływ permeatu lub stały wzrost TMP (pomimo czyszczenia) to sygnały ostrzegawcze zaawansowanego zanieczyszczenia, poprzedzającego awarię membrany. Techniki takie jak śledzenie zmodyfikowanego wskaźnika zanieczyszczeń (MFI-UF) i korelacja go z wydajnością membrany umożliwiają predykcyjne planowanie wymiany, a nie reaktywne zmiany, minimalizując w ten sposób przestoje i kontrolując koszty konserwacji.

Integralność membrany jest zagrożona nie tylko przez nagromadzenie zanieczyszczeń organicznych, ale także przez korozję, zwłaszcza w procesach o ekstremalnym pH lub wysokim stężeniu soli. Należy wprowadzić regularne kontrole i procedury czyszczenia chemicznego, aby zapobiegać korozji i osadzaniu się zanieczyszczeń. W przypadku stwierdzenia zanieczyszczeń związanych z korozją, należy dostosować częstotliwość czyszczenia membrany i częstotliwość jej wymiany, aby zapewnić jej długą żywotność i stałą wydajność ultrafiltracji. Dokładna, planowa konserwacja jest niezbędna do ograniczenia wpływu tych problemów i zapewnienia efektywnej pracy.

6.3. Kontrola procesu i pomiar lepkości w trybie inline

Dokładny pomiar lepkości roztworu białka w czasie rzeczywistym jest niezbędny do kontroli procesu ultrafiltracji, szczególnie w miarę wzrostu stężeń i lepkości. Systemy pomiaru lepkości inline zapewniają ciągły monitoring, umożliwiając natychmiastowy odczyt i dynamiczną regulację parametrów systemu.

Nowe technologie zmieniły sposób pomiaru lepkości roztworów białek:

Spektroskopia Ramana z filtrem KalmanaAnaliza Ramana w czasie rzeczywistym, wspierana przez rozszerzone filtry Kalmana, umożliwia dokładne śledzenie stężenia białek i składu buforów. Takie podejście zwiększa czułość i dokładność, wspierając automatyzację procesów zagęszczania ultrafiltracyjnego i diafiltracji.

Automatyczna kinematyczna wiskozymetria kapilarnaWykorzystując wizję komputerową, technologia ta automatycznie mierzy lepkość roztworu, eliminując błędy manualne i oferując powtarzalny, multipleksowy monitoring w wielu procesach. Została sprawdzona zarówno dla standardowych, jak i złożonych formulacji białek i ogranicza konieczność interwencji w fazie zagęszczania w procesie ultrafiltracji.

Urządzenia do reologii mikroprzepływowejSystemy mikroprzepływowe dostarczają szczegółowych, ciągłych profili reologicznych, nawet dla nienewtonowskich roztworów białek o wysokiej lepkości. Są one szczególnie cenne w produkcji farmaceutycznej, wspierając strategie technologii analizy procesów (PAT) oraz integrację z pętlami sprzężenia zwrotnego.

Sterowanie procesem za pomocą tych narzędzi umożliwia implementację pętli sprzężenia zwrotnego, które umożliwiają regulację w czasie rzeczywistym TMP, szybkości podawania lub prędkości przepływu krzyżowego w odpowiedzi na zmiany lepkości. Na przykład, jeśli czujnik inline wykryje nagły wzrost lepkości (spowodowany wzrostem stężenia lub agregacją), TMP może zostać automatycznie zmniejszone lub prędkość przepływu krzyżowego może zostać zwiększona, aby ograniczyć występowanie polaryzacji stężeniowej w ultrafiltracji. Takie podejście nie tylko wydłuża żywotność membrany, ale także wspiera stałą jakość produktu poprzez dynamiczne zarządzanie czynnikami wpływającymi na lepkość roztworów białek.

Wybór najodpowiedniejszej technologii monitorowania lepkości zależy od specyficznych wymagań danego zastosowania ultrafiltracji, w tym oczekiwanego zakresu lepkości, złożoności formulacji białek, potrzeb integracyjnych oraz kosztów. Postęp w monitorowaniu w czasie rzeczywistym i dynamicznej kontroli procesu znacząco poprawił możliwości optymalizacji ultrafiltracji w przypadku roztworów białek o wysokiej lepkości, zapewniając zarówno stabilność operacyjną, jak i wysoką wydajność produktu.

Rozwiązywanie problemów i typowe problemy w ultrafiltracji białek

7.1. Objawy, przyczyny i środki zaradcze

Zwiększone ciśnienie transbłonowe

Wzrost ciśnienia transbłonowego (TMP) podczas ultrafiltracji wskazuje na rosnący opór na membranie. Wpływ ciśnienia transbłonowego na ultrafiltrację jest bezpośredni: normalny zakres ciśnienia transbłonowego jest zazwyczaj zależny od procesu, ale utrzymujący się wzrost ciśnienia wymaga zbadania. Wyróżnia się dwie najczęstsze przyczyny:

Większa lepkość roztworu białka:Wraz ze wzrostem lepkości roztworów białek – zazwyczaj przy wysokim stężeniu białka w procesie ultrafiltracji – rośnie ciśnienie potrzebne do zapewnienia przepływu. Jest to szczególnie widoczne na etapach końcowego zagęszczania i diafiltracji, gdzie roztwory charakteryzują się najwyższą lepkością.
Zanieczyszczenie membrany:Zanieczyszczenia, takie jak agregaty białkowe lub mieszanki polisacharydów i białek, mogą przylegać do porów błony lub je blokować, co powoduje gwałtowny wzrost stężenia TMP.

Środki zaradcze:

Obniż TMP i zwiększ strumień zasilający:Zmniejszenie TMP przy jednoczesnym zwiększeniu prędkości przepływu zmniejsza polaryzację stężenia i tworzenie się warstwy żelu, co sprzyja stabilności strumienia.
Regularne czyszczenie membrany: Ustal optymalną częstotliwość czyszczenia membrany, aby usunąć nagromadzone zanieczyszczenia. Monitoruj skuteczność poprzez pomiar lepkości roztworu białka po czyszczeniu.
Wymień starzejące się membrany:W przypadku niewystarczającego czyszczenia lub osiągnięcia końca okresu żywotności membrany konieczna może być częstsza wymiana membrany.

Malejąca szybkość przepływu: drzewo diagnostyczne

Stały spadek przepływu podczas fazy zagęszczania ultrafiltracji sugeruje problemy z wydajnością. Postępuj zgodnie z następującą metodą diagnostyczną:

Monitoruj TMP i lepkość:Jeśli oba wskaźniki wzrosły, sprawdź, czy nie ma zanieczyszczeń lub warstwy żelu.
Sprawdź skład i pH paszy:Zmiany w tym miejscu mogą zmienić lepkość roztworów białek i sprzyjać zanieczyszczeniu.
Ocena wydajności membrany:Zmniejszenie przepływu permeatu pomimo czyszczenia może sygnalizować możliwość uszkodzenia membrany lub nieodwracalnego zanieczyszczenia.

Rozwiązania:

Optymalizacja temperatury, pH i siły jonowej w paszy w celu ograniczenia zanieczyszczeń i polaryzacji stężeń podczas ultrafiltracji.
Użyj modułów membranowych o zmodyfikowanej powierzchni lub obrotowych, aby rozbić warstwy żelu i przywrócić przepływ.
Przeprowadzaj rutynowe pomiary lepkości roztworów białek, aby przewidywać zmiany wpływające na przepływ.

Szybkie zanieczyszczenie lub tworzenie się warstwy żelu

Szybkie tworzenie się warstwy żelu jest wynikiem nadmiernej polaryzacji stężeń na powierzchni membrany. Ciśnienie transbłonowe filtracji przepływowej poprzecznej (TFF) jest szczególnie wrażliwe w warunkach wysokiej lepkości lub wsadu o wysokiej zawartości białka.

Strategie łagodzenia:

Zastosuj hydrofilowe, naładowane ujemnie powierzchnie membranowe (np. membrany z polifluorku winylidenu [PVDF]), aby zminimalizować wiązanie i przyłączanie białek.
Wstępna obróbka paszy poprzez koagulację lub elektrokoagulację w celu usunięcia substancji powodujących zanieczyszczenie przed ultrafiltracją.
Zintegruj urządzenia mechaniczne, takie jak moduły obrotowe, w procesie filtracji przepływowej poprzecznej, aby zmniejszyć grubość warstwy ciasta i opóźnić tworzenie się warstwy żelu.

7.2 Dostosowanie do zmienności paszy

Systemy ultrafiltracji białek muszą dostosowywać się do zmienności właściwości lub składu białek paszowych. Czynniki wpływające na lepkość roztworów białek – takie jak skład buforu, stężenie białka i skłonność do agregacji – mogą zmieniać zachowanie systemu.

Strategie reagowania

Monitorowanie lepkości i składu w czasie rzeczywistym:Wdrażaj czujniki analityczne w linii (spektroskopia Ramana + filtr Kalmana) w celu szybkiego wykrywania zmian w dostawie paszy, przewyższając starsze metody UV lub IR.
Adaptacyjna kontrola procesu:Dostosuj ustawienia parametrów (natężenie przepływu, TMP, selekcja membrany) w odpowiedzi na wykryte zmiany. Na przykład, zwiększona lepkość roztworu białka może wymagać niższego stężenia TMP i wyższych szybkości ścinania.
Wybór membrany:Należy stosować membrany o rozmiarze porów i składzie chemicznym powierzchni zoptymalizowanym pod kątem aktualnych właściwości wsadu, równoważąc zatrzymywanie i przepływ białka.
Wstępna obróbka paszy:Jeżeli nagłe zmiany w charakterze paszy powodują zanieczyszczenie, przed ultrafiltracją należy zastosować koagulację lub filtrację.

Przykłady:

W bioprzetwarzaniu zmiany buforów lub zmiany w agregatach przeciwciał powinny uruchamiać regulację TMP i przepływu za pośrednictwem układu sterowania.
W przypadku ultrafiltracji połączonej z chromatografią adaptacyjne algorytmy optymalizacji całkowitoliczbowej mieszania mogą zminimalizować zmienność i obniżyć koszty operacyjne, przy jednoczesnym zachowaniu wydajności membrany ultrafiltracyjnej.

Rutynowe monitorowanie pomiaru lepkości roztworu białka i natychmiastowa adaptacja do warunków procesu pomagają zoptymalizować stężenie ultrafiltracji, utrzymać przepustowość i zminimalizować zanieczyszczenie membrany oraz polaryzację stężenia.

Często zadawane pytania

8.1. Jaki jest normalny zakres ciśnienia transbłonowego w ultrafiltracji roztworów białek?

Normalny zakres ciśnienia transbłonowego (TMP) w systemach ultrafiltracji białek zależy od rodzaju membrany, konstrukcji modułu i charakterystyki wsadu. W większości procesów ultrafiltracji białek, TMP jest zazwyczaj utrzymywane w zakresie od 1 do 3 barów (15–45 psi). Wartości TMP powyżej 0,2 MPa (około 29 psi) mogą powodować uszkodzenie membrany, szybkie zanieczyszczenie i skrócenie jej żywotności. W zastosowaniach biomedycznych i bioprzetwarzania, zalecane TMP nie powinno przekraczać 0,8 bara (~12 psi), aby uniknąć pęknięcia membrany. W procesach takich jak filtracja z przepływem poprzecznym, utrzymanie TMP w tym zakresie zabezpiecza zarówno wydajność, jak i integralność białka.

8.2. Jak lepkość roztworów białek wpływa na wydajność ultrafiltracji?

Lepkość roztworu białka ma bezpośredni wpływ na wydajność zagęszczania w procesie ultrafiltracji. Wysoka lepkość zwiększa opory przepływu i podnosi poziom TMP, co skutkuje zmniejszeniem strumienia permeatu i szybkim zanieczyszczeniem membrany. Efekt ten jest szczególnie widoczny w przypadku przeciwciał monoklonalnych lub białek fuzyjnych Fc przy wysokich stężeniach, gdzie lepkość wzrasta z powodu interakcji białko-białko i efektów ładunkowych. Zarządzanie i optymalizacja lepkości za pomocą substancji pomocniczych lub obróbki enzymatycznej poprawia przepływ, zmniejsza zanieczyszczenie i umożliwia osiągnięcie wyższych stężeń podczas fazy zagęszczania w procesie ultrafiltracji. Monitorowanie pomiaru lepkości roztworu białka ma kluczowe znaczenie dla utrzymania wydajności procesu.

8.3. Czym jest polaryzacja stężeń i dlaczego jest ważna w procesie TFF?

Polaryzacja stężeniowa w ultrafiltracji polega na gromadzeniu się białek na powierzchni membrany, co powoduje powstanie gradientu między roztworem objętościowym a powierzchnią membrany. W filtracji z przepływem poprzecznym prowadzi to do wzrostu lepkości lokalnej i potencjalnie odwracalnego spadku strumienia. Niekontrolowane zjawisko może sprzyjać zanieczyszczeniu membrany i obniżyć wydajność systemu. Rozwiązanie problemu polaryzacji stężeniowej w ultrafiltracji obejmuje optymalizację prędkości przepływu krzyżowego, TMP (temperatury topnienia) i dobór membrany w celu utrzymania cienkiej warstwy polaryzacyjnej. Dokładna kontrola utrzymuje wysoką przepustowość i niskie ryzyko zanieczyszczenia.

8.4. Jak podjąć decyzję o wymianie membrany ultrafiltracyjnej?

Wymień membranę ultrafiltracyjną, gdy zauważysz wyraźny spadek przepustowości (strumienia), utrzymujący się wzrost TMP, którego nie można usunąć standardowym czyszczeniem, lub widoczne zanieczyszczenia pozostające po czyszczeniu. Dodatkowymi wskaźnikami są utrata selektywności (brak odrzucania białek docelowych zgodnie z oczekiwaniami) oraz brak możliwości osiągnięcia parametrów wydajnościowych. Monitorowanie częstotliwości wymiany membrany poprzez regularne testowanie przepływu i selektywności stanowi podstawę maksymalizacji żywotności membrany w procesach zagęszczania roztworów białek metodą ultrafiltracji.

8.5. Jakie parametry operacyjne mogę dostosować, aby zminimalizować zanieczyszczenie białkowe w filtrze TFF?

Kluczowe parametry operacyjne mające na celu minimalizację zanieczyszczeń białkowych podczas filtracji przepływowej poprzecznej obejmują:

Utrzymuj odpowiednią prędkość przepływu krzyżowego, aby ograniczyć lokalne gromadzenie się białek i zarządzać polaryzacją stężeń.
Należy pracować w zalecanym zakresie TMP, zwykle 3–5 psi (0,2–0,35 bar), aby zapobiec nadmiernemu wyciekowi produktu i uszkodzeniu membrany.
Stosuj regularne protokoły czyszczenia membran, aby ograniczyć nieodwracalne zanieczyszczenia.
Monitoruj i w razie potrzeby poddaj roztwór paszowy wstępnej obróbce w celu kontrolowania lepkości (na przykład stosując obróbkę enzymatyczną, np. pektynazę).
Wybierz materiały membranowe i rozmiary porów (MWCO) odpowiednie do docelowej wielkości białka i celów procesu.

Zintegrowanie wstępnej filtracji hydrocyklonowej lub enzymatycznego oczyszczania wstępnego może poprawić wydajność systemu, szczególnie w przypadku wsadów o wysokiej lepkości. Ściśle śledź skład wsadu i dynamicznie dostosowuj ustawienia, aby zminimalizować zanieczyszczenie membrany i zoptymalizować fazę zagęszczania ultrafiltracji.