Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Контроль в'язкості білкових розчинів є життєво важливим для оптимізації процесів ультрафільтраційного концентрування у біофармацевтичному виробництві. Підвищена в'язкість білкових розчинів, особливо при високих концентраціях білка, безпосередньо впливає на продуктивність мембрани, ефективність процесу та економіку застосувань ультрафільтраційного концентрування білка. В'язкість розчину зростає зі збільшенням вмісту білка через кластеризацію антитіл та електростатичні взаємодії, що збільшує опір потоку та перепад тиску на ультрафільтраційній мембрані. Це призводить до зниження потоків пермеату та збільшення часу роботи, особливо в процесах поперечної фільтрації (TFF).

Трансмембранний тиск (ТМТ), рушійна сила ультрафільтрації, тісно пов'язаний з в'язкістю. Робота поза межами нормального діапазону трансмембранного тиску прискорює забруднення мембрани та посилює концентраційну поляризацію – накопичення білків поблизу мембрани, що постійно збільшує локальну в'язкість. Як концентраційна поляризація, так і забруднення мембрани призводять до зниження продуктивності ультрафільтраційної мембрани та можуть скоротити термін її служби, якщо їх не контролювати. Експериментальна робота показує, що забруднення мембрани та концентраційна поляризація в ультрафільтрації більш виражені при вищих значеннях ТМТ та при більш в'язких подачах, що робить контроль ТМТ у режимі реального часу важливим для максимізації пропускної здатності та мінімізації частоти очищення.

Оптимізація концентрації ультрафільтрації вимагає інтегрованих стратегій:

Вимірювання в'язкості білкового розчинуРегулярні оцінки в'язкості — за допомогоювбудовані віскозиметри— допомагають прогнозувати швидкість фільтрації та передбачати вузькі місця в процесі, що сприяє швидкій модифікації процесу.
Кондиціонування кормуРегулювання pH, іонної сили та температури може знизити в'язкість та зменшити забруднення. Наприклад, додавання іонів натрію посилює гідратаційне відштовхування між білками, зменшуючи агрегацію та забруднення, тоді як іони кальцію, як правило, сприяють утворенню містків між білками та їх забрудненню.
Використання допоміжних речовинВключення допоміжних речовин, що знижують в'язкість, до висококонцентрованих білкових розчинів покращує проникність мембран та знижує трансмембранний тиск під час ультрафільтрації, підвищуючи загальну ефективність.
Розширені режими потокуЗбільшення швидкості перехресного потоку, використання змінного перехресного потоку або використання впорскування повітряного струменя порушує шари забруднення. Ці методи допомагають підтримувати потік пермеату та зменшувати частоту заміни мембран, мінімізуючи утворення відкладень.
Вибір та очищення мембраниВибір хімічно стійких мембран (наприклад, SiC або термовиступних гібридів) та оптимізація частоти очищення мембран за допомогою відповідних протоколів (наприклад, очищення гіпохлоритом натрію) мають вирішальне значення для продовження терміну служби мембран та зниження експлуатаційних витрат.

Загалом, ефективний контроль в'язкості та управління температурою обробки поверхні (TMP) є наріжним каменем успішної роботи фази концентрування ультрафільтрації, безпосередньо впливаючи на вихід продукту, частоту очищення мембран та довговічність дорогих мембранних активів.

Розуміння в'язкості білкового розчину в ультрафільтрації

1.1. Яка в'язкість білкових розчинів?

В'язкість описує опір рідини потоку; у білкових розчинах вона показує, наскільки молекулярне тертя перешкоджає руху. Одиницею вимірювання в'язкості в СІ є паскаль-секунда (Па·с), але для біологічних рідин зазвичай використовується сантипуаз (сП). В'язкість безпосередньо впливає на те, наскільки легко білкові розчини можна перекачувати або фільтрувати під час виробництва, а також впливає на доставку ліків, особливо для висококонцентрованих біотерапевтичних препаратів.

Концентрація білка є домінуючим фактором, що впливає на в'язкість. Зі зростанням рівня білка міжмолекулярні взаємодії та скупчення речовин збільшуються, що призводить до зростання в'язкості, часто нелінійного. Вище певного порогу білок-білкові взаємодії ще більше пригнічують дифузію в розчині. Наприклад, концентровані розчини моноклональних антитіл, що використовуються у фармацевтиці, часто досягають рівнів в'язкості, які ускладнюють підшкірне введення або обмежують швидкість обробки.

Моделі, що прогнозують в'язкість у концентрованих білкових розчинах, тепер враховують молекулярну геометрію та тенденції до агрегації. Морфологія білка — витягнута, глобулярна чи схильна до агрегації — суттєво впливає на в'язкість при високих концентраціях. Нещодавні досягнення в мікрофлюїдній оцінці дозволяють точно вимірювати в'язкість з мінімальних об'ємів зразків, що сприяє швидкому скринінгу нових білкових рецептур.

1.2. Як змінюється в'язкість під час ультрафільтрації

Під час ультрафільтрації концентраційна поляризація швидко накопичує білки на межі розділу мембрана-розчин. Це створює круті локальні градієнти концентрації та підвищує в'язкість поблизу мембрани. Підвищена в'язкість у цій області перешкоджає масопереносу та зменшує потік пермеату.

Концентраційна поляризація відрізняється від забруднення мембрани. Поляризація є динамічною та оборотною, відбувається протягом кількох хвилин у міру проходження фільтрації. Для порівняння, забруднення розвивається з часом і часто включає незворотне відкладення або хімічне перетворення на поверхні мембрани. Точна діагностика дозволяє відстежувати шар концентраційної поляризації в режимі реального часу, виявляючи його чутливість до швидкості поперечного потоку та трансмембранного тиску. Наприклад, збільшення швидкості або зменшення трансмембранного тиску (ТМТ) допомагає порушити в'язкий пограничний шар, відновлюючи потік.

Експлуатаційні параметри безпосередньо впливають на поведінку в'язкості:

Трансмембранний тиск (ТМТ)Вища температура термомеханічної обробки (TMP) посилює поляризацію, збільшуючи локальну в'язкість та зменшуючи потік.
Швидкість поперечного потокуПідвищена швидкість обмежує накопичення, зменшуючи в'язкість поблизу мембрани.
Частота очищення мембранЧасте очищення зменшує довготривале накопичення та пом'якшує втрату продуктивності, спричинену в'язкістю.

Фази ультрафільтраційного концентрування повинні оптимізувати ці параметри, щоб мінімізувати несприятливий вплив на в'язкість та підтримувати пропускну здатність.

1.3. Властивості білкового розчину, що впливають на в'язкість

Молекулярна масаіскладголовним чином визначають в'язкість. Більші, складніші білки або агрегати забезпечують вищу в'язкість через утруднений рух та більш значні міжмолекулярні сили. Форма білків додатково модулює потік — видовжені або схильні до агрегації ланцюги створюють більший опір, ніж компактні глобулярні білки.

pHкритично впливає на заряд і розчинність білка. Регулювання pH розчину поблизу ізоелектричної точки білка мінімізує чистий заряд, зменшує білок-білкове відштовхування та тимчасово знижує в'язкість, що полегшує фільтрацію. Наприклад, проведення ультрафільтрації поблизу ізоелектричної точки BSA або IgG може значно покращити потік пермеату та селективність розділення.

Іонна силавпливає на в'язкість, змінюючи подвійний електричний шар навколо білків. Підвищена іонна сила екранує електростатичні взаємодії, сприяючи передачі білків через мембрани, але також підвищуючи ризик агрегації та відповідних піків в'язкості. Компроміс між ефективністю передачі та селективністю часто залежить від точного налаштування концентрації солей та складу буфера.

Для зменшення в'язкості можна використовувати невеликі молекулярні добавки, такі як аргініну гідрохлорид або гуанідин. Ці агенти порушують гідрофобне або електростатичне притягання, зменшують агрегацію та покращують властивості течії розчину. Температура виступає як додаткова контрольна змінна; нижчі температури збільшують в'язкість, тоді як додаткове нагрівання часто зменшує її.

Вимірювання в'язкості білкового розчину повинно враховувати:

Розподіл молекулярної маси
Склад розчину (солі, допоміжні речовини, добавки)
Вибір pH та буферної системи
Налаштування іонної сили

Ці фактори є критично важливими для оптимізації роботи ультрафільтраційної мембрани та забезпечення узгодженості між фазами концентрування та процесами TFF.

Основи ультрафільтраційного концентрування білка

Принципи фази ультрафільтрації та концентрації

Ультрафільтраційне концентрування білків працює шляхом застосування трансмембранного тиску (ТМТ) через напівпроникну мембрану, проштовхуючи розчинник і малі розчинені речовини, водночас затримуючи білки та більші молекули. Процес використовує селективне проникнення на основі розміру молекул, при цьому порогове значення молекулярної маси мембрани (MWCO) визначає максимальний розмір молекул, що проходять. Білки, що перевищують MWCO, накопичуються на стороні ретентату, збільшуючи свою концентрацію в міру відведення пермеату.

Фаза ультрафільтраційного концентрування спрямована на зменшення об'єму та збагачення білкового розчину. У міру проходження фільтрації в'язкість білкового розчину зазвичай зростає, що впливає на вимоги до потоку та TMP. Затримані білки можуть взаємодіяти один з одним та з мембраною, що робить реальний процес складнішим, ніж просте виключення за розміром. Електростатичні взаємодії, агрегація білків та характеристики розчину, такі як pH та іонна сила, впливають на результати утримання та розділення. У деяких випадках адвективний транспорт домінує над дифузією, особливо в мембранах з більшими порами, що ускладнює очікування, засновані виключно на виборі MWCO [див. короткий виклад дослідження].

Пояснення поперечної фільтрації (TFF)

Фільтрація з поперечним потоком, яку також називають тангенціальною фільтрацією потоку (TFF), направляє білковий розчин тангенціально через поверхню мембрани. Цей підхід відрізняється від тупикової фільтрації, де потік перпендикулярний до мембрани, проштовхуючи частинки безпосередньо на фільтр і всередину нього.

Ключові відмінності та вплив:

Контроль забруднення:TFF зменшує накопичення білкових та твердих шарів, відомих як утворення осаду, шляхом постійного змивання потенційних забруднювачів з мембрани. Це призводить до стабільнішого потоку пермеату та легшого обслуговування.
Затримка білка:TFF сприяє кращому управлінню концентраційною поляризацією — шаром затриманих молекул поблизу мембрани, який, якщо його не контролювати, може знизити селективність розділення та посилити забруднення. Динамічний потік у TFF пом'якшує цей ефект, допомагаючи підтримувати високий рівень затримки білка та ефективність розділення.
Стабільність потоку:TFF забезпечує триваліший період роботи при постійному потоці, підвищуючи ефективність процесів з високобілковою або багатою на частинки сировиною. Натомість, тупикова фільтрація швидко порушується забрудненням, знижуючи пропускну здатність та вимагаючи частого очищення.

Удосконалені варіанти TFF, такі як змінний тангенціальний потік (ATF), ще більше порушують забруднення та утворення осаду шляхом періодичного реверсування або зміни тангенціальних швидкостей, подовжуючи термін служби фільтра та покращуючи пропускну здатність білка [див. короткий виклад дослідження]. Як у класичних, так і в удосконалених системах TFF, робочі параметри, такі як температура потоку (TMP), швидкість перехресного потоку та частота очищення, повинні бути адаптовані до конкретної білкової системи, типу мембрани та цільової концентрації для оптимізації продуктивності та мінімізації забруднення.

Трансмембранний тиск (ТМТ) при ультрафільтрації

3.1. Що таке трансмембранний тиск?

Трансмембранний тиск (ТМТ) – це різниця тисків на фільтрувальній мембрані, яка переміщує розчинник від сторони подачі до сторони пермеату. ТМТ є основною силою процесу розділення в ультрафільтрації, дозволяючи розчиннику проходити через мембрану, зберігаючи при цьому білки та інші макромолекули.

Формула ТМП:

Проста різниця: TMP = P_подача − P_пермеат
Інженерний метод: TMP = [(P_подача + P_ретентат)/2] − P_пермеат
Тут P_feed – це тиск на вході, P_retentate – тиск на виході з боку ретентату, а P_permeate – тиск з боку пермеату. Врахування тиску ретентату (або концентрату) забезпечує точніше значення вздовж поверхні мембрани, враховуючи градієнти тиску, спричинені опором потоку та забрудненням.
Тиск подачі та швидкість потоку
Тиск ретентату (за потреби)
Тиск пермеату (часто атмосферний)
Опір мембрани
TMP залежить від типу мембрани, конструкції системи та умов процесу.

Контрольні змінні:

3.2. ТМП та процес ультрафільтрації

ТМП відіграє центральну роль у концентрації білка ультрафільтрації, проштовхуючи білкові розчини через мембрану. Тиск має бути достатньо високим, щоб подолати опір мембрани та будь-який накопичений матеріал, але не настільки високим, щоб прискорити забруднення.

Вплив в'язкості розчину та концентрації білка

В'язкість білкових розчинів:Вища в'язкість збільшує опір потоку, що вимагає вищої температури нагрівання (TMP) для підтримки того ж потоку пермеату. Наприклад, додавання гліцерину до сировини або робота з концентрованими білками підвищує в'язкість і, отже, необхідну робочу температуру нагрівання (TMP).
Концентрація білка:Зі збільшенням концентрації під час фази ультрафільтраційного концентрування підвищується в'язкість розчину, збільшується температура поверхні мембрани (TMP) і зростає ризик забруднення мембрани або концентраційної поляризації.
Закон Дарсі:Температура поверхні (TMP), потік пермеату (J) та в'язкість (μ) пов'язані між собою співвідношенням TMP = J × μ × R_m (опір мембрани). Для високов'язких білкових розчинів ретельне регулювання TMP є життєво важливим для ефективної ультрафільтрації.

Приклади:

Ультрафільтрація густих розчинів антитіл вимагає ретельного управління термомеханічним процесом (ТМП) для протидії зростанню в'язкості.
ПЕГілювання або інші модифікації білка змінюють взаємодію з мембраною, впливаючи на TMP, необхідний для бажаного потоку.

3.3. Моніторинг та оптимізація TMP

Підтримка TMP у межахнормальний діапазон трансмембранного тискумає вирішальне значення для стабільної роботи ультрафільтраційної мембрани та якості продукту. З часом, у міру проходження ультрафільтрації, поляризація концентрації та забруднення можуть призвести до підвищення температури теплоносія (TMP), іноді швидкого.

Практика моніторингу:

Моніторинг у режимі реального часу:ТМП відстежується через вхід, ретентат та пермеатдатчики тиску.
Раманівська спектроскопія:Використовується для неінвазивного моніторингу концентрацій білка та допоміжних речовин, що сприяє адаптивному контролю TMP під час ультрафільтрації та діафільтрації.
Розширений контроль:Розширені фільтри Калмана (EKF) можуть обробляти дані датчиків, автоматично регулюючи температуру поверхні (TMP), щоб уникнути надмірного забруднення.
Встановіть початкову температуру тіла (TMP) у межах норми:Не занадто низько, щоб зменшити плинність, і не занадто високо, щоб уникнути швидкого забруднення.
Регулюйте температуру нагрівання (TMP) у міру збільшення в'язкості:Під час фази ультрафільтраційного концентрування поступово підвищуйте TMP лише за потреби.
Контроль потоку корму та pH:Збільшення потоку сировини або зниження температури нагрівання (TMP) зменшує поляризацію концентрації та забруднення.
Очищення та заміна мембрани:Вищі значення температури термомеханічної обробки (TMP) пов'язані з частішим очищенням та скороченим терміном служби мембрани.

Стратегії оптимізації:

Приклади:

Корозійне забруднення на лініях переробки білка призводить до збільшення температури нагрівання (TMP) та зниження потоку, що вимагає очищення або заміни мембран для відновлення нормальної роботи.
Ферментативна попередня обробка (наприклад, додавання пектинази) може знизити TMP та подовжити термін служби мембран під час ультрафільтрації високов'язкого білка ріпаку.

3.4. TMP у системах TFF

Тангенціальна (поперечна) потокова фільтрація (TFF) працює шляхом направлення вихідного розчину через мембрану, а не безпосередньо через неї, що суттєво впливає на динаміку TMP.

Регулювання та баланс ТМП

Трансмембранний тиск TFF (TFF TMP):Керується шляхом контролю як швидкості потоку подачі, так і тиску насоса, щоб уникнути надмірного термічного навантаження (TMP) та максимізувати потік пермеату.
Оптимізація параметрів:Збільшення потоку корму зменшує локальне відкладення білків, стабілізує TMP та зменшує забруднення мембран.
Обчислювальне моделювання:Моделі CFD прогнозують та оптимізують TMP TFF для максимального відновлення, чистоти та виходу продукту, що особливо важливо для таких процесів, як виділення мРНК або позаклітинних везикул.

Приклади:

У біообробці оптимальний TFF TMP забезпечує >70% відновлення мРНК без деградації, перевершуючи методи ультрацентрифугування.
Адаптивне керування термомеханічним тиском (TMP), що базується на математичних моделях та зворотному зв'язку від датчиків, зменшує частоту заміни мембрани та збільшує термін її служби завдяки зменшенню забруднення.

Ключові висновки:

Трансмембранний тиск TMP необхідно активно регулювати в TFF для підтримки ефективності процесу, потоку та стану мембрани.
Систематична оптимізація процесу термомеханічної обробки (TMP) знижує експлуатаційні витрати, сприяє отриманню високочистого продукту та подовжує термін служби мембран в ультрафільтрації білків та пов'язаних з нею процесах.

Моніторинг та вимірювання високої концентрації білка

Механізми обростання та їх зв'язок з в'язкістю

Основні шляхи забруднення при ультрафільтрації білків

Ультрафільтрація білка залежить від кількох різних шляхів забруднення:

Корозійне забруднення:Виникає, коли продукти корозії, зазвичай оксиди заліза, накопичуються на поверхнях мембран. Вони зменшують плинність і їх важко видалити стандартними хімічними засобами для чищення. Корозійне забруднення призводить до стійкої втрати продуктивності мембрани та з часом збільшує частоту її заміни. Його вплив особливо сильний для мембран PVDF та PES, що використовуються для очищення води та виробництва білків.

Органічне обростання:Переважно індукується білками, такими як бичачий сироватковий альбумін (BSA), і може посилюватися у присутності інших органічних речовин, таких як полісахариди (наприклад, альгінат натрію). Механізми включають адсорбцію на порах мембрани, закупорку пор та утворення шару осаду. Синергетичні ефекти виникають, коли присутні кілька органічних компонентів, причому системи зі змішаними забрудненнями зазнають сильнішого забруднення, ніж корми з одним білком.

Концентраційна поляризація:У міру проходження ультрафільтрації затримані білки накопичуються поблизу поверхні мембрани, збільшуючи локальну концентрацію та в'язкість. Це створює поляризаційний шар, який посилює схильність до забруднення та зменшує потік. Процес прискорюється з просуванням фази концентрації ультрафільтрації, на що безпосередньо впливають трансмембранний тиск та динаміка потоку.

Колоїдні та змішані забруднення:Колоїдна речовина (наприклад, кремнезем, неорганічні мінерали) може взаємодіяти з білками, створюючи складні агрегатні шари, які посилюють забруднення мембран. Наприклад, присутність колоїдного кремнезему значно знижує швидкість потоку, особливо в поєднанні з органічною речовиною або за неоптимальних умов pH.

Вплив в'язкості розчину на розвиток обростання

В'язкість білкових розчинів сильно впливає на кінетику забруднення та ущільнення мембран:

Прискорене обростання:Вища в'язкість білкового розчину збільшує опір зворотному транспорту затриманих розчинених речовин, сприяючи швидшому утворенню шару осаду. Це збільшує трансмембранний тиск (ТМТ), прискорюючи ущільнення мембрани та її забруднення.

Вплив складу розчину:Тип білка змінює в'язкість; глобулярні білки (наприклад, BSA) та протяжні білки поводяться по-різному щодо потоку та поляризації. Додавання таких сполук, як полісахариди або гліцерин, значно підвищує в'язкість, сприяючи забрудненню. Добавки та агрегація білків у високих концентраціях ще більше посилюють швидкість засмічення мембран, безпосередньо зменшуючи як потік, так і термін служби мембрани.

Операційні наслідки:Вища в'язкість вимагає збільшення температури верхнього шару (TMP) для підтримки швидкості фільтрації в процесах поперечної фільтрації. Тривалий вплив високої температури верхнього шару посилює незворотне забруднення, що часто вимагає частішого очищення мембрани або її більш ранньої заміни.

Роль характеристик корму

Характеристики корму, а саме властивості білка та хімічний склад води, визначають ступінь обростання:

Розмір та розподіл білка:Більші або агреговані білки мають більшу схильність до блокування пор та утворення осаду, що підвищує в'язкість та тенденції до ущільнення під час ультрафільтраційного концентрування білка.

рН:Підвищений pH збільшує електростатичне відштовхування, запобігаючи агрегації білків поблизу мембрани, тим самим зменшуючи забруднення. Навпаки, кислі умови зменшують відштовхування, особливо для колоїдного кремнезему, посилюючи забруднення мембрани та зменшуючи швидкість потоку.

Температура:Нижчі температури процесу зазвичай зменшують кінетичну енергію, що може уповільнити швидкість забруднення, але також збільшити в'язкість розчину. Високі температури прискорюють забруднення, але також можуть підвищити ефективність очищення.

Колоїдна/неорганічна речовина:Присутність колоїдного кремнезему або металів посилює забруднення, особливо в кислих умовах. Частинки кремнезему збільшують загальну в'язкість розчину та фізично закупорюють пори, що робить ультрафільтраційну концентрацію менш ефективною та зменшує загальний термін служби та продуктивність мембрани.

Іонний склад:Додавання певних іонних сполук (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) може зменшити забруднення, змінюючи електростатичні та гідратаційні сили між білками та мембранами. Однак, такі іони, як Ca²⁺, часто сприяють агрегації та збільшують потенціал забруднення.

Приклади:

Під час поперечної фільтрації, сировина, багата на високомолекулярні білки та підвищену в'язкість, швидко зменшуватиме потік, що призведе до збільшення кількості очищення та заміни.
Коли живильна вода містить колоїдний кремнезем і підкислюється, агрегація та відкладення кремнезему посилюються, що значно збільшує швидкість забруднення та знижує продуктивність мембрани.

Підсумовуючи, розуміння взаємодії між в'язкістю розчину, типами забруднень та характеристиками подачі є важливим для оптимізації концентрації ультрафільтрації, зменшення забруднення мембран та максимізації терміну служби мембран.

Концентраційна поляризація та її управління

Що таке концентраційна поляризація?

Концентраційна поляризація – це локалізоване накопичення затриманих розчинених речовин, таких як білки, на межі розділу мембрана/розчин під час ультрафільтрації. У контексті білкових розчинів, коли рідина тече вздовж напівпроникної мембрани, білки, що відторгаються мембраною, мають тенденцію накопичуватися в тонкому прикордонному шарі, що прилягає до поверхні. Це накопичення призводить до крутого градієнта концентрації: висока концентрація білка безпосередньо біля мембрани, значно нижча в об'ємі розчину. Це явище є оборотним і визначається гідродинамічними силами. Воно відрізняється від забруднення мембрани, яке передбачає більш постійне осадження або адсорбцію всередині або на мембрані.

Як концентраційна поляризація посилює в'язкість та обростання

На поверхні мембрани безперервне накопичення білків утворює пограничний шар, який збільшує локальну концентрацію розчинених речовин. Це має два суттєві ефекти:

Локалізоване збільшення в'язкості:Зі зростанням концентрації білка поблизу мембрани також збільшується в'язкість розчину білка в цій мікрообласті. Підвищена в'язкість перешкоджає зворотному транспорту розчиненої речовини від мембрани, ще більше збільшуючи градієнт концентрації та створюючи петлю зворотного зв'язку зі збільшенням опору потоку. Це призводить до зменшення потоку пермеату та підвищення потреби в енергії для продовження фільтрації.

Сприяння забрудненню мембран:Висока концентрація білка поблизу мембрани підвищує ймовірність агрегації білків, а в деяких системах – утворення гелевого шару. Цей шар закупорює пори мембрани та ще більше посилює опір потоку. Такі умови сприяють розвитку незворотного забруднення, коли білкові агрегати та домішки фізично або хімічно зв'язуються з матрицею мембрани.

Експериментальна візуалізація (наприклад, електронна мікроскопія) підтверджує швидку агломерацію нанорозмірних білкових кластерів на мембрані, які можуть перерости у значні відкладення, якщо робочі параметри не керуються належним чином.

Стратегії мінімізації поляризації концентрації

Керування поляризацією концентрації при ультрафільтрації білка або поперечній фільтрації вимагає подвійного підходу: регулювання гідродинаміки та налаштування робочих параметрів.

Оптимізація швидкості перехресного потоку:
Збільшення швидкості поперечного потоку збільшує тангенціальний потік через мембрану, сприяючи зсуву та стоншуючи шар межі концентрації. Більш інтенсивний зсув змітає накопичені білки з поверхні мембрани, зменшуючи як поляризацію, так і ризик забруднення. Наприклад, використання статичних змішувачів або введення газового барботажу порушує шар розчиненої речовини, помітно покращуючи потік пермеату та ефективність процесу фільтрації поперечного потоку.

Зміна робочих параметрів:

Трансмембранний тиск (ТМТ):ТМП – це різниця тисків на мембрані та рушійна сила ультрафільтрації. Однак підвищення ТМП для прискорення фільтрації може мати зворотний ефект, посилюючи концентраційну поляризацію. Дотримання нормального діапазону трансмембранного тиску, який не перевищує меж, встановлених для ультрафільтрації білків, допомагає запобігти надмірному накопиченню розчинених речовин та пов'язаному з цим збільшенню локальної в'язкості.

Швидкість зсуву:Швидкість зсуву, яка залежить від швидкості поперечного потоку та конструкції каналу, відіграє центральну роль у динаміці переносу розчинених речовин. Висока швидкість зсуву підтримує тонкий та рухливий шар поляризації, що дозволяє часте оновлення області, збідненої розчиненими речовинами, поблизу мембрани. Збільшення швидкості зсуву зменшує час, необхідний для накопичення білків, та мінімізує підвищення в'язкості на межі розділу.

Властивості каналу:Регулювання властивостей вхідного білкового розчину, таке як зниження в'язкості білкового розчину, зменшення вмісту агрегатів або контроль pH та іонної сили, може допомогти зменшити ступінь та вплив концентраційної поляризації. Попередня обробка корму та зміни рецептури можуть покращити продуктивність ультрафільтраційної мембрани та подовжити термін її служби, зменшуючи частоту очищення мембрани.

Приклад застосування:
Установка, що використовує тангенціальну фільтрацію (TFF) для концентрування моноклональних антитіл, застосовує ретельно оптимізовані швидкості перехресного потоку та підтримує TMP у суворих межах. Роблячи це, оператори мінімізують поляризацію концентрації та забруднення мембран, зменшуючи як частоту заміни мембран, так і цикли очищення, що безпосередньо знижує експлуатаційні витрати та покращує вихід продукту.

Відповідне коригування та моніторинг цих змінних, включаючи вимірювання в'язкості білкового розчину в режимі реального часу, є основоположними для оптимізації ефективності ультрафільтраційного концентрування та пом'якшення несприятливих ефектів, пов'язаних з поляризацією концентрації під час обробки білка.

Оптимізація ультрафільтрації для високов'язких білкових розчинів

6.1. Найкращі операційні практики

Підтримка оптимальної продуктивності ультрафільтрації з високов'язкими білковими розчинами вимагає делікатного балансу між трансмембранним тиском (ТМТ), концентрацією білка та в'язкістю розчину. ТМТ – різниця тисків на мембрані – безпосередньо впливає на швидкість концентрації білка ультрафільтрації та ступінь забруднення мембрани. Під час обробки в'язких розчинів, таких як моноклональні антитіла або висококонцентровані сироваткові білки, будь-яке надмірне збільшення ТМТ може спочатку збільшити потік, але також швидко прискорює забруднення та накопичення білка на поверхні мембрани. Це призводить до порушення та нестабільності процесу фільтрації, що підтверджено дослідженнями візуалізації, які показують утворення щільних білкових шарів при підвищеному ТМТ та концентрації білка вище 200 мг/мл.

Оптимальний підхід передбачає роботу системи поблизу критичної температури поверхні (TMP), але не вище неї. На цьому етапі продуктивність максимальна, але ризик незворотного забруднення залишається мінімальним. Для дуже високої в'язкості нещодавні дослідження свідчать про зниження TMP та одночасне збільшення потоку сировини (фільтрація поперечного потоку), щоб допомогти зменшити поляризацію концентрації та осадження білка. Наприклад, дослідження концентрації білка Fc-злиття демонструють, що нижчі налаштування TMP допомагають підтримувати стабільний потік, одночасно зменшуючи втрати продукту.

Поступове та методичне збільшення концентрації білка під час ультрафільтрації є вирішальним. Різкі кроки концентрування можуть занадто швидко призвести до переходу розчину в режим високої в'язкості, збільшуючи як ризики агрегації, так і ступінь забруднення. Натомість, поступове підвищення рівня білка дозволяє паралельно регулювати такі параметри процесу, як температура поверхні (TMP), швидкість перехресного потоку та pH, допомагаючи підтримувати стабільність системи. Дослідження випадків ультрафільтрації ферментів підтверджують, що підтримка нижчого робочого тиску протягом цих фаз забезпечує контрольоване збільшення концентрації, мінімізуючи зниження потоку, одночасно захищаючи цілісність продукту.

6.2. Частота заміни та технічне обслуговування мембран

Частота заміни мембрани в ультрафільтрації тісно пов'язана з показниками забруднення та зменшення потоку. Замість того, щоб покладатися виключно на відносне зниження потоку як показник кінця терміну служби, моніторинг питомої стійкості до забруднення – кількісного показника, що відображає опір, що створюється накопиченим матеріалом – виявився більш надійним, особливо у змішаних білкових або білково-полісахаридних кормах, де забруднення може відбуватися швидше та сильніше.

Моніторинг додаткових індикаторів забруднення також є критично важливим. Видимі ознаки поверхневого відкладення, нерівномірний потік пермеату або постійне збільшення температури забруднення (TMP) (незважаючи на очищення) – все це попереджувальні сигнали про прогресуюче забруднення, яке передує виходу з ладу мембрани. Такі методи, як відстеження модифікованого індексу забруднення (MFI-UF) та його кореляція з продуктивністю мембрани, дозволяють прогнозувати заміну, а не реактивні зміни, тим самим мінімізуючи час простою та контролюючи витрати на обслуговування.

Цілісність мембрани порушується не лише накопиченням органічних забруднень, але й корозією, особливо в процесах, що працюють при екстремальних значеннях pH або високих концентраціях солей. Слід проводити регулярні перевірки та хімічне очищення для боротьби з корозією та відкладенням забруднень. У разі виявлення забруднень, пов'язаних з корозією, частоту очищення та інтервали заміни мембрани необхідно скоригувати, щоб забезпечити тривалий термін служби мембрани та стабільну роботу ультрафільтраційної мембрани. Ретельне планове технічне обслуговування є важливим для пом'якшення впливу цих проблем та продовження ефективної роботи.

6.3. Контроль процесу та вимірювання в'язкості в потоку

Точне вимірювання в'язкості білкового розчину в режимі реального часу є важливим для контролю процесу ультрафільтрації, особливо зі збільшенням концентрації та в'язкості. Вбудовані системи вимірювання в'язкості забезпечують безперервний моніторинг, що дозволяє отримувати негайний зворотний зв'язок та динамічно коригувати параметри системи.

Новітні технології змінили ландшафт вимірювання в'язкості білкових розчинів:

Раманівська спектроскопія з фільтрацією КалманаРаманівський аналіз у режимі реального часу, що підтримується розширеними фільтрами Калмана, дозволяє надійно відстежувати концентрацію білка та склад буфера. Такий підхід підвищує чутливість і точність, підтримуючи автоматизацію процесів ультрафільтраційного концентрування та діафільтрації.

Автоматизована кінематична капілярна віскозиметріяВикористовуючи комп'ютерний зір, ця технологія автоматично вимірює в'язкість розчину, долаючи помилки ручного введення та пропонуючи повторюваний, мультиплексний моніторинг у кількох технологічних потоках. Вона валідована як для стандартних, так і для складних білкових рецептур і зменшує втручання під час фази ультрафільтраційного концентрування.

Мікрофлюїдні реологічні пристроїМікрофлюїдні системи забезпечують детальні, безперервні реологічні профілі, навіть для неньютонівських білкових розчинів з високою в'язкістю. Вони особливо цінні у фармацевтичному виробництві, підтримуючи стратегії технології аналізу процесів (PAT) та інтеграцію з петлями зворотного зв'язку.

Керування процесами за допомогою цих інструментів дозволяє реалізувати петлі зворотного зв'язку для регулювання температури поверхні (TMP), швидкості подачі або швидкості поперечного потоку в режимі реального часу у відповідь на зміни в'язкості. Наприклад, якщо вбудовані датчики виявляють раптове підвищення в'язкості (через збільшення концентрації або агрегацію), TMP може бути автоматично зменшено або швидкість поперечного потоку підвищено, щоб обмежити початок концентраційної поляризації під час ультрафільтрації. Такий підхід не тільки подовжує термін служби мембрани, але й підтримує стабільну якість продукту, динамічно керуючи факторами, що впливають на в'язкість білкових розчинів.

Вибір найбільш підходящої технології моніторингу в'язкості залежить від конкретних вимог застосування ультрафільтрації, включаючи очікуваний діапазон в'язкості, складність рецептури білка, потреби інтеграції та вартість. Ці досягнення в моніторингу в режимі реального часу та динамічному управлінні процесами значно покращили можливості оптимізації ультрафільтрації для високов'язких білкових розчинів, забезпечуючи як операційну стабільність, так і високий вихід продукту.

Усунення несправностей та поширені проблеми ультрафільтрації білка

7.1. Симптоми, причини та засоби усунення

Підвищений трансмембранний тиск

Підвищення трансмембранного тиску (ТМТ) під час ультрафільтрації вказує на зростання опору через мембрану. Вплив трансмембранного тиску на ультрафільтрацію є прямим: нормальний діапазон трансмембранного тиску зазвичай залежить від процесу, але стійке підвищення заслуговує на дослідження. Виділяються дві поширені причини:

Вища в'язкість білкового розчину:Зі збільшенням в'язкості білкових розчинів — зазвичай при високій концентрації білка ультрафільтрації — тиск, необхідний для потоку, зростає. Це яскраво проявляється на етапах кінцевого концентрування та діафільтрації, де розчини є найбільш в'язкими.
Забруднення мембрани:Такі забруднювачі, як білкові агрегати або суміші полісахаридів і білків, можуть прилипати до пор мембрани або блокувати їх, що призводить до швидкого підвищення рівня TMP.

Засоби правового захисту:

Зниження TMP та збільшення потоку кормуЗменшення температури поверхні (TMP) при одночасному збільшенні швидкості подачі зменшує концентраційну поляризацію та утворення гелевого шару, сприяючи стабільному потоку.
Регулярне очищення мембраниВстановіть оптимальну частоту очищення мембрани для видалення накопичених забруднень. Контролюйте ефективність за допомогою вимірювання в'язкості білкового розчину після очищення.
Замініть старіючі мембраниЗбільшення частоти заміни мембрани може знадобитися, якщо очищення недостатнє або термін служби мембрани вичерпано.

Зниження швидкості потоку: діагностичне дерево

Постійне зменшення потоку під час фази ультрафільтраційного концентрування свідчить про проблеми з продуктивністю. Дотримуйтесь цього діагностичного підходу:

Контроль температури нагрівання (TMP) та в'язкості:Якщо обидва показники збільшилися, перевірте наявність забруднень або гелевого шару.
Перевірте склад корму та його pH:Зміни тут можуть змінювати в'язкість білкових розчинів і сприяти їхньому забрудненню.
Оцінка продуктивності мембрани:Зменшення потоку пермеату, незважаючи на очищення, сигналізує про можливе пошкодження мембрани або незворотне забруднення.

Рішення:

Оптимізуйте температуру, pH та іонну силу в сировині для зменшення забруднення та концентраційної поляризації під час ультрафільтрації.
Використовуйте модулі з модифікованою поверхнею або обертові мембранні модулі для порушення гелевих шарів та відновлення потоку.
Проводьте регулярні вимірювання в'язкості білкового розчину, щоб передбачити зміни, які впливають на потік.

Швидке обростання або утворення гелевого шару

Швидке утворення гелевого шару є результатом надмірної концентраційної поляризації на поверхні мембрани. Трансмембранний тиск при поперечній фільтрації (TFF) особливо чутливий до нього в умовах високої в'язкості або високого вмісту білка.

Стратегії пом'якшення наслідків:

Використовуйте гідрофільні, негативно заряджені мембранні поверхні (наприклад, мембрани з полівініліденфториду [PVDF]), щоб мінімізувати зв'язування та прикріплення білків.
Перед ультрафільтрацією попередньо обробіть корм за допомогою коагуляції або електрокоагуляції для видалення речовин, що сильно обростають.
Інтегруйте механічні пристрої, такі як обертові модулі, в процес фільтрації поперечного потоку, щоб зменшити товщину шару осаду та затримати утворення шару гелю.

7.2. Адаптація до варіабельності корму

Системи ультрафільтрації білка повинні адаптуватися до мінливості властивостей або складу білка корму. Фактори, що впливають на в'язкість білкових розчинів, такі як склад буфера, концентрація білка та схильність до агрегації, можуть змінювати поведінку системи.

Стратегії реагування

Моніторинг в'язкості та складу в режимі реального часу:Розгортайте вбудовані аналітичні датчики (спектроскопія Рамана + фільтрація Калмана) для швидкого виявлення змін у подачі, перевершуючи традиційні методи УФ- або ІЧ-випромінювання.
Адаптивне керування процесами:Налаштуйте параметри (швидкість потоку, TMP, мембранний відбір) у відповідь на виявлені зміни. Наприклад, підвищена в'язкість білкового розчину може вимагати нижчого TMP та високих швидкостей зсуву.
Вибір мембрани:Використовуйте мембрани з розміром пор та хімічним складом поверхні, оптимізованими для поточних властивостей корму, балансуючи утримання білка та його плинність.
Попередня обробка корму:Якщо різкі зміни в характері подачі сприяють забрудненню, перед ультрафільтрацією слід ввести етапи коагуляції або фільтрації.

Приклади:

У біообробці перемикання буферів або зміни в агрегатах антитіл повинні запускати TMP та коригування потоку через систему керування.
Для хроматографічно-пов'язаної ультрафільтрації адаптивні алгоритми оптимізації змішування цілих чисел можуть мінімізувати мінливість та зменшити експлуатаційні витрати, зберігаючи при цьому продуктивність ультрафільтраційної мембрани.

Регулярне відстеження вимірювання в'язкості білкового розчину та негайне коригування умов процесу допомагають оптимізувати концентрацію ультрафільтрації, підтримувати пропускну здатність та мінімізувати забруднення мембран та поляризацію концентрації.

Часті запитання

8.1. Який нормальний діапазон трансмембранного тиску при ультрафільтрації білкових розчинів?

Нормальний діапазон трансмембранного тиску (ТМТ) в системах ультрафільтрації білка залежить від типу мембрани, конструкції модуля та характеристик подачі. Для більшості процесів ультрафільтрації білка ТМТ зазвичай підтримується в межах від 1 до 3 бар (15–45 фунтів на квадратний дюйм). Значення ТМТ вище 0,2 МПа (близько 29 фунтів на квадратний дюйм) можуть призвести до пошкодження мембрани, швидкого забруднення та скорочення терміну її служби. У біомедичних та біотехнологічних застосуваннях рекомендований ТМТ зазвичай не повинен перевищувати 0,8 бар (~12 фунтів на квадратний дюйм), щоб уникнути розриву мембрани. Для таких процесів, як поперечна фільтрація, дотримання цього діапазону ТМТ гарантує як вихід, так і цілісність білка.

8.2. Як в'язкість білкових розчинів впливає на ефективність ультрафільтрації?

В'язкість білкового розчину безпосередньо впливає на ефективність ультрафільтраційного концентрування. Висока в'язкість збільшує опір потоку та підвищує температуру поверхні мембрани (TMP), що призводить до зниження потоку пермеату та швидкого забруднення мембран. Цей ефект яскраво виражений при використанні моноклональних антитіл або Fc-злитих білків при високій концентрації, де в'язкість збільшується через білок-білкові взаємодії та вплив заряду. Управління та оптимізація в'язкості за допомогою допоміжних речовин або ферментативної обробки покращує потік, зменшує забруднення та дозволяє досягти вищих досяжних концентрацій під час фази ультрафільтраційного концентрування. Моніторинг вимірювання в'язкості білкового розчину має вирішальне значення для підтримки ефективності процесу.

8.3. Що таке концентраційна поляризація і чому вона важлива в TFF?

Концентраційна поляризація в ультрафільтрації – це накопичення білків на поверхні мембрани, що викликає градієнт між об'ємом розчину та межею розділу мембран. При поперечній фільтрації це призводить до збільшення локальної в'язкості та потенційно оборотного зниження потоку. Якщо це не контролювати, це може сприяти забрудненню мембрани та знижувати ефективність системи. Вирішення проблеми концентраційної поляризації в ультрафільтрації включає оптимізацію швидкостей перехресного потоку, температури поверхні (TMP) та вибору мембрани для підтримки тонкого шару поляризації. Точний контроль забезпечує високу пропускну здатність та низький ризик забруднення.

8.4. Як мені вирішити, коли замінювати ультрафільтраційну мембрану?

Замініть ультрафільтраційну мембрану, коли спостерігаєте помітне зниження пропускної здатності (флюсу), постійне збільшення TMP, яке не вдається усунути за допомогою стандартного очищення, або видиме забруднення, що залишається після очищення. Додаткові показники включають втрату селективності (нездатність відторгнути цільові білки, як очікувалося) та нездатність досягти характеристик продуктивності. Моніторинг частоти заміни мембрани за допомогою регулярного тестування флюсу та селективності є основою для максимізації терміну служби мембрани в процесах ультрафільтрації та концентрування білкових розчинів.

8.5. Які робочі параметри можна налаштувати, щоб мінімізувати забруднення білком у TFF?

Ключові робочі параметри для мінімізації забруднення білком при фільтрації поперечного потоку включають:

Підтримуйте достатню швидкість перехресного потоку, щоб зменшити локальне накопичення білка та керувати поляризацією концентрації.
Працюйте в рекомендованому діапазоні температурного тиску (TMP), зазвичай 3–5 psi (0,2–0,35 бар), щоб запобігти надмірному витоку продукту та пошкодженню мембрани.
Застосовуйте регулярні протоколи очищення мембран, щоб обмежити незворотне забруднення.
Контролюйте та, за необхідності, попередньо обробляйте розчин для живлення для контролю в'язкості (наприклад, за допомогою ферментативної обробки, такої як пектиназа).
Виберіть мембранні матеріали та розміри пор (MWCO), що підходять для цільового розміру білка та цілей процесу.

Інтеграція попередньої фільтрації в гідроциклоні або ферментативної попередньої обробки може покращити продуктивність системи, особливо для високов'язких матеріалів. Ретельно відстежуйте склад сировини та динамічно коригуйте налаштування, щоб мінімізувати забруднення мембран та оптимізувати фазу ультрафільтраційного концентрування.