Care este impactul concentrației de materie primă asupra casetelor de ultrafiltrare?

Când am început să lucrez cu casete de ultrafiltrare (UF) încă din primele mele zile ca furnizor de filtre, voi recunoaște că nu m-am gândit prea mult la concentrarea furajului în afară de a verifica dacă soluția pe care o procesam era „suficient de groasă”. Acest lucru s-a schimbat rapid - atunci când un client de biotehnologie a lovit un zid cu pasul său de concentrare a anticorpilor, dând vina pe înfundarea frecventă și ratele de flux ciudat de inconsecvente. S-a dovedit că forțau mult mai mult decât putea suporta caseta lor UF și le-a costat zile de întrerupere și un lot de produse scumpe. Dacă lucrați cu casete UF, acesta nu este doar un mic detaliu - este una dintre cele mai mari pârghii care vă determină sau întrerupe procesul, de la randament până la timpul de rulare. Să dezvăluim modul în care concentrarea furajelor afectează fiecare parte a UF și ceea ce am învățat de-a lungul anilor pentru ca lucrurile să funcționeze fără probleme.

În primul rând, haideți să punem la bază acest lucru în ceea ce fac de fapt casetele UF, doar pentru a ne asigura că suntem pe aceeași pagină. Dacă sunteți nou în joc, o casetă UF este o unitate autonomă cu membrane plate (consultațiCasetă Platăpagina pentru defalcarea completă) care separă moleculele în funcție de dimensiune – obiectele mici trec prin membrană, în timp ce cele mai mari sunt „reținute” și concentrate pe partea de alimentare. Ce le face atât de populare în biofarma, alimente și băuturi și în apele uzate? Sunt compacte, reutilizabile (uneori, dacă sunt curățate corect) și mult mai consistente decât configurațiile mai vechi cu membrane tăiate manual. TheCasete Ultrafiltrarelinia pe care o oferim este construită pentru execuții scalabile, de la loturi mici de laborator până la producție completă, motiv pentru care am lucrat cu clienți, de la startup-uri biotehnologice la mărci alimentare globale.

Concentrația de hrană, pentru cei care nu au aprofundat terminologia, este practic cantitatea de solut țintă (sau nedorit) din soluția pe care o pompați în casetă. De exemplu, dacă concentrați anticorpi monoclonali (mAbs) dintr-un bulion de cultură celulară, concentrația de hrană aici este câte grame de mAb sunt pe litru de acel bulion. Nu este doar ținta, de asemenea, aveți impurități precum resturile de celule, componentele media și sărurile tampon rămase amestecate. Punctul favorabil pentru concentrarea furajului este diferit în funcție de limita de greutate moleculară a membranei (MWCO), nu? O casetă UF de 30KD funcționează excelent pentru proteinele mici, în timp ce una de 500KD este pentru molecule mai mari, cum ar fi vectorii virali. Am văzut clienții luând prima casetă la care se uită, indiferent de concentrația lor de hrană și de aici încep greșelile.

Să începem cu impactul cel mai imediat: rata fluxului. Fluxul este volumul de soluție care trece prin membrană pe unitate de suprafață pe oră - este coloana vertebrală a productivității UF. Când concentrația de hrană este prea mare, fluxul scade rapid și nu într-un mod liniar. Iată de ce: pe măsură ce procesați soluția, substanțele dizolvate reținute se acumulează lângă suprafața membranei, formând ceea ce se numește „strat de polarizare a concentrației”. Acest strat acționează ca o barieră suplimentară, așa că apa și substanțele dizolvate mici trebuie să lucreze mai mult pentru a trece. Dacă concentrația de hrană este foarte mare de la început, acel strat de polarizare se îngroașă rapid și, în curând, abia împingeți vreun permeat. Am avut un client anul trecut care rula o casetă de ultrafiltrare de 30KD pe un supernatant de cultură celulară densă – se hrăneau cu 25 g/L de proteine, când recomandarea noastră era 10-15 g/L. Fluxul lor a scăzut de la 60 L/m²/h la 12 L/m²/h în 2 ore și au fost nevoiți să se închidă pentru a curăța caseta prematur, pierzând 12 ore de funcționare. Și mai rău, polarizarea concentrației mari a dus la blocarea unor proteine ​​în acel strat, astfel încât randamentul lor a fost cu 18% mai mic decât se aștepta.

Dar nu este vorba doar de flux – concentrația de hrană este, de asemenea, direct legată de murdărirea membranei, care este marele om de mușchi al UF. Murdărirea este atunci când substanțele dizolvate, resturile sau agregatele se lipesc permanent de suprafața membranei sau de pereții porilor și este mult mai rău cu furajele supraconcentrate. Când substanțele dizolvate sunt înghesuite în furaj, este mai probabil ca acestea să se ciocnească de membrana și să rămână prinse. Am curățat sute de casete UF de-a lungul anilor și, în 80% din timp, murdăria grea se înregistrează până la concentrația de alimentare care a fost de 2-3 ori intervalul recomandat. De exemplu, un client alimentar care procesează suc de fructe a vrut să se concentreze la 30° Brix într-o singură trecere, în loc de 15° Brix (care este punctul ideal pentru caseta lor de 10KD). Pectina și zahărul sucului au început să se acumuleze pe membrană în decurs de 30 de minute, iar la sfârșitul cursei, porii membranei au fost parțial blocați, așa că au obținut doar un sfert din concentrația pe care o așteptau și au trebuit să înlocuiască caseta după trei execuții în loc de 10. Asta a adus costuri mult mai mari pe litru decât dacă ar împărți concentrația în două treceri cu o concentrație mai mică.

Randamentul este un alt domeniu în care concentrația furajelor lovește puternic, în special în biofarma, unde fiecare gram de produs contează. Când hrana dvs. este prea concentrată, nu numai că aveți mai multă murdărie, dar începeți să vedeți și pierderea produsului în două moduri. În primul rând, stratul de polarizare a concentrației poate prinde molecule țintă și, dacă devine prea gros, acele molecule ar putea fi purtate de retentatul atunci când scurgeți caseta, în loc să fie concentrate. În al doilea rând, unele molecule țintă (cum ar fi proteinele) pot începe să se agrega la concentrații mari, iar acele agregate sunt adesea suficient de mici pentru a aluneca prin membrană sau pentru a se bloca în permeat, așa că le pierzi. Un client de vectori virali cu care am lucrat anul trecut a folosit caseta noastră de ultrafiltrare de 500KD pentru a concentra vectorii AAV - au împins concentrația de hrană la 1e13 genomi vector per ml, ceea ce este mult peste recomandarea noastră de 2e12. Randamentul lor a fost de numai 45%, față de 82% pe care l-au obținut atunci când au scăzut concentrația de furaj la intervalul potrivit. Când am testat retentatul, am constatat că 30% din vectorul lor țintă a fost blocat în stratul de polarizare a concentrației, iar încă 15% a fost agregat și pierdut. Acesta este genul de lovitură care poate face un întreg lot fără valoare, mai ales atunci când aveți de-a face cu procese conforme cu GMP în care nu puteți face mai mult produs dintr-un capriciu.

Așteptați, dar înainte de a vă gândi că „concentrația mai scăzută a furajului este întotdeauna mai bună” – nici asta nu este adevărat. Dacă hrana dvs. este mult prea diluată, pierdeți timpul și capacitatea casetei. UF este cel mai eficient atunci când concentrați soluția la un nivel rezonabil, dar dacă începeți cu un furaj prea subțire, mutați mult mai mult volum decât aveți nevoie, ceea ce crește costurile cu energia pentru pompare și durează mai mult pentru a ajunge la concentrația țintă. De exemplu, un client de laborator care concentra o mică probă de proteine ​​folosea o casetă de 10KD cu o concentrație de hrană de 0,1 mg/mL - încercau să ajungă la 10 mg/mL, așa că procesau 100 ml de soluție pentru a obține 10 ml de retentat. Le-a luat 8 ore, față de 2 ore când au concentrat prima hrană prin centrifugare la 0,5 mg/mL, așa că au procesat doar 20 mL. Aceasta este o diferență uriașă în ceea ce privește forța de muncă și timp, mai ales dacă rulați mai multe loturi pe zi. Cheia este atingerea acelui interval mediu - ceea ce eu numesc „fereastra de concentrare” pentru caseta și aplicația dvs. specifice.

Deci, cum îți dai seama că fereastra de concentrare? Nu este un lucru universal, dar există câteva reguli de bază pe care le împărtășim tuturor clienților noștri. În primul rând, verificați MWCO al casetei dvs.: o casetă cu un MWCO mai mare (cum ar fi 500KD) poate gestiona de obicei o concentrație de alimentare mai mare decât una MWCO mai mică (cum ar fi 30KD), deoarece porii sunt mai mari, așa că polarizarea este mai puțin o problemă. NoastreSeria Casete-TFF-filtrarepagina are intervale de concentrație specifice pentru fiecare casetă, dar, ca regulă generală, nu depășiți niciodată 10–15% solide totale pentru majoritatea aplicațiilor de proteine ​​și 5–10% pentru moleculele mici. În al doilea rând, testați-vă hrana pentru impurități: dacă hrana dvs. are o mulțime de resturi sau agregate, aveți nevoie de o concentrație mai mică de hrană pentru a evita murdărirea, indiferent care este molecula țintă. În al treilea rând, executați mai întâi teste la scară mică - nu treceți doar la producția completă. Un test de 100 ml sau 1 L vă va spune exact ce flux obțineți, cât de repede se instalează murdăria și la ce randament vă puteți aștepta, astfel încât să nu pierdeți un produs valoros.

Un alt lucru pe care l-am observat de-a lungul anilor este că concentrația de hrană interacționează cu alți parametri ai procesului, cum ar fi debitul încrucișat și presiunea transmembranară (TMP). Nu este ca și cum ajustați concentrația în vid - dacă aveți o concentrație mare de alimentare, puteți compensa puțin prin creșterea ratei fluxului încrucișat, care mătură stratul de polarizare departe de suprafața membranei și creșterea TMP (dar nu prea mult, deoarece TMP poate provoca compactarea stratului de polarizare). Dar acesta este un act de echilibru: flux încrucișat mai mare înseamnă mai multă energie, iar TMP mai mare poate duce la deteriorarea membranei dacă nu ești atent. Întotdeauna sfătuim clienții să efectueze teste complete cu parametrii care includ concentrația furajului, deoarece schimbarea unuia îi poate arunca pe ceilalți. De exemplu, un client a încercat odată să remedieze o scădere a fluxului de la concentrația mare de alimentare prin pornirea TMP și a ajuns să compacteze membrana, astfel încât următoarele execuții au avut un flux și mai mic. De aceea, la compania noastră, nu vindem doar casete, ci ajutăm clienții noștri să treacă peste aceste probleme de proces, deoarece am văzut aproape toate greșelile pe care le puteți face cu concentrarea furajului.

Să vorbim și despre efectele pe termen lung, deoarece concentrația de hrană nu afectează doar un singur ciclu, ci are un impact asupra duratei de viață a casetei. Dacă rulați cu furaje prea concentrate, creați mult mai multă murdărie, ceea ce înseamnă că trebuie să curățați caseta mai des și agenți de curățare mai agresivi (cum ar fi pH sau temperatură mai ridicate) pentru a scăpa de acumulare. În timp, această curățare agresivă degradează membrana, astfel încât caseta are mai puține rulări înainte de a fi înlocuită. Am avut un client care rula caseta noastră cu folie plată și, până la a 5-a tiraj, a trebuit să o înlocuiască din cauza murdării puternice, în timp ce un alt client care rula aceeași casetă la concentrația corectă de alimentare primea peste 15 tiraje. Aceasta este o diferență uriașă de cost atunci când treci prin casete în fiecare săptămână față de fiecare lună.

Acum, să fim practici – ce ar trebui să faceți de fapt dacă concentrația dvs. de hrană este oprită? În primul rând, măsurați-o corect. Mulți clienți folosesc „grosimea vizuală” a soluției, ceea ce este foarte inexact. Utilizați un contor Brix pentru produsele alimentare sau absorbanța (cum ar fi A280 pentru proteine) pentru a obține o concentrație precisă. Apoi, ajustați hrana fie diluându-l (dacă este prea mare) fie concentrându-l mai departe cu un pas mai mic de preprocesare (cum ar fi filtrarea cu flux tangenţial cu o casetă diferită sau centrifugare) dacă este prea scăzut. Dacă aveți de-a face cu un aliment unic, cum ar fi un produs biologic personalizat, contactați echipa noastră – avem specialiști în aplicații care vă pot ajuta să proiectați un proces adaptat concentrației dvs. de hrană, fie că este alegerea MWCO potrivită (cum ar fi 30KD vs. 500KD), ajustarea fluxului încrucișat sau stabilirea celui mai bun timp de rulare.

Nu pot sublinia suficient cât de multe mici ajustări ale concentrației de alimentare vă pot schimba întregul proces UF. Nu este un detaliu plictisitor — este diferența dintre o rulare care atinge toate obiectivele tale de randament și cronologie și o rulare care te lasă să depanezi zile întregi, irosind produse și bani. Ne-am construitCasete Ultrafiltrarelinia să fie flexibilă, cu opțiuni pentru diferite MWCO (cum ar fi noastreCasete de ultrafiltrare de 30 kdşiCasete de ultrafiltrare 500KD), modele de foi plate și configurații din seria TFF, deoarece știm că fluxul fiecărui client este diferit. Dacă vă confruntați cu probleme de concentrare a furajelor sau dacă doriți doar să vă eficientizați procesul UF, suntem aici pentru a vă ajuta — am lucrat cu mii de clienți pentru a le corecta ferestrele de concentrare și putem face același lucru pentru dvs. Nu lăsați un mic detaliu, cum ar fi concentrarea furajului, să vă strice cursele - contactați echipa noastră pentru a afla mai multe despre optimizarea procesului dvs. astăzi.

Referințe

1. Belfort, G., Davis, RH, & Zydney, AL (1994). Comportarea suspensiilor și soluțiilor macromoleculare în microfiltrarea cu flux încrucișat. Journal of Membrane Science, 96(1–2), 1–58.
2. Charcosset, C. (2007). Polarizare hidrodinamică și concentrație în ultrafiltrare: o revizuire. Desalination, 211(1–3), 108–122.
3. Zydney, AL (2018). Filtrare în flux tangențial pentru prelucrarea biofarmaceutică. Opinia curentă în inginerie chimică, 20, 109–115.
4. Mulder, M. (1996). Principiile de bază ale tehnologiei membranelor (ed. a II-a). Editura academică Kluwer.