Zastosowanie filtracji z przepływem stycznym (TFF) w dalszym oczyszczaniu szczepionki

Konwencjonalne metody filtracji, takie jak sedymentacja i wirowanie, są w stanie usunąć część zanieczyszczeń z brzeczki fermentacyjnej. Jednakże techniki te często charakteryzują się ograniczoną wydajnością przetwarzania, wysokim ryzykiem zanieczyszczenia i zmniejszoną skalowalnością. Dzięki doskonałej wydajności separacji i niskim zanieczyszczeniom membrany, filtracja z przepływem stycznym (TFF) staje się coraz ważniejszą technologią w przemyśle biofarmaceutycznym.

W przeciwieństwie do filtracji ślepej, TFF umożliwia przepływ płynu procesowego równolegle do powierzchni membrany, skutecznie minimalizując blokowanie porów membrany, zachowując jednocześnie stabilny strumień filtracyjny. Podczas produkcji szczepionek TFF skutecznie usuwa resztki komórek, nierozpuszczalne zanieczyszczenia i pozostałości materiałów pofermentacyjnych z bulionu hodowlanego, znacznie poprawiając w ten sposób czystość produktu i wydajność procesu.

W tym badaniu zbadano zastosowanie filtracji z przepływem stycznym podczas oczyszczania dalszej części szczepionki, ze szczególnym naciskiem na wpływ różnych materiałów membran i rozmiarów porów na wydajność filtracji, zanieczyszczenie membrany i czystość produktu końcowego. Wyniki eksperymentów pokazują, że TFF oferuje znaczące korzyści w oczyszczaniu szczepionek poprzez zwiększenie wydajności filtracji, zmniejszenie zanieczyszczania membran i poprawę jakości produktu. Ponadto optymalizacja wielkości porów membrany i strategii czyszczenia ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia-długoterminowej wydajności operacyjnej.

Projekt eksperymentalny

Doświadczenia filtracyjne przeprowadzono przy użyciu membran polisulfonowych (PSF) i polieterosulfonowych (PES) o rozmiarach porów 0,1 µm, 0,2 µm i 0,5 µm. Jako modelowy roztwór zasilający wybrano standardowy bulion fermentacyjny Escherichia coli.

Warunki pracy zostały utrzymane w następujący sposób:

Szybkość przepływu surowca: 500 mL/min

Ciśnienie transbłonowe (TMP): 0,2 MPa

Czas filtracji: 3 godziny

Podczas filtracji w regularnych odstępach czasu monitorowano szybkość przenikania, natężenie przepływu i zanieczyszczenie membrany. Wydajność membrany została przywrócona dzięki zaplanowanym procedurom czyszczenia.

Próbki permeatu zbierano co 30 minut w celu określenia efektywności przenikania, natomiast zanieczyszczenie membrany oceniano poprzez porównanie wydajności przenikania przed i po czyszczeniu membrany. Znaczące zmniejszenie przenikania wskazywało na poważne zanieczyszczenie membrany.

Co 2 godziny membranę czyszczono roztworem kwasu solnego, a następnie płukano wodą dejonizowaną. Przywrócenie przepuszczalności membrany po czyszczeniu służyło jako główny wskaźnik skuteczności czyszczenia.

Wyniki eksperymentów

Wpływ materiału membrany i wielkości porów

Wyniki eksperymentów wykazały, że zwiększenie rozmiaru porów membrany z 0,1 µm do 0,5 µm znacząco poprawiło wydajność przenikania.

W przypadku membrany PSF współczynnik przenikania wzrósł z 90,5% do 95,0%, czemu towarzyszył wzrost natężenia przepływu filtracyjnego. Jednakże zanieczyszczenie membrany również stało się bardziej wyraźne, wzrastając z 3,2% przy 0,1 μm do 7,8% przy 0,5 μm.

Podobną tendencję zaobserwowano dla membrany PES, gdzie zanieczyszczenie membrany osiągnęło 8,5% przy wielkości porów 0,5 µm.

Odkrycia te wskazują, że chociaż większe pory membrany poprawiają przepływ permeatu i ogólną skuteczność filtracji, przyspieszają również zanieczyszczanie membrany. Dlatego praktyczne operacje TFF wymagają odpowiedniej równowagi pomiędzy wydajnością filtracji a kontrolą zanieczyszczeń.

 

Wpływ wielkości porów membrany na skuteczność filtracji

Wyniki eksperymentów wykazały, że wielkość porów membrany ma znaczący wpływ zarówno na skuteczność przenikania, jak i na zanieczyszczenie membrany.

Chociaż membrany o mniejszym rozmiarze porów (0.1 μm) utrzymywały stosunkowo niski poziom zanieczyszczeń, ich zdolność przenikania była stosunkowo ograniczona. Natomiast membrany o większym rozmiarze porów (0.5 μm) osiągnęły znacznie wyższe współczynniki przenikania, ale wykazywały znacznie większe zanieczyszczenie membrany.

Wraz ze wzrostem wielkości porów z0,1 μm do 0,5 μm, szybkość przenikaniaMembrana PSFwzrosła z90,5% do 95,0%, podczas gdy zMembrana PESwzrósł z87,3% do 94,1%.

Jednakże jednocześnie wzrosło zanieczyszczenie membrany. W przypadku membrany PSF stopień zanieczyszczenia wzrósł z3,2% do 7,8%, podczas gdy membrana PES wykazała wzrost z5,0% do 8,5%.

Materiał membrany	Rozmiar porów/µm	Wydajność filtracji/%	Strumień permeatu/(L/min)	Zanieczyszczenie membrany/%
PSF	0.1	90.5	5.1	3.2
	0.2	93.2	5.6	5.4
	0.5	95	6.2	7.8
PES	0.1	87.3	4.8	5
	0.2	91.4	5.2	6.2
	0.5	94.1	6	8.5

Odkrycia te wskazują, że zwiększenie rozmiaru porów membrany skutecznie zwiększa wydajność filtracji i przepływ permeatu, ale także przyspiesza zanieczyszczanie membrany. Dlatego wybór odpowiedniego rozmiaru porów membrany wymaga zrównoważenia skuteczności filtracji z-długoterminową wydajnością membrany i wymaganiami dotyczącymi czyszczenia.

 

 

Wydajność czyszczenia membrany

Po procedurze czyszczenia membrany wydajność obu materiałów membrany znacznie się poprawiła.

Rozmiar porów/µm	Wydajność filtracji PSF/%	Zanieczyszczenie membrany PSF/%	Przepustowość filtracji PES/%	Zanieczyszczenie membrany PES/%
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

DlaMembrana PSF, odzyskana szybkość przenikania88.2%przed czyszczeniem92.5%po czyszczeniu, natomiast poziom zanieczyszczeń membrany spadł z8.0%Do3.2%.

Podobnie,Membrana PESwykazały zwiększoną przepuszczalność84.1%Do87.3%, przy zmniejszonym zanieczyszczeniu membrany9.5%Do5.0%.

Rozmiar porów/µm	Wydajność czyszczenia przed czyszczeniem/%	Po oczyszczeniu przepustowość/%	Przed czyszczeniem Zanieczyszczenie membrany/%	Po czyszczeniu Zanieczyszczenie membrany/%
PSF	88.2	92.5	8	3.2
PES	84.1	87.3	9.5	5

Wyniki te pokazują, że okresowe czyszczenie membrany może skutecznie przywrócić przepuszczalność membrany, jednocześnie znacznie zmniejszając zanieczyszczenie. Po czyszczeniu wydajność filtracji membranowej powróciła do niemal początkowego poziomu operacyjnego.

Badanie potwierdza również doskonałą możliwość ponownego użycia membran TFF, umożliwiając producentom zmniejszenie częstotliwości wymiany membran, obniżenie kosztów operacyjnych i poprawę ogólnej ekonomiki procesu.

 

 

Dyskusja

Filtracja z przepływem stycznym generuje pole przepływu-o wysokim ścinaniu, umożliwiając przepływ roztworu nadawczego równolegle do powierzchni membrany. Ten mechanizm przepływu krzyżowego skutecznie minimalizuje osadzanie się cząstek i blokowanie porów membrany, przezwyciężając szybki spadek strumienia powszechnie obserwowany w konwencjonalnej-filtracji zaułkowej.

W rezultacie TFF utrzymuje stabilną wydajność filtracji przez dłuższe okresy pracy, jednocześnie wydłużając żywotność membrany. Technologia ta jest szczególnie korzystna w przypadku przetwarzania zawiesin-komórkowych-o dużej gęstości i biologicznych bulionów fermentacyjnych.

Wybór materiału membrany odgrywa kluczową rolę w ogólnej wydajności systemu.

Powszechnie stosowane materiały membranowe obejmują:

• Polisulfon (PSF)– zapewnia doskonałą wytrzymałość mechaniczną i stabilność chemiczną, dzięki czemu doskonale nadaje się do złożonych procesów fermentacji.
• Polieterosulfon (PES)– zapewnia wyższą przepuszczalność, ale jest stosunkowo bardziej podatny na zanieczyszczanie membrany.
• Politetrafluoroetylen (PTFE)– wykazuje wyjątkową odporność chemiczną i korozyjną w wymagających środowiskach przetwarzania.

Typowe rozmiary porów membrany wahają się od0,1 μm do 0,5 μm. Optymalizując zarówno ciśnienie transmembranowe (TMP), jak i prędkość przepływu krzyżowego, systemy TFF mogą jednocześnie maksymalizować odzysk docelowego produktu, zachowując jednocześnie wysoką skuteczność filtracji.

Wyniki eksperymentów wykazały ponadto, że regularne płukanie wsteczne w połączeniu z czyszczeniem chemicznym przywracało ponad90%pierwotnego strumienia membranowego, podkreślając znaczące zalety TFF pod względem skutecznej separacji, niskiego poziomu zanieczyszczeń i możliwości ponownego użycia membrany. Te cechy sprawiają, że TFF jest wysoce niezawodną technologią oczyszczania bulionu fermentacyjnego szczepionkowego.

 

Wniosek

Wyniki eksperymentów pokazują, że rozmiar porów membrany ma bezpośredni wpływ na wydajność przenikania i zanieczyszczenie membrany podczas filtracji z przepływem stycznym.

Membrany o mniejszym rozmiarze porów (0,1 μm) skutecznie zmniejszały zatykanie membran i utrzymywały stabilną wydajność filtracji, chociaż ich współczynniki przenikania były stosunkowo niższe. Z kolei membrany o większym rozmiarze porów (0,5 μm) znacznie poprawiły skuteczność przenikania, ale także spowodowały zwiększone zanieczyszczanie membrany, co uwypukliło-kompromis pomiędzy przepustowością filtracji a żywotnością membrany.

Podczas filtracji ciągłej stopień przenikania stopniowo spadał z 90,5% do 88,7%. Po oczyszczeniu membrany przepuszczalność powróciła do 92,4%, co wskazuje, że połączenie płukania zwrotnego i czyszczenia chemicznego skutecznie usuwa osadzone zanieczyszczenia, przywraca wydajność membrany i wydłuża jej żywotność.

Dalsza analiza sugeruje, że optymalizacja częstotliwości czyszczenia membran i ciśnienia roboczego może znacznie poprawić strumień filtracji przy jednoczesnym zachowaniu jakości produktu. Odpowiednie warunki pracy nie tylko zwiększają skuteczność separacji, ale także zmniejszają zużycie energii i zanieczyszczenie membran.

Ogólnie rzecz biorąc, na wydajność filtracji z przepływem stycznym w zastosowaniach bioprocesowych łącznie wpływają właściwości membran i strategie czyszczenia. Skoordynowana optymalizacja tych dwóch czynników jest niezbędna do poprawy niezawodności systemu, maksymalizacji wydajności procesu i zmniejszenia kosztów produkcji.

Odkrycia te dodatkowo potwierdzają zastosowanie TFF jako wydajnej i skalowalnej technologii dalszego oczyszczania w produkcji szczepionek i innych procesach produkcji biofarmaceutycznej.