Приложение на филтриране на тангенциален поток (TFF) при пречистване на ваксини надолу по веригата

Конвенционалните методи за филтриране, като утаяване и центрофугиране, са в състояние да отстранят част от примесите от ферментационния бульон. Въпреки това, тези техники често страдат от ограничена ефективност на обработката, висок риск от замърсяване и намалена мащабируемост. Със своята превъзходна ефективност на разделяне и ниски характеристики на замърсяване на мембраната, филтрирането на тангенциалния поток (TFF) се превърна във все по-важна технология в биофармацевтичната индустрия.

За разлика от-филтрирането в задънена улица, TFF позволява на технологичния флуид да тече успоредно на повърхността на мембраната, като ефективно минимизира запушването на порите на мембраната, като същевременно поддържа стабилен филтрационен поток. При производството на ваксини TFF ефективно отстранява клетъчни остатъци, неразтворими примеси и остатъчни ферментационни материали от културалния бульон, като по този начин значително подобрява чистотата на продукта и добива на процеса.

Това проучване изследва приложението на филтриране на тангенциален поток по време на пречистването на ваксината надолу по веригата, с особен акцент върху ефектите на различните мембранни материали и размерите на порите върху ефективността на филтриране, замърсяването на мембраната и чистотата на крайния продукт. Експерименталните резултати показват, че TFF предлага значителни предимства при пречистването на ваксината чрез повишаване на ефективността на филтриране, намаляване на замърсяването на мембраната и подобряване на качеството на продукта. Освен това, оптимизирането на размера на мембранните пори и стратегиите за почистване е от решаващо значение за постигане на дългосрочна-оперативна производителност.

Експериментален дизайн

Експериментите с филтриране бяха проведени с помощта на мембрани от полисулфон (PSF) и полиетерсулфон (PES) с размер на порите от 0,1 μm, 0,2 μm и 0,5 μm. Стандартен бульон за ферментация на Escherichia coli беше избран като моделен хранителен разтвор.

Работните условия бяха поддържани, както следва:

Скорост на захранващия поток: 500 mL/min

Трансмембранно налягане (TMP): 0,2 MPa

Време за филтриране: 3 часа

По време на филтрирането скоростта на проникване, скоростта на потока и замърсяването на мембраната се наблюдават на редовни интервали. Ефективността на мембраната беше възстановена чрез процедури по планирано почистване.

Пробите от пермеат се събират на всеки 30 минути, за да се определи ефективността на проникване, докато замърсяването на мембраната се оценява чрез сравняване на ефективността на проникване преди и след почистване на мембраната. Значително намаляване на проникването показва сериозно замърсяване на мембраната.

На всеки 2 часа мембраната се почиства с разтвор на солна киселина, последвано от изплакване с дейонизирана вода. Възстановяването на пропускливостта на мембраната след почистване служи като основен индикатор за ефективността на почистването.

Експериментални резултати

Влияние на материала на мембраната и размера на порите

Експерименталните резултати показват, че увеличаването на размера на порите на мембраната от 0,1 μm до 0,5 μm значително подобрява ефективността на проникване.

За PSF мембраната скоростта на проникване се увеличи от 90,5% на 95,0%, придружено от увеличаване на скоростта на филтриране на потока. Обаче, замърсяването на мембраната също стана по-изразено, като се увеличи от 3,2% при 0,1 μm до 7,8% при 0,5 μm.

Подобна тенденция се наблюдава за PES мембраната, като замърсяването на мембраната достига 8, 5%, когато размерът на порите е 0, 5 μm.

Тези констатации показват, че въпреки че по-големите пори на мембраната подобряват потока на пермеата и общата ефективност на филтриране, те също така ускоряват замърсяването на мембраната. Следователно практическите операции на TFF изискват подходящ баланс между ефективността на филтриране и контрола на замърсяването.

 

Ефект на размера на порите на мембраната върху ефективността на филтриране

Експерименталните резултати показват, че размерът на порите на мембраната има значително влияние както върху ефективността на проникване, така и върху замърсяването на мембраната.

Въпреки че мембраните с по-малък размер на порите (0.1 μm) поддържат сравнително ниски нива на замърсяване, тяхната производителност на проникване е сравнително ограничена. За разлика от тях, мембрани с по-голям размер на порите (0.5 μm) постигнаха значително по-високи скорости на проникване, но показаха значително по-голямо замърсяване на мембраната.

Тъй като размерът на порите се увеличи от0,1 μm до 0,5 μm, скоростта на проникване наPSF мембранаувеличен от90,5% до 95,0%, докато тази наPES мембранастана от87,3% до 94,1%.

Въпреки това, замърсяването на мембраната се увеличи едновременно. За PSF мембраната коефициентът на замърсяване се е увеличил от3,2% до 7,8%, докато PES мембраната показва увеличение от5,0% до 8,5%.

Мембранен материал	Размер на порите/μm	Дебит на филтриране/%	Поток на пермеат/(L/min)	Замърсяване на мембраната/%
PSF	0.1	90.5	5.1	3.2
	0.2	93.2	5.6	5.4
	0.5	95	6.2	7.8
ПЕС	0.1	87.3	4.8	5
	0.2	91.4	5.2	6.2
	0.5	94.1	6	8.5

Тези констатации показват, че увеличаването на размера на порите на мембраната ефективно подобрява пропускателната способност на филтрацията и потока на пермеата, но също така ускорява замърсяването на мембраната. Следователно изборът на подходящ размер на порите на мембраната изисква балансиране на ефективността на филтриране спрямо дългосрочните изисквания за ефективност и почистване на мембраната.

 

 

Ефективност на почистване на мембраната

След процедурата за почистване на мембраната, работата на двата мембранни материала се възстанови значително.

Размер на порите/μm	PSF пропускателна способност на филтриране/%	PSF мембранно замърсяване/%	PES Дебит на филтриране/%	PES мембранно замърсяване/%
0.1	90.5	3.2	87.3	5
0.2	93.2	5.4	91.4	6.2
0.5	95	7.8	94.1	8.5

ЗаPSF мембрана, скоростта на проникване, възстановена от88.2%преди почистване да92.5%след почистване, докато нивото на замърсяване на мембраната намаля от8.0%към3.2%.

По същия начин,PES мембранапоказва увеличение на проникването от84.1%към87.3%, с намалено замърсяване на мембраната от9.5%към5.0%.

Размер на порите/μm	Дебит преди почистване/%	След почистване производителност/%	Преди почистване Замърсяване на мембраната/%	След почистване Замърсяване на мембраната/%
PSF	88.2	92.5	8	3.2
ПЕС	84.1	87.3	9.5	5

Тези резултати показват, че периодичното почистване на мембраната може ефективно да възстанови пропускливостта на мембраната, като същевременно значително намали замърсяването. След почистване ефективността на мембранната филтрация се върна почти до първоначалното си работно ниво.

Проучването също така потвърждава отличната повторна употреба на TFF мембраните, което позволява на производителите да намалят честотата на смяна на мембраните, да намалят оперативните разходи и да подобрят цялостната икономика на процеса.

 

 

Дискусия

Тангенциалното филтриране на потока генерира високо-поле на потока на срязване, като позволява на захранващия разтвор да се движи успоредно на повърхността на мембраната. Този механизъм на кръстосано протичане ефективно минимизира отлагането на частици и запушването на порите на мембраната, преодолявайки бързия спад на потока, който обикновено се наблюдава при конвенционалната филтрация в задънена улица.

В резултат на това TFF поддържа стабилна ефективност на филтриране за продължителни периоди на работа, като същевременно удължава живота на мембраната. Технологията е особено благоприятна за обработка на суспензии с висока-клетъчна-плътност и бульони за биологична ферментация.

Изборът на мембранен материал играе решаваща роля за цялостната работа на системата.

Често използваните мембранни материали включват:

• Полисулфон (PSF)– предлага отлична механична якост и химическа стабилност, което го прави изключително подходящ за сложни ферментационни процеси.
• Полиетерсулфон (PES)– осигурява по-висока пропускливост, но е относително по-податлив на замърсяване на мембраната.
• Политетрафлуоретилен (PTFE)– проявява изключителна устойчивост на химикали и корозия за взискателни работни среди.

Типичните размери на порите на мембраната варират от0,1 μm до 0,5 μm. Чрез оптимизиране както на трансмембранното налягане (TMP), така и на скоростта на кръстосания поток, TFF системите могат едновременно да увеличат максимално възстановяването на целевия продукт, като същевременно поддържат висока ефективност на филтриране.

Експерименталните резултати допълнително показаха, че редовното обратно промиване, комбинирано с химическо почистване, възстановява повече от90%на оригиналния мембранен поток, подчертавайки значителните предимства на TFF по отношение на ефективно разделяне, ниско замърсяване и повторно използване на мембраната. Тези характеристики правят TFF изключително надеждна технология за пречистване на бульон от ферментация на ваксина.

 

Заключение

Експерименталните резултати показват, че размерът на порите на мембраната има пряко въздействие върху характеристиките на проникване и замърсяването на мембраната по време на филтриране на тангенциален поток.

Мембраните с по-малък размер на порите (0,1 μm) ефективно намаляват замърсяването на мембраната и поддържат стабилна ефективност на филтриране, въпреки че техните скорости на проникване са относително по-ниски. Обратно, мембраните с по-голям размер на порите (0,5 μm) значително подобриха ефективността на проникване, но също така доведоха до повишено замърсяване на мембраната, подчертавайки компромиса-между производителността на филтриране и продължителността на живота на мембраната.

По време на непрекъсната филтрация степента на проникване постепенно намалява от 90,5% до 88,7%. След почистване на мембраната, пропускливостта се възстановява до 92,4%, което показва, че комбинацията от обратно промиване и химическо почистване ефективно премахва отложените замърсители, възстановява ефективността на мембраната и удължава експлоатационния живот на мембраната.

По-нататъшният анализ предполага, че оптимизирането на интервалите за почистване на мембраната и работното налягане може значително да подобри филтриращия поток, като същевременно поддържа качеството на продукта. Подходящите работни условия не само повишават ефективността на разделяне, но също така намаляват консумацията на енергия и замърсяването на мембраната.

Като цяло, ефективността на филтрирането на тангенциален поток в приложенията на биопроцесите се влияе съвместно от характеристиките на мембраната и стратегиите за почистване. Координираното оптимизиране на тези два фактора е от съществено значение за подобряване на надеждността на системата, максимизиране на ефективността на процеса и намаляване на производствените разходи.

Тези открития допълнително подкрепят приложението на TFF като ефективна и мащабируема технология за пречистване надолу по веригата за производство на ваксини и други биофармацевтични производствени процеси.