การควบคุมความหนืดของสารละลายโปรตีนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันในการผลิตยาชีวเภสัชภัณฑ์ ความหนืดที่สูงขึ้นในสารละลายโปรตีน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความเข้มข้นของโปรตีนสูง จะส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเมมเบรน ประสิทธิภาพของกระบวนการ และเศรษฐศาสตร์ในการใช้งานการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีน ความหนืดของสารละลายจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณโปรตีนเนื่องจากการรวมกลุ่มของแอนติบอดีและปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิต ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานต่อการไหลและการลดลงของความดันทั่วเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชัน ส่งผลให้ฟลักซ์ของสารละลายที่ผ่านเมมเบรนลดลงและเวลาในการทำงานนานขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการกรองแบบไหลตามขวาง (TFF)
แรงดันข้ามเยื่อ (Transmembrane pressure, TMP) ซึ่งเป็นแรงขับเคลื่อนหลักของการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความหนืด การทำงานนอกช่วงแรงดันข้ามเยื่อปกติจะเร่งการอุดตันของเยื่อและทำให้เกิดการสะสมของโปรตีนบริเวณใกล้เยื่อ (concentration polarization) มากขึ้น ซึ่งการสะสมของโปรตีนนี้จะเพิ่มความหนืดเฉพาะที่อย่างต่อเนื่อง ทั้งการสะสมของโปรตีนบริเวณใกล้เยื่อและการอุดตันของเยื่อส่งผลให้ประสิทธิภาพของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันลดลง และอาจทำให้อายุการใช้งานของเยื่อสั้นลงหากไม่ได้รับการควบคุม งานวิจัยเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่าการอุดตันของเยื่อและการสะสมของโปรตีนบริเวณใกล้เยื่อในการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันจะเด่นชัดมากขึ้นที่ค่า TMP สูงขึ้นและกับสารป้อนที่มีความหนืดสูงขึ้น ทำให้การควบคุม TMP แบบเรียลไทม์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มปริมาณการไหลผ่านและลดความถี่ในการทำความสะอาด
การเพิ่มประสิทธิภาพความเข้มข้นของการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันจำเป็นต้องใช้กลยุทธ์แบบบูรณาการ:
- การวัดความหนืดของสารละลายโปรตีน: การประเมินความหนืดอย่างสม่ำเสมอ—โดยใช้เครื่องวัดความหนืดแบบอินไลน์—ช่วยในการคาดการณ์อัตราการกรองและคาดการณ์ปัญหาคอขวดในกระบวนการผลิต ซึ่งสนับสนุนการปรับเปลี่ยนกระบวนการอย่างรวดเร็ว
- การปรับสภาพอาหารสัตว์การปรับค่า pH ความเข้มข้นของไอออน และอุณหภูมิ สามารถลดความหนืดและลดการเกิดคราบได้ ตัวอย่างเช่น การเติมโซเดียมไอออนจะช่วยเพิ่มแรงผลักระหว่างโปรตีน ทำให้การรวมตัวและการเกิดคราบลดลง ในขณะที่แคลเซียมไอออนมีแนวโน้มที่จะส่งเสริมการเชื่อมต่อของโปรตีนและทำให้เกิดคราบ
- การใช้สารช่วยในการผลิตยาการเติมสารลดความหนืดลงในสารละลายโปรตีนที่มีความเข้มข้นสูงจะช่วยเพิ่มการซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์และลดแรงดันข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ในกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม
- ระบอบการไหลขั้นสูงการเพิ่มความเร็วการไหลข้าม การใช้การไหลข้ามแบบสลับ หรือการฉีดลมแรงดันสูง จะช่วยทำลายชั้นคราบสกปรก เทคนิคเหล่านี้ช่วยรักษาอัตราการไหลของสารละลายที่ผ่านเยื่อกรอง และลดความถี่ในการเปลี่ยนเยื่อกรองโดยการลดการก่อตัวของคราบสะสม
- การคัดเลือกและการทำความสะอาดเมมเบรนการเลือกใช้เมมเบรนที่มีความทนทานต่อสารเคมี (เช่น SiC หรือเมมเบรนไฮบริดที่ทนต่อความร้อน) และการปรับความถี่ในการทำความสะอาดเมมเบรนให้เหมาะสมด้วยวิธีการที่ถูกต้อง (เช่น การทำความสะอาดด้วยโซเดียมไฮโปคลอไรต์) เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการยืดอายุการใช้งานของเมมเบรนและลดต้นทุนการดำเนินงาน
โดยรวมแล้ว การควบคุมความหนืดและการจัดการ TMP อย่างมีประสิทธิภาพเป็นหัวใจสำคัญของประสิทธิภาพการทำงานในขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นของการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อปริมาณผลผลิต ความถี่ในการทำความสะอาดเมมเบรน และอายุการใช้งานของเมมเบรนที่มีราคาแพง
ทำความเข้าใจความหนืดของสารละลายโปรตีนในกระบวนการอัลตราฟิลเทรชัน
1.1. ความหนืดของสารละลายโปรตีนคืออะไร?
ความหนืดอธิบายถึงความต้านทานการไหลของของเหลว ในสารละลายโปรตีน ความหนืดบ่งบอกถึงปริมาณแรงเสียดทานระดับโมเลกุลที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ หน่วย SI ของความหนืดคือ ปาสคาล-วินาที (Pa·s) แต่โดยทั่วไปจะใช้เซนติพอยส์ (cP) สำหรับของเหลวทางชีวภาพ ความหนืดส่งผลโดยตรงต่อความง่ายในการสูบหรือกรองสารละลายโปรตีนในระหว่างกระบวนการผลิต และส่งผลต่อการนำส่งยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับยาชีวบำบัดที่มีความเข้มข้นสูง
ความเข้มข้นของโปรตีนเป็นปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อความหนืด เมื่อระดับโปรตีนสูงขึ้น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและการแออัดก็จะเพิ่มขึ้น ทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้น ซึ่งมักจะไม่เป็นเส้นตรง เมื่อความหนืดสูงกว่าระดับหนึ่ง ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนจะยิ่งยับยั้งการแพร่กระจายภายในสารละลาย ตัวอย่างเช่น สารละลายโมโนโคลนอลแอนติบอดีเข้มข้นที่ใช้ในอุตสาหกรรมยา มักมีความหนืดสูงจนเป็นอุปสรรคต่อการฉีดใต้ผิวหนัง หรือจำกัดอัตราการประมวลผล
แบบจำลองที่ใช้ทำนายความหนืดในสารละลายโปรตีนเข้มข้นในปัจจุบันได้รวมเอาเรขาคณิตของโมเลกุลและแนวโน้มการรวมตัวเข้าไว้ด้วยแล้ว รูปร่างของโปรตีน ไม่ว่าจะเป็นแบบยาว แบบทรงกลม หรือมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกัน ล้วนส่งผลกระทบอย่างมากต่อความหนืดที่ความเข้มข้นสูง ความก้าวหน้าล่าสุดในการประเมินด้วยไมโครฟลูอิดิกส์ทำให้สามารถวัดความหนืดได้อย่างแม่นยำจากปริมาณตัวอย่างเพียงเล็กน้อย ซึ่งช่วยให้สามารถคัดกรองสูตรโปรตีนใหม่ๆ ได้อย่างรวดเร็ว
1.2. การเปลี่ยนแปลงความหนืดระหว่างกระบวนการอัลตราฟิลเตรชัน
ในระหว่างกระบวนการอัลตราฟิลเตรชัน ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันความเข้มข้นจะทำให้โปรตีนสะสมตัวอย่างรวดเร็วที่บริเวณรอยต่อระหว่างเยื่อกรองกับสารละลาย ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของความเข้มข้นอย่างรวดเร็วและเพิ่มความหนืดใกล้กับเยื่อกรอง ความหนืดที่สูงขึ้นในบริเวณนี้จะขัดขวางการถ่ายเทมวลและลดอัตราการไหลของสารละลายผ่านเยื่อกรอง
ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันของความเข้มข้นนั้นแตกต่างจากการอุดตันของเมมเบรน โพลาไรเซชันเป็นปรากฏการณ์แบบไดนามิกและย้อนกลับได้ เกิดขึ้นภายในไม่กี่นาทีเมื่อกระบวนการกรองดำเนินไป ในทางตรงกันข้าม การอุดตันจะพัฒนาขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป และมักเกี่ยวข้องกับการสะสมตัวที่ไม่สามารถย้อนกลับได้หรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่พื้นผิวเมมเบรน การวินิจฉัยที่แม่นยำช่วยให้สามารถติดตามชั้นโพลาไรเซชันของความเข้มข้นแบบเรียลไทม์ ซึ่งเผยให้เห็นถึงความไวต่อความเร็วการไหลข้ามและความดันข้ามเมมเบรน ตัวอย่างเช่น การเพิ่มความเร็วหรือลดความดันข้ามเมมเบรน (TMP) ช่วยทำลายชั้นขอบเขตหนืด ทำให้การไหลกลับคืนสู่สภาพเดิม
พารามิเตอร์การทำงานส่งผลโดยตรงต่อพฤติกรรมความหนืด:
- แรงดันข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ (TMP)ค่า TMP ที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดการโพลาไรเซชันมากขึ้น ส่งผลให้ความหนืดในบริเวณนั้นสูงขึ้นและฟลักซ์ลดลง
- ความเร็วการไหลข้าม: ความเร็วที่เพิ่มขึ้นช่วยจำกัดการสะสมตัวและลดความหนืดบริเวณใกล้เยื่อหุ้มเซลล์
- ความถี่ในการทำความสะอาดเมมเบรนการทำความสะอาดบ่อยๆ จะช่วยลดการสะสมของคราบสกปรกในระยะยาวและลดการสูญเสียประสิทธิภาพที่เกิดจากความหนืด
ขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันต้องปรับพารามิเตอร์เหล่านี้ให้เหมาะสมที่สุด เพื่อลดผลกระทบด้านความหนืดที่ไม่พึงประสงค์และรักษาอัตราการไหลให้คงที่
1.3. คุณสมบัติของสารละลายโปรตีนที่มีผลต่อความหนืด
น้ำหนักโมเลกุลและองค์ประกอบปัจจัยหลักที่กำหนดความหนืดคือโครงสร้างและรูปร่างของโปรตีน โปรตีนที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนกว่า หรือกลุ่มโมเลกุลที่รวมตัวกัน จะมีความหนืดสูงกว่าเนื่องจากการเคลื่อนที่ถูกจำกัดและมีแรงระหว่างโมเลกุลที่มากขึ้น รูปร่างของโปรตีนยังส่งผลต่อการไหลอีกด้วย โปรตีนที่มีสายโซ่ยาวหรือมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันจะทำให้เกิดแรงต้านมากกว่าโปรตีนทรงกลมที่มีขนาดกะทัดรัด
pHค่า pH ของสารละลายมีผลอย่างมากต่อประจุและความสามารถในการละลายของโปรตีน การปรับค่า pH ของสารละลายให้ใกล้จุดไอโซอิเล็กทริกของโปรตีนจะช่วยลดประจุสุทธิ ลดแรงผลักระหว่างโปรตีน และลดความหนืดชั่วคราว ทำให้การกรองง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น การทำงานของอัลตราฟิลเตรชันใกล้จุดไอโซอิเล็กทริกของ BSA หรือ IgG สามารถเพิ่มอัตราการไหลของสารละลายที่ผ่านเยื่อกรองและคัดเลือกการแยกได้ดีขึ้นอย่างมาก
ความแรงของไอออนความเข้มข้นของไอออนส่งผลต่อความหนืดโดยการเปลี่ยนแปลงชั้นไฟฟ้าคู่รอบโปรตีน การเพิ่มความเข้มข้นของไอออนจะลดปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิต ส่งเสริมการส่งผ่านโปรตีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ แต่ก็เพิ่มความเสี่ยงต่อการรวมตัวและการเพิ่มขึ้นของความหนืดอย่างฉับพลัน ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการส่งผ่านและความสามารถในการเลือกผ่านมักขึ้นอยู่กับการปรับความเข้มข้นของเกลือและองค์ประกอบของบัฟเฟอร์อย่างละเอียด
สารเติมแต่งโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น อาร์จินีนไฮโดรคลอไรด์หรือกัวนิดีน สามารถใช้ลดความหนืดได้ สารเหล่านี้จะไปรบกวนแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลที่ไม่ชอบน้ำหรือแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต ลดการรวมตัว และปรับปรุงคุณสมบัติการไหลของสารละลาย อุณหภูมิเป็นตัวแปรควบคุมอีกตัวหนึ่ง อุณหภูมิที่ต่ำลงจะเพิ่มความหนืด ในขณะที่ความร้อนที่เพิ่มขึ้นมักจะลดความหนืดลง
ในการวัดความหนืดของสารละลายโปรตีน ควรพิจารณาถึง:
- การกระจายน้ำหนักโมเลกุล
- ส่วนประกอบของสารละลาย (เกลือ สารช่วย สารเติมแต่ง)
- การเลือกค่า pH และระบบบัฟเฟอร์
- การตั้งค่าความแรงของไอออน
ปัจจัยเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน และการรับประกันความสม่ำเสมอในทุกขั้นตอนความเข้มข้นและกระบวนการ TFF
หลักการพื้นฐานของการเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนด้วยวิธีอัลตราฟิลเตรชัน
หลักการของขั้นตอนการเข้มข้นด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน
กระบวนการเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันทำงานโดยการใช้แรงดันข้ามเยื่อ (Transmembrane Pressure, TMP) ผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ ซึ่งจะผลักดันตัวทำละลายและสารละลายขนาดเล็กให้ผ่านไปได้ ในขณะที่กักโปรตีนและโมเลกุลขนาดใหญ่ไว้ กระบวนการนี้ใช้ประโยชน์จากการซึมผ่านแบบเลือกสรรตามขนาดโมเลกุล โดยค่าตัดโมเลกุล (Molecular Weight Cut-Off, MWCO) ของเยื่อจะเป็นตัวกำหนดขนาดสูงสุดของโมเลกุลที่ผ่านได้ โปรตีนที่มีขนาดเกิน MWCO จะสะสมอยู่ด้านที่ถูกกักไว้ และความเข้มข้นของโปรตีนจะเพิ่มขึ้นเมื่อดึงส่วนที่ซึมผ่านออกมา
ขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันมีเป้าหมายเพื่อลดปริมาตรและเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายโปรตีน เมื่อการกรองดำเนินไป ความหนืดของสารละลายโปรตีนมักจะเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลต่ออัตราการไหลและข้อกำหนด TMP โปรตีนที่ถูกกักไว้อาจมีปฏิกิริยาต่อกันและกับเมมเบรน ทำให้กระบวนการในโลกแห่งความเป็นจริงซับซ้อนกว่าการแยกตามขนาดอย่างง่าย ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าสถิต การรวมตัวของโปรตีน และคุณลักษณะของสารละลาย เช่น pH และความแรงของไอออน มีผลต่อการกักเก็บและผลลัพธ์ของการแยก ในบางกรณี การขนส่งแบบพาความร้อนจะเด่นกว่าการแพร่ โดยเฉพาะในเมมเบรนที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ ทำให้การคาดการณ์โดยอาศัยการเลือก MWCO เพียงอย่างเดียวมีความซับซ้อนมากขึ้น [ดูสรุปงานวิจัย]
คำอธิบายเกี่ยวกับการกรองแบบไหลตามขวาง (Transverse Flow Filtration: TFF)
การกรองแบบไหลขวาง หรือที่เรียกว่าการกรองแบบไหลสัมผัส (TFF) จะส่งสารละลายโปรตีนไปในแนวสัมผัสผ่านพื้นผิวของเมมเบรน วิธีนี้แตกต่างจากการกรองแบบปลายปิด ซึ่งการไหลจะตั้งฉากกับเมมเบรน ทำให้ผลักอนุภาคเข้าไปบนและในตัวกรองโดยตรง
ความแตกต่างและผลกระทบที่สำคัญ:
- การควบคุมการเกิดคราบสกปรก:เทคโนโลยี TFF ช่วยลดการสะสมของโปรตีนและอนุภาคต่างๆ ที่เรียกว่า "การก่อตัวของเค้ก" โดยการกวาดสิ่งสกปรกที่อาจก่อให้เกิดการอุดตันออกจากเมมเบรนอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ฟลักซ์ของสารละลายที่ผ่านเมมเบรนมีความเสถียรมากขึ้นและบำรุงรักษาง่ายขึ้น
- การกักเก็บโปรตีน:TFF ช่วยให้การจัดการภาวะความเข้มข้นสะสม (concentration polarization) ซึ่งเป็นชั้นของโมเลกุลที่ตกค้างอยู่ใกล้เมมเบรนดีขึ้น หากไม่ควบคุม ภาวะนี้อาจลดประสิทธิภาพการแยกสารและทำให้เกิดการอุดตันได้ง่ายขึ้น การไหลแบบไดนามิกใน TFF ช่วยลดผลกระทบนี้ ช่วยรักษาการกักเก็บโปรตีนและประสิทธิภาพการแยกสารให้อยู่ในระดับสูง
- ความเสถียรของฟลักซ์:ระบบกรองแบบ TFF ช่วยให้สามารถใช้งานได้ต่อเนื่องยาวนานขึ้นด้วยอัตราการไหลที่คงที่ เพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการที่มีโปรตีนสูงหรือมีอนุภาคจำนวนมาก ในทางตรงกันข้าม การกรองแบบปิดปลายจะเกิดปัญหาการอุดตันอย่างรวดเร็ว ทำให้ปริมาณการผลิตลดลงและต้องทำความสะอาดบ่อยครั้ง
ระบบกรองแบบ TFF ขั้นสูง เช่น ระบบการไหลแบบสลับทิศทาง (ATF) ช่วยลดการอุดตันและการก่อตัวของตะกอนได้ดียิ่งขึ้น โดยการสลับหรือเปลี่ยนแปลงความเร็วการไหลในทิศทางสัมผัสเป็นระยะๆ ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของตัวกรองและเพิ่มประสิทธิภาพการกรองโปรตีน [ดูสรุปงานวิจัย] ทั้งในระบบ TFF แบบดั้งเดิมและแบบขั้นสูง การตั้งค่าการทำงาน เช่น แรงดันข้ามเยื่อ (TMP) ความเร็วการไหล และความถี่ในการทำความสะอาด ต้องปรับให้เหมาะสมกับระบบโปรตีน ชนิดของเยื่อ และความเข้มข้นเป้าหมาย เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดการเกิดการอุดตันให้เหลือน้อยที่สุด
ความดันข้ามเยื่อ (TMP) ในกระบวนการอัลตราฟิลเตรชัน
3.1. ความดันข้ามเยื่อหุ้มเซลล์คืออะไร?
ความดันข้ามเยื่อ (Transmembrane pressure, TMP) คือความแตกต่างของความดันระหว่างเยื่อกรอง ซึ่งเป็นแรงผลักดันให้ตัวทำละลายไหลจากด้านป้อนสารไปยังด้านสารที่ผ่านเยื่อกรอง TMP เป็นแรงหลักที่อยู่เบื้องหลังกระบวนการแยกสารในการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน โดยยอมให้ตัวทำละลายผ่านเยื่อกรองไปได้ ในขณะที่กักเก็บโปรตีนและโมเลกุลขนาดใหญ่อื่นๆ ไว้
สูตร TMP:
- ความแตกต่างอย่างง่าย: TMP = P_feed − P_permeate
- วิธีทางวิศวกรรม: TMP = [(P_feed + P_retentate)/2] − P_permeate
ในที่นี้ P_feed คือความดันขาเข้า P_retentate คือความดันขาออกด้านสารตกค้าง และ P_permeate คือความดันด้านสารซึมผ่าน การรวมความดันของสารตกค้าง (หรือสารเข้มข้น) เข้าไปด้วยจะทำให้ได้ค่าที่แม่นยำยิ่งขึ้นตามพื้นผิวของเมมเบรน โดยคำนึงถึงความแตกต่างของความดันที่เกิดจากความต้านทานการไหลและการอุดตัน - แรงดันป้อนและอัตราการไหล
- แรงดันรีเทนเทต (ถ้ามี)
- แรงดันในการซึมผ่าน (โดยทั่วไปคือแรงดันบรรยากาศ)
- ความต้านทานของเยื่อหุ้มเซลล์
TMP จะแตกต่างกันไปตามประเภทของเมมเบรน การออกแบบระบบ และสภาวะของกระบวนการ
ตัวแปรควบคุม:
3.2. TMP และกระบวนการอัลตราฟิลเทรชัน
TMP มีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนด้วยวิธีอัลตราฟิลเตรชัน โดยทำหน้าที่ผลักดันสารละลายโปรตีนผ่านเยื่อกรอง ความดันต้องสูงพอที่จะเอาชนะแรงต้านจากเยื่อกรองและวัสดุที่สะสมอยู่ แต่ต้องไม่สูงเกินไปจนทำให้เกิดการอุดตันเร็วขึ้น
อิทธิพลของความหนืดของสารละลายและความเข้มข้นของโปรตีน
- ความหนืดของสารละลายโปรตีน:ความหนืดที่สูงขึ้นจะเพิ่มความต้านทานการไหล ทำให้ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าข้ามเยื่อ (TMP) ที่สูงขึ้นเพื่อรักษาอัตราการไหลของสารละลายที่ผ่านเยื่อให้คงที่ ตัวอย่างเช่น การเติมกลีเซอรอลลงในสารละลายป้อน หรือการใช้งานกับโปรตีนเข้มข้น จะทำให้ความหนืดสูงขึ้น และส่งผลให้ต้องใช้แรงดันไฟฟ้าข้ามเยื่อ (TMP) ในการทำงานที่สูงขึ้นด้วย
- ความเข้มข้นของโปรตีน:ในระหว่างขั้นตอนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน ความเข้มข้นจะเพิ่มขึ้น ความหนืดของสารละลายจะสูงขึ้น แรงดันข้ามเยื่อกรอง (TMP) จะเพิ่มขึ้น และความเสี่ยงต่อการอุดตันของเยื่อกรองหรือการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดก็จะเพิ่มขึ้นด้วย
- กฎของดาร์ซี:ความดันข้ามเยื่อ (TMP), อัตราการไหลของสารละลายผ่านเยื่อ (J) และความหนืด (μ) มีความสัมพันธ์กันโดย TMP = J × μ × R_m (ความต้านทานของเยื่อ) สำหรับสารละลายโปรตีนที่มีความหนืดสูง การปรับ TMP อย่างระมัดระวังเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน
ตัวอย่าง:
- การกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันของสารละลายแอนติบอดีที่มีความหนาแน่นสูง จำเป็นต้องมีการจัดการ TMP อย่างระมัดระวังเพื่อชดเชยความหนืดที่เพิ่มขึ้น
- การเติมหมู่ PEG หรือการดัดแปลงโปรตีนอื่นๆ จะเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์กับเยื่อหุ้มเซลล์ ส่งผลต่อศักยภาพเยื่อหุ้มเซลล์ (TMP) ที่จำเป็นต่อการไหลผ่านที่ต้องการ
3.3 การติดตามและเพิ่มประสิทธิภาพ TMP
การรักษา TMP ภายในช่วงความดันผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ปกติเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพการทำงานที่เสถียรของเยื่อกรองอัลตราฟิลเตรชันและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ เมื่อเวลาผ่านไป ในขณะที่กระบวนการอัลตราฟิลเตรชันดำเนินไป การเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดและการอุดตันอาจทำให้ค่า TMP เพิ่มขึ้น บางครั้งอาจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
แนวทางการติดตามตรวจสอบ:
- การตรวจสอบแบบเรียลไทม์:ค่า TMP ถูกติดตามผ่านทางสารตั้งต้น สารตกค้าง และสารที่ซึมผ่านเครื่องส่งสัญญาณแรงดัน.
- สเปกโทรสโกปีรามาน:ใช้สำหรับการตรวจสอบความเข้มข้นของโปรตีนและสารช่วยในการผลิตโดยไม่รุกรานร่างกาย ช่วยให้สามารถควบคุม TMP ได้อย่างเหมาะสมระหว่างกระบวนการอัลตราฟิลเตรชันและไดอะฟิลเตรชัน
- การควบคุมขั้นสูง:ตัวกรอง Kalman แบบขยาย (EKF) สามารถประมวลผลข้อมูลจากเซ็นเซอร์ และปรับ TMP โดยอัตโนมัติเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคราบสกปรกมากเกินไป
- ตั้งค่า TMP เริ่มต้นให้อยู่ในขอบเขตปกติ:ไม่ต่ำเกินไปจนลดอัตราการไหล และไม่สูงเกินไปจนทำให้เกิดคราบสกปรกอย่างรวดเร็ว
- ปรับค่า TMP เมื่อความหนืดเพิ่มขึ้น:ในระหว่างขั้นตอนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน ให้ค่อยๆ เพิ่ม TMP เฉพาะเมื่อจำเป็นเท่านั้น
- ควบคุมอัตราการไหลของสารป้อนและค่า pH:การเพิ่มอัตราการไหลของสารป้อนหรือการลด TMP จะช่วยลดการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดและการอุดตันได้
- การทำความสะอาดและการเปลี่ยนเมมเบรน:ค่า TMP ที่สูงขึ้นสัมพันธ์กับการทำความสะอาดที่บ่อยขึ้นและอายุการใช้งานของเมมเบรนที่ลดลง
กลยุทธ์การปรับให้เหมาะสม:
ตัวอย่าง:
- การเกิดคราบกัดกร่อนในสายการผลิตโปรตีนส่งผลให้ค่า TMP เพิ่มขึ้นและอัตราการไหลลดลง ซึ่งจำเป็นต้องทำความสะอาดหรือเปลี่ยนเมมเบรนเพื่อคืนสู่การทำงานปกติ
- การปรับสภาพเบื้องต้นด้วยเอนไซม์ (เช่น การเติมเพคติเนส) สามารถลด TMP และยืดอายุการใช้งานของเมมเบรนในระหว่างการกรองโปรตีนจากเมล็ดเรพซีดที่มีความหนืดสูงได้
3.4. TMP ในระบบ TFF
การกรองแบบไหลตามแนวสัมผัส (TFF) ทำงานโดยการส่งสารละลายป้อนผ่านเมมเบรนแทนที่จะไหลผ่านเมมเบรนโดยตรง ซึ่งส่งผลต่อพลวัตของแรงดันข้ามเมมเบรน (TMP) อย่างมาก
การกำกับดูแลและการรักษาสมดุลของ TMP
- ความดันข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ TFF (TFF TMP):การควบคุมนี้ทำได้โดยการควบคุมทั้งอัตราการไหลของสารป้อนและแรงดันของปั๊ม เพื่อหลีกเลี่ยงค่า TMP ที่สูงเกินไป ในขณะเดียวกันก็เพิ่มอัตราการไหลของสารละลายผ่านเยื่อกรองให้สูงสุด
- การปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม:การเพิ่มอัตราการไหลของสารป้อนจะช่วยลดการสะสมของโปรตีนในบริเวณเฉพาะที่ ทำให้ค่า TMP คงที่ และลดการอุดตันของเมมเบรน
- การสร้างแบบจำลองเชิงคำนวณ:แบบจำลอง CFD ทำนายและปรับ TFF TMP ให้เหมาะสมที่สุดเพื่อการกู้คืนผลิตภัณฑ์ ความบริสุทธิ์ และผลผลิตสูงสุด ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการต่างๆ เช่น การแยก mRNA หรือเวสิเคิลนอกเซลล์
ตัวอย่าง:
- ในกระบวนการทางชีวภาพ วิธีการ TFF TMP ที่เหมาะสมที่สุดสามารถกู้คืน mRNA ได้มากกว่า 70% โดยไม่เกิดการเสื่อมสภาพ ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีการปั่นเหวี่ยงความเร็วสูง
- การควบคุม TMP แบบปรับได้ ซึ่งอาศัยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และข้อมูลป้อนกลับจากเซ็นเซอร์ ช่วยลดความถี่ในการเปลี่ยนเมมเบรนและเพิ่มอายุการใช้งานของเมมเบรนผ่านการลดการเกิดคราบสกปรก
ประเด็นสำคัญ:
- ความดันข้ามเยื่อ (TMP) ต้องได้รับการจัดการอย่างมีประสิทธิภาพในกระบวนการ TFF เพื่อรักษาประสิทธิภาพของกระบวนการ อัตราการไหล และความสมบูรณ์ของเยื่อกรอง
- การเพิ่มประสิทธิภาพ TMP อย่างเป็นระบบช่วยลดต้นทุนการดำเนินงาน สนับสนุนการกู้คืนผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง และยืดอายุการใช้งานของเมมเบรนในการกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเตรชันและกระบวนการที่เกี่ยวข้อง
กลไกการเกิดคราบและความสัมพันธ์กับความหนืด
เส้นทางการเกิดคราบหลักในการกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเทรชัน
การกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเตรชันได้รับผลกระทบจากกลไกการอุดตันหลายประการ:
การเกิดคราบกัดกร่อน:ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน ซึ่งโดยทั่วไปคือออกไซด์ของเหล็ก สะสมอยู่บนพื้นผิวของเมมเบรน สิ่งเหล่านี้จะลดอัตราการไหลและยากต่อการกำจัดด้วยสารทำความสะอาดทางเคมีทั่วไป การเกิดคราบกัดกร่อนนำไปสู่การสูญเสียประสิทธิภาพของเมมเบรนอย่างต่อเนื่องและเพิ่มความถี่ในการเปลี่ยนเมมเบรนเมื่อเวลาผ่านไป ผลกระทบจะรุนแรงเป็นพิเศษกับเมมเบรน PVDF และ PES ที่ใช้ในการบำบัดน้ำและการใช้งานเกี่ยวกับโปรตีน
คราบสกปรกอินทรีย์:โดยส่วนใหญ่เกิดจากโปรตีน เช่น อัลบูมินจากซีรั่มวัว (BSA) และอาจรุนแรงขึ้นเมื่อมีสารอินทรีย์อื่นๆ เช่น โพลีแซ็กคาไรด์ (เช่น โซเดียมอัลจิเนต) กลไกต่างๆ ได้แก่ การดูดซับบนรูพรุนของเมมเบรน การอุดตันของรูพรุน และการก่อตัวของชั้นตะกอน ผลกระทบแบบเสริมฤทธิ์จะเกิดขึ้นเมื่อมีส่วนประกอบอินทรีย์หลายชนิดอยู่ร่วมกัน โดยระบบที่มีสารปนเปื้อนหลายชนิดจะเกิดการปนเปื้อนรุนแรงกว่าระบบที่มีโปรตีนเพียงชนิดเดียว
การกระจายความเข้มข้นของพลังงาน:เมื่อกระบวนการอัลตราฟิลเตรชันดำเนินไป โปรตีนที่ถูกกักไว้จะสะสมอยู่ใกล้ผิวเมมเบรน ทำให้ความเข้มข้นและความหนืดในบริเวณนั้นเพิ่มขึ้น ซึ่งก่อให้เกิดชั้นโพลาไรเซชันที่เพิ่มโอกาสการอุดตันและลดอัตราการไหล กระบวนการนี้จะเร่งตัวขึ้นเมื่อขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นของอัลตราฟิลเตรชันดำเนินไป โดยได้รับอิทธิพลโดยตรงจากความดันข้ามเมมเบรนและพลศาสตร์การไหล
การเกิดคราบตะกอนแบบคอลลอยด์และแบบผสม:สารคอลลอยด์ (เช่น ซิลิกา แร่ธาตุอนินทรีย์) อาจทำปฏิกิริยากับโปรตีน ก่อให้เกิดชั้นรวมตัวที่ซับซ้อนซึ่งทำให้การอุดตันของเมมเบรนรุนแรงขึ้น ตัวอย่างเช่น การมีอยู่ของซิลิกาคอลลอยด์จะลดอัตราการไหลลงอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรวมกับสารอินทรีย์หรือภายใต้สภาวะ pH ที่ไม่เหมาะสม
อิทธิพลของความหนืดของสารละลายต่อการเกิดคราบสกปรก
ความหนืดของสารละลายโปรตีนส่งผลกระทบอย่างมากต่อจลนศาสตร์การเกิดคราบและการอัดตัวของเมมเบรน:
การเกิดคราบสกปรกอย่างรวดเร็ว:ความหนืดของสารละลายโปรตีนที่สูงขึ้นจะเพิ่มความต้านทานต่อการไหลย้อนกลับของสารละลายที่ถูกกักไว้ ทำให้เกิดการก่อตัวของชั้นตะกอนได้เร็วขึ้น ซึ่งจะเพิ่มแรงดันข้ามเยื่อ (TMP) ส่งผลให้เยื่ออัดตัวและเกิดการอุดตันเร็วขึ้น
ผลกระทบขององค์ประกอบของสารละลาย:ชนิดของโปรตีนส่งผลต่อความหนืด โปรตีนทรงกลม (เช่น BSA) และโปรตีนที่มีโครงสร้างยาวจะมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันในด้านการไหลและการเกิดขั้ว การเติมสารประกอบเช่นพอลิแซ็กคาไรด์หรือกลีเซอรอลจะทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้เกิดการอุดตัน สารเติมแต่งและการรวมตัวของโปรตีนที่ความเข้มข้นสูงจะยิ่งทำให้เกิดการอุดตันของเมมเบรนเร็วขึ้น ลดทั้งอัตราการไหลและอายุการใช้งานของเมมเบรนโดยตรง
ผลกระทบต่อการปฏิบัติงาน:ความหนืดที่สูงขึ้นต้องการแรงดันข้ามเยื่อ (TMP) ที่สูงขึ้นเพื่อรักษาอัตราการกรองในกระบวนการกรองแบบไหลตามขวาง การสัมผัสกับ TMP สูงเป็นเวลานานจะทำให้เกิดการอุดตันที่ไม่สามารถแก้ไขได้ ซึ่งมักจำเป็นต้องทำความสะอาดเยื่อกรองบ่อยขึ้นหรือเปลี่ยนเยื่อกรองก่อนกำหนด
บทบาทของคุณลักษณะของอาหารสัตว์
ลักษณะของอาหารที่ป้อนเข้าตู้ โดยเฉพาะคุณสมบัติของโปรตีนและองค์ประกอบทางเคมีของน้ำ เป็นตัวกำหนดความรุนแรงของการเกิดคราบสกปรก:
ขนาดและการกระจายตัวของโปรตีน:โปรตีนขนาดใหญ่หรือโปรตีนที่รวมตัวกันเป็นกลุ่มมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการอุดตันของรูพรุนและการสะสมตัวของตะกอนมากขึ้น ส่งผลให้ความหนืดและแนวโน้มการอัดตัวเพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน
ค่า pH:ค่า pH ที่สูงขึ้นจะเพิ่มแรงผลักทางไฟฟ้าสถิต ป้องกันไม่ให้โปรตีนรวมตัวกันใกล้เมมเบรน จึงช่วยลดการอุดตัน ในทางตรงกันข้าม สภาวะที่เป็นกรดจะลดแรงผลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับซิลิกาคอลลอยด์ ทำให้การอุดตันของเมมเบรนรุนแรงขึ้นและลดอัตราการไหลลง
อุณหภูมิ:โดยทั่วไป อุณหภูมิกระบวนการที่ต่ำลงจะลดพลังงานจลน์ ซึ่งสามารถชะลออัตราการเกิดคราบสกปรกได้ แต่ก็อาจทำให้ความหนืดของสารละลายเพิ่มขึ้นด้วย ในทางกลับกัน อุณหภูมิสูงจะเร่งการเกิดคราบสกปรก แต่ก็อาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทำความสะอาดได้เช่นกัน
สารคอลลอยด์/สารอนินทรีย์:การมีอยู่ของซิลิกาคอลลอยด์หรือโลหะจะทำให้เกิดการอุดตันมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาวะที่เป็นกรด อนุภาคซิลิกาจะเพิ่มความหนืดของสารละลายโดยรวมและขัดขวางรูพรุน ทำให้การเพิ่มความเข้มข้นของการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันมีประสิทธิภาพลดลง และลดอายุการใช้งานและประสิทธิภาพโดยรวมของเมมเบรน
องค์ประกอบไอออนิก:การเติมไอออนบางชนิด (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) อาจช่วยลดการเกิดคราบสกปรกได้โดยการปรับเปลี่ยนแรงไฟฟ้าสถิตและแรงไฮเดรชั่นระหว่างโปรตีนและเมมเบรน อย่างไรก็ตาม ไอออนเช่น Ca²⁺ มักส่งเสริมการรวมตัวและเพิ่มศักยภาพในการเกิดคราบสกปรก
ตัวอย่าง:
- ในระหว่างการกรองแบบไหลตามขวาง สารละลายที่มีโปรตีนโมเลกุลสูงและมีความหนืดสูงจะทำให้ปริมาณการไหลลดลงอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ต้องทำความสะอาดและเปลี่ยนไส้กรองบ่อยขึ้น
- เมื่อน้ำป้อนมีซิลิกาคอลลอยด์และมีสภาพเป็นกรด การรวมตัวและการตกตะกอนของซิลิกาจะรุนแรงขึ้น ส่งผลให้อัตราการอุดตันเพิ่มขึ้นอย่างมากและประสิทธิภาพของเมมเบรนลดลง
โดยสรุปแล้ว การทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ระหว่างความหนืดของสารละลาย ประเภทของการอุดตัน และลักษณะของสารป้อน เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพความเข้มข้นของการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน ลดการอุดตันของเมมเบรน และยืดอายุการใช้งานของเมมเบรนให้ยาวนานที่สุด
การกระจุกตัวของพลังงานและการจัดการ
ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันแบบความเข้มข้นคืออะไร?
ปรากฏการณ์การโพลาไรเซชันความเข้มข้น คือการสะสมตัวของสารละลายที่ถูกกักไว้ เช่น โปรตีน บริเวณรอยต่อระหว่างเยื่อกรองกับสารละลายในระหว่างกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน ในกรณีของสารละลายโปรตีน เมื่อของเหลวไหลผ่านเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ โปรตีนที่ถูกเยื่อกรองปฏิเสธจะสะสมตัวเป็นชั้นบางๆ บริเวณใกล้กับพื้นผิว การสะสมตัวนี้ส่งผลให้เกิดการไล่ระดับความเข้มข้นอย่างรวดเร็ว คือ ความเข้มข้นของโปรตีนสูงมากบริเวณใกล้เยื่อกรอง และต่ำกว่ามากในสารละลายส่วนใหญ่ ปรากฏการณ์นี้สามารถย้อนกลับได้และถูกควบคุมโดยแรงทางอุทกพลศาสตร์ ซึ่งแตกต่างจากการอุดตันของเยื่อกรอง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสะสมหรือการดูดซับที่ถาวรกว่าภายในหรือบนเยื่อกรอง
ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันความเข้มข้นส่งผลให้ความหนืดและการเกิดคราบสกปรกแย่ลงได้อย่างไร
ที่ผิวของเยื่อหุ้มเซลล์ การสะสมของโปรตีนอย่างต่อเนื่องจะก่อให้เกิดชั้นขอบเขตที่เพิ่มความเข้มข้นของสารละลายในบริเวณนั้น ซึ่งส่งผลสำคัญสองประการ:
การเพิ่มขึ้นของความหนืดเฉพาะจุด:เมื่อความเข้มข้นของโปรตีนเพิ่มสูงขึ้นใกล้เยื่อกรอง ความหนืดของสารละลายโปรตีนในบริเวณเล็กๆ นั้นก็จะเพิ่มขึ้นด้วย ความหนืดที่สูงขึ้นจะขัดขวางการไหลย้อนกลับของสารละลายออกจากเยื่อกรอง ทำให้ความชันของความเข้มข้นเพิ่มขึ้น และเกิดเป็นวงจรป้อนกลับของความต้านทานต่อการไหลที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ปริมาณสารละลายที่ผ่านเยื่อกรองลดลง และต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการกรองอย่างต่อเนื่อง
การส่งเสริมให้เกิดการอุดตันของเมมเบรน:ความเข้มข้นของโปรตีนสูงบริเวณใกล้เยื่อหุ้มเซลล์จะเพิ่มโอกาสในการเกิดการรวมตัวของโปรตีน และในบางระบบอาจเกิดการก่อตัวของชั้นเจล ชั้นเจลนี้จะปิดกั้นรูพรุนของเยื่อหุ้มเซลล์และเพิ่มความต้านทานต่อการไหลให้มากขึ้น สภาวะเช่นนี้เอื้อต่อการเกิดการอุดตันที่ไม่สามารถแก้ไขได้ ซึ่งโปรตีนที่รวมตัวกันและสิ่งเจือปนจะยึดเกาะกับเมทริกซ์ของเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งทางกายภาพและทางเคมี
การถ่ายภาพเชิงทดลอง (เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน) ยืนยันว่ามีการรวมตัวกันอย่างรวดเร็วของกลุ่มโปรตีนขนาดนาโนที่เยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งสามารถเติบโตจนกลายเป็นตะกอนขนาดใหญ่ได้หากไม่ได้จัดการการตั้งค่าการทำงานอย่างเหมาะสม
กลยุทธ์เพื่อลดความไม่สม่ำเสมอของความเข้มข้นของข้อมูล
การจัดการปัญหาการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดในกระบวนการกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเทรชันหรือการกรองแบบไหลตามขวางนั้น ต้องใช้แนวทางสองด้าน คือ การปรับพลศาสตร์ของไหลและการปรับพารามิเตอร์การทำงาน
การเพิ่มประสิทธิภาพความเร็วการไหลข้าม:
การเพิ่มความเร็วการไหลข้ามจะเพิ่มการไหลตามแนวสัมผัสผ่านเยื่อกรอง ส่งเสริมแรงเฉือนและทำให้ชั้นขอบเขตความเข้มข้นบางลง แรงเฉือนที่รุนแรงขึ้นจะกวาดโปรตีนที่สะสมอยู่บนพื้นผิวเยื่อกรอง ลดทั้งการเกิดขั้วและลดความเสี่ยงของการอุดตัน ตัวอย่างเช่น การใช้เครื่องผสมแบบคงที่หรือการเติมก๊าซเข้าไปจะรบกวนชั้นสารละลาย ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราการไหลของสารละลายผ่านเยื่อกรองและประสิทธิภาพในกระบวนการกรองแบบไหลข้ามได้อย่างเห็นได้ชัด
การปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์การทำงาน:
ความดันข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ (TMP):TMP คือความแตกต่างของความดันระหว่างด้านทั้งสองของเยื่อกรอง และเป็นแรงขับเคลื่อนสำคัญสำหรับการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน อย่างไรก็ตาม การเพิ่ม TMP ให้สูงขึ้นเพื่อเร่งการกรองอาจส่งผลเสียโดยทำให้เกิดการสะสมของสารละลายมากเกินไป การรักษาระดับความดันข้ามเยื่อกรองให้อยู่ในช่วงปกติ—โดยไม่เกินขีดจำกัดที่กำหนดไว้สำหรับการกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเตรชัน—จะช่วยป้องกันการสะสมของสารละลายมากเกินไปและการเพิ่มขึ้นของความหนืดเฉพาะที่ที่เกี่ยวข้อง
อัตราการเฉือน:อัตราการเฉือน ซึ่งเป็นฟังก์ชันของความเร็วการไหลข้ามและรูปแบบของช่องทาง มีบทบาทสำคัญในพลวัตการขนส่งสารละลาย การเฉือนสูงช่วยให้ชั้นโพลาไรเซชันบางและเคลื่อนที่ได้ ทำให้เกิดการเติมเต็มบริเวณที่สารละลายหมดไปใกล้เยื่อหุ้มเซลล์ได้บ่อยครั้ง การเพิ่มอัตราการเฉือนจะลดเวลาที่โปรตีนมีในการสะสมและลดการเพิ่มขึ้นของความหนืดที่ส่วนต่อประสานให้น้อยที่สุด
คุณสมบัติของอาหารสัตว์:การปรับคุณสมบัติของสารละลายโปรตีนที่ป้อนเข้า เช่น การลดความหนืดของสารละลายโปรตีน การลดปริมาณสารที่จับตัวเป็นก้อน หรือการควบคุมค่า pH และความแรงของไอออน สามารถช่วยลดขอบเขตและผลกระทบของการเกิดการกระจุกตัวของความเข้มข้นได้ การปรับสภาพสารป้อนเข้าและการเปลี่ยนแปลงสูตรอาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันและยืดอายุการใช้งานของเยื่อกรองโดยลดความถี่ในการทำความสะอาดเยื่อกรอง
ตัวอย่างการใช้งาน:
โรงงานที่ใช้การกรองแบบไหลสัมผัส (TFF) เพื่อเพิ่มความเข้มข้นของโมโนโคลนอลแอนติบอดี จะปรับความเร็วการไหลข้ามอย่างระมัดระวังและรักษาค่า TMP ให้อยู่ภายในช่วงที่กำหนดอย่างเคร่งครัด ด้วยวิธีนี้ ผู้ปฏิบัติงานจะลดการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดและการอุดตันของเมมเบรน ลดความถี่ในการเปลี่ยนเมมเบรนและรอบการทำความสะอาด ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานและเพิ่มผลผลิตของผลิตภัณฑ์โดยตรง
การปรับและตรวจสอบตัวแปรเหล่านี้อย่างเหมาะสม รวมถึงการวัดความหนืดของสารละลายโปรตีนแบบเรียลไทม์ เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มประสิทธิภาพการเพิ่มความเข้มข้นของการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน และลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ที่เกี่ยวข้องกับภาวะความเข้มข้นเฉพาะจุดในกระบวนการผลิตโปรตีน
การเพิ่มประสิทธิภาพการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันสำหรับสารละลายโปรตีนที่มีความหนืดสูง
6.1. แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดในการดำเนินงาน
การรักษาประสิทธิภาพการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมด้วยสารละลายโปรตีนที่มีความหนืดสูงนั้น จำเป็นต้องรักษาสมดุลอย่างละเอียดอ่อนระหว่างความดันข้ามเยื่อ (TMP) ความเข้มข้นของโปรตีน และความหนืดของสารละลาย TMP ซึ่งเป็นความแตกต่างของความดันข้ามเยื่อ มีผลโดยตรงต่ออัตราความเข้มข้นของโปรตีนในการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันและระดับการอุดตันของเยื่อ เมื่อทำการประมวลผลสารละลายที่มีความหนืดสูง เช่น โมโนโคลนอลแอนติบอดีหรือโปรตีนในซีรั่มที่มีความเข้มข้นสูง การเพิ่ม TMP มากเกินไปอาจช่วยเพิ่มอัตราการไหลในตอนแรก แต่ก็จะเร่งการอุดตันและการสะสมของโปรตีนที่ผิวเยื่ออย่างรวดเร็วเช่นกัน ซึ่งนำไปสู่กระบวนการกรองที่บกพร่องและไม่เสถียร ดังที่ได้รับการยืนยันจากการศึกษาด้วยภาพที่แสดงให้เห็นถึงการก่อตัวของชั้นโปรตีนหนาแน่นที่ TMP สูงและความเข้มข้นของโปรตีนสูงกว่า 200 มก./มล.
แนวทางที่เหมาะสมที่สุดคือการใช้งานระบบใกล้กับค่า TMP วิกฤต แต่ไม่ควรเกินค่าดังกล่าว ณ จุดนี้ ผลผลิตจะสูงสุด แต่ความเสี่ยงของการอุดตันที่ไม่สามารถแก้ไขได้จะน้อยที่สุด สำหรับสารที่มีความหนืดสูงมาก ผลการวิจัยล่าสุดชี้ให้เห็นว่าการลดค่า TMP และเพิ่มอัตราการไหลของสารป้อน (การกรองแบบไหลตามขวาง) ไปพร้อมกัน จะช่วยลดการเกิดการกระจุกตัวของความเข้มข้นและการสะสมของโปรตีนได้ ตัวอย่างเช่น การศึกษาเกี่ยวกับการเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีน Fc-fusion แสดงให้เห็นว่าการตั้งค่า TMP ที่ต่ำลงช่วยรักษาอัตราการไหลให้คงที่ในขณะที่ลดการสูญเสียผลิตภัณฑ์
การเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนอย่างค่อยเป็นค่อยไปและเป็นระบบในระหว่างกระบวนการอัลตราฟิลเตรชันมีความสำคัญอย่างยิ่ง การเพิ่มความเข้มข้นอย่างฉับพลันอาจทำให้สารละลายมีความหนืดสูงเกินไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะเพิ่มความเสี่ยงต่อการจับตัวเป็นก้อนและความรุนแรงของการอุดตัน ในทางกลับกัน การค่อยๆ เพิ่มระดับโปรตีนจะช่วยให้สามารถปรับพารามิเตอร์ของกระบวนการ เช่น แรงดันข้ามเฟส (TMP) ความเร็วการไหล และค่า pH ไปพร้อมๆ กัน ซึ่งจะช่วยรักษาเสถียรภาพของระบบ กรณีศึกษาการกรองอัลตราฟิลเตรชันด้วยเอนไซม์ยืนยันว่าการรักษาแรงดันการทำงานที่ต่ำลงในระหว่างขั้นตอนเหล่านี้จะช่วยให้การเพิ่มความเข้มข้นเป็นไปอย่างควบคุมได้ ลดการลดลงของอัตราการไหลในขณะที่ยังคงรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ไว้ได้
6.2. ความถี่ในการเปลี่ยนเมมเบรนและการบำรุงรักษา
ความถี่ในการเปลี่ยนเมมเบรนในกระบวนการอัลตราฟิลเตรชันมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับตัวบ่งชี้การอุดตันและการลดลงของอัตราการไหล แทนที่จะพึ่งพาการลดลงของอัตราการไหลสัมพัทธ์เพียงอย่างเดียวเป็นตัวบ่งชี้อายุการใช้งาน การตรวจสอบความต้านทานการอุดตันจำเพาะ ซึ่งเป็นการวัดเชิงปริมาณที่แสดงถึงความต้านทานที่เกิดจากวัสดุที่สะสมอยู่ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความน่าเชื่อถือมากกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสารป้อนที่มีโปรตีนผสมหรือโปรตีน-พอลิแซ็กคาไรด์ ซึ่งการอุดตันสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วและรุนแรงกว่า
การตรวจสอบตัวบ่งชี้การอุดตันเพิ่มเติมก็มีความสำคัญเช่นกัน สัญญาณที่มองเห็นได้ของการสะสมบนพื้นผิว การไหลของน้ำที่ผ่านเมมเบรนไม่สม่ำเสมอ หรือการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของ TMP (แม้จะทำความสะอาดแล้ว) ล้วนเป็นสัญญาณเตือนของการอุดตันขั้นสูงที่นำไปสู่ความเสียหายของเมมเบรน เทคนิคต่างๆ เช่น การติดตามดัชนีการอุดตันที่ปรับปรุงแล้ว (MFI-UF) และการเชื่อมโยงกับประสิทธิภาพของเมมเบรน ช่วยให้สามารถวางแผนการเปลี่ยนเมมเบรนล่วงหน้าได้ แทนที่จะเป็นการแก้ไขปัญหาเฉพาะหน้า ซึ่งจะช่วยลดเวลาหยุดทำงานและควบคุมค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา
ความสมบูรณ์ของเมมเบรนจะเสื่อมลงไม่เพียงแต่จากการสะสมของสิ่งสกปรกอินทรีย์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการกัดกร่อนด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการที่ทำงานที่ค่า pH สุดขั้วหรือมีความเข้มข้นของเกลือสูง ควรมีการตรวจสอบและทำความสะอาดด้วยสารเคมีอย่างสม่ำเสมอเพื่อจัดการทั้งการกัดกร่อนและการสะสมของสิ่งสกปรก เมื่อพบการอุดตันที่เกี่ยวข้องกับการกัดกร่อน ความถี่ในการทำความสะอาดเมมเบรนและช่วงเวลาการเปลี่ยนจะต้องได้รับการปรับเปลี่ยนเพื่อให้มั่นใจได้ถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานและประสิทธิภาพการทำงานของเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันที่สม่ำเสมอ การบำรุงรักษาอย่างละเอียดและเป็นไปตามกำหนดเวลาเป็นสิ่งสำคัญในการลดผลกระทบของปัญหาเหล่านี้และยืดอายุการใช้งานให้มีประสิทธิภาพยาวนานขึ้น
6.3. การควบคุมกระบวนการและการวัดความหนืดแบบเรียลไทม์
การวัดความหนืดของสารละลายโปรตีนอย่างแม่นยำและแบบเรียลไทม์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมกระบวนการในการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความเข้มข้นและความหนืดเพิ่มขึ้น ระบบวัดความหนืดแบบอินไลน์ช่วยให้สามารถตรวจสอบได้อย่างต่อเนื่อง ทำให้ได้รับผลตอบรับทันทีและสามารถปรับพารามิเตอร์ของระบบได้อย่างไดนามิก
เทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ได้เปลี่ยนแปลงโฉมหน้าของการวัดความหนืดของสารละลายโปรตีนไปอย่างสิ้นเชิง:
สเปกโทรสโกปีรามานพร้อมตัวกรองคาลมานการวิเคราะห์รามานแบบเรียลไทม์ โดยใช้ตัวกรองคาลมานแบบขยาย ช่วยให้สามารถติดตามความเข้มข้นของโปรตีนและองค์ประกอบของบัฟเฟอร์ได้อย่างแม่นยำ วิธีการนี้ช่วยเพิ่มความไวและความแม่นยำ สนับสนุนการทำงานอัตโนมัติของกระบวนการเพิ่มความเข้มข้นด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันและการกรองแบบไดอะฟิลเตรชัน
การวัดความหนืดของเส้นเลือดฝอยแบบจลนศาสตร์อัตโนมัติเทคโนโลยีนี้ใช้ระบบคอมพิวเตอร์วิชั่นในการวัดความหนืดของสารละลายโดยอัตโนมัติ ช่วยลดข้อผิดพลาดจากการทำงานด้วยมือ และให้การตรวจสอบแบบมัลติเพล็กซ์ที่ทำซ้ำได้ในกระแสกระบวนการหลายกระแส เทคโนโลยีนี้ได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับสูตรโปรตีนทั้งแบบมาตรฐานและแบบซับซ้อน และช่วยลดการแทรกแซงในระหว่างขั้นตอนการทำให้เข้มข้นด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชั่น
อุปกรณ์วัดความหนืดของของเหลวขนาดเล็กระบบไมโครฟลูอิดิกส์ให้ข้อมูลคุณสมบัติทางรีโอโลยีที่ละเอียดและต่อเนื่อง แม้กระทั่งสำหรับสารละลายโปรตีนที่มีความหนืดสูงและไม่เป็นไปตามกฎของนิวตัน ซึ่งมีคุณค่าอย่างยิ่งในการผลิตยา โดยสนับสนุนกลยุทธ์เทคโนโลยีการวิเคราะห์กระบวนการ (PAT) และการบูรณาการกับวงจรป้อนกลับ
การควบคุมกระบวนการโดยใช้เครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้สามารถนำวงจรป้อนกลับมาใช้เพื่อปรับค่า TMP อัตราการป้อน หรือความเร็วการไหลแบบเรียลไทม์ตามการเปลี่ยนแปลงของความหนืดได้ ตัวอย่างเช่น หากการตรวจวัดแบบอินไลน์ตรวจพบความหนืดที่เพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน (เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นหรือการรวมตัวกัน) ค่า TMP จะลดลงโดยอัตโนมัติหรือความเร็วการไหลจะเพิ่มขึ้นเพื่อจำกัดการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดในการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน วิธีการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยยืดอายุการใช้งานของเมมเบรนเท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ให้สม่ำเสมอด้วยการจัดการปัจจัยที่ส่งผลต่อความหนืดของสารละลายโปรตีนแบบไดนามิกอีกด้วย
การเลือกเทคโนโลยีตรวจสอบความหนืดที่เหมาะสมที่สุดนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งานอัลตราฟิลเตรชัน รวมถึงช่วงความหนืดที่คาดหวัง ความซับซ้อนของสูตรโปรตีน ความต้องการในการบูรณาการ และต้นทุน ความก้าวหน้าในการตรวจสอบแบบเรียลไทม์และการควบคุมกระบวนการแบบไดนามิกได้ช่วยปรับปรุงความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพอัลตราฟิลเตรชันสำหรับสารละลายโปรตีนที่มีความหนืดสูงอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้มั่นใจได้ทั้งเสถียรภาพในการดำเนินงานและผลผลิตผลิตภัณฑ์ที่สูง
การแก้ไขปัญหาและปัญหาทั่วไปในการกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเทรชัน
7.1. อาการ สาเหตุ และวิธีรักษา
ความดันข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เพิ่มขึ้น
การเพิ่มขึ้นของความดันข้ามเยื่อ (TMP) ระหว่างการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันบ่งชี้ถึงความต้านทานที่เพิ่มขึ้นทั่วเยื่อกรอง ผลกระทบของความดันข้ามเยื่อต่อการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันนั้นมีผลโดยตรง ช่วงความดันข้ามเยื่อปกติมักขึ้นอยู่กับกระบวนการ แต่การเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องนั้นควรได้รับการตรวจสอบ สาเหตุทั่วไปสองประการที่เด่นชัด ได้แก่:
- สารละลายโปรตีนมีความหนืดสูงขึ้น:เมื่อความหนืดของสารละลายโปรตีนเพิ่มขึ้น—โดยทั่วไปจะเกิดขึ้นที่ความเข้มข้นของโปรตีนสูงในกระบวนการอัลตราฟิลเตรชัน—ความดันที่จำเป็นสำหรับการไหลก็จะสูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้จะเห็นได้ชัดเจนในขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นขั้นสุดท้ายและการไดอะฟิลเตรชัน ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สารละลายมีความหนืดสูงสุด
- การอุดตันของเมมเบรน:สารปนเปื้อน เช่น โปรตีนที่จับตัวเป็นก้อน หรือส่วนผสมของพอลิแซ็กคาไรด์และโปรตีน สามารถเกาะติดหรือปิดกั้นรูพรุนของเยื่อหุ้มเซลล์ ส่งผลให้ค่า TMP พุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว
วิธีแก้ไข:
- ลดค่า TMP และเพิ่มอัตราการไหลของสารป้อนการลด TMP ในขณะที่เพิ่มความเร็วในการป้อนวัสดุจะช่วยลดการเกิดการกระจุกตัวของความเข้มข้นและการก่อตัวของชั้นเจล ส่งผลให้การไหลมีเสถียรภาพมากขึ้น
- การทำความสะอาดเมมเบรนเป็นประจำกำหนดความถี่ในการทำความสะอาดเมมเบรนที่เหมาะสมเพื่อขจัดสิ่งสกปรกที่สะสมอยู่ ตรวจสอบประสิทธิภาพโดยการวัดความหนืดของสารละลายโปรตีนหลังการทำความสะอาด
- เปลี่ยนเยื่อหุ้มเซลล์ที่เสื่อมสภาพหากการทำความสะอาดไม่เพียงพอหรืออายุการใช้งานของเมมเบรนถึงขีดจำกัดแล้ว อาจจำเป็นต้องเปลี่ยนเมมเบรนบ่อยขึ้น
อัตราการไหลลดลง: แผนผังการวินิจฉัย
การลดลงอย่างต่อเนื่องของอัตราการไหลในช่วงขั้นตอนการทำให้เข้มข้นด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน บ่งชี้ถึงปัญหาด้านประสิทธิภาพการผลิต โปรดปฏิบัติตามแนวทางการวินิจฉัยนี้:
- ตรวจสอบค่า TMP และความหนืด:หากทั้งสองอย่างเพิ่มขึ้น ให้ตรวจสอบว่ามีคราบสกปรกหรือชั้นเจลเกิดขึ้นหรือไม่
- ตรวจสอบส่วนประกอบของอาหารสัตว์และค่า pH:การเปลี่ยนแปลงในบริเวณนี้สามารถส่งผลต่อความหนืดของสารละลายโปรตีนและทำให้เกิดการอุดตันได้
- ประเมินประสิทธิภาพของเมมเบรน:การลดลงของอัตราการไหลของสารละลายผ่านเยื่อกรอง แม้ว่าจะมีการทำความสะอาดแล้วก็ตาม บ่งชี้ว่าอาจเกิดความเสียหายกับเยื่อกรองหรือเกิดการอุดตันอย่างถาวร
วิธีแก้ปัญหา:
- ปรับอุณหภูมิ ค่า pH และความเข้มข้นของไอออนในสารละลายป้อนให้เหมาะสม เพื่อลดการอุดตันและการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดในกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน
- ใช้โมดูลเมมเบรนที่ปรับเปลี่ยนพื้นผิวหรือหมุนได้เพื่อทำลายชั้นเจลและฟื้นฟูการไหล
- ทำการวัดความหนืดของสารละลายโปรตีนเป็นประจำ เพื่อคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงที่จะส่งผลต่อการไหล
การเกิดคราบหรือการก่อตัวของชั้นเจลอย่างรวดเร็ว
การก่อตัวของชั้นเจลอย่างรวดเร็วเป็นผลมาจากการเกิดโพลาไรเซชันความเข้มข้นมากเกินไปที่ผิวเมมเบรน แรงดันข้ามเมมเบรนของการกรองแบบไหลตามขวาง (TFF) มีความอ่อนไหวเป็นพิเศษภายใต้สภาวะที่มีความหนืดสูงหรือมีโปรตีนสูง
กลยุทธ์การบรรเทาผลกระทบ:
- ใช้พื้นผิวเมมเบรนที่ชอบน้ำและมีประจุลบ (เช่น เมมเบรนโพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ [PVDF]) เพื่อลดการจับตัวและการยึดเกาะของโปรตีนให้น้อยที่สุด
- ทำการปรับสภาพวัตถุดิบก่อนการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชันโดยใช้กระบวนการตกตะกอนหรือการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าเพื่อกำจัดสารที่ก่อให้เกิดการอุดตันสูง
- บูรณาการอุปกรณ์เชิงกล เช่น โมดูลหมุน ในกระบวนการกรองแบบไหลขวาง เพื่อลดความหนาของชั้นตะกอนและชะลอการก่อตัวของชั้นเจล
7.2 การปรับตัวให้เข้ากับความผันแปรของอาหารสัตว์
ระบบการกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเตรชันต้องปรับตัวให้เข้ากับความแปรปรวนของคุณสมบัติหรือองค์ประกอบของโปรตีนในวัตถุดิบ ปัจจัยที่ส่งผลต่อความหนืดของสารละลายโปรตีน เช่น องค์ประกอบของบัฟเฟอร์ ความเข้มข้นของโปรตีน และแนวโน้มการรวมตัวกัน สามารถเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมของระบบได้
กลยุทธ์การตอบสนอง
- การตรวจสอบความหนืดและองค์ประกอบแบบเรียลไทม์:ติดตั้งเซนเซอร์วิเคราะห์แบบอินไลน์ (สเปกโทรสโกปีรามาน + การกรองคาลมาน) เพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของวัตถุดิบได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีการ UV หรือ IR แบบดั้งเดิม
- การควบคุมกระบวนการแบบปรับตัวได้:ปรับการตั้งค่าพารามิเตอร์ (อัตราการไหล(เช่น แรงดันข้ามเยื่อ (TMP), การคัดเลือกเยื่อ) เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงที่ตรวจพบ ตัวอย่างเช่น ความหนืดของสารละลายโปรตีนที่เพิ่มขึ้นอาจต้องการแรงดันข้ามเยื่อที่ต่ำลงและอัตราการเฉือนที่สูงขึ้น
- การคัดเลือกเมมเบรน:ใช้เมมเบรนที่มีขนาดรูพรุนและเคมีพื้นผิวที่เหมาะสมกับคุณสมบัติของสารป้อนในปัจจุบัน โดยรักษาสมดุลระหว่างการกักเก็บโปรตีนและอัตราการไหล
- การเตรียมอาหารสัตว์ก่อนป้อน:หากการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันในลักษณะของวัตถุดิบป้อนเข้าสู่ระบบส่งผลให้เกิดการอุดตัน ควรเพิ่มขั้นตอนการตกตะกอนหรือการกรองก่อนการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน
ตัวอย่าง:
- ในกระบวนการผลิตทางชีวภาพ การเปลี่ยนบัฟเฟอร์หรือการเปลี่ยนแปลงในกลุ่มแอนติบอดีควรส่งผลให้มีการปรับ TMP และอัตราการไหลผ่านระบบควบคุม
- สำหรับการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันที่เชื่อมโยงกับโครมาโทกราฟี อัลกอริทึมการปรับค่าผสมแบบปรับได้สามารถลดความแปรปรวนและลดต้นทุนการดำเนินงาน ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพของเยื่อกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันไว้ได้
การติดตามตรวจสอบความหนืดของสารละลายโปรตีนอย่างสม่ำเสมอและการปรับสภาวะกระบวนการทันทีจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพความเข้มข้นของการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน รักษาอัตราการผลิต และลดการอุดตันของเมมเบรนและการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุดให้น้อยที่สุด
คำถามที่พบบ่อย
8.1. ช่วงค่าปกติของความดันข้ามเยื่อในกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันของสารละลายโปรตีนคือเท่าใด?
ช่วงความดันข้ามเยื่อ (TMP) ปกติในระบบการเพิ่มความเข้มข้นของโปรตีนด้วยการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของเยื่อกรอง การออกแบบโมดูล และลักษณะของสารป้อน สำหรับกระบวนการกรองโปรตีนแบบอัลตราฟิลเตรชันส่วนใหญ่ ค่า TMP มักจะอยู่ระหว่าง 1 ถึง 3 บาร์ (15–45 psi) ค่า TMP ที่สูงกว่า 0.2 MPa (ประมาณ 29 psi) อาจทำให้เยื่อกรองเสียหาย เกิดการอุดตันอย่างรวดเร็ว และอายุการใช้งานของเยื่อกรองสั้นลง ในการใช้งานด้านชีวการแพทย์และกระบวนการทางชีวภาพ ค่า TMP ที่แนะนำโดยทั่วไปไม่ควรเกิน 0.8 บาร์ (~12 psi) เพื่อหลีกเลี่ยงการฉีกขาดของเยื่อกรอง สำหรับกระบวนการต่างๆ เช่น การกรองแบบไหลตามขวาง การรักษาค่า TMP ให้อยู่ในช่วงนี้จะช่วยปกป้องทั้งผลผลิตและความสมบูรณ์ของโปรตีน
8.2. ความหนืดของสารละลายโปรตีนส่งผลต่อประสิทธิภาพการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันอย่างไร?
ความหนืดของสารละลายโปรตีนส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน ความหนืดสูงจะเพิ่มความต้านทานการไหลและเพิ่มค่า TMP ส่งผลให้ปริมาณสารละลายที่ผ่านเยื่อกรองลดลงและเกิดการอุดตันของเยื่อกรองอย่างรวดเร็ว ผลกระทบนี้จะเด่นชัดมากขึ้นกับโมโนโคลนอลแอนติบอดีหรือโปรตีนฟิวชั่น Fc ที่ความเข้มข้นสูง ซึ่งความหนืดจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างโปรตีนและการเปลี่ยนแปลงประจุ การจัดการและปรับความหนืดให้เหมาะสมด้วยสารช่วยหรือการบำบัดด้วยเอนไซม์จะช่วยเพิ่มปริมาณสารละลายที่ผ่านเยื่อกรอง ลดการอุดตัน และช่วยให้สามารถเพิ่มความเข้มข้นได้สูงขึ้นในระหว่างขั้นตอนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน การตรวจสอบการวัดความหนืดของสารละลายโปรตีนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาประสิทธิภาพของกระบวนการ
8.3. ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันความเข้มข้นคืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญใน TFF?
ปรากฏการณ์การสะสมตัวของโปรตีนที่ผิวเมมเบรนในกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน ทำให้เกิดความแตกต่างของความเข้มข้นระหว่างสารละลายโดยรวมกับผิวเมมเบรน ในการกรองแบบไหลขวาง ปรากฏการณ์นี้จะนำไปสู่ความหนืดเฉพาะที่เพิ่มขึ้น และอาจทำให้อัตราการไหลลดลงซึ่งสามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ หากปล่อยไว้โดยไม่จัดการ อาจทำให้เกิดการอุดตันของเมมเบรนและลดประสิทธิภาพของระบบ การแก้ไขปัญหาการสะสมตัวของโปรตีนที่ผิวเมมเบรนในกระบวนการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันเกี่ยวข้องกับการปรับอัตราการไหลขวาง ความดันข้ามเมมเบรน (TMP) และการเลือกใช้เมมเบรนให้เหมาะสม เพื่อรักษาระดับการสะสมตัวให้บาง การควบคุมที่แม่นยำจะช่วยรักษาอัตราการไหลให้สูงและลดความเสี่ยงต่อการอุดตัน
8.4. ฉันจะตัดสินใจได้อย่างไรว่าควรเปลี่ยนเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันเมื่อใด?
ควรเปลี่ยนเมมเบรนอัลตราฟิลเทรชันเมื่อสังเกตเห็นว่าอัตราการไหลผ่าน (ฟลักซ์) ลดลงอย่างเห็นได้ชัด ความดันข้ามเยื่อ (TMP) เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งการทำความสะอาดแบบปกติไม่สามารถแก้ไขได้ หรือมีคราบสกปรกที่มองเห็นได้ซึ่งยังคงอยู่หลังจากการทำความสะอาดแล้ว ตัวบ่งชี้เพิ่มเติม ได้แก่ การสูญเสียความสามารถในการเลือกกรอง (ไม่สามารถกรองโปรตีนเป้าหมายได้ตามที่คาดไว้) และไม่สามารถบรรลุข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ การตรวจสอบความถี่ในการเปลี่ยนเมมเบรนด้วยการทดสอบฟลักซ์และความสามารถในการเลือกกรองอย่างสม่ำเสมอเป็นพื้นฐานสำคัญในการยืดอายุการใช้งานของเมมเบรนในกระบวนการเพิ่มความเข้มข้นของสารละลายโปรตีนด้วยอัลตราฟิลเทรชัน
8.5. ฉันสามารถปรับพารามิเตอร์การทำงานใดได้บ้างเพื่อลดการเกิดคราบโปรตีนใน TFF ให้เหลือน้อยที่สุด?
พารามิเตอร์การทำงานที่สำคัญเพื่อลดการอุดตันของโปรตีนในการกรองแบบไหลขวาง ได้แก่:
- รักษาอัตราความเร็วการไหลข้ามที่เหมาะสมเพื่อลดการสะสมของโปรตีนในบริเวณนั้นและควบคุมการเกิดความเข้มข้นเฉพาะจุด
- ควรใช้งานภายในช่วง TMP ที่แนะนำ ซึ่งโดยทั่วไปคือ 3–5 psi (0.2–0.35 บาร์) เพื่อป้องกันการรั่วไหลของผลิตภัณฑ์มากเกินไปและความเสียหายของเมมเบรน
- ปฏิบัติตามขั้นตอนการทำความสะอาดเมมเบรนอย่างสม่ำเสมอเพื่อลดการเกิดคราบสกปรกที่ไม่สามารถแก้ไขได้
- ตรวจสอบและปรับสภาพสารละลายป้อนอาหารหากจำเป็น เพื่อควบคุมความหนืด (ตัวอย่างเช่น การใช้เอนไซม์ เช่น เพคติเนส)
- เลือกวัสดุเมมเบรนและขนาดรูพรุน (MWCO) ที่เหมาะสมกับขนาดโปรตีนเป้าหมายและเป้าหมายของกระบวนการ
การบูรณาการการกรองล่วงหน้าด้วยไฮโดรไซโคลนหรือการบำบัดล่วงหน้าด้วยเอนไซม์สามารถช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับสารป้อนที่มีความหนืดสูง ควรติดตามองค์ประกอบของสารป้อนอย่างใกล้ชิดและปรับการตั้งค่าแบบไดนามิกเพื่อลดการอุดตันของเมมเบรนและเพิ่มประสิทธิภาพในขั้นตอนการเพิ่มความเข้มข้นของการกรองแบบอัลตราฟิลเทรชัน
วันที่โพสต์: 3 พฤศจิกายน 2025
