Контроль вязкости белковых растворов имеет решающее значение для оптимизации процессов ультрафильтрационной концентрации в биофармацевтическом производстве. Повышенная вязкость белковых растворов, особенно при высоких концентрациях белка, напрямую влияет на производительность мембраны, эффективность процесса и экономику в приложениях ультрафильтрационной концентрации белка. Вязкость раствора возрастает с увеличением содержания белка из-за кластеризации антител и электростатических взаимодействий, которые увеличивают сопротивление потоку и перепад давления на ультрафильтрационной мембране. Это приводит к снижению потока пермеата и увеличению времени работы, особенно в процессах поперечной фильтрации (TFF).
Трансмембранное давление (ТМП), движущая сила ультрафильтрации, тесно связано с вязкостью. Работа вне нормального диапазона трансмембранного давления ускоряет загрязнение мембраны и усугубляет концентрационную поляризацию — накопление белков вблизи мембраны, которое постоянно увеличивает локальную вязкость. И концентрационная поляризация, и загрязнение мембраны приводят к снижению производительности ультрафильтрационной мембраны и могут сократить срок ее службы, если их не контролировать. Экспериментальные исследования показывают, что загрязнение мембраны и концентрационная поляризация при ультрафильтрации более выражены при более высоких значениях ТМП и более вязких исходных растворах, что делает контроль ТМП в реальном времени необходимым для максимизации производительности и минимизации частоты очистки.
Для оптимизации концентрации при ультрафильтрации необходимы комплексные стратегии:
- Измерение вязкости белкового раствораРегулярная оценка вязкости с использованиемпроточные вискозиметры—помогают прогнозировать скорость фильтрации и предвидеть узкие места в процессе, способствуя быстрой модификации технологического процесса.
- Подготовка кормаРегулировка pH, ионной силы и температуры может снизить вязкость и уменьшить образование отложений. Например, добавление ионов натрия усиливает гидратационное отталкивание между белками, уменьшая агрегацию и образование отложений, тогда как ионы кальция, как правило, способствуют образованию белковых мостиков и образованию отложений.
- Применение вспомогательных веществВключение в высококонцентрированные белковые растворы вспомогательных веществ, снижающих вязкость, улучшает проницаемость мембран и уменьшает трансмембранное давление при ультрафильтрации, повышая общую эффективность.
- Расширенные режимы теченияУвеличение скорости поперечного потока, использование попеременного поперечного потока или применение струйной подачи воздуха разрушают слои загрязнения. Эти методы помогают поддерживать поток пермеата и снижать частоту замены мембраны за счет минимизации образования отложений.
- Выбор и очистка мембранВыбор химически стойких мембран (например, SiC или термостойких гибридов) и оптимизация частоты очистки мембран с помощью соответствующих протоколов (например, очистка гипохлоритом натрия) имеют решающее значение для продления срока службы мембран и снижения эксплуатационных расходов.
В целом, эффективный контроль вязкости и управление трансмембранным давлением являются краеугольным камнем успешной работы фазы концентрирования при ультрафильтрации, напрямую влияя на выход продукта, частоту очистки мембран и срок службы дорогостоящего мембранного оборудования.
Понимание вязкости белкового раствора при ультрафильтрации
1.1. Что такое вязкость белковых растворов?
Вязкость описывает сопротивление жидкости течению; в белковых растворах она показывает, насколько молекулярное трение препятствует движению. Единицей измерения вязкости в системе СИ является паскаль-секунда (Па·с), но для биологических жидкостей обычно используется сантипуаз (сП). Вязкость напрямую влияет на то, насколько легко можно перекачивать или фильтровать белковые растворы в процессе производства, и влияет на доставку лекарственных средств, особенно высококонцентрированных биопрепаратов.
Концентрация белка является доминирующим фактором, влияющим на вязкость. По мере повышения уровня белка усиливаются межмолекулярные взаимодействия и эффект скученности, что приводит к увеличению вязкости, часто нелинейному. Выше определенного порога белково-белковые взаимодействия дополнительно подавляют диффузию в растворе. Например, концентрированные растворы моноклональных антител, используемые в фармацевтике, часто достигают уровней вязкости, которые создают проблемы при подкожном введении или ограничивают скорость обработки.
В моделях, предсказывающих вязкость концентрированных белковых растворов, теперь учитываются молекулярная геометрия и тенденции к агрегации. Морфология белка — вытянутая, глобулярная или склонная к агрегации — существенно влияет на вязкость при высоких концентрациях. Последние достижения в области микрофлюидных методов позволяют проводить точное измерение вязкости из минимальных объемов образцов, что облегчает быструю проверку новых белковых составов.
1.2. Как изменяется вязкость в процессе ультрафильтрации
В процессе ультрафильтрации концентрационная поляризация приводит к быстрому накоплению белков на границе раздела мембрана-раствор. Это создает резкие локальные градиенты концентрации и повышает вязкость вблизи мембраны. Повышенная вязкость в этой области препятствует массопереносу и снижает поток пермеата.
Концентрационная поляризация отличается от загрязнения мембраны. Поляризация является динамическим и обратимым процессом, происходящим в течение нескольких минут по мере протекания фильтрации. В отличие от этого, загрязнение развивается со временем и часто включает необратимое осаждение или химическую трансформацию на поверхности мембраны. Точная диагностика позволяет отслеживать слой концентрационной поляризации в реальном времени, выявляя его чувствительность к скорости поперечного потока и трансмембранному давлению. Например, увеличение скорости или уменьшение трансмембранного давления (ТМП) способствует разрушению вязкого пограничного слоя, восстанавливая поток.
Эксплуатационные параметры напрямую влияют на вязкость:
- Трансмембранное давление (ТМП)Более высокое трансмембранное давление усиливает поляризацию, повышая локальную вязкость и уменьшая поток.
- Скорость поперечного потокаПовышенная скорость ограничивает накопление, снижая вязкость вблизи мембраны.
- Частота очистки мембранРегулярная очистка уменьшает накопление отложений в течение длительного времени и снижает потерю производительности, вызванную изменением вязкости.
На этапах ультрафильтрации необходимо оптимизировать эти параметры, чтобы минимизировать неблагоприятное воздействие на вязкость и поддерживать производительность.
1.3. Свойства белкового раствора, влияющие на вязкость
Молекулярная массаикомпозицияВ основном, именно они определяют вязкость. Более крупные и сложные белки или агрегаты обладают более высокой вязкостью из-за затрудненного движения и более существенных межмолекулярных сил. Форма белков дополнительно влияет на поток — удлиненные или склонные к агрегации цепи создают большее сопротивление, чем компактные глобулярные белки.
pHЭто критически влияет на заряд и растворимость белка. Регулировка pH раствора вблизи изоэлектрической точки белка минимизирует суммарный заряд, уменьшает отталкивание между белками и временно снижает вязкость, облегчая фильтрацию. Например, проведение ультрафильтрации вблизи изоэлектрической точки БСА или IgG может значительно повысить поток пермеата и селективность разделения.
Ионная силаВлияет на вязкость, изменяя электрический двойной слой вокруг белков. Увеличение ионной силы экранирует электростатические взаимодействия, способствуя прохождению белков через мембраны, но также повышая риск агрегации и соответствующих скачков вязкости. Компромисс между эффективностью и селективностью передачи часто зависит от точной настройки концентрации солей и состава буфера.
Для снижения вязкости можно использовать низкомолекулярные добавки, такие как гидрохлорид аргинина или гуанидин. Эти вещества нарушают гидрофобные или электростатические взаимодействия, уменьшают агрегацию и улучшают текучесть раствора. Температура также является дополнительным параметром контроля: более низкие температуры увеличивают вязкость, тогда как дополнительный нагрев часто её снижает.
При измерении вязкости белкового раствора следует учитывать следующее:
- Распределение молекулярной массы
- Состав раствора (соли, вспомогательные вещества, добавки)
- Выбор pH и буферной системы
- Настройка силы ионов
Эти факторы имеют решающее значение для оптимизации работы ультрафильтрационных мембран и обеспечения стабильности на разных этапах концентрирования и в процессах тангенциальной фильтрации.
Основы ультрафильтрации и концентрации белка
Принципы ультрафильтрации и концентрирования на фазе
Ультрафильтрационная концентрация белка осуществляется путем приложения трансмембранного давления (ТМП) через полупроницаемую мембрану, что приводит к прохождению растворителя и мелких растворенных веществ, задерживая при этом белки и более крупные молекулы. Процесс основан на селективной проницаемости в зависимости от размера молекул, при этом пороговое значение молекулярной массы (ПММ) мембраны определяет максимальный размер молекул, которые проходят через нее. Белки, превышающие ПММ, накапливаются на стороне ретентата, увеличивая свою концентрацию по мере удаления пермеата.
Фаза ультрафильтрации направлена на уменьшение объема и обогащение белкового раствора. По мере фильтрации вязкость белкового раствора обычно возрастает, влияя на поток и требования к трансмембранному давлению (ТМП). Удерживаемые белки могут взаимодействовать друг с другом и с мембраной, что делает реальный процесс более сложным, чем простое исключение по размеру. Электростатические взаимодействия, агрегация белков и характеристики раствора, такие как pH и ионная сила, влияют на результаты удержания и разделения. В некоторых случаях адвективный транспорт преобладает над диффузией, особенно в мембранах с большими порами, что усложняет ожидания, основанные исключительно на выборе MWCO [см. краткое изложение исследования].
Объяснение поперечной фильтрации (TFF).
Фильтрация с поперечным потоком, также называемая тангенциальной фильтрацией (ТФФ), направляет раствор белка тангенциально по поверхности мембраны. Этот подход отличается от тупиковой фильтрации, где поток перпендикулярен мембране, проталкивая частицы непосредственно на фильтр и внутрь него.
Основные отличия и последствия:
- Контроль обрастания:Технология TFF уменьшает накопление белковых и твердых слоев, известных как образование осадка, за счет непрерывного удаления потенциальных загрязнений с мембраны. Это приводит к более стабильному потоку пермеата и упрощает техническое обслуживание.
- Удержание белка:Технология TFF способствует лучшему управлению концентрационной поляризацией — слоем удерживаемых молекул вблизи мембраны, — которая, если ее не контролировать, может снизить селективность разделения и усилить загрязнение мембраны. Динамический поток в технологии TFF смягчает этот эффект, помогая поддерживать высокую степень удержания белка и эффективность разделения.
- Стабильность потока:Технология TFF позволяет увеличить продолжительность работы при стабильном потоке, повышая эффективность процессов с высокобелковыми или богатыми частицами исходными материалами. Фильтрация в тупиковых условиях, напротив, быстро засоряется, снижая производительность и требуя частой очистки.
Усовершенствованные варианты тангенциальной фильтрации (ТФФ), такие как чередующийся тангенциальный поток (ЧТП), дополнительно предотвращают загрязнение и образование осадка за счет периодического изменения направления или скорости тангенциального потока, что продлевает срок службы фильтра и повышает производительность по белкам [см. обзор исследований]. Как в классических, так и в усовершенствованных системах ТФФ рабочие параметры — такие как трансмембранное давление (ТМП), скорость поперечного потока и частота очистки — должны быть адаптированы к конкретной белковой системе, типу мембраны и целевой концентрации для оптимизации производительности и минимизации загрязнения.
Трансмембранное давление (ТМП) при ультрафильтрации
3.1. Что такое трансмембранное давление?
Трансмембранное давление (ТМП) — это разница давлений по обе стороны фильтрационной мембраны, перемещающая растворитель со стороны подаваемого раствора к стороне пермеата. ТМП является основной силой, лежащей в основе процесса разделения при ультрафильтрации, позволяя растворителю проходить через мембрану, задерживая при этом белки и другие макромолекулы.
Формула ТМП:
- Простая разница: TMP = P_feed − P_permeate
- Инженерный метод: TMP = [(P_feed + P_retentate)/2] − P_permeate
Здесь P_feed — входное давление, P_retentate — выходное давление со стороны ретентата, а P_permeate — давление со стороны пермеата. Учет давления ретентата (или концентрата) обеспечивает более точное значение вдоль поверхности мембраны, учитывая градиенты давления, вызванные сопротивлением потоку и загрязнением. - Давление подачи и расход
- Удерживайте давление (при необходимости).
- Давление пермеата (часто атмосферное)
- Мембранное сопротивление
Трансмембранное давление (ТМП) варьируется в зависимости от типа мембраны, конструкции системы и условий процесса.
Контрольные переменные:
3.2. Трансмембранное давление и процесс ультрафильтрации
Трансмембранное давление (ТМП) играет центральную роль в ультрафильтрации, концентрируя белки и обеспечивая прохождение белковых растворов через мембрану. Давление должно быть достаточно высоким, чтобы преодолеть сопротивление мембраны и любых накопившихся веществ, но не настолько высоким, чтобы ускорить загрязнение.
Влияние вязкости раствора и концентрации белка
- Вязкость растворов белков:Повышенная вязкость увеличивает сопротивление потоку, что требует более высокого трансмембранного давления (ТМП) для поддержания того же потока пермеата. Например, добавление глицерина в исходный раствор или работа с концентрированными белками повышает вязкость и, следовательно, требуемое рабочее ТМП.
- Концентрация белка:По мере увеличения концентрации на этапе ультрафильтрации вязкость раствора возрастает, трансмембранное давление увеличивается, а риск загрязнения мембраны или концентрационной поляризации возрастает.
- Закон Дарси:Трансмембранное давление (ТМП), поток пермеата (Дж) и вязкость (μ) связаны соотношением ТМП = Дж × μ × R_m (сопротивление мембраны). Для высоковязких растворов белков тщательная регулировка ТМП имеет решающее значение для эффективной ультрафильтрации.
Примеры:
- Ультрафильтрация плотных растворов антител требует тщательного контроля трансмембранного давления для противодействия повышению вязкости.
- ПЭГилирование или другие модификации белков изменяют взаимодействие с мембраной, влияя на трансмембранный потенциал (ТМП), необходимый для желаемого потока.
3.3. Мониторинг и оптимизация ТМП
Поддержание ТМП в пределахнормальный диапазон трансмембранного давленияЭто имеет решающее значение для стабильной работы ультрафильтрационной мембраны и качества продукции. Со временем, по мере протекания ультрафильтрации, концентрационная поляризация и загрязнение могут привести к повышению трансмембранного давления, иногда очень быстрому.
Методы мониторинга:
- Мониторинг в реальном времени:Трансмиссионное давление (ТМП) отслеживается по поступающим, удерживаемым и пермеатным растворам.датчики давления.
- Рамановская спектроскопия:Используется для неинвазивного мониторинга концентраций белков и вспомогательных веществ, обеспечивая адаптивный контроль трансмембранного давления во время ультрафильтрации и диафильтрации.
- Расширенное управление:Расширенные фильтры Калмана (EKF) могут обрабатывать данные датчиков, автоматически регулируя трансмембранное давление (ТМП) во избежание чрезмерного загрязнения.
- Установите начальное значение TMP в пределах нормы:Не слишком низкое значение, чтобы не снижать поток, и не слишком высокое, чтобы избежать быстрого загрязнения.
- Регулируйте трансмембранное давление по мере увеличения вязкости:В фазе ультрафильтрации и концентрирования повышайте трансмембранное давление постепенно, только по мере необходимости.
- Контроль потока подаваемого раствора и уровня pH:Увеличение потока подаваемого раствора или снижение трансмембранного давления уменьшает концентрационную поляризацию и загрязнение.
- Очистка и замена мембран:Более высокие значения трансмембранного давления связаны с более частой очисткой и сокращением срока службы мембраны.
Оптимизация стратегий:
Примеры:
- Коррозионное загрязнение в линиях переработки белков приводит к повышению трансмембранного давления и снижению потока, что требует очистки или замены мембран для восстановления нормальной работы.
- Ферментативная предварительная обработка (например, добавление пектиназы) может снизить трансмембранное давление и продлить срок службы мембраны при ультрафильтрации рапсового белка с высокой вязкостью.
3.4. TMP в системах TFF
Тангенциальная (поперечная) фильтрация (ТФФ) работает за счет направления подаваемого раствора через мембрану, а не непосредственно сквозь нее, что существенно влияет на динамику трансмембранного давления.
Регулирование и баланс ТМП
- Трансмембранное давление TFF (TFF TMP):Управление осуществляется путем контроля как скорости потока подаваемого раствора, так и давления насоса, чтобы избежать чрезмерного трансмембранного давления и максимизировать поток пермеата.
- Оптимизация параметров:Увеличение потока подаваемого раствора снижает локальное отложение белков, стабилизирует трансмембранное давление и уменьшает загрязнение мембраны.
- Компьютерное моделирование:Модели вычислительной гидродинамики (CFD) прогнозируют и оптимизируют процесс тангенциальной фильтрации (TFF) для достижения максимального извлечения продукта, его чистоты и выхода, что особенно важно для таких процессов, как выделение мРНК или внеклеточных везикул.
Примеры:
- В биотехнологических процессах оптимальная технология TFF TMP обеспечивает извлечение более 70% мРНК без деградации, превосходя методы ультрацентрифугирования.
- Адаптивное управление трансмембранным давлением, основанное на математических моделях и данных с датчиков, снижает частоту замены мембран и увеличивает срок их службы за счет уменьшения загрязнения.
Основные выводы:
- Для поддержания эффективности процесса, потока и состояния мембраны в тангенциальной фильтрации необходимо активно регулировать трансмембранное давление (ТФД).
- Систематическая оптимизация трансмембранного давления снижает эксплуатационные расходы, способствует получению высокочистых продуктов и продлевает срок службы мембран в процессах ультрафильтрации белков и смежных процессах.
Механизмы образования отложений и их связь с вязкостью
Основные пути образования отложений при ультрафильтрации белков
На процесс ультрафильтрации белков влияют несколько различных путей загрязнения:
Коррозионное загрязнение:Коррозия возникает, когда продукты коррозии — как правило, оксиды железа — накапливаются на поверхности мембран. Они снижают поток и трудно удаляются стандартными химическими чистящими средствами. Коррозионное загрязнение приводит к стойкому снижению производительности мембран и со временем увеличивает частоту их замены. Особенно сильно это сказывается на мембранах из ПВДФ и ПЭС, используемых в водоочистке и для обработки белков.
Органическое обрастание:Загрязнение преимущественно индуцируется белками, такими как бычий сывороточный альбумин (БСА), и может усиливаться в присутствии других органических веществ, таких как полисахариды (например, альгинат натрия). Механизмы включают адсорбцию на порах мембраны, закупорку пор и образование осадочного слоя. Синергетический эффект возникает при наличии нескольких органических компонентов, при этом системы со смешанными загрязняющими веществами испытывают более сильное загрязнение, чем системы с одним белком.
Концентрационная поляризация:По мере протекания ультрафильтрации удерживаемые белки накапливаются вблизи поверхности мембраны, увеличивая локальную концентрацию и вязкость. Это создает поляризационный слой, который усиливает склонность к загрязнению и снижает поток. Процесс ускоряется по мере продвижения фазы ультрафильтрации, находясь под прямым влиянием трансмембранного давления и динамики потока.
Коллоидные и смешанные обрастания:Коллоидные вещества (например, кремнезем, неорганические минералы) могут взаимодействовать с белками, образуя сложные агрегированные слои, которые усугубляют загрязнение мембран. Например, присутствие коллоидного кремнезема значительно снижает скорость потока, особенно в сочетании с органическими веществами или при неоптимальных условиях pH.
Влияние вязкости раствора на развитие отложений
Вязкость растворов белков оказывает сильное влияние на кинетику загрязнения и уплотнение мембран:
Ускоренное обрастание:Повышенная вязкость раствора белка увеличивает сопротивление обратному переносу удерживаемых растворенных веществ, способствуя более быстрому образованию осадочного слоя. Это усиливает трансмембранное давление (ТМП), ускоряя уплотнение мембраны и ее загрязнение.
Влияние состава раствора:Тип белка влияет на вязкость; глобулярные белки (например, БСА) и вытянутые белки ведут себя по-разному в отношении потока и поляризации. Добавление таких соединений, как полисахариды или глицерин, значительно повышает вязкость, способствуя загрязнению мембран. Добавки и агрегация белков в высоких концентрациях еще больше усиливают скорость засорения мембран, напрямую снижая как поток, так и срок службы мембран.
Оперативные последствия:Более высокая вязкость требует повышения трансмембранного давления (ТМП) для поддержания скорости фильтрации в процессах поперечной фильтрации. Длительное воздействие высокого ТМП приводит к необратимому загрязнению, что часто требует более частой очистки мембраны или ее более ранней замены.
Роль характеристик корма
Характеристики корма, а именно содержание белка и химический состав воды, определяют степень загрязнения:
Размер и распределение белка:Более крупные или агрегированные белки имеют большую склонность вызывать закупорку пор и образование осадка, повышая вязкость и склонность к уплотнению во время ультрафильтрационного концентрирования белка.
pH:Повышенный уровень pH усиливает электростатическое отталкивание, предотвращая агрегацию белков вблизи мембраны и тем самым уменьшая загрязнение. Напротив, кислые условия уменьшают отталкивание, особенно для коллоидного диоксида кремния, усугубляя загрязнение мембраны и снижая скорость потока.
Температура:Снижение температуры процесса обычно уменьшает кинетическую энергию, что может замедлить скорость образования отложений, но также увеличить вязкость раствора. Высокие температуры ускоряют образование отложений, но могут также повысить эффективность очистки.
Коллоидные/неорганические вещества:Присутствие коллоидного диоксида кремния или металлов усиливает загрязнение, особенно в кислых условиях. Частицы диоксида кремния увеличивают общую вязкость раствора и физически закупоривают поры, что снижает эффективность ультрафильтрации и уменьшает общий срок службы и производительность мембраны.
Ионный состав:Добавление определенных ионных соединений (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) может уменьшить загрязнение мембран за счет изменения электростатических и гидратационных сил между белками и мембранами. Однако ионы, такие как Ca²⁺, часто способствуют агрегации и увеличивают потенциал загрязнения.
Примеры:
- В процессе поперечной фильтрации поток жидкости, богатый высокомолекулярными белками и обладающий повышенной вязкостью, быстро снижается, что приводит к необходимости частой очистки и замены фильтрующего материала.
- Когда подаваемая вода содержит коллоидный диоксид кремния и подкисляется, агрегация и осаждение диоксида кремния усиливаются, что значительно увеличивает скорость загрязнения и снижает эффективность мембраны.
В заключение следует отметить, что понимание взаимосвязи между вязкостью раствора, типами загрязнения и характеристиками исходного раствора имеет важное значение для оптимизации концентрации ультрафильтрации, снижения загрязнения мембран и максимального увеличения срока службы мембран.
Концентрационная поляризация и методы её управления
Что такое концентрационная поляризация?
Концентрационная поляризация — это локальное накопление удерживаемого растворенного вещества, например белков, на границе раздела мембрана/раствор во время ультрафильтрации. В контексте белковых растворов, когда жидкость течет против полупроницаемой мембраны, белки, отфильтрованные мембраной, имеют тенденцию накапливаться в тонком пограничном слое, прилегающем к поверхности. Это накопление приводит к резкому градиенту концентрации: высокая концентрация белка непосредственно у мембраны, гораздо более низкая в объеме раствора. Это явление обратимо и регулируется гидродинамическими силами. Оно отличается от загрязнения мембраны, которое включает более постоянное осаждение или адсорбцию внутри или на мембране.
Как концентрационная поляризация усугубляет вязкость и образование отложений
На поверхности мембраны происходит непрерывное накопление белков, образующих пограничный слой, который увеличивает локальную концентрацию растворенных веществ. Это приводит к двум существенным эффектам:
Локальное увеличение вязкости:По мере увеличения концентрации белка вблизи мембраны вязкость белкового раствора в этой микрообласти также возрастает. Повышенная вязкость препятствует обратному переносу растворенного вещества от мембраны, еще больше увеличивая градиент концентрации и создавая петлю обратной связи, приводящую к возрастающему сопротивлению потоку. Это приводит к снижению потока пермеата и увеличению энергозатрат на непрерывную фильтрацию.
Способствует загрязнению мембран:Высокая концентрация белка вблизи мембраны повышает вероятность агрегации белка и, в некоторых системах, образования гелевого слоя. Этот слой закупоривает поры мембраны и дополнительно усиливает сопротивление потоку. Такие условия создают благоприятные условия для начала необратимого загрязнения, при котором белковые агрегаты и примеси физически или химически связываются с матрицей мембраны.
Экспериментальная визуализация (например, электронная микроскопия) подтверждает быструю агломерацию наноразмерных белковых кластеров на мембране, которые могут разрастаться до значительных отложений, если параметры работы не будут должным образом контролироваться.
Стратегии минимизации концентрационной поляризации
Для управления концентрационной поляризацией при ультрафильтрации для концентрирования белка или поперечной фильтрации необходим двойной подход: корректировка гидродинамики и настройка рабочих параметров.
Оптимизация скорости поперечного потока:
Повышение скорости поперечного потока увеличивает тангенциальный поток через мембрану, способствуя сдвигу и истончая концентрационный пограничный слой. Более интенсивный сдвиг смывает накопившиеся белки с поверхности мембраны, уменьшая как поляризацию, так и риск загрязнения. Например, использование статических смесителей или введение газовой продувки разрушает слой растворенного вещества, значительно улучшая поток пермеата и эффективность в процессе фильтрации с поперечным потоком.
Изменение рабочих параметров:
Трансмембранное давление (ТМП):Трансмембранное давление (ТМП) — это разница давлений по обе стороны мембраны и движущая сила ультрафильтрации. Однако повышение ТМП для ускорения фильтрации может привести к обратному эффекту, усиливая концентрационную поляризацию. Соблюдение нормального диапазона трансмембранного давления — не превышающего пределы, установленные для ультрафильтрации белков — помогает предотвратить чрезмерное накопление растворенных веществ и связанное с этим увеличение локальной вязкости.
Скорость сдвига:Скорость сдвига, зависящая от скорости поперечного потока и конструкции канала, играет центральную роль в динамике переноса растворенных веществ. Высокая скорость сдвига поддерживает поляризационный слой тонким и подвижным, что позволяет часто обновлять обедненную растворенными веществами область вблизи мембраны. Увеличение скорости сдвига сокращает время, необходимое белкам для накопления, и минимизирует повышение вязкости на границе раздела фаз.
Свойства корма:Корректировка свойств поступающего белкового раствора — например, снижение вязкости раствора, уменьшение содержания агрегатов или контроль pH и ионной силы — может помочь уменьшить степень и влияние концентрационной поляризации. Предварительная обработка исходного раствора и изменение его состава могут повысить эффективность ультрафильтрационных мембран и продлить срок их службы за счет снижения частоты очистки мембран.
Пример приложения:
На предприятии, использующем тангенциальную фильтрацию (ТФФ) для концентрирования моноклональных антител, применяются тщательно оптимизированные скорости поперечного потока, а трансмембранное давление (ТМП) поддерживается в строго заданном диапазоне. Благодаря этому операторы минимизируют поляризацию при концентрировании и загрязнение мембран, сокращая частоту замены мембран и циклы очистки, что напрямую снижает эксплуатационные расходы и повышает выход продукции.
Надлежащая настройка и мониторинг этих переменных, включая измерение вязкости белкового раствора в режиме реального времени, имеют основополагающее значение для оптимизации эффективности ультрафильтрации и смягчения неблагоприятных последствий, связанных с концентрационной поляризацией в процессе обработки белков.
Оптимизация ультрафильтрации для высоковязких белковых растворов
6.1. Передовые методы работы
Для поддержания оптимальной эффективности ультрафильтрации при работе с высоковязкими белковыми растворами необходим тонкий баланс между трансмембранным давлением (ТМП), концентрацией белка и вязкостью раствора. ТМП — разница давлений по обе стороны мембраны — напрямую влияет на скорость ультрафильтрации и степень загрязнения мембраны. При обработке вязких растворов, таких как моноклональные антитела или высококонцентрированные сывороточные белки, любое чрезмерное повышение ТМП может первоначально увеличить поток, но также быстро ускорить загрязнение и накопление белка на поверхности мембраны. Это приводит к нарушению и нестабильности процесса фильтрации, что подтверждается исследованиями с использованием методов визуализации, показывающими образование плотных белковых слоев при повышенном ТМП и концентрации белка выше 200 мг/мл.
Оптимальный подход предполагает работу системы вблизи критического трансмембранного давления (ТМП), но не превышая его. В этом случае производительность максимальна, а риск необратимого загрязнения остается минимальным. Для очень высоких вязкостей недавние исследования показывают, что снижение ТМП и одновременное увеличение потока подаваемого раствора (фильтрация поперечным потоком) помогает уменьшить концентрационную поляризацию и осаждение белка. Например, исследования концентрации Fc-слитых белков демонстрируют, что более низкие значения ТМП помогают поддерживать стабильный поток, одновременно снижая потери продукта.
Постепенный и методичный рост концентрации белка в процессе ультрафильтрации имеет решающее значение. Резкие скачки концентрации могут слишком быстро привести раствор к высокой вязкости, увеличивая как риск агрегации, так и степень загрязнения. Вместо этого, постепенное повышение уровня белка позволяет параллельно регулировать параметры процесса, такие как трансмембранное давление (ТМП), скорость поперечного потока и pH, что способствует поддержанию стабильности системы. Примеры применения ферментативной ультрафильтрации подтверждают, что поддержание более низкого рабочего давления на этих этапах обеспечивает контролируемое увеличение концентрации, минимизируя снижение потока и сохраняя целостность продукта.
6.2. Частота замены мембран и уход за ними
Частота замены мембран в ультрафильтрации тесно связана с показателями загрязнения и снижения потока. Вместо того чтобы полагаться исключительно на относительное снижение потока как на индикатор окончания срока службы, мониторинг удельного сопротивления загрязнению — количественной меры, отражающей сопротивление, создаваемое накопленным материалом, — оказался более надежным, особенно в средах со смешанным содержанием белка или белка и полисахаридов, где загрязнение может происходить быстрее и сильнее.
Крайне важен также мониторинг дополнительных индикаторов загрязнения. Видимые признаки поверхностного отложения, неравномерный поток пермеата или постоянное повышение трансмембранного давления (несмотря на очистку) — все это предупреждающие сигналы о прогрессирующем загрязнении, предшествующем выходу мембраны из строя. Такие методы, как отслеживание модифицированного индекса загрязнения (MFI-UF) и его корреляция с производительностью мембраны, позволяют планировать замену мембраны с прогнозированием, а не реагировать на уже произошедшие изменения, тем самым минимизируя время простоя и контролируя затраты на техническое обслуживание.
Целостность мембраны нарушается не только из-за накопления органических загрязнений, но и из-за коррозии, особенно в процессах, работающих при экстремальных значениях pH или высоких концентрациях солей. Для предотвращения как коррозии, так и отложения загрязнений необходимо проводить регулярные проверки и химическую очистку. При обнаружении загрязнений, связанных с коррозией, частоту очистки мембран и интервалы их замены необходимо корректировать для обеспечения длительного срока службы мембран и стабильной работы ультрафильтрационных мембран. Тщательное плановое техническое обслуживание имеет важное значение для смягчения последствий этих проблем и продления эффективной работы.
6.3. Управление технологическим процессом и измерение вязкости в потоке.
Точное измерение вязкости белкового раствора в режиме реального времени имеет важное значение для управления процессом ультрафильтрации, особенно при увеличении концентрации и вязкости. Системы измерения вязкости в режиме реального времени обеспечивают непрерывный мониторинг, позволяя получать немедленную обратную связь и вносить динамические корректировки в параметры системы.
Новые технологии кардинально изменили подход к измерению вязкости белковых растворов:
Рамановская спектроскопия с фильтрацией КалманаАнализ Рамана в реальном времени, поддерживаемый расширенными фильтрами Калмана, обеспечивает надежное отслеживание концентрации белка и состава буфера. Такой подход повышает чувствительность и точность, способствуя автоматизации процессов ультрафильтрации и диафильтрации.
Автоматизированная кинематическая капиллярная вискометрияБлагодаря использованию компьютерного зрения, эта технология автоматически измеряет вязкость раствора, устраняя ошибки, возникающие при ручном измерении, и обеспечивая повторяемый, многоканальный мониторинг в нескольких технологических потоках. Она проверена как для стандартных, так и для сложных белковых составов и снижает необходимость вмешательства на этапе ультрафильтрационного концентрирования.
Микрофлюидные реологические устройстваМикрофлюидные системы обеспечивают детальные и непрерывные реологические профили, даже для неньютоновских высоковязких белковых растворов. Они особенно ценны в фармацевтическом производстве, поддерживая стратегии аналитических технологий в процессах (PAT) и интеграцию с контурами обратной связи.
Управление технологическим процессом с помощью этих инструментов позволяет реализовать контуры обратной связи для регулировки трансмембранного давления (ТМП), скорости подачи или скорости поперечного потока в реальном времени в ответ на изменения вязкости. Например, если встроенный датчик обнаруживает внезапное повышение вязкости (из-за увеличения концентрации или агрегации), ТМП может быть автоматически снижено или скорость поперечного потока увеличена, чтобы ограничить возникновение концентрационной поляризации при ультрафильтрации. Такой подход не только продлевает срок службы мембран, но и обеспечивает стабильное качество продукции за счет динамического управления факторами, влияющими на вязкость белковых растворов.
Выбор наиболее подходящей технологии мониторинга вязкости зависит от конкретных требований к ультрафильтрации, включая ожидаемый диапазон вязкости, сложность белковой рецептуры, потребности в интеграции и стоимость. Достижения в области мониторинга в реальном времени и динамического управления процессом значительно улучшили возможности оптимизации ультрафильтрации для высоковязких белковых растворов, обеспечивая как операционную стабильность, так и высокий выход продукта.
Устранение неполадок и распространенные проблемы при ультрафильтрации белков.
7.1. Симптомы, причины и способы лечения
Повышенное трансмембранное давление
Повышение трансмембранного давления (ТМП) во время ультрафильтрации указывает на возрастающее сопротивление на мембране. Влияние трансмембранного давления на ультрафильтрацию является прямым: нормальный диапазон трансмембранного давления обычно зависит от процесса, но устойчивое повышение заслуживает исследования. Выделяются две распространенные причины:
- Повышенная вязкость белкового раствора:По мере увеличения вязкости белковых растворов — обычно при высокой концентрации белка в процессе ультрафильтрации — давление, необходимое для потока, возрастает. Это особенно заметно на этапах конечного концентрирования и диафильтрации, где растворы наиболее вязкие.
- Загрязнение мембран:Загрязняющие вещества, такие как белковые агрегаты или смеси полисахаридов и белков, могут прилипать к мембранным порам или блокировать их, что приводит к быстрому скачку трансмембранного давления.
Лекарственные средства:
- Снизить трансмембранное давление и увеличить поток подачиСнижение трансмембранного давления при одновременном увеличении скорости подачи уменьшает концентрационную поляризацию и образование гелевого слоя, способствуя стабильному потоку.
- Регулярная очистка мембранУстановите оптимальную частоту очистки мембраны для удаления накопившихся загрязнений. Контролируйте эффективность очистки путем измерения вязкости раствора белка после ее завершения.
- Замените изношенные мембраны.Увеличение частоты замены мембраны может потребоваться, если очистка недостаточна или истек срок службы мембраны.
Снижение скорости потока: диагностическое дерево
Постоянное снижение потока на этапе ультрафильтрационного концентрирования указывает на проблемы с производительностью. Для диагностики используйте следующий подход:
- Контролируйте трансмембранное давление и вязкость:Если оба показателя повысились, проверьте наличие загрязнений или гелевого слоя.
- Проверьте состав корма и уровень pH:Изменения в этой области могут повлиять на вязкость белковых растворов и способствовать образованию отложений.
- Оцените рабочие характеристики мембраны:Снижение потока пермеата, несмотря на очистку, свидетельствует о возможном повреждении мембраны или необратимом загрязнении.
Решения:
- Оптимизация температуры, pH и ионной силы подаваемого раствора позволяет снизить загрязнение и концентрационную поляризацию в процессе ультрафильтрации.
- Используйте модули с модифицированной поверхностью или вращающиеся мембранные модули для разрушения гелевых слоев и восстановления потока.
- Регулярно проводите измерения вязкости белковых растворов, чтобы прогнозировать изменения, влияющие на текучесть.
Быстрое обрастание или образование гелевого слоя
Быстрое образование гелевого слоя происходит из-за чрезмерной концентрационной поляризации на поверхности мембраны. Трансмембранное давление при поперечной фильтрации (TFF) особенно подвержено этому явлению в условиях высокой вязкости или высокого содержания белка в исходном растворе.
Стратегии смягчения последствий:
- Для минимизации связывания и прикрепления белков следует использовать гидрофильные, отрицательно заряженные мембранные поверхности (например, мембраны из поливинилиденфторида [ПВДФ]).
- Перед ультрафильтрацией проведите предварительную обработку подаваемого раствора с помощью коагуляции или электрокоагуляции для удаления веществ, вызывающих сильное загрязнение.
- Внедрить механические устройства, такие как вращающиеся модули, в процесс поперечной фильтрации для уменьшения толщины осадочного слоя и замедления образования гелевого слоя.
7.2. Адаптация к изменчивости кормления
Системы ультрафильтрации белка должны адаптироваться к изменчивости свойств или состава исходного белка. Факторы, влияющие на вязкость белковых растворов, такие как состав буфера, концентрация белка и склонность к агрегации, могут изменять поведение системы.
Стратегии реагирования
- Мониторинг вязкости и состава в режиме реального времени:Внедрение аналитических датчиков в линию (рамановская спектроскопия + фильтр Калмана) для быстрого обнаружения изменений в исходном сырье, превосходящих по эффективности традиционные методы УФ- или ИК-спектроскопии.
- Адаптивное управление технологическими процессами:Настройте параметры параметров (скорость потока(ТМП, выбор мембраны) в ответ на обнаруженные изменения. Например, для повышения вязкости раствора белка может потребоваться более низкое ТМП и высокие скорости сдвига.
- Выбор мембраны:Используйте мембраны с размером пор и химическим составом поверхности, оптимизированными для текущих свойств исходного раствора, обеспечивая баланс между удержанием белка и потоком.
- Предварительная обработка корма:Если резкие изменения в характере подаваемого сырья способствуют загрязнению, следует ввести этапы коагуляции или фильтрации перед ультрафильтрацией.
Примеры:
- В биотехнологических процессах переключение буферных растворов или изменение агрегатов антител должны инициировать корректировку трансмембранного давления (ТМП) и скорости потока через систему управления.
- В случае ультрафильтрации, связанной с хроматографией, адаптивные алгоритмы оптимизации целочисленного смешивания позволяют минимизировать вариативность и снизить эксплуатационные расходы, сохраняя при этом производительность ультрафильтрационной мембраны.
Регулярный контроль вязкости белкового раствора и немедленная корректировка условий процесса помогают оптимизировать концентрацию при ультрафильтрации, поддерживать производительность и минимизировать загрязнение мембран и концентрационную поляризацию.
Часто задаваемые вопросы
8.1. Каков нормальный диапазон трансмембранного давления при ультрафильтрации белковых растворов?
Нормальный диапазон трансмембранного давления (ТМП) в системах ультрафильтрации для концентрирования белка зависит от типа мембраны, конструкции модуля и характеристик исходного раствора. Для большинства процессов ультрафильтрации белка ТМП обычно поддерживается в диапазоне от 1 до 3 бар (15–45 psi). Значения ТМП выше 0,2 МПа (около 29 psi) могут привести к повреждению мембраны, быстрому загрязнению и сокращению срока службы мембраны. В биомедицинских и биотехнологических приложениях рекомендуемое ТМП, как правило, не должно превышать 0,8 бар (~12 psi) во избежание разрыва мембраны. Для таких процессов, как фильтрация с поперечным потоком, соблюдение этого диапазона ТМП обеспечивает как выход продукта, так и целостность белка.
8.2. Как вязкость растворов белков влияет на эффективность ультрафильтрации?
Вязкость белкового раствора напрямую влияет на эффективность ультрафильтрационной концентрации. Высокая вязкость увеличивает сопротивление потоку и повышает трансмембранное давление (ТМП), что приводит к снижению потока пермеата и быстрому загрязнению мембраны. Этот эффект особенно выражен при использовании моноклональных антител или Fc-слитых белков в высоких концентрациях, где вязкость увеличивается из-за белково-белковых взаимодействий и зарядовых эффектов. Управление и оптимизация вязкости с помощью вспомогательных веществ или ферментативной обработки улучшают поток, уменьшают загрязнение и позволяют достигать более высоких концентраций на этапе ультрафильтрационной концентрации. Мониторинг вязкости белкового раствора имеет решающее значение для поддержания эффективности процесса.
8.3. Что такое концентрационная поляризация и почему она важна в TFF?
Концентрационная поляризация в ультрафильтрации — это накопление белков на поверхности мембраны, вызывающее градиент между основным раствором и границей раздела мембраны. В поперечной фильтрации это приводит к увеличению локальной вязкости и потенциально обратимому снижению потока. Если это не контролировать, это может способствовать загрязнению мембраны и снижению эффективности системы. Решение проблемы концентрационной поляризации в ультрафильтрации включает оптимизацию скорости поперечного потока, трансмембранного давления (ТМП) и выбор мембраны для поддержания тонкого поляризационного слоя. Точный контроль обеспечивает высокую производительность и низкий риск загрязнения.
8.4. Как определить, когда следует заменить ультрафильтрационную мембрану?
Замените ультрафильтрационную мембрану при заметном снижении производительности (потока), устойчивом повышении трансмембранного давления (ТМП), которое не устраняется стандартной очисткой, или при видимых загрязнениях, сохраняющихся после очистки. Дополнительными индикаторами являются потеря селективности (неспособность отфильтровывать целевые белки должным образом) и неспособность достичь заявленных характеристик производительности. Мониторинг частоты замены мембраны с помощью регулярного тестирования потока и селективности является основой для максимального увеличения срока службы мембраны в процессах ультрафильтрационного концентрирования белковых растворов.
8.5. Какие рабочие параметры можно отрегулировать, чтобы минимизировать образование белковых отложений в тангенциальной фильтрации?
Ключевые рабочие параметры для минимизации образования белковых отложений при поперечной фильтрации включают:
- Поддерживайте достаточную скорость поперечного потока, чтобы уменьшить локальное накопление белка и контролировать концентрационную поляризацию.
- Для предотвращения чрезмерной утечки продукта и повреждения мембраны необходимо работать в пределах рекомендуемого диапазона трансмембранного давления (ТМП), обычно 3–5 фунтов на квадратный дюйм (0,2–0,35 бар).
- Для ограничения необратимого загрязнения мембран необходимо регулярно проводить их очистку.
- Необходимо контролировать и, при необходимости, предварительно обрабатывать питательный раствор для регулирования вязкости (например, с помощью ферментативной обработки, такой как пектиназа).
- Выберите материалы мембраны и размеры пор (MWCO), подходящие для целевого размера белка и технологических целей.
Внедрение гидроциклонной предварительной фильтрации или ферментативной обработки может улучшить производительность системы, особенно при работе с высоковязкими исходными материалами. Необходимо тщательно отслеживать состав исходного раствора и динамически корректировать настройки, чтобы минимизировать загрязнение мембран и оптимизировать фазу ультрафильтрации для концентрирования.
Дата публикации: 03.11.2025
