Какъв е капацитетът на мембранните касети?

Ако някога сте работили в биофармацевтично производство, пречистване на вода или обработка на храни и напитки, вероятно сте попадали на мембранни касети - тези компактни, модулни работни коне за филтриране, които се справят с всичко - от избистряне на бульони от клетъчни култури до концентриране на протеинови терапевтици. Но ако някога сте се питали: „Какъв точно е капацитетът на мембранните касети?“ не си сам Като доставчик на мембранни касети, зададох този въпрос от лабораторни техници, тестващи проба от 1L, до мениджъри на заводи, мащабиращи за партиди от 10 000 L, и отговорът рядко е еднозначно число. Капацитетът тук не се отнася само до това колко обем може да побере една касета – става дума за издръжливост на производителност, скорост на филтриране и съвпадение на правилната касета с вашите специфични нужди на процеса.

Нека започнем, като разбием какво всъщност означава „капацитет“ в контекста на мембранните касети, защото е лесно да се свърже обемът на съхранение с работния капацитет. Вътрешният обем на касетата е пространството между нейните филтърни слоеве и корпуса, но това не е това, което движи нейната практическа употреба. Реалният капацитет се свежда до два основни показателя: поток на пермеат (колко филтрат преминава през мембраната на единица площ за единица време) и обща производителност (колко обем може да обработи, преди да се наложи да бъде почистен или сменен). И двете числа зависят в голяма степен от границата на молекулното тегло на мембраната (MWCO), материала и конфигурацията, както и от вашите условия на процес като налягане, температура и вискозитет на захранващия разтвор.

Вземете например касети за ултрафилтрация (UF) — един от най-често срещаните видове, които доставяме. Техният MWCO варира от 1 kDa до 1000 kDa, като всеки диапазон е съобразен с конкретни задачи. За лабораторна работа в малък мащаб, нашите 30 kd ултрафилтрационни касети са подходящо средство за концентриране на антитела или отделяне на протеини от по-малки соли. Когато чуя от клиент, който е нов в използването на тези, те често питат: „Може ли това да обработи 10L проба?“ Отговорът зависи не само от размера на касетата. Една UF касета от 30 kDa с мембранна площ от 0,1 m² може да достави поток от 40–60 L/m²/час за разреден протеинов разтвор, така че за 10 часа може да обработи общо 40–60 L — ако останете в границите на налягането и избегнете замърсяването на мембраната. Но ако работите с по-вискозен фураж, като супернатант от клетъчна култура с високо съдържание на серумни протеини, този поток може да спадне с 30–50%, намалявайки пропорционално производителността. Това е мястото, където съвпадението на касетата с вашия процес е от значение; на500KD ултрафилтрационни касети, например, имат по-голям размер на порите, за да се справят с по-големи частици, така че поддържат по-висок поток, когато работят с клетъчни остатъци или сурови ферментационни бульони, което прави общия им работен капацитет по-висок за тези видове фуражи.

Касетите за микрофилтрация (MF) следват подобна логика, въпреки че техният капацитет е фокусиран върху отделянето на по-големи частици - клетки, бактерии или замърсители с микроразмер - вместо разтворени молекули. НашитеМикрофилтрационни касети TFFса предназначени за филтриране на тангенциален поток (TFF), което е най-разпространеният метод за филтриране, базирано на касета, тъй като намалява замърсяването чрез измитане на остатъците от повърхността на мембраната. Касетите TFF MF се предлагат в мащаби, вариращи от настолни лабораторни настройки до пълни производствени линии, а капацитетът им се мащабира директно с площта на мембраната. Касета TFF MF в лабораторен мащаб с площ от 0,01 m² може да обработва 1–5 L клетъчна суспензия на час, докато касета с производствен мащаб с 10 m² мембрана може да обработва 500–2000 L на час. За изследователи, работещи в лабораторен мащаб, нашиятКасети за микрофилтрация Scales Labса оптимизирани за малки обеми, с точни скорости на потока, които ги правят лесни за мащабиране, след като параметрите на процеса са финализирани - няма нужда да преработвате цялата настройка, когато преминавате от партиди от 100 mL към 10 L.

Друг ключов фактор за капацитета на касетите е тяхната конфигурация на дизайна, която е свързана с начина, по който се използват. TFF касетите, независимо дали са UF или MF, имат плоска мембрана, поставена между твърди пластмасови рамки, с канали за поток, които насочват захранващия разтвор успоредно на мембраната. Тази настройка не само намалява замърсяването, но също така позволява постоянен поток по цялата повърхност на мембраната, което означава, че можете да предвидите капацитета по-надеждно, отколкото с филтриращи касети в задънена улица. НашитеTFF ултрафилтрационни касети, например, са изградени с дистанционни канали с различна височина - по-тесни канали за вискозно захранване, по-широки канали за по-високи скорости на потока - за да се увеличи максимално както потокът, така и общата производителност. За процес на концентрация на моноклонално антитяло (mAb), TFF UF касетата може да има работен капацитет от 50–200 L/m², в зависимост от MWCO, като версията от 30 kDa осигурява най-голямото възстановяване за повечето mAb, тъй като задържа антитялото, като същевременно позволява преминаването на по-малки примеси.

Но капацитетът не е само обем - той е и дълготрайност. Една касета може да обработи 100 L на ден, но ако се замърси след 20 L, това е пропилян ден и допълнителни разходи за почистване или подмяна. Това е мястото, където мембранният материал играе решаваща роля и това е нещо, на което винаги наблягам пред новите клиенти. Мембраните от полиетерсулфон (PES) например имат висока химическа устойчивост и слабо свързване с протеини, така че могат да се почистват със сурови CIP (почистване на място) разтвори като 0,5 M NaOH многократно, преди да се наложи да бъдат заменени. TFF UF касета, базирана на PES, може да постигне 5–10 цикъла на обработка, което ефективно умножава нейния капацитет във времето – превръщайки пропускателната способност от 100 L/ден на една касета в 500–1000 L през целия живот. От друга страна, някои базирани на целулоза MF касети са по-добри за еднократна употреба в чувствителни лабораторни приложения, но тяхната по-ниска химическа устойчивост означава, че не могат да бъдат почистени, така че общата им производителност на касета е по-ниска, въпреки че предлагат предимството, че няма кръстосано замърсяване между сериите.

Наскоро работих с екип в малък биотехнологичен стартъп, който се бореше да постигне целите си за капацитет за стъпка за пречистване на ваксина. Те използваха обща UF касета със 100 kDa MWCO и получаваха само 20 L обработен обем на касета преди замърсяване, което забави серийното им производство до пълзене. След тестване на нашите500KD ултрафилтрационни касети, предназначени да отделят вирусни частици от по-малки компоненти на носителя, те отбелязаха 40% увеличение на потока и обща производителност от 35 L на касета. Коригирахме леко техния дебит и настройки за налягане и те успяха да удължат живота на касетата до 3 цикъла, като повишиха общия си седмичен капацитет от 120 L до над 300 L—достатъчно, за да спазят крайните срокове за предстоящите си клинични изпитвания. Това е нещото за капацитета на касетата: това не е статично число, посочено в лист със спецификации; това е променлива, която може да бъде оптимизирана с правилните корекции на продукта и процеса.

За да представим някои конкретни цифри за това, ето кратка разбивка на типичния работен капацитет за нашите основни касетъчни линии, въз основа на стандартни условия на процеса (25°C, 15–20 psi за UF, 10–15 psi за MF):

• Касети за микрофилтрация Scales Lab: 0,005–0,02 m² площ на мембраната, обработка на 0,5–5 L на партида, идеални за R&D и подготовка на проби в малък мащаб.
• 30kd Ултрафилтрационни касети: Предлагат се в мембранни зони от 0,1–1 m², производителност от 40–80 L на m² на час за разредени протеинови разтвори, общ работен капацитет на касета от 50–200 L преди почистване.
• 500KD ултрафилтрационни касети: 0,05–0,5 m² мембранни зони, по-висок поток за сурови храни (60–100 L/m²/час), обща производителност от 100–250 L на касета.
• Микрофилтрационни касети TFF: 0,5–5 m² мембранни зони, обработка на 50–500 L на час за клетъчни суспензии, с дълъг живот за многократна употреба.
• TFF ултрафилтрационни касети: 0,5–10 m² мембранни площи, мащабируеми от лаборатория до производство, обща производителност от 200–1000 L на касета, в зависимост от вискозитета на захранването.

Важно е да се отбележи, че това са базови числа и всеки процес ще има корекции. Например, ако работите с фураж с високо съдържание на твърди вещества като суроватъчен протеин при преработката на храни, потокът може да спадне с до 60% поради замърсяване, така че ще ви трябва по-голяма площ на мембраната, за да поддържате същия капацитет. Ето защо моят екип винаги предлага безплатни консултации за процеса на клиентите, като им помага да изчислят точния капацитет, от който се нуждаят, въз основа на техния специфичен фураж, желана чистота и размер на партидата – без да се изискват предположения.

Друг често срещан въпрос, който получавам, е „Мога ли да комбинирам касети, за да увелича капацитета?“ Краткият отговор е да, но трябва да се направи правилно. Паралелната конфигурация, при която множество касети се захранват с един и същи поток, увеличава общата площ на мембраната и по този начин общата пропускателна способност, докато серийната конфигурация се използва за последователни стъпки на филтриране (избистряне, концентрация, полиране) за увеличаване на чистотата. Но ако пускате касети паралелно, без да отчитате разпределението на потока, може да се окаже, че някои касети работят по-усилено от други, което води до неравномерно замърсяване и по-нисък общ капацитет. Нашите TFF касети са проектирани с канали за еднакъв поток, които правят паралелната настройка лесна, така че дори клиенти, които са нови в мащабирането, могат да получат постоянна производителност в множество устройства.

В крайна сметка капацитетът на мембранните касети е свързан с намирането на подходящия инструмент за вашата работа. Лабораторен изследовател, който работи върху нов кандидат за лекарство, не се нуждае от същия капацитет на касетата като производствено предприятие, произвеждащо търговска терапия, а кухненски процесор, отделящ мазнини от мляко, има различни нужди от пречиствателна станция за вода, премахваща микропластмаса. Като доставчик, нашата цел не е просто да ви продадем касета – тя е да ви помогнем да разберете какъв капацитет всъщност ви е необходим и да предоставим продуктите и поддръжката, за да стигнете до там. Ако търсите да оптимизирате своя процес на филтриране, да разширите операциите си или просто искате да попитате повече за капацитета на конкретни мембранни касети, нашият екип е тук, за да обсъди вашите изисквания и да намери правилното решение за вас.

Референции

1. Мълдър, М. (1996). Основни принципи на мембранната технология. Kluwer Academic Publishers.
2. Zeman, LJ, & Zydney, AL (1996). Микрофилтрация и ултрафилтрация: Принципи и приложения. Marcel Dekker, Inc.
3. Field, RW, Wu, D., Howell, JA, & Gupta, BB (1995). Моделиране на замърсяването на кръстосани мембранни филтри. Journal of Membrane Science, 100 (1), 259–275.