Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Att kontrollera viskositeten hos proteinlösningar är avgörande för att optimera ultrafiltreringskoncentrationsprocesser inom biofarmaceutisk tillverkning. Förhöjd viskositet i proteinlösningar – särskilt vid höga proteinkoncentrationer – påverkar direkt membranets prestanda, processeffektivitet och ekonomi i ultrafiltreringsproteinkoncentrationstillämpningar. Lösningens viskositet ökar med proteininnehållet på grund av antikroppskluster och elektrostatiska interaktioner, vilket ökar motståndet mot flöde och tryckfall över ultrafiltreringsmembranet. Detta resulterar i lägre permeatflöden och längre driftstider, särskilt i tvärflödesfiltreringsprocesser (TFF).

Transmembrantryck (TMP), drivkraften bakom ultrafiltrering, är intimt kopplat till viskositet. Att arbeta utanför det normala transmembrantryckområdet accelererar membranföroreningar och förvärrar koncentrationspolarisering – uppbyggnaden av proteiner nära membranet som kontinuerligt ökar den lokala viskositeten. Både koncentrationspolarisering och membranföroreningar resulterar i minskad ultrafiltreringsmembranprestanda och kan förkorta membranets livslängd om de inte kontrolleras. Experimentellt arbete visar att membranföroreningar och koncentrationspolarisering vid ultrafiltrering är mer uttalade vid högre TMP-värden och med mer viskösa matningar, vilket gör realtids-TMP-kontroll avgörande för att maximera genomströmningen och minimera rengöringsfrekvensen.

Optimering av ultrafiltreringskoncentrationen kräver integrerade strategier:

Mätning av proteinlösningens viskositetRegelbundna viskositetsbedömningar – med hjälp avinline-viskosimetrar—hjälpa till att förutsäga filtreringshastigheter och förutse flaskhalsar i processer, vilket stöder snabba processmodifieringar.
FoderkonditioneringJustering av pH, jonstyrka och temperatur kan sänka viskositeten och minska nedsmutsning. Till exempel ökar tillsats av natriumjoner hydreringsrepulsionen mellan proteiner, vilket mildrar aggregation och nedsmutsning, medan kalciumjoner tenderar att främja proteinbryggbildning och nedsmutsning.
Användning av hjälpämnenGenom att införliva viskositetssänkande hjälpämnen i högkoncentrerade proteinlösningar förbättras membranpermeabiliteten och minskas transmembrantrycket vid ultrafiltrering, vilket ökar den totala effektiviteten.
Avancerade flödesregimerAtt öka korsflödeshastigheten, använda alternerande korsflöde eller använda luftstråleinjektion stör nedsmutsningsskikten. Dessa tekniker hjälper till att upprätthålla permeatflödet och minska frekvensen av membranbyten genom att minimera avlagringsbildning.
Membranval och rengöringAtt välja kemiskt elastiska membran (t.ex. SiC eller termosalienthybrider) och optimera membranrengöringsfrekvensen med lämpliga protokoll (t.ex. rengöring av natriumhypoklorit) är avgörande för att förlänga membranens livslängd och minska driftskostnaderna.

Sammantaget är effektiv viskositetskontroll och TMP-hantering hörnstenen i framgångsrik ultrafiltreringskoncentrationsfasprestanda, och påverkar direkt produktutbyte, membranrengöringsfrekvens och livslängden hos dyra membrantillgångar.

Förstå proteinlösningens viskositet vid ultrafiltrering

1.1. Vad är viskositeten hos proteinlösningar?

Viskositet beskriver en vätskas flödesmotstånd; i proteinlösningar markerar den hur mycket molekylär friktion hindrar rörelse. SI-enheten för viskositet är Pascalsekund (Pa·s), men centipoise (cP) används ofta för biologiska vätskor. Viskositet påverkar direkt hur lätt proteinlösningar kan pumpas eller filtreras under tillverkning och påverkar läkemedelsleverans, särskilt för bioterapeutika med hög koncentration.

Proteinkoncentrationen är den dominerande faktorn som påverkar viskositeten. När proteinnivåerna stiger ökar intermolekylära interaktioner och trängsel, vilket gör att viskositeten stiger, ofta icke-linjärt. Över ett visst tröskelvärde hämmar protein-protein-interaktioner ytterligare diffusionen i lösningen. Till exempel når koncentrerade monoklonala antikroppslösningar som används i läkemedel ofta viskositetsnivåer som utmanar subkutan injektion eller begränsar bearbetningshastigheterna.

Modeller som förutsäger viskositet i koncentrerade proteinlösningar inkluderar nu molekylär geometri och aggregeringstendenser. Proteinmorfologin – oavsett om den är avlång, globulär eller benägen att aggregera – påverkar viskositeten avsevärt vid höga koncentrationer. Nya framsteg inom mikrofluidisk bedömning möjliggör exakt viskositetsmätning från minimala provvolymer, vilket underlättar snabb screening av nya proteinformuleringar.

1.2. Hur viskositeten förändras under ultrafiltrering

Under ultrafiltrering ackumuleras snabbt proteiner vid gränssnittet mellan membran och lösning genom koncentrationspolarisation. Detta skapar branta lokala koncentrationsgradienter och höjer viskositeten nära membranet. Förhöjd viskositet i detta område hindrar massöverföring och minskar permeatflödet.

Koncentrationspolarisering skiljer sig från membranförorening. Polarisering är dynamisk och reversibel och sker inom några minuter allt eftersom filtreringen fortskrider. I jämförelse utvecklas förorening över tid och involverar ofta irreversibel avsättning eller kemisk omvandling på membranytan. Noggrann diagnostik möjliggör realtidsspårning av koncentrationspolarisationsskiktet, vilket avslöjar dess känslighet för korsflödeshastighet och transmembrantryck. Till exempel hjälper ökad hastighet eller minskad transmembrantryck (TMP) till att störa det viskösa gränsskiktet och återställa flödet.

Driftsparametrar påverkar direkt viskositetsbeteendet:

Transmembrantryck (TMP)Högre TMP intensifierar polariseringen, vilket höjer den lokala viskositeten och minskar flödet.
TvärflödeshastighetÖkad hastighet begränsar ackumulering och modererar viskositeten nära membranet.
MembranrengöringsfrekvensRegelbunden rengöring minskar långsiktig avlagring och mildrar viskositetsdriven prestandaförlust.

Ultrafiltreringskoncentrationsfaser måste optimera dessa parametrar för att minimera negativa viskositetseffekter och bibehålla genomströmningen.

1.3. Egenskaper hos proteinlösningar som påverkar viskositeten

Molekylviktochsammansättningbestämmer främst viskositeten. Större, mer komplexa proteiner eller aggregat ger högre viskositet på grund av hindrad rörelse och mer betydande intermolekylära krafter. Proteinernas form modulerar ytterligare flödet – avlånga eller aggregationsbenägna kedjor orsakar mer motstånd än kompakta globulära proteiner.

pHpåverkar proteinets laddning och löslighet kritiskt. Att justera lösningens pH-värde nära ett proteins isoelektriska punkt minimerar nettoladdningen, minskar protein-protein-repulsionen och sänker tillfälligt viskositeten, vilket underlättar filtrering. Till exempel kan ultrafiltrering nära den isoelektriska punkten för BSA eller IgG markant förbättra permeatflödet och separationsselektiviteten.

Jonstyrkapåverkar viskositeten genom att förändra det elektriska dubbelskiktet runt proteiner. Ökad jonstyrka skärmar av elektrostatiska interaktioner, vilket främjar proteintransmission genom membran men ökar också risken för aggregering och motsvarande viskositetstoppar. Avvägningen mellan transmissionseffektivitet och selektivitet beror ofta på finjustering av saltkoncentrationer och buffertsammansättning.

Småmolekylära tillsatser – såsom argininhydroklorid eller guanidin – kan användas för att mildra viskositeten. Dessa ämnen stör hydrofoba eller elektrostatiska attraktioner, minskar aggregation och förbättrar lösningens flödesegenskaper. Temperaturen fungerar som en ytterligare kontrollvariabel; lägre temperaturer ökar viskositeten, medan ytterligare värme ofta minskar den.

Viskositetsmätning av proteinlösning bör beakta:

Molekylviktsfördelningar
Lösningens sammansättning (salter, hjälpämnen, tillsatser)
Val av pH- och buffertsystem
Inställning av jonstyrka

Dessa faktorer är avgörande för att optimera ultrafiltreringsmembranets prestanda och säkerställa konsekvens över koncentrationsfaser och TFF-processer.

Grunderna i ultrafiltrering av proteinkoncentration

Principer för ultrafiltreringskoncentrationsfas

Ultrafiltrering av proteinkoncentration sker genom att applicera ett transmembrantryck (TMP) över ett semipermeabelt membran, vilket driver lösningsmedel och små lösta ämnen igenom samtidigt som proteiner och större molekyler bibehålls. Processen utnyttjar selektiv permeation baserad på molekylstorlek, där membranets molekylviktsgräns (MWCO) definierar den maximala storleken på molekyler som passerar. Proteiner som överstiger MWCO ackumuleras på retentatsidan och ökar deras koncentration när permeatet avlägsnas.

Ultrafiltreringskoncentrationsfasen syftar till volymreduktion och anrikning av proteinlösningen. Allt eftersom filtreringen fortskrider ökar viskositeten hos proteinlösningen vanligtvis, vilket påverkar flödes- och TMP-kraven. Resterande proteiner kan interagera med varandra och med membranet, vilket gör den verkliga processen mer komplex än enkel storleksuteslutning. Elektrostatiska interaktioner, proteinaggregering och lösningsegenskaper som pH och jonstyrka påverkar retentions- och separationsresultat. I vissa fall dominerar advektiv transport över diffusion, särskilt i membran med större porer, vilket komplicerar förväntningar baserade enbart på MWCO-urval [se forskningssammanfattning].

Transversal flödesfiltrering (TFF) förklarad

Tvärflödesfiltrering, även kallad tangentiell flödesfiltrering (TFF), leder proteinlösningen tangentiellt över membranytan. Denna metod står i kontrast till återvändsgrändsfiltrering, där flödet är vinkelrätt mot membranet och trycker partiklar direkt på och in i filtret.

Viktiga skillnader och effekter:

Kontroll av nedsmutsning:TFF minskar uppbyggnaden av protein- och partikellager, så kallad kakbildning, genom att kontinuerligt sopa bort potentiella föroreningar från membranet. Detta resulterar i ett mer stabilt permeatflöde och enklare underhåll.
Proteinretention:TFF stöder bättre hantering av koncentrationspolarisering – ett lager av kvarhållna molekyler nära membranet – vilket, om det inte kontrolleras, kan minska separationsselektiviteten och öka nedsmutsningen. Det dynamiska flödet i TFF mildrar denna effekt och bidrar till att upprätthålla hög proteinretention och separationseffektivitet.
Flödesstabilitet:TFF möjliggör längre driftsperioder med jämnt flöde, vilket ökar effektiviteten i processer med proteinrika eller partikelrika råvaror. Återvändsgrändsfiltrering hindras däremot snabbt av nedsmutsning, vilket minskar genomströmningen och kräver frekventa rengöringsinsatser.

Avancerade TFF-varianter, såsom alternerande tangentiellt flöde (ATF), stör ytterligare nedsmutsning och kakbildning genom att periodiskt reversera eller variera tangentiella hastigheter, vilket förlänger filtrets livslängd och förbättrar proteingenomströmningen [se forskningssammanfattning]. I både klassiska och avancerade TFF-uppsättningar måste driftsinställningar – såsom TMP, korsflödeshastighet och rengöringsfrekvens – anpassas till det specifika proteinsystemet, membrantypen och målkoncentrationen för att optimera prestanda och minimera nedsmutsning.

Transmembrantryck (TMP) vid ultrafiltrering

3.1. Vad är transmembrantryck?

Transmembrantryck (TMP) är tryckskillnaden över ett filtreringsmembran, vilket driver lösningsmedel från matningssidan mot permeatsidan. TMP är den huvudsakliga kraften bakom separationsprocessen vid ultrafiltrering, vilket gör att lösningsmedel kan passera genom membranet samtidigt som proteiner och andra makromolekyler bibehålls.

TMP-formel:

Enkel skillnad: TMP = P_feed − P_permeat
Teknisk metod: TMP = [(P_matning + P_retentat)/2] − P_permeat
Här är P_feed inloppstrycket, P_retentate är utloppstrycket på retentatsidan och P_permeate är trycket på permeatsidan. Att inkludera retentattrycket (eller koncentrattrycket) ger ett mer exakt värde längs membranytan, med hänsyn till tryckgradienter orsakade av flödesmotstånd och nedsmutsning.
Matningstryck och flödeshastighet
Retenteringstryck (i förekommande fall)
Permeattryck (ofta atmosfärstryck)
Membranresistans
TMP varierar beroende på membrantyp, systemdesign och processförhållanden.

Kontrollerande variabler:

3.2. TMP och ultrafiltreringsprocessen

TMP spelar en central roll i proteinkoncentrationen i ultrafiltrering, då det driver proteinlösningar genom membranet. Trycket måste vara tillräckligt högt för att övervinna motståndet från membranet och eventuellt ansamlat material, men inte så högt att det accelererar nedsmutsning.

Inverkan av lösningens viskositet och proteinkoncentration

Viskositet hos proteinlösningar:Högre viskositet ökar flödesmotståndet, vilket kräver en högre TMP för att bibehålla samma permeatflöde. Till exempel ökar tillsats av glycerol till matningen eller arbete med koncentrerade proteiner viskositeten och därmed den erforderliga operationella TMP:n.
Proteinkoncentration:Allt eftersom koncentrationen ökar under ultrafiltreringskoncentrationsfasen ökar lösningens viskositet, TMP ökar och risken för membranförorening eller koncentrationspolarisering ökar.
Darcys lag:TMP, permeatflöde (J) och viskositet (μ) är relaterade via TMP = J × μ × R_m (membranresistans). För proteinlösningar med hög viskositet är noggrann justering av TMP avgörande för effektiv ultrafiltrering.

Exempel:

Ultrafiltrering av täta antikroppslösningar kräver noggrann TMP-hantering för att motverka stigande viskositet.
PEGylering eller andra proteinmodifieringar förändrar interaktionen med membranet, vilket påverkar den TMP som krävs för önskat flöde.

3.3. Övervakning och optimering av TMP

Att upprätthålla TMP inomnormalt transmembrantryckintervallär avgörande för stabil ultrafiltreringsmembranprestanda och produktkvalitet. Med tiden, allt eftersom ultrafiltreringen fortskrider, kan koncentrationspolarisering och nedsmutsning orsaka att TMP stiger, ibland snabbt.

Övervakningsmetoder:

Realtidsövervakning:TMP spåras via inlopp, retentat och permeattrycktransmittrar.
Ramanspektroskopi:Används för icke-invasiv övervakning av protein- och hjälpämneskoncentrationer, vilket underlättar adaptiv TMP-kontroll under ultrafiltrering och diafiltrering.
Avancerad kontroll:Utökade Kalman-filter (EKF) kan bearbeta sensordata och automatiskt justera TMP för att undvika överdriven nedsmutsning.
Ställ in initial TMP inom normalt intervall:Inte för lågt för att minska flödet, inte för högt för att undvika snabb nedsmutsning.
Justera TMP när viskositeten ökar:Under ultrafiltreringskoncentrationsfasen, höj TMP stegvis endast efter behov.
Kontrollera matningsflöde och pH:Ökat matningsflöde eller sänkt TMP mildrar koncentrationspolarisering och nedsmutsning.
Rengöring och byte av membran:Högre TMP-värden är förknippade med mer frekvent rengöring och minskad membranlivslängd.

Optimeringsstrategier:

Exempel:

Korrosionsnedsmutsning i proteinbearbetningslinjer leder till ökad temperaturmängd (TMP) och minskat flöde, vilket kräver rengöring eller utbyte av membranet för att återställa normal drift.
Enzymatisk förbehandling (t.ex. pektinastillsats) kan sänka TMP och förlänga membranets livslängd under ultrafiltrering av högviskös rapsprotein.

3.4. TMP i TFF-system

Tangentiell (tvärgående) flödesfiltrering (TFF) fungerar genom att kanalisera matarlösningen över membranet snarare än direkt genom det, vilket avsevärt påverkar TMP-dynamiken.

Reglering och balans av TMP

TFF-transmembrantryck (TFF TMP):Hanteras genom att kontrollera både matningsflödeshastigheten och pumptrycket för att undvika för hög TMP samtidigt som permeatflödet maximeras.
Optimera parametrar:Ökat matningsflöde minskar lokal avsättning av proteiner, stabiliserar TMP och minskar membranföroreningar.
Beräkningsmodellering:CFD-modeller förutsäger och optimerar TFF TMP för maximal produktutvinning, renhet och utbyte – särskilt viktigt för processer som mRNA eller isolering av extracellulära vesikler.

Exempel:

Inom bioprocessing ger optimal TFF TMP >70 % mRNA-återhämtning utan nedbrytning, vilket överträffar ultracentrifugeringsmetoder.
Adaptiv TMP-kontroll, informerad av matematiska modeller och sensoråterkoppling, minskar frekvensen av membranbyten och förlänger membranets livslängd genom att minska nedsmutsningen.

Viktiga slutsatser:

TMP-transmembrantrycket måste hanteras aktivt i TFF för att bibehålla processeffektivitet, flöde och membranhälsa.
Systematisk TMP-optimering sänker driftskostnaderna, stöder återvinning av hög renhet av produkter och förlänger membranens livslängd vid proteinultrafiltrering och relaterade processer.

Övervaka och mät höga proteinkoncentrationer

Nedsmutsningsmekanismer och deras förhållande till viskositet

Huvudsakliga nedsmutsningsvägar vid proteinultrafiltrering

Proteinultrafiltrering påverkas av flera distinkta nedsmutsningsvägar:

Korrosionsnedsmutsning:Uppstår när korrosionsprodukter – vanligtvis järnoxider – ansamlas på membranytor. Dessa minskar flödet och är svåra att avlägsna med vanliga kemiska rengöringsmedel. Korrosionsnedsmutsning leder till ihållande förlust av membranets prestanda och ökar frekvensen av membranbyten över tid. Dess inverkan är särskilt allvarlig med PVDF- och PES-membran som används i vattenrening och proteinapplikationer.

Organisk nedsmutsning:Främst inducerad av proteiner såsom bovint serumalbumin (BSA), och kan intensifieras i närvaro av andra organiska ämnen som polysackarider (t.ex. natriumalginat). Mekanismer inkluderar adsorption på membranporer, porpluggning och bildandet av ett kaklager. Synergistiska effekter uppstår när flera organiska komponenter är närvarande, där system med blandade nedsmutsningar upplever mer allvarlig nedsmutsning än system med ett enda protein.

Koncentrationspolarisering:Allt eftersom ultrafiltreringen fortskrider ackumuleras kvarhållna proteiner nära membranytan, vilket ökar den lokala koncentrationen och viskositeten. Detta skapar ett polarisationslager som ökar benägenheten att förorena och minskar flödet. Processen accelererar allt eftersom ultrafiltreringskoncentrationsfasen fortskrider, direkt påverkad av transmembrantryck och flödesdynamik.

Kolloidal och blandad nedsmutsning:Kolloidalt material (t.ex. kiseldioxid, oorganiska mineraler) kan interagera med proteiner och skapa komplexa aggregatlager som förvärrar membrannedsmutsning. Närvaron av kolloidal kiseldioxid, till exempel, sänker flödeshastigheterna markant, särskilt i kombination med organiskt material eller under suboptimala pH-förhållanden.

Inverkan av lösningens viskositet på utveckling av nedsmutsning

Viskositeten hos proteinlösningar påverkar starkt nedsmutsningskinetik och membrankompaktering:

Accelererad nedsmutsning:Högre viskositet i proteinlösningar ökar motståndet mot tillbakatransport av kvarhållna lösta ämnen, vilket underlättar snabbare bildning av kaklager. Detta förstärker transmembrantrycket (TMP), vilket påskyndar membrankompaktering och nedsmutsning.

Lösningskompositionens effekter:Proteintyp förändrar viskositeten; globulära proteiner (t.ex. BSA) och utsträckta proteiner beter sig olika vad gäller flöde och polarisering. Tillsats av föreningar som polysackarider eller glycerol ökar viskositeten avsevärt, vilket främjar nedsmutsning. Tillsatser och proteinaggregering vid höga koncentrationer intensifierar ytterligare hastigheten med vilken membran täpps till, vilket direkt minskar både flöde och membranlivslängd.

Operativa konsekvenser:Högre viskositet kräver ökad TMP för att upprätthålla filtreringshastigheter i tvärflödesfiltreringsprocesser. Långvarig exponering för hög TMP ökar irreversibel nedsmutsning, vilket ofta kräver mer frekvent membranrengöring eller tidigare membranbyte.

Foderegenskapernas roll

Foderegenskaper – nämligen proteinegenskaper och vattenkemi – avgör hur allvarlig nedsmutsningen är:

Proteinstorlek och distribution:Större eller aggregerade proteiner har en större tendens att orsaka porblockering och kakbildning, vilket ökar viskositeten och kompakteringstendenserna under ultrafiltreringsproteinkoncentration.

pH:Förhöjt pH ökar den elektrostatiska repulsionen, vilket förhindrar att proteiner aggregerar nära membranet, vilket minskar nedsmutsning. Däremot minskar sura förhållanden repulsionen, särskilt för kolloidal kiseldioxid, vilket förvärrar membrannedsmutsning och minskar flödeshastigheterna.

Temperatur:Lägre processtemperaturer minskar generellt sett den kinetiska energin, vilket kan sänka nedsmutsningshastigheten men också öka lösningens viskositet. Höga temperaturer accelererar nedsmutsning men kan också förbättra rengöringseffektiviteten.

Kolloidalt/oorganiskt material:Närvaron av kolloidal kiseldioxid eller metaller intensifierar nedsmutsningen, särskilt under sura förhållanden. Kiseldioxidpartiklar ökar den totala lösningens viskositet och täpper fysiskt till porerna, vilket gör ultrafiltreringskoncentrationen mindre effektiv och minskar membranets totala livslängd och prestanda.

Jonisk sammansättning:Tillsats av vissa joniska ämnen (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) kan minska nedsmutsning genom att modifiera elektrostatiska krafter och hydratiseringskrafter mellan proteiner och membran. Joner som Ca²⁺ främjar dock ofta aggregering och ökar nedsmutsningspotentialen.

Exempel:

Under tvärflödesfiltrering kommer ett foder rikt på högmolekylära proteiner och förhöjd viskositet att uppleva en snabb flödesminskning, vilket ökar rengörings- och utbytesrutinerna.
När matarvatten innehåller kolloidal kiseldioxid och försuras, intensifieras kiseldioxidaggregering och avsättning, vilket kraftigt ökar nedsmutsningshastigheten och minskar membranets prestanda.

Sammanfattningsvis är det viktigt att förstå samspelet mellan lösningens viskositet, nedsmutsningstyper och matningsegenskaper för att optimera ultrafiltreringskoncentrationen, minska membrannedsmutsning och maximera membranets livslängd.

Koncentrationspolarisering och dess hantering

Vad är koncentrationspolarisering?

Koncentrationspolarisering är den lokaliserade ansamlingen av kvarhållna lösta ämnen – såsom proteiner – vid gränssnittet mellan membran och lösning under ultrafiltrering. I samband med proteinlösningar, när vätska strömmar mot det semipermeabla membranet, tenderar proteiner som stöts bort av membranet att ansamlas i ett tunt gränsskikt intill ytan. Denna ansamling resulterar i en brant koncentrationsgradient: hög proteinkoncentration precis vid membranet, mycket lägre i bulklösningen. Fenomenet är reversibelt och styrs av hydrodynamiska krafter. Det står i kontrast till membranförorening, vilket innebär mer permanent avsättning eller adsorption inuti eller på membranet.

Hur koncentrationspolarisering förvärrar viskositet och nedsmutsning

På membranytan bildar den kontinuerliga ansamlingen av proteiner ett gränsskikt som ökar den lokala koncentrationen av lösta ämnen. Detta har två signifikanta effekter:

Lokal ökning av viskositet:När proteinkoncentrationen stiger nära membranet ökar även viskositeten hos proteinlösningen i denna mikroregion. Förhöjd viskositet hindrar tillbakatransporten av löst ämne bort från membranet, vilket ytterligare brantar koncentrationsgradienten och skapar en återkopplingsslinga med ökande flödesmotstånd. Detta resulterar i minskat permeatflöde och ett högre energibehov för fortsatt filtrering.

Underlättning av membrannedsmutsning:Hög proteinkoncentration nära membranet ökar sannolikheten för proteinaggregering och, i vissa system, bildandet av ett gellager. Detta lager blockerar membranporer och förstärker ytterligare flödesmotståndet. Sådana förhållanden är mogna för uppkomsten av irreversibel nedsmutsning, där proteinaggregat och föroreningar binder fysiskt eller kemiskt till membranmatrisen.

Experimentell avbildning (t.ex. elektronmikroskopi) bekräftar snabb agglomerering av nanostora proteinkluster vid membranet, vilka kan växa till betydande avlagringar om driftsförhållandena inte hanteras på lämpligt sätt.

Strategier för att minimera koncentrationspolarisering

Att hantera koncentrationspolarisering vid ultrafiltrering av proteinkoncentration eller tvärflödesfiltrering kräver en dubbel metod: justering av hydrodynamiken och finjustering av driftsparametrar.

Optimering av tvärflödeshastighet:
Att öka tvärflödeshastigheten ökar det tangentiella flödet över membranet, vilket främjar skjuvning och tunnar ut koncentrationsgränsskiktet. Kraftigare skjuvning sveper bort ackumulerade proteiner från membranytan, vilket minskar både polarisering och risken för nedsmutsning. Till exempel, användning av statiska blandare eller införande av gasinblåsning stör det lösta ämnesskiktet, vilket avsevärt förbättrar permeatflödet och effektiviteten i tvärflödesfiltreringsprocessen.

Ändra driftsparametrar:

Transmembrantryck (TMP):TMP är tryckskillnaden över membranet och drivkraften för ultrafiltrering. Att höja TMP för att accelerera filtreringen kan dock slå tillbaka genom att intensifiera koncentrationspolariseringen. Att hålla sig till det normala transmembrantryckintervallet – att inte överskrida gränserna som är satta för proteinultrafiltrering – hjälper till att förhindra överdriven ansamling av lösta ämnen och den därmed sammanhängande ökningen av lokal viskositet.

Skjuvhastighet:Skjuvhastigheten, en funktion av korsflödeshastighet och kanaldesign, spelar en central roll i dynamiken hos transport av lösta ämnen. Hög skjuvning håller polarisationsskiktet tunt och rörligt, vilket möjliggör frekvent förnyelse av den lösta ämnesutarmade regionen nära membranet. Ökande skjuvhastighet minskar den tid proteiner har för att ackumuleras och minimerar viskositetsökningen vid gränssnittet.

Flödesegenskaper:Att justera egenskaperna hos den inkommande proteinlösningen – såsom att sänka viskositeten, minska aggregatinnehållet eller kontrollera pH och jonstyrka – kan bidra till att minska omfattningen och effekten av koncentrationspolarisering. Förbehandling av foder och formuleringsändringar kan förbättra ultrafiltreringsmembranets prestanda och förlänga membranets livslängd genom att minska frekvensen av membranrengöring.

Applikationsexempel:
En anläggning som använder tangentiell flödesfiltrering (TFF) för att koncentrera monoklonala antikroppar tillämpar noggrant optimerade korsflödeshastigheter och bibehåller TMP inom ett strikt fönster. Genom att göra det minimerar operatörerna koncentrationspolarisering och membranföroreningar, vilket minskar både membranbytesfrekvensen och rengöringscyklerna – vilket direkt sänker driftskostnaderna och förbättrar produktutbytet.

Lämplig justering och övervakning av dessa variabler – inklusive mätning av proteinlösningens viskositet i realtid – är grundläggande för att optimera ultrafiltreringskoncentrationens prestanda och mildra negativa effekter relaterade till koncentrationspolarisering vid proteinbearbetning.

Optimering av ultrafiltrering för proteinlösningar med hög viskositet

6.1. Operativa bästa praxis

Att upprätthålla optimal ultrafiltreringsprestanda med högviskösa proteinlösningar kräver en känslig balans mellan transmembrantryck (TMP), proteinkoncentration och lösningens viskositet. TMP – skillnaden i tryck över membranet – påverkar direkt ultrafiltreringsproteinkoncentrationshastigheten och graden av membranförorening. Vid bearbetning av viskösa lösningar som monoklonala antikroppar eller högkoncentrerade serumproteiner kan en överdriven ökning av TMP initialt öka flödet, men den accelererar också snabbt föroreningar och proteinackumulering på membranytan. Detta leder till en komprometterad och instabil filtreringsprocess, vilket bekräftas av bildstudier som visar täta proteinlager som bildas vid förhöjda TMP- och proteinkoncentrationer över 200 mg/ml.

Det optimala tillvägagångssättet innebär att systemet körs nära, men inte överstiger, den kritiska TMP-nivån. Vid denna punkt maximeras produktiviteten men risken för irreversibel nedsmutsning förblir minimal. För mycket höga viskositeter tyder nya resultat på att man minskar TMP och samtidigt ökar matningsflödet (tvärflödesfiltrering) för att minska koncentrationspolarisering och proteinavsättning. Till exempel visar studier av Fc-fusionsproteinkoncentration att lägre TMP-inställningar hjälper till att upprätthålla stabilt flöde samtidigt som produktförlusten minskas.

En gradvis och metodisk ökning av proteinkoncentrationen under ultrafiltrering är avgörande. Abrupta koncentrationssteg kan tvinga lösningen in i en högviskös regim för snabbt, vilket ökar både aggregationsriskerna och svårighetsgraden av nedsmutsning. Istället möjliggör en stegvis ökning av proteinnivåerna att processparametrar som TMP, korsflödeshastighet och pH justeras parallellt, vilket bidrar till att upprätthålla systemstabilitet. Fallstudier av enzymultrafiltrering bekräftar att bibehållande av lägre driftstryck under dessa faser säkerställer en kontrollerad ökning av koncentrationen, vilket minimerar flödesminskningen samtidigt som produktens integritet skyddas.

6.2. Membranbytesfrekvens och underhåll

Frekvensen av membranbyte vid ultrafiltrering är starkt kopplad till indikatorer på nedsmutsning och minskande flöde. Istället för att enbart förlita sig på relativ flödesminskning som en indikator vid slutet av livscykeln har övervakning av den specifika nedsmutsningsresistensen – ett kvantitativt mått som representerar resistensen som orsakas av ackumulerat material – visat sig vara mer tillförlitlig, särskilt i blandade protein- eller protein-polysackaridfoder, där nedsmutsning kan uppstå snabbare och mer allvarligt.

Övervakning av ytterligare indikatorer på nedsmutsning är också avgörande. Synliga tecken på ytavlagringar, ojämnt permeatflöde eller ihållande ökningar av TMP (trots rengöring) är alla varningssignaler om avancerad nedsmutsning som föregår membranfel. Tekniker som att spåra det modifierade nedsmutsningsindexet (MFI-UF) och korrelera det med membranprestanda möjliggör prediktiv schemaläggning av utbyte snarare än reaktiva förändringar, vilket minimerar driftstopp och kontrollerar underhållskostnaderna.

Membranets integritet äventyras inte bara av ansamling av organiska föroreningar utan även av korrosion, särskilt i processer som körs vid extrema pH-värden eller höga saltkoncentrationer. Regelbundna inspektioner och kemiska rengöringsrutiner bör införas för att hantera både korrosion och föroreningsavsättning. När korrosionsrelaterad förorening observeras måste membranets rengöringsfrekvens och utbytesintervall justeras för att säkerställa en långvarig membranlivslängd och jämn prestanda hos ultrafiltreringsmembranet. Noggrant, schemalagt underhåll är avgörande för att mildra effekterna av dessa problem och förlänga effektiv drift.

6.3. Processkontroll och inline-viskositetsmätning

Noggrann mätning av viskositeten hos proteinlösningar i realtid är avgörande för processkontroll vid ultrafiltrering, särskilt när koncentrationer och viskositeter ökar. Inline-viskositetsmätningssystem ger kontinuerlig övervakning, vilket möjliggör omedelbar feedback och dynamiska justeringar av systemparametrar.

Nya teknologier har förändrat landskapet för mätning av viskositet i proteinlösningar:

Ramanspektroskopi med KalmanfiltreringRamananalys i realtid, med stöd av utökade Kalman-filter, möjliggör robust spårning av proteinkoncentration och buffertsammansättning. Denna metod ökar känsligheten och noggrannheten, vilket stöder processautomation för ultrafiltreringskoncentration och diafiltrering.

Automatiserad kinematisk kapillärviskometriMed hjälp av datorseende mäter denna teknik automatiskt lösningens viskositet, vilket eliminerar manuella fel och erbjuder repeterbar, multiplexerad övervakning över flera processflöden. Den är validerad för både standard- och komplexa proteinformuleringar och minskar behovet av intervention under ultrafiltreringskoncentrationsfasen.

Mikrofluidiska reologienheterMikrofluidiska system levererar detaljerade, kontinuerliga reologiska profiler, även för icke-newtonska proteinlösningar med hög viskositet. Dessa är särskilt värdefulla inom läkemedelstillverkning, där de stöder processanalytiska teknikstrategier (PAT) och integration med återkopplingsslingor.

Processkontroll med hjälp av dessa verktyg möjliggör implementering av återkopplingsslingor för realtidsjustering av TMP, matningshastighet eller korsflödeshastighet som svar på viskositetsförändringar. Om till exempel inline-avkänning detekterar en plötslig ökning av viskositeten (på grund av koncentrationsökning eller aggregering), kan TMP automatiskt minskas eller korsflödeshastigheten höjas för att begränsa uppkomsten av koncentrationspolarisering vid ultrafiltrering. Denna metod förlänger inte bara membranets livslängd utan stöder också en konsekvent produktkvalitet genom att dynamiskt hantera de faktorer som påverkar viskositeten hos proteinlösningar.

Valet av den lämpligaste viskositetsövervakningstekniken beror på de specifika kraven för ultrafiltreringsapplikationen, inklusive det förväntade viskositetsintervallet, proteinformuleringens komplexitet, integrationsbehov och kostnad. Dessa framsteg inom realtidsövervakning och dynamisk processkontroll har avsevärt förbättrat möjligheten att optimera ultrafiltrering för proteinlösningar med hög viskositet, vilket säkerställer både driftsstabilitet och högt produktutbyte.

Felsökning och vanliga problem vid proteinultrafiltrering

7.1. Symtom, orsaker och åtgärder

Ökat transmembrantryck

En ökning av transmembrantrycket (TMP) under ultrafiltrering indikerar växande resistans över membranet. Effekterna av transmembrantryck på ultrafiltrering är direkta: det normala transmembrantryckintervallet är vanligtvis processberoende, men ihållande ökningar förtjänar undersökning. Två vanliga orsaker sticker ut:

Högre viskositet hos proteinlösningen:Allt eftersom viskositeten hos proteinlösningar ökar – vanligtvis vid hög ultrafiltreringsproteinkoncentration – ökar det tryck som behövs för flöde. Detta är uttalat i slutkoncentrations- och diafiltreringsstegen där lösningarna är mest viskösa.
Membrannedsmutsning:Föroreningar som proteinaggregat eller polysackarid-proteinblandningar kan vidhäfta till eller blockera membranporer, vilket resulterar i en snabb TMP-topp.

Botemedel:

Sänk TMP och öka matningsflödetAtt minska TMP samtidigt som matningshastigheten ökar minskar koncentrationspolarisering och gellagerbildning, vilket främjar stabilt flöde.
Regelbunden rengöring av membranetFastställ en optimal frekvens för rengöring av membranet för att avlägsna ackumulerade föroreningar. Övervaka effektiviteten via viskositetsmätning av proteinlösningen efter rengöring.
Byt ut åldrande membranÖkad frekvens av membranbyte kan vara nödvändig om rengöringen är otillräcklig eller membranets livslängd har uppnåtts.

Fallande flödeshastighet: Diagnostiskt träd

En konsekvent minskning av flödet under ultrafiltreringskoncentrationsfasen tyder på produktivitetsproblem. Följ denna diagnostiska metod:

Övervaka TMP och viskositet:Om båda har ökat, kontrollera om det finns nedsmutsning eller gellager.
Kontrollera fodrets sammansättning och pH:Förändringar här kan förändra viskositeten hos proteinlösningar och främja nedsmutsning.
Bedöm membranets prestanda:Minskat permeatflöde trots rengöring signalerar möjlig membranskada eller irreversibel nedsmutsning.

Lösningar:

Optimera temperatur, pH och jonstyrka i fodret för att minska nedsmutsning och koncentrationspolarisering vid ultrafiltrering.
Använd ytmodifierade eller roterande membranmoduler för att störa gelskikt och återställa flödet.
Utför rutinmässig viskositetsmätning av proteinlösningar för att förutse förändringar som påverkar flödet.

Snabb nedsmutsning eller gelbildning

Snabb gelbildning är ett resultat av överdriven polarisering av koncentrationen vid membranytan. Transmembrantrycket vid tvärflödesfiltrering (TFF) är särskilt känsligt under förhållanden med hög viskositet eller hög proteinhalt.

Strategier för att minska åtgärden:

Applicera hydrofila, negativt laddade membranytor (t.ex. polyvinylidenfluorid [PVDF]-membran) för att minimera proteinbindning och vidhäftning.
Förbehandla fodret med koagulering eller elektrokoagulering för att avlägsna starkt förorenande ämnen före ultrafiltrering.
Integrera mekaniska anordningar som roterande moduler i tvärflödesfiltreringsprocessen för att minska kakskiktets tjocklek och fördröja bildandet av gelskikt.

7.2. Anpassning till matningsvariationer

Proteinultrafiltreringssystem måste anpassa sig till variationer i foderproteinets egenskaper eller sammansättning. Faktorer som påverkar viskositeten hos proteinlösningar – såsom buffertsammansättning, proteinkoncentration och aggregeringsbenägenhet – kan förändra systemets beteende.

Responsstrategier

Viskositets- och sammansättningsövervakning i realtid:Använd inline-analytiska sensorer (Ramanspektroskopi + Kalman-filtrering) för snabb detektering av matningsförändringar, vilket överträffar äldre UV- eller IR-metoder.
Adaptiv processkontroll:Justera parameterinställningar (flödeshastighet, TMP, membranval) som svar på detekterade förändringar. Till exempel kan ökad viskositet i proteinlösningen kräva lägre TMP och höga skjuvhastigheter.
Membranval:Använd membran med porstorlek och ytkemi optimerad för aktuella foderegenskaper, och balansera proteinretention och flöde.
Förbehandling av foder:Om plötsliga förändringar i fodrets natur främjar nedsmutsning, inför koagulerings- eller filtreringssteg uppströms ultrafiltrering.

Exempel:

Vid biobearbetning bör buffertomkopplare eller förändringar i antikroppsaggregat utlösa TMP- och flödesjusteringar via styrsystemet.
För kromatografilänkad ultrafiltrering kan adaptiva blandnings-heltalsoptimeringsalgoritmer minimera variabilitet och minska driftskostnader samtidigt som ultrafiltreringsmembranets prestanda bibehålls.

Rutinmässig spårning av viskositetsmätning av proteinlösningar och omedelbar justering av processförhållanden hjälper till att optimera ultrafiltreringskoncentrationen, bibehålla genomströmningen och minimera membranföroreningar och koncentrationspolarisering.

Vanliga frågor

8.1. Vad är det normala intervallet för transmembrantryck vid ultrafiltrering av proteinlösningar?

Det normala transmembrantrycksintervallet (TMP) i ultrafiltreringssystem för proteinkoncentration beror på membrantyp, moduldesign och matningsegenskaper. För de flesta proteinultrafiltreringsprocesser hålls TMP vanligtvis mellan 1 och 3 bar (15–45 psi). TMP-värden över 0,2 MPa (cirka 29 psi) kan riskera membranskador, snabb nedsmutsning och en förkortad membranlivslängd. I biomedicinska och bioprocessande tillämpningar bör den rekommenderade TMP i allmänhet inte överstiga 0,8 bar (~12 psi) för att undvika membranbrott. För processer som tvärflödesfiltrering skyddar detta TMP-intervall både utbyte och proteinintegritet.

8.2. Hur påverkar viskositeten hos proteinlösningar ultrafiltreringsprestanda?

Proteinlösningens viskositet påverkar direkt prestandan för ultrafiltreringskoncentrationen. Hög viskositet ökar flödesmotståndet och höjer TMP, vilket resulterar i minskat permeatflöde och snabb membranförorening. Denna effekt är uttalad med monoklonala antikroppar eller Fc-fusionsproteiner vid hög koncentration, där viskositeten ökar på grund av protein-protein-interaktioner och laddningseffekter. Att hantera och optimera viskositeten med hjälpämnen eller enzymatiska behandlingar förbättrar flödet, minskar föroreningar och möjliggör högre uppnåeliga koncentrationer under ultrafiltreringskoncentrationsfasen. Övervakning av proteinlösningens viskositetsmätning är avgörande för att upprätthålla effektiv bearbetning.

8.3. Vad är koncentrationspolarisering och varför är det viktigt i TFF?

Koncentrationspolarisering vid ultrafiltrering är ansamlingen av proteiner på membranytan, vilket orsakar en gradient mellan bulklösningen och membrangränssnittet. Vid tvärflödesfiltrering leder detta till ökad lokal viskositet och potentiellt reversibel flödesminskning. Om det lämnas ohanterat kan det främja membranföroreningar och minska systemeffektiviteten. Att åtgärda koncentrationspolarisering vid ultrafiltrering innebär att optimera tvärflödeshastigheter, TMP och membranval för att bibehålla ett tunt polarisationsskikt. Noggrann kontroll håller genomströmningen hög och risken för föroreningar låg.

8.4. Hur bestämmer jag när jag ska byta ut mitt ultrafiltreringsmembran?

Byt ut ultrafiltreringsmembranet när du observerar en markant minskning av genomströmningen (flöde), ihållande ökningar av TMP som standardrengöring inte kan åtgärda, eller synlig nedsmutsning som kvarstår efter rengöring. Ytterligare indikatorer inkluderar förlust av selektivitet (underlåtenhet att avvisa målproteiner som förväntat) och oförmåga att uppnå prestandaspecifikationer. Övervakning av membranbytesfrekvensen med regelbunden flödes- och selektivitetstestning är grunden för att maximera membranets livslängd i ultrafiltreringskoncentrationsprocesser för proteinlösningar.

8.5. Vilka driftsparametrar kan jag justera för att minimera proteinföroreningar i TFF?

Viktiga driftsparametrar för att minimera proteinföroreningar vid tvärgående flödesfiltrering inkluderar:

Bibehåll tillräcklig korsflödeshastighet för att minska lokal proteinuppbyggnad och hantera koncentrationspolarisering.
Arbeta inom det rekommenderade TMP-intervallet, vanligtvis 3–5 psi (0,2–0,35 bar), för att förhindra överdrivet produktläckage och membranskador.
Tillämpa regelbundna protokoll för rengöring av membran för att begränsa irreversibel nedsmutsning.
Övervaka och, om nödvändigt, förbehandla matarlösningen för att kontrollera viskositeten (till exempel med hjälp av enzymatiska behandlingar som pektinas).
Välj membranmaterial och porstorlekar (MWCO) som är lämpliga för målproteinstorlek och processmål.

Integrering av hydrocyklonförfiltrering eller enzymatisk förbehandling kan förbättra systemets prestanda, särskilt för högviskösa foder. Övervaka noggrant fodersammansättningen och justera inställningarna dynamiskt för att minimera membranföroreningar och optimera ultrafiltreringskoncentrationsfasen.