Aplicarea filtrării cu flux tangenţial (TFF) în purificarea în aval a vaccinurilor

Metodele convenționale de filtrare, cum ar fi sedimentarea și centrifugarea, sunt capabile să îndepărteze o parte a impurităților din bulionul de fermentație. Cu toate acestea, aceste tehnici suferă adesea de eficiență limitată de procesare, risc ridicat de contaminare și scalabilitate redusă. Cu eficiența sa superioară de separare și caracteristicile scăzute de murdărire a membranei, filtrarea cu flux tangențial (TFF) a devenit o tehnologie din ce în ce mai importantă în industria biofarmaceutică.

Spre deosebire de filtrarea-fundă, TFF permite fluidului de proces să curgă paralel cu suprafața membranei, minimizând în mod eficient blocarea porilor membranei, menținând în același timp un flux de filtrare stabil. În fabricarea vaccinurilor, TFF îndepărtează eficient resturile celulare, impuritățile insolubile și materialele de fermentație reziduale din bulionul de cultură, îmbunătățind astfel semnificativ puritatea produsului și randamentul procesului.

Acest studiu investighează aplicarea filtrării cu flux tangențial în timpul purificării în aval a vaccinului, cu accent deosebit pe efectele diferitelor materiale ale membranei și ale dimensiunilor porilor asupra performanței de filtrare, murdăririi membranei și purității produsului final. Rezultatele experimentale demonstrează că TFF oferă avantaje semnificative în purificarea vaccinului prin îmbunătățirea eficienței filtrării, reducerea murdării membranei și îmbunătățirea calității produsului. În plus, optimizarea dimensiunii porilor membranei și a strategiilor de curățare este esențială pentru obținerea performanței operaționale pe termen lung-.

Design experimental

Experimentele de filtrare au fost efectuate folosind membrane de polisulfonă (PSF) și polietersulfonă (PES) cu dimensiuni ale porilor de 0,1 μm, 0,2 μm și 0,5 μm. A fost selectat bulionul de fermentație standard de Escherichia coli ca soluție de alimentare model.

Condițiile de funcționare au fost menținute după cum urmează:

Debit de alimentare: 500 ml/min

Presiune transmembranară (TMP): 0,2 MPa

Timp de filtrare: 3 ore

În timpul filtrării, rata de permeație, debitul și murdărirea membranei au fost monitorizate la intervale regulate. Performanța membranei a fost restabilită prin proceduri de curățare programate.

Probele de permeat au fost colectate la fiecare 30 de minute pentru a determina eficiența de permeare, în timp ce murdărirea membranei a fost evaluată prin compararea performanței de permeare înainte și după curățarea membranei. O reducere semnificativă a permeației a indicat o murdărie severă a membranei.

La fiecare 2 ore, membrana a fost curățată folosind soluție de acid clorhidric urmată de clătire cu apă deionizată. Recuperarea permeabilității membranei după curățare a servit ca indicator principal al eficacității curățării.

Rezultate experimentale

Efectul materialului membranei și dimensiunea porilor

Rezultatele experimentale au demonstrat că creșterea dimensiunii porilor membranei de la 0,1 μm la 0,5 μm a îmbunătățit semnificativ performanța de permeație.

Pentru membrana PSF, rata de penetrare a crescut de la 90,5% la 95,0%, însoțită de o creștere a debitului de filtrare. Cu toate acestea, murdărirea membranei a devenit, de asemenea, mai pronunțată, crescând de la 3,2% la 0,1 μm la 7,8% la 0,5 μm.

O tendință similară a fost observată pentru membrana PES, murdărirea membranei atingând 8,5% când dimensiunea porilor a fost de 0,5 μm.

Aceste descoperiri indică faptul că, deși porii mai mari ai membranei îmbunătățesc fluxul de permeat și eficiența generală a filtrării, ei accelerează și murdărirea membranei. Prin urmare, operațiunile practice TFF necesită un echilibru adecvat între performanța de filtrare și controlul murdăriei.

 

Efectul dimensiunii porilor membranei asupra performanței de filtrare

Rezultatele experimentale au demonstrat că dimensiunea porilor membranei are o influență semnificativă atât asupra eficienței de permeație, cât și asupra murdării membranei.

Deși membrane cu o dimensiune mai mică a porilor (0.1 μm) au menținut niveluri de murdărie relativ scăzute, performanța lor de penetrare a fost relativ limitată. În schimb, membranele cu o dimensiune mai mare a porilor (0.5 μm) a atins rate de permeație substanțial mai mari, dar au prezentat o murdărie a membranei considerabil mai mare.

Pe măsură ce dimensiunea porilor a crescut de la0,1 μm până la 0,5 μm, rata de penetrare aMembrana PSFcrescut de la90,5% până la 95,0%, în timp ce cel alMembrana PESa crescut din87,3% până la 94,1%.

Cu toate acestea, murdărirea membranei a crescut simultan. Pentru membrana PSF, raportul de murdărie a crescut de la3,2% până la 7,8%, în timp ce membrana PES a prezentat o creștere de la5,0% până la 8,5%.

Material membranar	Dimensiunile porilor/μm	Debit de filtrare/%	Flux de permeat/(L/min)	Încrustarea membranei/%
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

Aceste descoperiri indică faptul că mărirea dimensiunii porilor membranei îmbunătățește eficient debitul de filtrare și fluxul de permeat, dar accelerează și murdărirea membranei. Prin urmare, selectarea unei dimensiuni adecvate a porilor membranei necesită echilibrarea eficienței de filtrare cu-performanța membranei pe termen lung și cerințele de curățare.

 

 

Performanța de curățare a membranei

În urma procedurii de curățare a membranei, performanța ambelor materiale membranare a revenit semnificativ.

Dimensiunile porilor/μm	Debit de filtrare PSF/%	PSF Murdări ale membranei/%	Debit de filtrare PES/%	Încrustarea membranei 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

PentruMembrana PSF, rata de permeație recuperată din88.2%înainte de curățare să92.5%după curățare, în timp ce nivelul de murdărire a membranei a scăzut de la8.0%la3.2%.

În mod similar, celMembrana PESa prezentat o creștere a permeației din84.1%la87.3%, cu murdărirea membranei redusă de la9.5%la5.0%.

Dimensiunile porilor/μm	Înainte de curățare debit/%	După curățare debit/%	Înainte de curățare Murdări ale membranei/%	După curățare Murdări ale membranei/%
PSF	88.2	92.5	8	3.2
PES	84.1	87.3	9.5	5

Aceste rezultate demonstrează că curățarea periodică a membranei poate restabili eficient permeabilitatea membranei, reducând în același timp substanțial murdărirea. După curățare, performanța de filtrare cu membrană a revenit la nivelul de funcționare aproape inițial.

Studiul confirmă, de asemenea, reutilizabilitatea excelentă a membranelor TFF, permițând producătorilor să reducă frecvența de înlocuire a membranei, să reducă costurile de operare și să îmbunătățească economia globală a procesului.

 

 

Discuţie

Filtrarea cu flux tangenţial generează un câmp de curgere-de forfecare mare, permiţând soluţiei de alimentare să se deplaseze paralel cu suprafaţa membranei. Acest mecanism de flux încrucișat minimizează în mod eficient depunerea de particule și blocarea porilor membranei, depășind scăderea rapidă a fluxului observată în mod obișnuit în filtrarea convențională-fundă.

Ca rezultat, TFF menține performanța stabilă de filtrare pe perioade lungi de funcționare, prelungind în același timp durata de viață a membranei. Tehnologia este deosebit de avantajoasă pentru procesarea suspensiilor cu densitate mare-celulare- și a bulionurilor de fermentație biologică.

Selectarea materialului membranei joacă un rol crucial în performanța generală a sistemului.

Materialele membranelor utilizate în mod obișnuit includ:

• Polisulfonă (PSF)– oferă rezistență mecanică și stabilitate chimică excelentă, făcându-l foarte potrivit pentru procese complexe de fermentație.
• Polietersulfonă (PES)– oferă o permeabilitate mai mare, dar este relativ mai susceptibilă la murdărirea membranei.
• Politetrafluoretilenă (PTFE)– prezintă o rezistență chimică remarcabilă și la coroziune pentru mediile de procesare solicitante.

Dimensiunile tipice ale porilor membranei variază de la0,1 μm până la 0,5 μm. Prin optimizarea atât a presiunii transmembranare (TMP) cât și a vitezei fluxului transversal, sistemele TFF pot maximiza simultan recuperarea produsului țintă, menținând în același timp o eficiență ridicată de filtrare.

Rezultatele experimentale au demonstrat în continuare că spălarea obișnuită, combinată cu curățarea chimică, a restabilit mai mult decât90%a fluxului membranar original, evidențiind avantajele semnificative ale TFF în ceea ce privește separarea eficientă, murdărirea redusă și reutilizarea membranei. Aceste caracteristici fac din TFF o tehnologie extrem de fiabilă pentru purificarea bulionului de fermentare a vaccinurilor.

 

Concluzie

Rezultatele experimentale demonstrează că dimensiunea porilor membranei are un impact direct asupra performanței de permeație și a murdării membranei în timpul filtrării cu flux tangențial.

Membranele cu o dimensiune mai mică a porilor (0,1 μm) au redus efectiv murdăria membranei și au menținut performanța stabilă de filtrare, deși ratele lor de penetrare au fost relativ mai mici. În schimb, membranele cu pori mai mari (0,5 μm) au îmbunătățit semnificativ eficiența de permeare, dar au dus, de asemenea, la o murdărie crescută a membranei, evidențiind schimbul-entre debitul de filtrare și durata de viață a membranei.

În timpul filtrării continue, rata de penetrare a scăzut treptat de la 90,5% la 88,7%. După curățarea membranei, permeabilitatea a revenit la 92,4%, ceea ce indică faptul că combinația dintre spălarea inversă și curățarea chimică îndepărtează eficient contaminanții depuși, restabilește performanța membranei și prelungește durata de viață a membranei.

O analiză ulterioară sugerează că optimizarea intervalelor de curățare a membranei și a presiunii de funcționare poate îmbunătăți substanțial fluxul de filtrare, menținând în același timp calitatea produsului. Condițiile de operare adecvate nu numai că sporesc eficiența separării, ci și reduc consumul de energie și murdărirea membranei.

În general, performanța filtrării cu flux tangențial în aplicațiile de bioproces este influențată în comun de caracteristicile membranei și strategiile de curățare. Optimizarea coordonată a acestor doi factori este esențială pentru îmbunătățirea fiabilității sistemului, maximizarea eficienței procesului și reducerea costurilor de producție.

Aceste constatări susțin în continuare aplicarea TFF ca tehnologie eficientă și scalabilă de purificare în aval pentru fabricarea vaccinurilor și alte procese de producție biofarmaceutică.