Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

Kiểm soát độ nhớt của dung dịch protein là rất quan trọng để tối ưu hóa các quy trình cô đặc bằng siêu lọc trong sản xuất dược phẩm sinh học. Độ nhớt cao trong dung dịch protein—đặc biệt ở nồng độ protein cao—ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất màng, hiệu quả quy trình và tính kinh tế trong các ứng dụng cô đặc protein bằng siêu lọc. Độ nhớt của dung dịch tăng lên theo hàm lượng protein do sự kết tụ kháng thể và tương tác tĩnh điện, làm tăng sức cản dòng chảy và sự sụt giảm áp suất qua màng siêu lọc. Điều này dẫn đến lưu lượng thẩm thấu thấp hơn và thời gian vận hành dài hơn, đặc biệt trong các quy trình lọc dòng ngang (TFF).

Áp suất xuyên màng (TMP), động lực chính của quá trình siêu lọc, có mối liên hệ mật thiết với độ nhớt. Hoạt động ngoài phạm vi áp suất xuyên màng bình thường sẽ đẩy nhanh quá trình tắc nghẽn màng và làm trầm trọng thêm hiện tượng phân cực nồng độ - sự tích tụ protein gần màng làm tăng liên tục độ nhớt cục bộ. Cả hiện tượng phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng đều dẫn đến giảm hiệu suất màng siêu lọc và có thể rút ngắn tuổi thọ màng nếu không được kiểm soát. Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tắc nghẽn màng và phân cực nồng độ trong quá trình siêu lọc diễn ra rõ rệt hơn ở các giá trị TMP cao hơn và với dung dịch đầu vào có độ nhớt cao hơn, do đó việc kiểm soát TMP theo thời gian thực là rất cần thiết để tối đa hóa lưu lượng và giảm thiểu tần suất làm sạch.

Việc tối ưu hóa nồng độ siêu lọc đòi hỏi các chiến lược tích hợp:

đo độ nhớt của dung dịch protein: Đánh giá độ nhớt thường xuyên — bằng cách sử dụngmáy đo độ nhớt trực tuyến—giúp dự đoán tốc độ lọc và lường trước các điểm nghẽn trong quy trình, hỗ trợ việc điều chỉnh quy trình nhanh chóng.
Thức ăn điều kiệnĐiều chỉnh độ pH, nồng độ ion và nhiệt độ có thể làm giảm độ nhớt và hạn chế sự bám cặn. Ví dụ, việc thêm ion natri làm tăng lực đẩy hydrat hóa giữa các protein, làm giảm sự kết tụ và bám cặn, trong khi ion canxi có xu hướng thúc đẩy sự liên kết protein và gây bám cặn.
Sử dụng tá dượcViệc bổ sung các tá dược làm giảm độ nhớt vào dung dịch protein có nồng độ cao giúp cải thiện khả năng thẩm thấu của màng và giảm áp suất xuyên màng trong quá trình siêu lọc, từ đó nâng cao hiệu quả tổng thể.
Các chế độ dòng chảy tiên tiếnViệc tăng tốc độ dòng chảy ngang, sử dụng dòng chảy ngang luân phiên hoặc phun khí sẽ phá vỡ các lớp cặn bám. Những kỹ thuật này giúp duy trì lưu lượng thẩm thấu và giảm tần suất thay màng bằng cách giảm thiểu sự hình thành cặn.
Lựa chọn và làm sạch màng lọcViệc lựa chọn màng lọc có khả năng chịu được hóa chất (ví dụ: màng SiC hoặc màng lai chịu nhiệt) và tối ưu hóa tần suất làm sạch màng bằng các quy trình phù hợp (ví dụ: làm sạch bằng natri hypoclorit) là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ màng lọc và giảm chi phí vận hành.

Nhìn chung, việc kiểm soát độ nhớt hiệu quả và quản lý áp suất xuyên màng (TMP) là nền tảng của quá trình cô đặc bằng siêu lọc thành công, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất sản phẩm, tần suất vệ sinh màng và tuổi thọ của các thiết bị màng đắt tiền.

Hiểu về độ nhớt của dung dịch protein trong quá trình siêu lọc

1.1. Độ nhớt của dung dịch protein là bao nhiêu?

Độ nhớt mô tả khả năng chống lại sự chảy của chất lỏng; trong dung dịch protein, nó đánh dấu mức độ ma sát phân tử cản trở chuyển động. Đơn vị SI của độ nhớt là Pascal-giây (Pa·s), nhưng centipoise (cP) thường được sử dụng cho các chất lỏng sinh học. Độ nhớt ảnh hưởng trực tiếp đến độ dễ dàng khi bơm hoặc lọc dung dịch protein trong quá trình sản xuất và ảnh hưởng đến việc phân phối thuốc, đặc biệt là đối với các liệu pháp sinh học có nồng độ cao.

Nồng độ protein là yếu tố chi phối chính ảnh hưởng đến độ nhớt. Khi nồng độ protein tăng lên, tương tác giữa các phân tử và sự chen chúc tăng lên, khiến độ nhớt tăng, thường là không tuyến tính. Vượt quá một ngưỡng nhất định, tương tác giữa các protein sẽ tiếp tục ức chế sự khuếch tán trong dung dịch. Ví dụ, các dung dịch kháng thể đơn dòng đậm đặc được sử dụng trong dược phẩm thường đạt đến mức độ nhớt gây khó khăn cho việc tiêm dưới da hoặc hạn chế tốc độ xử lý.

Các mô hình dự đoán độ nhớt trong dung dịch protein đậm đặc hiện nay đã kết hợp hình học phân tử và xu hướng kết tụ. Hình thái protein—cho dù là dạng kéo dài, hình cầu hay dễ kết tụ—ảnh hưởng đáng kể đến độ nhớt ở nồng độ cao. Những tiến bộ gần đây trong đánh giá vi lưu cho phép đo độ nhớt chính xác từ thể tích mẫu tối thiểu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc sàng lọc nhanh chóng các công thức protein mới.

1.2. Sự thay đổi độ nhớt trong quá trình siêu lọc

Trong quá trình siêu lọc, hiện tượng phân cực nồng độ nhanh chóng làm tích tụ protein tại giao diện giữa màng và dung dịch. Điều này tạo ra sự chênh lệch nồng độ cục bộ lớn và làm tăng độ nhớt gần màng. Độ nhớt cao trong vùng này cản trở quá trình truyền khối và làm giảm lưu lượng thẩm thấu.

Hiện tượng phân cực nồng độ khác biệt với hiện tượng tắc nghẽn màng lọc. Phân cực là hiện tượng động và có thể đảo ngược, xảy ra trong vòng vài phút khi quá trình lọc diễn ra. Ngược lại, tắc nghẽn màng lọc phát triển theo thời gian và thường liên quan đến sự lắng đọng không thể đảo ngược hoặc biến đổi hóa học trên bề mặt màng lọc. Chẩn đoán chính xác cho phép theo dõi lớp phân cực nồng độ theo thời gian thực, cho thấy độ nhạy của nó đối với vận tốc dòng chảy ngang và áp suất xuyên màng. Ví dụ, tăng vận tốc hoặc giảm áp suất xuyên màng (TMP) giúp phá vỡ lớp biên nhớt, khôi phục lưu lượng.

Các thông số vận hành ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính độ nhớt:

Áp suất xuyên màng (TMP)Áp suất xuyên màng cao hơn làm tăng cường sự phân cực, làm tăng độ nhớt cục bộ và giảm lưu lượng.
Vận tốc dòng chảy ngangTốc độ tăng cường hạn chế sự tích tụ, làm giảm độ nhớt gần màng.
Tần suất vệ sinh màng lọcViệc vệ sinh thường xuyên giúp giảm sự tích tụ lâu dài và hạn chế sự suy giảm hiệu suất do độ nhớt gây ra.

Các giai đoạn cô đặc bằng siêu lọc phải tối ưu hóa các thông số này để giảm thiểu tác động bất lợi của độ nhớt và duy trì lưu lượng.

1.3. Các đặc tính của dung dịch protein ảnh hưởng đến độ nhớt

Khối lượng phân tửVàbố cụcCác yếu tố chính quyết định độ nhớt. Các protein hoặc tập hợp protein lớn hơn, phức tạp hơn sẽ có độ nhớt cao hơn do chuyển động bị cản trở và lực liên phân tử mạnh hơn. Hình dạng của protein cũng ảnh hưởng đến dòng chảy – các chuỗi dài hoặc dễ kết tụ gây ra lực cản lớn hơn so với các protein hình cầu nhỏ gọn.

pHĐiều này ảnh hưởng đáng kể đến điện tích và độ hòa tan của protein. Điều chỉnh độ pH của dung dịch gần điểm đẳng điện của protein sẽ giảm thiểu điện tích tổng thể, giảm lực đẩy giữa các protein và tạm thời làm giảm độ nhớt, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lọc. Ví dụ, vận hành siêu lọc gần điểm đẳng điện của BSA hoặc IgG có thể làm tăng đáng kể lưu lượng thẩm thấu và độ chọn lọc tách.

Cường độ ionẢnh hưởng của nồng độ ion đến độ nhớt bằng cách làm thay đổi lớp điện kép xung quanh protein. Nồng độ ion tăng lên làm giảm tương tác tĩnh điện, thúc đẩy sự truyền protein qua màng nhưng cũng làm tăng nguy cơ kết tụ và dẫn đến sự tăng đột biến độ nhớt. Sự cân bằng giữa hiệu quả truyền dẫn và tính chọn lọc thường phụ thuộc vào việc tinh chỉnh nồng độ muối và thành phần dung dịch đệm.

Các chất phụ gia phân tử nhỏ—như arginine hydrochloride hoặc guanidine—có thể được sử dụng để giảm độ nhớt. Các chất này phá vỡ lực hút kỵ nước hoặc tĩnh điện, giảm sự kết tụ và cải thiện tính chất chảy của dung dịch. Nhiệt độ đóng vai trò là một biến số kiểm soát khác; nhiệt độ thấp hơn làm tăng độ nhớt, trong khi nhiệt độ cao hơn thường làm giảm độ nhớt.

Việc đo độ nhớt của dung dịch protein cần xem xét các yếu tố sau:

Phân bố khối lượng phân tử
Thành phần dung dịch (muối, tá dược, phụ gia)
Lựa chọn hệ thống pH và đệm
Cài đặt cường độ ion

Các yếu tố này rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất màng siêu lọc và đảm bảo tính nhất quán trong các giai đoạn cô đặc và quy trình TFF.

Nguyên lý cơ bản của quá trình siêu lọc và cô đặc protein.

Nguyên lý của pha cô đặc siêu lọc

Quá trình cô đặc protein bằng siêu lọc hoạt động bằng cách áp dụng áp suất xuyên màng (TMP) qua màng bán thấm, đẩy dung môi và các chất hòa tan nhỏ đi qua trong khi giữ lại protein và các phân tử lớn hơn. Quá trình này khai thác tính thấm chọn lọc dựa trên kích thước phân tử, với giới hạn trọng lượng phân tử (MWCO) của màng xác định kích thước tối đa của các phân tử đi qua. Các protein vượt quá MWCO sẽ tích tụ ở phía giữ lại, làm tăng nồng độ của chúng khi dịch thấm được rút ra.

Giai đoạn cô đặc siêu lọc nhằm mục đích giảm thể tích và làm giàu dung dịch protein. Khi quá trình lọc diễn ra, độ nhớt của dung dịch protein thường tăng lên, ảnh hưởng đến lưu lượng và yêu cầu về áp suất xuyên màng (TMP). Các protein bị giữ lại có thể tương tác với nhau và với màng lọc, làm cho quá trình thực tế phức tạp hơn so với việc loại trừ theo kích thước đơn giản. Tương tác tĩnh điện, sự kết tụ protein và các đặc tính của dung dịch như pH và độ mạnh ion ảnh hưởng đến kết quả giữ lại và tách chiết. Trong một số trường hợp, vận chuyển đối lưu chiếm ưu thế hơn khuếch tán, đặc biệt là ở các màng có lỗ lớn hơn, làm phức tạp các dự đoán chỉ dựa trên việc lựa chọn MWCO [xem tóm tắt nghiên cứu].

Giải thích về phương pháp lọc dòng ngang (TFF)

Lọc dòng ngang, còn được gọi là lọc dòng tiếp tuyến (TFF), dẫn dung dịch protein theo hướng tiếp tuyến qua bề mặt màng lọc. Phương pháp này trái ngược với lọc dòng kín, trong đó dòng chảy vuông góc với màng lọc, đẩy các hạt trực tiếp vào bên trong màng lọc.

Những điểm khác biệt và tác động chính:

Kiểm soát bám bẩn:Công nghệ TFF giúp giảm sự tích tụ các lớp protein và các hạt rắn, hay còn gọi là hiện tượng đóng cặn, bằng cách liên tục quét sạch các chất gây tắc nghẽn tiềm ẩn khỏi màng lọc. Điều này giúp lưu lượng nước thấm qua màng ổn định hơn và việc bảo trì dễ dàng hơn.
Khả năng giữ lại protein:TFF hỗ trợ quản lý tốt hơn hiện tượng phân cực nồng độ—một lớp phân tử bị giữ lại gần màng—nếu không được kiểm soát, có thể làm giảm tính chọn lọc trong quá trình tách và tăng hiện tượng tắc nghẽn màng. Luồng chảy động trong TFF làm giảm thiểu tác động này, giúp duy trì khả năng giữ lại protein cao và hiệu quả tách.
Tính ổn định của dòng thông lượng:Hệ thống lọc màng kép (TFF) cho phép vận hành trong thời gian dài hơn với lưu lượng ổn định, tăng hiệu quả trong các quy trình sử dụng nguyên liệu giàu protein hoặc nhiều hạt rắn. Ngược lại, hệ thống lọc màng kín (dead-end filtration) nhanh chóng bị tắc nghẽn, làm giảm lưu lượng và đòi hỏi phải vệ sinh thường xuyên.

Các biến thể TFF tiên tiến, chẳng hạn như dòng chảy tiếp tuyến xen kẽ (ATF), giúp giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn và hình thành lớp cặn bằng cách đảo chiều hoặc thay đổi vận tốc tiếp tuyến định kỳ, kéo dài tuổi thọ bộ lọc và cải thiện lưu lượng protein [xem tóm tắt nghiên cứu]. Trong cả thiết lập TFF cổ điển và tiên tiến, các thiết lập vận hành—chẳng hạn như TMP, vận tốc dòng chảy ngang và tần suất làm sạch—phải được điều chỉnh phù hợp với hệ thống protein cụ thể, loại màng và nồng độ mục tiêu để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tắc nghẽn.

Áp suất xuyên màng (TMP) trong siêu lọc

3.1. Áp suất xuyên màng là gì?

Áp suất xuyên màng (TMP) là sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu màng lọc, đẩy dung môi từ phía nguồn cấp liệu sang phía sản phẩm thấm qua. TMP là lực chính thúc đẩy quá trình tách trong siêu lọc, cho phép dung môi đi qua màng trong khi giữ lại protein và các đại phân tử khác.

Công thức TMP:

Sự khác biệt đơn giản: TMP = P_feed − P_permeate
Phương pháp kỹ thuật: TMP = [(P_feed + P_retenate)/2] − P_permeate
Ở đây, P_feed là áp suất đầu vào, P_retentate là áp suất đầu ra ở phía chất giữ lại, và P_permeate là áp suất ở phía chất thấm qua. Việc bao gồm áp suất chất giữ lại (hoặc chất cô đặc) cung cấp giá trị chính xác hơn dọc theo bề mặt màng, có tính đến sự chênh lệch áp suất do sức cản dòng chảy và sự bám bẩn gây ra.
Áp suất cấp liệu và lưu lượng
Áp suất giữ lại (nếu có)
Áp suất thẩm thấu (thường là áp suất khí quyển)
Điện trở màng
Áp suất xuyên màng (TMP) thay đổi tùy thuộc vào loại màng, thiết kế hệ thống và điều kiện quy trình.

Kiểm soát các biến số:

3.2. Áp suất xuyên màng (TMP) và quy trình siêu lọc

Áp suất xuyên màng (TMP) đóng vai trò trung tâm trong quá trình cô đặc protein bằng siêu lọc, đẩy dung dịch protein đi qua màng. Áp suất phải đủ cao để vượt qua lực cản của màng và bất kỳ vật liệu tích tụ nào, nhưng không được quá cao đến mức làm tăng tốc độ tắc nghẽn.

Ảnh hưởng của độ nhớt dung dịch và nồng độ protein

Độ nhớt của dung dịch protein:Độ nhớt cao hơn làm tăng sức cản dòng chảy, đòi hỏi áp suất xuyên màng (TMP) cao hơn để duy trì cùng một lưu lượng thẩm thấu. Ví dụ, thêm glycerol vào nguyên liệu đầu vào hoặc sử dụng protein đậm đặc sẽ làm tăng độ nhớt và do đó làm tăng TMP cần thiết khi vận hành.
Nồng độ protein:Khi nồng độ tăng lên trong giai đoạn cô đặc bằng siêu lọc, độ nhớt của dung dịch tăng, áp suất xuyên màng (TMP) tăng, và nguy cơ tắc nghẽn màng hoặc phân cực nồng độ tăng lên.
Định luật Darcy:Áp suất xuyên màng (TMP), lưu lượng thẩm thấu (J) và độ nhớt (μ) có mối liên hệ với nhau qua công thức TMP = J × μ × R_m (điện trở màng). Đối với dung dịch protein có độ nhớt cao, việc điều chỉnh TMP cẩn thận là rất quan trọng để đạt hiệu quả siêu lọc cao.

Ví dụ:

Quá trình siêu lọc các dung dịch kháng thể đậm đặc đòi hỏi phải quản lý áp suất xuyên màng (TMP) cẩn thận để chống lại sự gia tăng độ nhớt.
Việc gắn PEG hoặc các biến đổi protein khác làm thay đổi tương tác với màng tế bào, ảnh hưởng đến áp suất xuyên màng (TMP) cần thiết để đạt được lưu lượng mong muốn.

3.3. Giám sát và tối ưu hóa TMP

Duy trì TMP trong phạm viphạm vi áp suất xuyên màng bình thườngĐiều này rất quan trọng đối với hiệu suất ổn định của màng siêu lọc và chất lượng sản phẩm. Theo thời gian, khi quá trình siêu lọc diễn ra, hiện tượng phân cực nồng độ và tắc nghẽn có thể khiến áp suất xuyên màng (TMP) tăng lên, đôi khi rất nhanh.

Các phương pháp giám sát:

Giám sát thời gian thực:TMP được theo dõi thông qua đầu vào, phần giữ lại và phần thấm qua.bộ truyền áp suất.
Quang phổ Raman:Được sử dụng để theo dõi không xâm lấn nồng độ protein và tá dược, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm soát TMP thích ứng trong quá trình siêu lọc và thẩm tách.
Điều khiển nâng cao:Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) có thể xử lý dữ liệu cảm biến, tự động điều chỉnh TMP để tránh hiện tượng bám bẩn quá mức.
Đặt TMP ban đầu trong phạm vi bình thường:Không quá thấp để giảm lưu lượng, không quá cao để tránh đóng cặn nhanh.
Điều chỉnh áp suất xuyên màng (TMP) khi độ nhớt tăng:Trong giai đoạn cô đặc bằng siêu lọc, chỉ tăng dần áp suất xuyên màng (TMP) khi cần thiết.
Kiểm soát lưu lượng và độ pH của nguồn cấp liệu:Tăng lưu lượng dòng cấp liệu hoặc giảm áp suất xuyên màng (TMP) sẽ làm giảm hiện tượng phân cực nồng độ và đóng cặn.
Vệ sinh và thay thế màng lọc:Áp suất xuyên màng (TMP) cao hơn thường dẫn đến việc vệ sinh màng lọc thường xuyên hơn và giảm tuổi thọ màng lọc.

Chiến lược tối ưu hóa:

Ví dụ:

Hiện tượng ăn mòn và bám cặn trong các dây chuyền chế biến protein dẫn đến tăng áp suất xuyên màng (TMP) và giảm lưu lượng, đòi hỏi phải làm sạch hoặc thay thế màng lọc để khôi phục hoạt động bình thường.
Xử lý sơ bộ bằng enzyme (ví dụ: thêm pectinase) có thể làm giảm áp suất xuyên màng (TMP) và kéo dài tuổi thọ màng trong quá trình siêu lọc protein hạt cải dầu có độ nhớt cao.

3.4. TMP trong hệ thống TFF

Quá trình lọc dòng chảy tiếp tuyến (ngang) (TFF) hoạt động bằng cách dẫn dung dịch cấp liệu đi ngang qua màng lọc thay vì trực tiếp xuyên qua màng, điều này ảnh hưởng đáng kể đến động lực học của áp suất xuyên màng (TMP).

Điều hòa và cân bằng TMP

Áp suất xuyên màng TFF (TFF TMP):Quá trình này được quản lý bằng cách kiểm soát cả lưu lượng dòng cấp và áp suất bơm để tránh áp suất xuyên màng quá cao đồng thời tối đa hóa lưu lượng thẩm thấu.
Tối ưu hóa các thông số:Tăng lưu lượng dòng cấp liệu làm giảm sự lắng đọng cục bộ của protein, ổn định áp suất xuyên màng (TMP) và giảm hiện tượng tắc nghẽn màng lọc.
Mô hình tính toán:Các mô hình CFD dự đoán và tối ưu hóa TFF TMP để đạt được hiệu suất thu hồi sản phẩm, độ tinh khiết và năng suất tối đa — điều này đặc biệt quan trọng đối với các quy trình như phân lập mRNA hoặc túi ngoại bào.

Ví dụ:

Trong công nghệ sinh học, phương pháp TFF TMP tối ưu cho phép thu hồi >70% mRNA mà không bị phân hủy, vượt trội hơn so với các phương pháp ly tâm siêu tốc.
Hệ thống điều khiển TMP thích ứng, dựa trên các mô hình toán học và phản hồi từ cảm biến, giúp giảm tần suất thay thế màng lọc và kéo dài tuổi thọ màng lọc thông qua việc giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn.

Những điểm chính cần ghi nhớ:

Áp suất xuyên màng TMP phải được quản lý chủ động trong TFF để duy trì hiệu quả quy trình, lưu lượng và sức khỏe của màng.
Tối ưu hóa TMP một cách có hệ thống giúp giảm chi phí vận hành, hỗ trợ thu hồi sản phẩm có độ tinh khiết cao và kéo dài tuổi thọ màng lọc trong quá trình siêu lọc protein và các quy trình liên quan.

Theo dõi và đo lường nồng độ protein cao

Các cơ chế bám bẩn và mối liên hệ của chúng với độ nhớt

Các con đường gây tắc nghẽn chính trong quá trình siêu lọc protein

Quá trình siêu lọc protein bị ảnh hưởng bởi một số con đường tắc nghẽn khác nhau:

Sự ăn mòn và bám bẩn:Hiện tượng này xảy ra khi các sản phẩm ăn mòn—thường là oxit sắt—tích tụ trên bề mặt màng lọc. Chúng làm giảm lưu lượng và khó loại bỏ bằng các chất tẩy rửa hóa học thông thường. Sự ăn mòn gây tắc nghẽn dẫn đến suy giảm hiệu suất màng lọc kéo dài và làm tăng tần suất thay thế màng lọc theo thời gian. Tác động của nó đặc biệt nghiêm trọng đối với màng lọc PVDF và PES được sử dụng trong xử lý nước và các ứng dụng lọc protein.

Sự bám bẩn hữu cơ:Hiện tượng này chủ yếu do các protein như albumin huyết thanh bò (BSA) gây ra, và có thể trở nên nghiêm trọng hơn khi có sự hiện diện của các chất hữu cơ khác như polysaccharid (ví dụ: natri alginat). Các cơ chế bao gồm hấp phụ lên các lỗ màng, tắc nghẽn lỗ màng và hình thành lớp cặn. Hiệu ứng hiệp đồng xảy ra khi có nhiều thành phần hữu cơ cùng hiện diện, với các hệ thống có nhiều chất gây tắc nghẽn khác nhau sẽ bị tắc nghẽn nghiêm trọng hơn so với hệ thống chỉ sử dụng một loại protein.

Phân cực nồng độ:Khi quá trình siêu lọc diễn ra, các protein bị giữ lại tích tụ gần bề mặt màng, làm tăng nồng độ và độ nhớt cục bộ. Điều này tạo ra một lớp phân cực làm tăng khả năng tắc nghẽn và giảm lưu lượng. Quá trình này tăng tốc khi giai đoạn cô đặc siêu lọc tiến triển, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi áp suất xuyên màng và động lực dòng chảy.

Sự đóng cặn do chất keo và chất bẩn hỗn hợp:Các chất dạng keo (ví dụ: silica, khoáng chất vô cơ) có thể tương tác với protein, tạo thành các lớp kết tụ phức tạp làm trầm trọng thêm hiện tượng tắc nghẽn màng lọc. Ví dụ, sự hiện diện của silica dạng keo làm giảm đáng kể tốc độ dòng chảy, đặc biệt khi kết hợp với chất hữu cơ hoặc trong điều kiện pH không tối ưu.

Ảnh hưởng của độ nhớt dung dịch đến sự hình thành cặn bẩn

Độ nhớt của dung dịch protein ảnh hưởng mạnh mẽ đến động học tắc nghẽn và sự nén chặt màng lọc:

Sự bám bẩn gia tăng:Độ nhớt của dung dịch protein càng cao thì sức cản đối với sự vận chuyển ngược các chất hòa tan bị giữ lại càng lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành lớp cặn nhanh hơn. Điều này làm tăng áp suất xuyên màng (TMP), đẩy nhanh quá trình nén chặt và tắc nghẽn màng.

Ảnh hưởng của thành phần dung dịch:Loại protein ảnh hưởng đến độ nhớt; protein hình cầu (ví dụ: BSA) và protein dạng sợi có hành vi khác nhau về dòng chảy và phân cực. Việc thêm các hợp chất như polysaccharid hoặc glycerol làm tăng đáng kể độ nhớt, thúc đẩy sự tắc nghẽn màng. Các chất phụ gia và sự kết tụ protein ở nồng độ cao càng làm tăng tốc độ tắc nghẽn màng, trực tiếp làm giảm cả lưu lượng và tuổi thọ của màng.

Hậu quả về mặt vận hành:Độ nhớt cao hơn đòi hỏi áp suất xuyên màng (TMP) cao hơn để duy trì tốc độ lọc trong các quy trình lọc dòng chảy ngang. Tiếp xúc lâu dài với TMP cao sẽ làm tăng hiện tượng tắc nghẽn màng không thể phục hồi, thường dẫn đến việc phải vệ sinh màng thường xuyên hơn hoặc thay thế màng sớm hơn.

Vai trò của đặc tính thức ăn chăn nuôi

Các đặc điểm của thức ăn chăn nuôi—cụ thể là đặc tính protein và thành phần hóa học của nước—quyết định mức độ tắc nghẽn:

Kích thước và sự phân bố của protein:Các protein lớn hơn hoặc kết tụ có xu hướng gây tắc nghẽn lỗ lọc và tạo thành lớp cặn, làm tăng độ nhớt và xu hướng nén chặt trong quá trình cô đặc protein bằng siêu lọc.

độ pH:Độ pH cao làm tăng lực đẩy tĩnh điện, ngăn cản protein kết tụ gần màng lọc, do đó làm giảm hiện tượng tắc nghẽn màng. Ngược lại, điều kiện axit làm giảm lực đẩy, đặc biệt đối với silica dạng keo, làm trầm trọng thêm hiện tượng tắc nghẽn màng và làm giảm tốc độ dòng chảy.

Nhiệt độ:Nhiệt độ xử lý thấp hơn thường làm giảm động năng, điều này có thể làm chậm tốc độ đóng cặn nhưng cũng làm tăng độ nhớt của dung dịch. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ đóng cặn nhưng cũng có thể tăng hiệu quả làm sạch.

Vật chất dạng keo/vô cơ:Sự hiện diện của silica dạng keo hoặc kim loại làm tăng cường hiện tượng tắc nghẽn, đặc biệt là trong điều kiện axit. Các hạt silica làm tăng độ nhớt tổng thể của dung dịch và gây tắc nghẽn vật lý các lỗ xốp, làm giảm hiệu quả cô đặc của quá trình siêu lọc và làm giảm tuổi thọ cũng như hiệu suất tổng thể của màng lọc.

Thành phần ion:Việc bổ sung một số loại ion nhất định (Na⁺, Zn²⁺, K⁺) có thể làm giảm hiện tượng bám bẩn bằng cách điều chỉnh lực tĩnh điện và lực hydrat hóa giữa protein và màng. Tuy nhiên, các ion như Ca²⁺ thường thúc đẩy sự kết tụ và làm tăng khả năng bám bẩn.

Ví dụ:

Trong quá trình lọc dòng chảy ngang, nguồn nguyên liệu giàu protein có trọng lượng phân tử cao và độ nhớt cao sẽ trải qua sự suy giảm lưu lượng nhanh chóng, làm tăng tần suất vệ sinh và thay thế màng lọc.
Khi nước cấp chứa silica dạng keo và được axit hóa, quá trình kết tụ và lắng đọng silica sẽ diễn ra mạnh mẽ hơn, làm tăng đáng kể tốc độ tắc nghẽn và làm giảm hiệu suất màng lọc.

Tóm lại, việc hiểu rõ sự tương tác giữa độ nhớt của dung dịch, các loại tắc nghẽn màng lọc và đặc tính của dung dịch đầu vào là rất cần thiết để tối ưu hóa nồng độ siêu lọc, giảm tắc nghẽn màng lọc và tối đa hóa tuổi thọ màng lọc.

Sự phân cực nồng độ và cách quản lý nó

Hiện tượng phân cực nồng độ là gì?

Hiện tượng phân cực nồng độ là sự tích tụ cục bộ của chất tan bị giữ lại—chẳng hạn như protein—tại giao diện màng/dung dịch trong quá trình siêu lọc. Trong trường hợp dung dịch protein, khi chất lỏng chảy ngược chiều màng bán thấm, các protein bị màng giữ lại có xu hướng tích tụ thành một lớp mỏng sát bề mặt. Sự tích tụ này dẫn đến sự chênh lệch nồng độ lớn: nồng độ protein cao ngay tại màng, thấp hơn nhiều trong dung dịch xung quanh. Hiện tượng này có thể đảo ngược và được chi phối bởi các lực thủy động học. Nó trái ngược với hiện tượng tắc nghẽn màng, liên quan đến sự lắng đọng hoặc hấp phụ lâu dài hơn bên trong hoặc trên màng.

Hiện tượng phân cực nồng độ làm trầm trọng thêm độ nhớt và sự bám bẩn.

Tại bề mặt màng, sự tích tụ liên tục của protein tạo thành một lớp ranh giới làm tăng nồng độ chất tan cục bộ. Điều này dẫn đến hai tác động đáng kể:

Tăng độ nhớt cục bộ:Khi nồng độ protein tăng lên gần màng lọc, độ nhớt của dung dịch protein trong vùng vi mô này cũng tăng theo. Độ nhớt cao cản trở sự vận chuyển ngược chất tan ra khỏi màng lọc, làm tăng thêm độ dốc của gradient nồng độ và tạo ra một vòng phản hồi làm tăng sức cản dòng chảy. Điều này dẫn đến giảm lưu lượng thẩm thấu và yêu cầu năng lượng cao hơn để tiếp tục quá trình lọc.

Tạo điều kiện thuận lợi cho sự tắc nghẽn màng lọc:Nồng độ protein cao gần màng lọc làm tăng khả năng kết tụ protein và, trong một số hệ thống, hình thành lớp gel. Lớp gel này làm tắc nghẽn các lỗ màng và làm tăng thêm sức cản dòng chảy. Điều kiện như vậy rất dễ dẫn đến hiện tượng tắc nghẽn không thể đảo ngược, trong đó các chất kết tụ protein và tạp chất liên kết vật lý hoặc hóa học với ma trận màng lọc.

Các thí nghiệm chụp ảnh (ví dụ: kính hiển vi điện tử) xác nhận sự kết tụ nhanh chóng của các cụm protein kích thước nano tại màng, có thể phát triển thành các lớp lắng đọng đáng kể nếu các thiết lập vận hành không được quản lý đúng cách.

Các chiến lược nhằm giảm thiểu sự phân cực nồng độ

Việc kiểm soát hiện tượng phân cực nồng độ trong quá trình cô đặc protein bằng siêu lọc hoặc lọc dòng chảy ngang đòi hỏi phương pháp tiếp cận kép: điều chỉnh thủy động lực học và tinh chỉnh các thông số vận hành.

Tối ưu hóa vận tốc dòng chảy ngang:
Tăng tốc độ dòng chảy ngang làm tăng dòng chảy tiếp tuyến qua màng, thúc đẩy lực cắt và làm mỏng lớp biên nồng độ. Lực cắt mạnh hơn sẽ cuốn trôi các protein tích tụ khỏi bề mặt màng, giảm cả hiện tượng phân cực và nguy cơ tắc nghẽn. Ví dụ, sử dụng bộ trộn tĩnh hoặc sục khí sẽ phá vỡ lớp chất tan, cải thiện đáng kể lưu lượng thẩm thấu và hiệu quả trong quá trình lọc dòng chảy ngang.

Điều chỉnh các thông số vận hành:

Áp suất xuyên màng (TMP):TMP là hiệu áp suất giữa hai đầu màng và là động lực thúc đẩy quá trình siêu lọc. Tuy nhiên, việc tăng TMP để đẩy nhanh quá trình lọc có thể phản tác dụng bằng cách làm tăng hiện tượng phân cực nồng độ. Tuân thủ phạm vi áp suất xuyên màng bình thường—không vượt quá giới hạn quy định cho quá trình siêu lọc protein—giúp ngăn ngừa sự tích tụ quá mức chất tan và sự gia tăng độ nhớt cục bộ liên quan.

Tốc độ biến dạng cắt:Tốc độ biến dạng cắt, một hàm của vận tốc dòng chảy ngang và thiết kế kênh, đóng vai trò trung tâm trong động lực vận chuyển chất tan. Biến dạng cắt cao giữ cho lớp phân cực mỏng và linh động, cho phép làm mới thường xuyên vùng thiếu chất tan gần màng. Tăng tốc độ biến dạng cắt làm giảm thời gian tích tụ protein và giảm thiểu sự gia tăng độ nhớt tại giao diện.

Đặc tính thức ăn chăn nuôi:Việc điều chỉnh các đặc tính của dung dịch protein đầu vào—chẳng hạn như giảm độ nhớt của dung dịch protein, giảm hàm lượng chất kết tụ hoặc kiểm soát độ pH và cường độ ion—có thể giúp giảm mức độ và tác động của hiện tượng phân cực nồng độ. Xử lý sơ bộ nguyên liệu đầu vào và thay đổi công thức có thể nâng cao hiệu suất màng siêu lọc và kéo dài tuổi thọ màng bằng cách giảm tần suất làm sạch màng.

Ví dụ ứng dụng:
Một nhà máy sử dụng phương pháp lọc dòng tiếp tuyến (TFF) để cô đặc kháng thể đơn dòng áp dụng tốc độ dòng chảy ngang được tối ưu hóa cẩn thận và duy trì áp suất xuyên màng (TMP) trong một phạm vi nghiêm ngặt. Bằng cách đó, người vận hành giảm thiểu hiện tượng phân cực nồng độ và tắc nghẽn màng, giảm cả tần suất thay thế màng và chu kỳ làm sạch—trực tiếp làm giảm chi phí vận hành và cải thiện năng suất sản phẩm.

Việc điều chỉnh và giám sát thích hợp các biến số này—bao gồm cả việc đo độ nhớt dung dịch protein theo thời gian thực—là điều cơ bản để tối ưu hóa hiệu suất cô đặc siêu lọc và giảm thiểu các tác động bất lợi liên quan đến hiện tượng phân cực nồng độ trong quá trình xử lý protein.

Tối ưu hóa quá trình siêu lọc cho dung dịch protein có độ nhớt cao

6.1. Các thực tiễn vận hành tốt nhất

Để duy trì hiệu suất siêu lọc tối ưu với các dung dịch protein có độ nhớt cao, cần có sự cân bằng tinh tế giữa áp suất xuyên màng (TMP), nồng độ protein và độ nhớt của dung dịch. TMP—sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu màng—ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ cô đặc protein trong quá trình siêu lọc và mức độ tắc nghẽn màng. Khi xử lý các dung dịch nhớt như kháng thể đơn dòng hoặc protein huyết thanh nồng độ cao, bất kỳ sự gia tăng quá mức nào về TMP ban đầu có thể làm tăng lưu lượng, nhưng nó cũng nhanh chóng đẩy nhanh quá trình tắc nghẽn và tích tụ protein trên bề mặt màng. Điều này dẫn đến một quá trình lọc bị ảnh hưởng và không ổn định, được xác nhận bằng các nghiên cứu hình ảnh cho thấy các lớp protein dày đặc hình thành ở TMP cao và nồng độ protein trên 200 mg/mL.

Phương pháp tối ưu là vận hành hệ thống gần với áp suất xuyên màng (TMP) tới hạn, nhưng không vượt quá. Ở điểm này, năng suất được tối đa hóa nhưng nguy cơ tắc nghẽn không thể phục hồi vẫn ở mức tối thiểu. Đối với độ nhớt rất cao, các phát hiện gần đây cho thấy nên giảm TMP và đồng thời tăng lưu lượng dòng chảy (lọc dòng chảy ngang) để giúp giảm thiểu hiện tượng phân cực nồng độ và lắng đọng protein. Ví dụ, các nghiên cứu về nồng độ protein Fc-fusion cho thấy cài đặt TMP thấp hơn giúp duy trì lưu lượng ổn định đồng thời giảm tổn thất sản phẩm.

Việc tăng dần và có phương pháp nồng độ protein trong quá trình siêu lọc là rất quan trọng. Các bước tăng nồng độ đột ngột có thể khiến dung dịch chuyển sang chế độ có độ nhớt cao quá nhanh, làm tăng cả nguy cơ kết tụ và mức độ tắc nghẽn. Thay vào đó, việc tăng dần nồng độ protein cho phép điều chỉnh song song các thông số quy trình như áp suất xuyên màng (TMP), tốc độ dòng chảy ngang và độ pH, giúp duy trì sự ổn định của hệ thống. Các nghiên cứu trường hợp về siêu lọc enzyme xác nhận rằng việc duy trì áp suất vận hành thấp hơn trong các giai đoạn này đảm bảo sự tăng nồng độ được kiểm soát, giảm thiểu sự suy giảm lưu lượng trong khi vẫn bảo vệ chất lượng sản phẩm.

6.2. Tần suất thay thế màng lọc và bảo trì

Tần suất thay màng trong quá trình siêu lọc có liên quan chặt chẽ đến các chỉ số tắc nghẽn và giảm lưu lượng. Thay vì chỉ dựa vào sự suy giảm lưu lượng tương đối như một chỉ báo khi màng lọc sắp hết tuổi thọ, việc theo dõi điện trở tắc nghẽn cụ thể—một thước đo định lượng thể hiện điện trở do vật liệu tích tụ gây ra—đã được chứng minh là đáng tin cậy hơn, đặc biệt là trong các hỗn hợp protein hoặc protein-polysaccharide, nơi tắc nghẽn có thể xảy ra nhanh chóng và nghiêm trọng hơn.

Việc theo dõi các chỉ số tắc nghẽn bổ sung cũng rất quan trọng. Các dấu hiệu nhìn thấy được của sự lắng đọng trên bề mặt, dòng chảy thẩm thấu không đều hoặc sự gia tăng liên tục của TMP (mặc dù đã được làm sạch) đều là những tín hiệu cảnh báo về sự tắc nghẽn nghiêm trọng trước khi màng lọc bị hỏng. Các kỹ thuật như theo dõi chỉ số tắc nghẽn được điều chỉnh (MFI-UF) và tương quan nó với hiệu suất màng lọc cho phép lập kế hoạch thay thế dự đoán thay vì thay đổi phản ứng, do đó giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và kiểm soát chi phí bảo trì.

Tính toàn vẹn của màng lọc bị ảnh hưởng không chỉ bởi sự tích tụ chất bẩn hữu cơ mà còn bởi sự ăn mòn, đặc biệt là trong các quy trình hoạt động ở độ pH cực đoan hoặc với nồng độ muối cao. Cần thực hiện kiểm tra định kỳ và các quy trình làm sạch bằng hóa chất để kiểm soát cả sự ăn mòn và sự lắng đọng chất bẩn. Khi phát hiện hiện tượng tắc nghẽn do ăn mòn, tần suất làm sạch màng lọc và khoảng thời gian thay thế phải được điều chỉnh để đảm bảo tuổi thọ màng lọc được duy trì và hiệu suất siêu lọc ổn định. Bảo trì định kỳ và kỹ lưỡng là điều cần thiết để giảm thiểu tác động của những vấn đề này và kéo dài hiệu quả hoạt động.

6.3. Kiểm soát quy trình và đo độ nhớt trực tuyến

Việc đo độ nhớt của dung dịch protein một cách chính xác và theo thời gian thực là rất cần thiết cho việc kiểm soát quy trình siêu lọc, đặc biệt khi nồng độ và độ nhớt tăng lên. Hệ thống đo độ nhớt trực tuyến cung cấp khả năng giám sát liên tục, cho phép phản hồi tức thì và điều chỉnh linh hoạt các thông số hệ thống.

Các công nghệ mới nổi đã làm thay đổi diện mạo của việc đo độ nhớt dung dịch protein:

Quang phổ Raman với bộ lọc KalmanPhân tích Raman thời gian thực, được hỗ trợ bởi các bộ lọc Kalman mở rộng, cho phép theo dõi mạnh mẽ nồng độ protein và thành phần dung dịch đệm. Phương pháp này tăng độ nhạy và độ chính xác, hỗ trợ tự động hóa quy trình cô đặc bằng siêu lọc và lọc thẩm thấu.

Đo độ nhớt mao dẫn động học tự độngSử dụng công nghệ thị giác máy tính, công nghệ này tự động đo độ nhớt của dung dịch, khắc phục các lỗi thủ công và cung cấp khả năng giám sát đa kênh, lặp lại trên nhiều dòng quy trình. Công nghệ này đã được kiểm chứng cho cả các công thức protein tiêu chuẩn và phức tạp, đồng thời giảm thiểu sự can thiệp trong giai đoạn cô đặc bằng siêu lọc.

Thiết bị đo độ nhớt vi lưu chấtHệ thống vi lưu biến cung cấp các hồ sơ lưu biến chi tiết, liên tục, ngay cả đối với các dung dịch protein có độ nhớt cao và không phải chất lỏng Newton. Chúng đặc biệt có giá trị trong sản xuất dược phẩm, hỗ trợ các chiến lược công nghệ phân tích quy trình (PAT) và tích hợp với các vòng phản hồi.

Việc kiểm soát quy trình bằng các công cụ này cho phép triển khai các vòng phản hồi để điều chỉnh áp suất xuyên màng (TMP), tốc độ cấp liệu hoặc tốc độ dòng chảy ngang theo thời gian thực nhằm đáp ứng với sự thay đổi độ nhớt. Ví dụ, nếu cảm biến trực tuyến phát hiện sự gia tăng đột ngột về độ nhớt (do tăng nồng độ hoặc kết tụ), TMP có thể được tự động giảm hoặc tốc độ dòng chảy ngang được tăng lên để hạn chế sự xuất hiện của hiện tượng phân cực nồng độ trong quá trình siêu lọc. Cách tiếp cận này không chỉ kéo dài tuổi thọ màng lọc mà còn hỗ trợ chất lượng sản phẩm ổn định bằng cách quản lý động các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch protein.

Việc lựa chọn công nghệ giám sát độ nhớt phù hợp nhất phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng siêu lọc, bao gồm phạm vi độ nhớt dự kiến, độ phức tạp của công thức protein, nhu cầu tích hợp và chi phí. Những tiến bộ trong giám sát thời gian thực và điều khiển quy trình động đã cải thiện đáng kể khả năng tối ưu hóa quá trình siêu lọc đối với các dung dịch protein có độ nhớt cao, đảm bảo cả sự ổn định hoạt động và năng suất sản phẩm cao.

Khắc phục sự cố và các vấn đề thường gặp trong quá trình siêu lọc protein

7.1. Triệu chứng, nguyên nhân và biện pháp khắc phục

Tăng áp suất xuyên màng

Sự gia tăng áp suất xuyên màng (TMP) trong quá trình siêu lọc cho thấy sức cản qua màng ngày càng tăng. Ảnh hưởng của áp suất xuyên màng đến quá trình siêu lọc là trực tiếp: phạm vi áp suất xuyên màng bình thường thường phụ thuộc vào quy trình, nhưng sự gia tăng kéo dài cần được điều tra. Hai nguyên nhân phổ biến nổi bật là:

Dung dịch protein có độ nhớt cao hơn:Khi độ nhớt của dung dịch protein tăng lên—thường thấy ở nồng độ protein siêu lọc cao—áp suất cần thiết để dòng chảy tăng lên. Điều này thể hiện rõ nhất ở các bước cô đặc cuối cùng và lọc thẩm thấu, nơi dung dịch có độ nhớt cao nhất.
Hiện tượng tắc nghẽn màng lọc:Các chất gây ô nhiễm như các cụm protein hoặc hỗn hợp polysaccharid-protein có thể bám dính hoặc làm tắc nghẽn các lỗ màng, dẫn đến sự tăng đột biến áp suất xuyên màng (TMP).

Biện pháp khắc phục:

Giảm áp suất xuyên màng (TMP) và tăng lưu lượng cấp liệu.Việc giảm áp suất xuyên màng (TMP) đồng thời tăng tốc độ cấp liệu sẽ làm giảm hiện tượng phân cực nồng độ và hình thành lớp gel, thúc đẩy dòng chảy ổn định.
Vệ sinh màng lọc định kỳXác định tần suất làm sạch màng tối ưu để loại bỏ các chất gây ô nhiễm tích tụ. Theo dõi hiệu quả bằng cách đo độ nhớt của dung dịch protein sau khi làm sạch.
Thay thế màng lọc đã cũTần suất thay màng lọc có thể cần tăng lên nếu việc vệ sinh không hiệu quả hoặc màng lọc đã hết tuổi thọ.

Tốc độ dòng chảy giảm dần: Cây chẩn đoán

Sự giảm lưu lượng liên tục trong giai đoạn cô đặc bằng siêu lọc cho thấy có vấn đề về năng suất. Hãy thực hiện theo phương pháp chẩn đoán sau:

Theo dõi áp suất xuyên màng (TMP) và độ nhớt:Nếu cả hai chỉ số đều tăng, hãy kiểm tra xem có cặn bẩn hoặc lớp gel bám vào không.
Kiểm tra thành phần và độ pH của thức ăn:Sự thay đổi ở đây có thể làm thay đổi độ nhớt của dung dịch protein và thúc đẩy quá trình đóng cặn.
Đánh giá hiệu suất màng lọc:Lưu lượng thẩm thấu giảm dù đã được làm sạch cho thấy màng lọc có thể bị hư hỏng hoặc tắc nghẽn không thể phục hồi.

Giải pháp:

Tối ưu hóa nhiệt độ, độ pH và nồng độ ion trong dung dịch cấp liệu để giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn và phân cực nồng độ trong quá trình siêu lọc.
Sử dụng các mô-đun màng được biến đổi bề mặt hoặc xoay để phá vỡ các lớp gel và khôi phục lưu lượng.
Tiến hành đo độ nhớt dung dịch protein định kỳ để dự đoán những thay đổi ảnh hưởng đến khả năng chảy.

Hiện tượng đóng cặn nhanh hoặc hình thành lớp gel

Sự hình thành lớp gel nhanh chóng là kết quả của sự phân cực nồng độ quá mức tại bề mặt màng. Áp suất xuyên màng trong quá trình lọc dòng chảy ngang (TFF) đặc biệt dễ bị ảnh hưởng trong điều kiện nguyên liệu đầu vào có độ nhớt cao hoặc hàm lượng protein cao.

Các chiến lược giảm thiểu rủi ro:

Sử dụng các bề mặt màng tích điện âm, ưa nước (ví dụ: màng polyvinylidene fluoride [PVDF]) để giảm thiểu sự liên kết và bám dính của protein.
Xử lý sơ bộ nguyên liệu đầu vào bằng phương pháp đông tụ hoặc điện phân đông tụ để loại bỏ các chất gây tắc nghẽn trước khi siêu lọc.
Tích hợp các thiết bị cơ khí như mô-đun quay vào quy trình lọc dòng chảy ngang để giảm độ dày lớp cặn và làm chậm quá trình hình thành lớp gel.

7.2. Điều chỉnh theo sự biến động của nguồn thức ăn

Hệ thống siêu lọc protein phải thích ứng với sự biến đổi về tính chất hoặc thành phần protein trong nguyên liệu đầu vào. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của dung dịch protein—như thành phần dung dịch đệm, nồng độ protein và khả năng kết tụ—có thể làm thay đổi hoạt động của hệ thống.

Chiến lược ứng phó

Giám sát độ nhớt và thành phần theo thời gian thực:Triển khai các cảm biến phân tích trực tuyến (quang phổ Raman + lọc Kalman) để phát hiện nhanh chóng các thay đổi trong nguyên liệu đầu vào, vượt trội hơn so với các phương pháp UV hoặc IR truyền thống.
Kiểm soát quy trình thích ứng:Điều chỉnh cài đặt thông số (tốc độ dòng chảy(TMP, lựa chọn màng) để đáp ứng với những thay đổi được phát hiện. Ví dụ, độ nhớt của dung dịch protein tăng lên có thể yêu cầu TMP thấp hơn và tốc độ cắt cao hơn.
Lựa chọn màng:Sử dụng màng lọc có kích thước lỗ và thành phần hóa học bề mặt được tối ưu hóa cho các đặc tính của nguyên liệu đầu vào hiện tại, cân bằng giữa khả năng giữ lại protein và lưu lượng lọc.
Xử lý thức ăn trước khi cho ăn:Nếu sự thay đổi đột ngột về tính chất của nguyên liệu đầu vào gây tắc nghẽn, hãy bổ sung các bước đông tụ hoặc lọc trước bước siêu lọc.

Ví dụ:

Trong quy trình sinh học, việc thay đổi dung dịch đệm hoặc thay đổi thành phần kháng thể cần kích hoạt hệ thống điều khiển để điều chỉnh áp suất xuyên màng (TMP) và lưu lượng.
Đối với phương pháp siêu lọc liên kết sắc ký, các thuật toán tối ưu hóa số nguyên trộn thích ứng có thể giảm thiểu sự biến động và chi phí vận hành trong khi vẫn duy trì hiệu suất màng siêu lọc.

Việc theo dõi thường xuyên độ nhớt của dung dịch protein và điều chỉnh ngay lập tức các điều kiện quy trình giúp tối ưu hóa nồng độ siêu lọc, duy trì năng suất và giảm thiểu hiện tượng tắc nghẽn màng lọc và phân cực nồng độ.

Câu hỏi thường gặp

8.1. Phạm vi bình thường của áp suất xuyên màng trong quá trình siêu lọc dung dịch protein là bao nhiêu?

Phạm vi áp suất xuyên màng (TMP) bình thường trong các hệ thống cô đặc protein bằng siêu lọc phụ thuộc vào loại màng, thiết kế mô-đun và đặc điểm của nguyên liệu đầu vào. Đối với hầu hết các quy trình siêu lọc protein, TMP thường được duy trì trong khoảng từ 1 đến 3 bar (15–45 psi). Giá trị TMP trên 0,2 MPa (khoảng 29 psi) có thể gây hư hỏng màng, tắc nghẽn nhanh và rút ngắn tuổi thọ màng. Trong các ứng dụng y sinh và công nghệ sinh học, TMP được khuyến nghị nói chung không nên vượt quá 0,8 bar (~12 psi) để tránh vỡ màng. Đối với các quy trình như lọc dòng chảy ngang, việc duy trì trong phạm vi TMP này đảm bảo cả hiệu suất và tính toàn vẹn của protein.

8.2. Độ nhớt của dung dịch protein ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất siêu lọc?

Độ nhớt của dung dịch protein ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cô đặc bằng siêu lọc. Độ nhớt cao làm tăng sức cản dòng chảy và làm tăng áp suất xuyên màng (TMP), dẫn đến giảm lưu lượng thẩm thấu và làm tắc nghẽn màng nhanh chóng. Hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt với kháng thể đơn dòng hoặc protein lai ghép Fc ở nồng độ cao, nơi độ nhớt tăng lên do tương tác protein-protein và hiệu ứng điện tích. Quản lý và tối ưu hóa độ nhớt bằng tá dược hoặc xử lý enzyme giúp cải thiện lưu lượng, giảm tắc nghẽn và cho phép đạt được nồng độ cao hơn trong giai đoạn cô đặc bằng siêu lọc. Việc theo dõi đo độ nhớt của dung dịch protein rất quan trọng để duy trì hiệu quả xử lý.

8.3. Hiện tượng phân cực nồng độ là gì và tại sao nó lại quan trọng trong TFF?

Hiện tượng phân cực nồng độ trong siêu lọc là sự tích tụ protein tại bề mặt màng, gây ra sự chênh lệch nồng độ giữa dung dịch chính và giao diện màng. Trong quá trình lọc dòng chảy ngang, điều này dẫn đến tăng độ nhớt cục bộ và có thể làm giảm lưu lượng lọc một cách thuận nghịch. Nếu không được xử lý, nó có thể thúc đẩy sự tắc nghẽn màng và làm giảm hiệu suất hệ thống. Giải quyết hiện tượng phân cực nồng độ trong siêu lọc bao gồm tối ưu hóa tốc độ dòng chảy ngang, áp suất xuyên màng (TMP) và lựa chọn màng để duy trì lớp phân cực mỏng. Kiểm soát chính xác giúp duy trì lưu lượng cao và giảm nguy cơ tắc nghẽn.

8.4. Làm thế nào để tôi quyết định khi nào cần thay màng siêu lọc?

Hãy thay thế màng siêu lọc khi bạn nhận thấy sự suy giảm rõ rệt về lưu lượng (lưu lượng), sự gia tăng liên tục áp suất xuyên màng (TMP) mà việc làm sạch thông thường không thể giải quyết được, hoặc hiện tượng tắc nghẽn có thể nhìn thấy vẫn còn sau khi làm sạch. Các dấu hiệu khác bao gồm mất tính chọn lọc (không loại bỏ được các protein mục tiêu như mong đợi) và không đạt được các thông số kỹ thuật về hiệu suất. Theo dõi tần suất thay thế màng bằng cách kiểm tra lưu lượng và tính chọn lọc thường xuyên là nền tảng để tối đa hóa tuổi thọ của màng trong các quy trình cô đặc dung dịch protein bằng siêu lọc.

8.5. Tôi có thể điều chỉnh những thông số vận hành nào để giảm thiểu hiện tượng bám cặn protein trong quá trình lọc màng TFF?

Các thông số vận hành chính để giảm thiểu hiện tượng đóng cặn protein trong quá trình lọc dòng chảy ngang bao gồm:

Duy trì tốc độ dòng chảy ngang thích hợp để giảm sự tích tụ protein cục bộ và kiểm soát sự phân cực nồng độ.
Vận hành trong phạm vi áp suất xuyên màng (TMP) được khuyến nghị, thông thường là 3–5 psi (0,2–0,35 bar), để tránh rò rỉ sản phẩm quá mức và hư hỏng màng lọc.
Áp dụng quy trình làm sạch màng lọc định kỳ để hạn chế tình trạng tắc nghẽn không thể khắc phục.
Theo dõi và, nếu cần, xử lý sơ bộ dung dịch nguyên liệu để kiểm soát độ nhớt (ví dụ, sử dụng các phương pháp xử lý bằng enzyme như pectinase).
Chọn vật liệu màng và kích thước lỗ xốp (MWCO) phù hợp với kích thước protein mục tiêu và mục tiêu của quy trình.

Việc tích hợp lọc sơ bộ bằng thiết bị tách ly tâm thủy lực hoặc xử lý sơ bộ bằng enzyme có thể cải thiện hiệu suất hệ thống, đặc biệt đối với các nguyên liệu có độ nhớt cao. Theo dõi sát sao thành phần nguyên liệu đầu vào và điều chỉnh các thiết lập một cách linh hoạt để giảm thiểu tắc nghẽn màng lọc và tối ưu hóa giai đoạn cô đặc siêu lọc.