Какво е влиянието на концентрацията на фуражния материал върху ултрафилтрационните касети?

Когато за първи път започнах да работя с касети за ултрафилтрация (UF) в ранните си дни като доставчик на филтри, ще призная, че не съм мислил много за концентрацията на фураж, освен да проверя дали разтворът, който обработвах, е „достатъчно дебел“. Това се промени бързо – когато биотехнологичен клиент удари стената със своята стъпка на концентрация на антитела, обвинявайки честото запушване и странните непоследователни скорости на потока. Оказа се, че те натискат много повече, отколкото тяхната UF касета може да поеме, и това им коства дни престой и партида скъп продукт. Ако работите с UF касети, това не е просто малък детайл – това е един от най-големите лостове, които правят или прекъсват вашия процес, от добива до времето за работа. Нека да разберем как концентрацията на фуража влияе върху всяка част от UF и какво научих през годините, за да поддържам нещата гладки.

Първо, нека обосновем това с това, което всъщност правят UF касетите, само за да сме сигурни, че сме на една и съща страница. Ако сте нов в играта, UF касетата е самостоятелна единица с плоски мембрани (вижте нашатаКасета с плосък листстраница за пълната разбивка), който разделя молекулите по размер – малките неща преминават през мембраната, докато по-големите се „задържат“ и се концентрират от страната на захранването. Какво ги прави толкова популярни в биофармацията, храните и напитките и отпадните води? Те са компактни, за многократна употреба (понякога, ако се почистват правилно) и много по-последователни от по-старите, ръчно изрязани мембранни настройки. TheКасети Ултрафилтрациялинията, която предлагаме, е създадена за мащабируеми серии, от малки лабораторни партиди до цялостно производство, поради което сме работили с клиенти, вариращи от стартиращи биотехнологии до глобални хранителни марки.

Концентрацията на захранване, за тези, които не са се задълбочили в терминологията, е основно количеството целево (или нежелано) разтворено вещество в разтвора, който изпомпвате в касетата. Например, ако концентрирате моноклонални антитела (mAbs) от бульон от клетъчна култура, концентрацията на храна тук е колко грама mAb са на литър от този бульон. Това също не е само целта – имате смесени и примеси като клетъчни остатъци, компоненти на медията и остатъци от буферни соли. Сладкото място за концентрация на храна е различно в зависимост от границата на молекулното тегло на вашата мембрана (MWCO), нали? 30KD UF касета работи чудесно за малки протеини, докато 500KD е за по-големи молекули като вирусни вектори. Виждал съм клиенти да грабват първата касета, която погледнат, независимо от концентрацията на храната им, и оттам започват грешките.

Нека започнем с най-непосредственото въздействие: скоростта на потока. Потокът е обемът на разтвора, който преминава през мембраната на единица площ на час - това е гръбнакът на производителността на UF. Когато концентрацията ви на захранване е твърде висока, потокът спада бързо, а не по линеен начин. Ето защо: докато обработвате разтвора, задържаните разтворени вещества се натрупват близо до повърхността на мембраната, образувайки това, което се нарича „концентрационен поляризационен слой“. Този слой действа като допълнителна бариера, така че водата и малките разтворени вещества трябва да работят по-усилено, за да преминат. Ако концентрацията на захранване е много висока в началото, този поляризационен слой става дебел бързо и скоро едва прокарвате пермеат през него. Миналата година имах клиент, използващ 30KD ултрафилтрационна касета върху плътен супернатант на клетъчна култура – ​​те се хранеха с 25 g/L протеин, когато нашата препоръка беше 10–15 g/L. Техният поток спадна от 60 L/m²/hr до 12 L/m²/hr за 2 часа и те трябваше да спрат, за да почистят касетата преждевременно, губейки 12 часа време за работа. Дори по-лошо, поляризацията с висока концентрация доведе до засядане на някои протеини в този слой, така че добивът им беше с 18% по-нисък от очаквания.

Но това не е само поток - концентрацията на захранване също е пряко свързана със замърсяването на мембраната, което е големият буги на UF. Замърсяването е, когато разтворени вещества, отломки или агрегати се залепват трайно към повърхността на мембраната или стените на порите и е много по-лошо при свръхконцентрирани храни. Когато разтворените вещества са натъпкани заедно във фуража, е по-вероятно те да се сблъскат с мембраната и да попаднат в капан. Почистих стотици UF касети през годините и в 80% от случаите силните замърсявания се връщат към концентрация на захранване, която е 2–3 пъти по-висока от препоръчителния диапазон. Например, хранителен клиент, обработващ плодов сок, искаше да концентрира до 30° Brix с едно преминаване, вместо 15° Brix (което е най-доброто място за тяхната 10KD касета). Пектинът и захарта в сока започнаха да се натрупват върху мембраната в рамките на 30 минути и до края на цикъла порите на мембраната бяха частично блокирани, така че те получиха само една четвърт от концентрацията, която очакваха, и трябваше да сменят касетата след три цикъла вместо 10. Това доведе до много по-високи разходи на литър, отколкото ако бяха разделили концентрацията на две преминавания с по-ниска концентрация на захранване всеки път.

Добивът е друга област, в която концентрацията на фуража удря силно, особено в биофармацевтичния сектор, където всеки грам продукт има значение. Когато фуражът ви е твърде концентриран, не само получавате повече замърсяване, но и започвате да виждате загуба на продукт по два начина. Първо, поляризационният слой на концентрацията може да улови целевите молекули и ако стане твърде дебел, тези молекули могат да бъдат отнесени с ретентата, когато източите касетата, вместо да бъдат концентрирани. Второ, някои целеви молекули (като протеини) могат да започнат да се агрегират при високи концентрации и тези агрегати често са достатъчно малки, за да се промъкнат през мембраната или да се забият в пермеата, така че ги губите. Клиент за вирусни вектори, с когото работих миналата година, използваше нашата 500KD ултрафилтрационна касета за концентриране на AAV вектори – те увеличиха концентрацията на захранване до 1e13 векторни генома на ml, което е много над нашата препоръка за 2e12. Техният добив беше само 45%, срещу 82%, които получиха, когато намалиха концентрацията на фуража до правилния диапазон. Когато тествахме ретентата, открихме, че 30% от техния целеви вектор е заседнал в концентрационния поляризационен слой, а други 15% са агрегирани и изгубени. Това е вид попадение, което може да направи цяла партида безполезна, особено когато имате работа с GMP-съвместими процеси, при които не можете просто да направите повече продукт по прищявка.

Изчакайте, но преди да си помислите, че „по-ниската концентрация на храна винаги е по-добра“ – това също не е вярно. Ако фуражът ви е твърде разреден, губите време и капацитет на касетата. UF е най-ефективен, когато концентрирате разтвора до разумно ниво, но ако започнете с твърде рядък фураж, премествате много повече обем, отколкото е необходимо, което увеличава разходите за енергия за изпомпване и отнема повече време, за да достигнете до целевата си концентрация. Например, лабораторен клиент, който концентрира малка протеинова проба, използва 10KD касета с концентрация на захранване от 0,1 mg/mL – те се опитваха да достигнат до 10 mg/mL, така че обработваха 100 mL разтвор, за да получат 10 mL ретентат. Отне им 8 часа, срещу 2 часа, когато концентрираха храната първо чрез центрофугиране до 0,5 mg/mL, така че те обработиха само 20 mL. Това е огромна разлика в труда и времето, особено ако работите с няколко партиди на ден. Ключът е да достигнете този среден диапазон - това, което аз наричам "прозорец на концентрация" за вашата конкретна касета и приложение.

И така, как да разберете този прозорец на концентрация? Не е универсално за всички, но има няколко основни правила, които споделяме с всички наши клиенти. Първо проверете MWCO на вашата касета: касета с по-висока MWCO (като 500KD) обикновено може да се справи с по-висока концентрация на захранване от тази с по-ниска MWCO (като 30KD), тъй като порите са по-големи, така че поляризацията не е проблем. НашитеСерия Касети-TFF-филтрацияима специфични диапазони на концентрация за всяка касета, но като общо правило, никога не надвишавайте 10–15% общо твърди вещества за повечето протеинови приложения и 5–10% за малки молекули. Второ, тествайте фуража си за примеси: ако фуражът ви има много остатъци или агрегати, имате нужда от по-ниска концентрация на фуража, за да избегнете замърсяване, без значение каква е вашата целева молекула. Трето, първо изпълнете тестове в малък мащаб – не се впускайте просто в пълно производство. Пробно пускане на 100 ml или 1 L ще ви каже точно какъв поток получавате, колко бързо настъпва замърсяване и какъв добив можете да очаквате, така че да не губите ценен продукт.

Друго нещо, което забелязах през годините, е, че концентрацията на фуража взаимодейства с други параметри на процеса, като скорост на кръстосания поток и трансмембранно налягане (TMP). Не е като регулиране на концентрацията във вакуум - ако имате висока концентрация на захранване, можете да компенсирате малко чрез увеличаване на скоростта на напречен поток, което измива поляризационния слой от повърхността на мембраната и увеличаване на TMP (но не твърде много, защото TMP може да причини уплътняване на поляризационния слой). Но това е балансиращ акт: по-високият напречен поток означава повече енергия, а по-високият TMP може да доведе до увреждане на мембраната, ако не сте внимателни. Ние винаги съветваме клиентите да провеждат тестове с пълни параметри, които включват концентрация на фуража, тъй като промяната на едно може да откаже другите. Например, един клиент веднъж се опита да поправи спада на потока от висока концентрация на захранване чрез задействане на TMP и в крайна сметка уплътни мембраната, така че следващите им серии имаха още по-нисък поток. Ето защо в нашата компания ние не просто продаваме касети – ние помагаме на нашите клиенти да се справят с тези пречупвания в процеса, защото сме виждали почти всяка грешка, която можете да направите с концентрацията на фуража.

Нека поговорим и за дългосрочните ефекти, тъй като концентрацията на фуража не влияе само на еднократно пускане – тя влияе върху продължителността на живота на касетата. Ако работите със свръхконцентрирани храни, вие създавате много повече замърсявания, което означава, че трябва да почиствате касетата по-често и с по-агресивни почистващи агенти (като по-високо рН или температура), за да се отървете от натрупването. С течение на времето, това агресивно почистване разгражда мембраната, така че касетата има по-малко пъти в нея, преди да се наложи да бъде сменена. Имах клиент, който работеше с нашата касета с плосък лист и до 5-то пускане трябваше да я сменят поради силно замърсяване, докато друг клиент, пускащ същата касета при правилната концентрация на захранване, получаваше 15+ пускания. Това е огромна разлика в цената, когато минавате през касети всяка седмица спрямо всеки месец.

Сега нека станем практични – какво всъщност трябва да направите, ако концентрацията ви на храна е намалена? Първо, измерете го правилно. Много клиенти избират „визуална дебелина“ на разтвора, което е супер неточно. Използвайте Brix метър за хранителни продукти или абсорбция (като A280 за протеини), за да получите точна концентрация. След това коригирайте захранването си, като го разредите (ако е твърде високо) или го концентрирате допълнително с по-малка стъпка на предварителна обработка (като филтриране на тангенциален поток с различна касета или центрофугиране), ако е твърде ниско. Ако имате работа с единствен по рода си фураж, като персонализиран биологичен продукт, свържете се с нашия екип – имаме специалисти по приложенията, които могат да ви помогнат да проектирате процес, съобразен с вашата концентрация на фураж, независимо дали това е избор на правилния MWCO (като 30KD срещу 500KD), регулиране на кръстосания поток или намиране на най-доброто време за работа.

Не мога да подчертая достатъчно колко малки промени в концентрацията на храна могат да променят целия ви UF процес. Това не е скучен детайл – това е разликата между изпълнение, което постига всичките ви цели за добив и времева линия, и изпълнение, което ви оставя да отстранявате неизправности с дни, губейки продукт и пари. Ние изградихме нашитеКасети Ултрафилтрациялинията да бъде гъвкава, с опции за различни MWCO (като нашата30kd ултрафилтрационни касетии500KD ултрафилтрационни касети), плоски дизайни на листове и настройки на серия TFF, защото знаем, че всеки клиент е различен. Ако се борите с проблеми с концентрацията на фуража или просто искате да направите своя UF процес по-ефективен, ние сме тук, за да ви помогнем – работили сме с хиляди клиенти, за да настроим правилно техните прозорци за концентрация, и можем да направим същото за вас. Не позволявайте на дребен детайл като концентрацията на фуража да съсипе пусканията ви – свържете се с нашия екип, за да научите повече за оптимизирането на вашия процес днес.

Референции

1. Belfort, G., Davis, RH, & Zydney, AL (1994). Поведението на суспензиите и макромолекулните разтвори при микрофилтрация с кръстосан поток. Journal of Membrane Science, 96 (1–2), 1–58.
2. Charcosset, C. (2007). Хидродинамична и концентрационна поляризация при ултрафилтрация: преглед. Обезсоляване, 211 (1–3), 108–122.
3. Zydney, AL (2018). Филтриране на тангенциален поток за биофармацевтична обработка. Текущо становище в химическото инженерство, 20, 109–115.
4. Мълдър, М. (1996). Основни принципи на мембранната технология (2-ро издание). Kluwer Academic Publishers.