Примена филтрације тангенцијалног протока (ТФФ) у пречишћавању вакцине на нижем току

Конвенционалне методе филтрације, као што су седиментација и центрифугирање, могу да уклоне део нечистоћа из ферментационог бујона. Међутим, ове технике често пате од ограничене ефикасности обраде, високог ризика од контаминације и смањене скалабилности. Са својом супериорном ефикасношћу одвајања и ниским карактеристикама запрљања мембране, тангенцијална филтрација протока (ТФФ) постаје све важнија технологија у биофармацеутској индустрији.

За разлику од{0}}филтрације у мртвом крају, ТФФ омогућава процесној течности да тече паралелно са површином мембране, ефикасно минимизирајући блокаду пора мембране уз одржавање стабилног протока филтрације. У производњи вакцине, ТФФ ефикасно уклања ћелијске остатке, нерастворљиве нечистоће и резидуалне ферментационе материјале из бујона културе, чиме значајно побољшава чистоћу производа и принос процеса.

Ова студија истражује примену филтрације тангенцијалног протока током пречишћавања вакцине низводно, са посебним нагласком на ефекте различитих материјала мембране и величине пора на перформансе филтрације, запрљавање мембране и чистоћу финалног производа. Експериментални резултати показују да ТФФ нуди значајне предности у пречишћавању вакцине повећањем ефикасности филтрације, смањењем прљања мембране и побољшањем квалитета производа. Штавише, оптимизација величине пора на мембрани и стратегија чишћења је критична за постизање дугорочних-оперативних перформанси.

Експериментални дизајн

Експерименти филтрације су спроведени коришћењем полисулфонских (ПСФ) и полиетерсулфонских (ПЕС) мембрана са величином пора од 0,1 μм, 0,2 μм и 0,5 μм. Стандардна ферментациона бујон Есцхерицхиа цоли је изабрана као раствор за храњење модела.

Услови рада су одржавани на следећи начин:

Брзина протока: 500 мЛ/мин

Трансмембрански притисак (ТМП): 0,2 МПа

Време филтрирања: 3 сата

Током филтрације, брзина пермеације, проток и запрљаност мембране су праћени у редовним интервалима. Перформансе мембране су обновљене кроз планиране процедуре чишћења.

Узорци пермеата су сакупљани сваких 30 минута да би се утврдила ефикасност пермеације, док је запрљаност мембране процењена упоређивањем перформанси пропусности пре и после чишћења мембране. Значајно смањење пермеације указује на озбиљно запрљање мембране.

Свака 2 сата, мембрана је очишћена раствором хлороводоничне киселине, након чега је уследило испирање дејонизованом водом. Опоравак пермеабилности мембране након чишћења служио је као примарни показатељ ефикасности чишћења.

Експериментални резултати

Утицај материјала мембране и величине пора

Експериментални резултати су показали да повећање величине поре мембране са 0,1 μм на 0,5 μм значајно побољшава перформансе пермеације.

За ПСФ мембрану, брзина пермеације је порасла са 90,5% на 95,0%, праћено повећањем брзине протока филтрације. Међутим, зарастање мембране је такође постало израженије, повећавајући се са 3,2% на 0,1 μм на 7,8% на 0,5 μм.

Сличан тренд је примећен за ПЕС мембрану, при чему је зарастање мембране достигло 8,5% када је величина пора била 0,5 μм.

Ови налази указују да иако веће поре мембране побољшавају проток пермеата и укупну ефикасност филтрације, оне такође убрзавају запрљавање мембране. Стога, практичне ТФФ операције захтевају одговарајућу равнотежу између перформанси филтрације и контроле загађивања.

 

Утицај величине поре мембране на перформансе филтрације

Експериментални резултати су показали да величина пора мембране има значајан утицај како на ефикасност пермеације тако и на онечишћење мембране.

Иако су мембране са мањом величином пора (0.1 μm) одржавале релативно ниске нивое загађивања, њихова пермеација је била релативно ограничена. Насупрот томе, мембране са већом величином пора (0.5 μm) је постигао знатно веће стопе пермеације, али је показао знатно веће запрљање мембране.

Како се величина пора повећавала од0,1 μм до 0,5 μм, брзина продирањаПСФ мембранаповећана од90,5% до 95,0%, док оно одПЕС мембранаружа из87,3% до 94,1%.

Међутим, зарастање мембране се истовремено повећало. За ПСФ мембрану, однос загађивања се повећао од3,2% до 7,8%, док је ПЕС мембрана показала повећање од5,0% до 8,5%.

Материјал мембране	Величине пора/μм	Пропусност филтрирања/%	флукс пермеата/(Л/мин)	Загађивање мембране/%
ПСФ	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

Ови налази указују на то да повећање величине поре на мембрани ефикасно повећава пропусност филтрације и флукс пермеата, али такође убрзава запрљавање мембране. Због тога, избор одговарајуће величине пора мембране захтева балансирање ефикасности филтрације у односу на дугорочне-перформансе мембране и захтеве за чишћењем.

 

 

Перформансе чишћења мембране

Након поступка чишћења мембране, перформансе оба материјала мембране су се значајно опоравиле.

Величине пора/μм	Проток ПСФ филтрације/%	Загађивање ПСФ мембране/%	Проток ПЕС филтрације/%	ПЕС Мембранско загађивање/%
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

ЗаПСФ мембрана, стопа пермеације опорављена од88.2%пре чишћења да92.5%након чишћења, док се ниво запрљаности мембране смањио од8.0%да3.2%.

Слично томе, тхеПЕС мембранаиспољио повећање прожимања од84.1%да87.3%, са смањеним запрљањем мембране од9.5%да5.0%.

Величине пора/μм	Пре чишћења проток/%	Након чишћења проток/%	Пре чишћења Запрљаност мембране/%	После чишћења Запрљаност мембране/%
ПСФ	88.2	92.5	8	3.2
ПЕС	84.1	87.3	9.5	5

Ови резултати показују да периодично чишћење мембране може ефикасно да поврати пропусност мембране уз значајно смањење запрљања. Након чишћења, перформансе мембранске филтрације су се вратиле на скоро почетни радни ниво.

Студија такође потврђује одличну поновну употребу ТФФ мембрана, омогућавајући произвођачима да смање учесталост замене мембране, снизе оперативне трошкове и побољшају укупну економичност процеса.

 

 

Дискусија

Филтрација тангенцијалног протока генерише поље струјања великог{0}}смицања омогућавајући раствору за довод да се креће паралелно са површином мембране. Овај механизам унакрсног тока ефикасно минимизира таложење честица и блокаду поре на мембрани, превазилазећи брзо опадање тока који се обично примећује код конвенционалне-филтрације у мртвом крају.

Као резултат, ТФФ одржава стабилне перформансе филтрације током дужих радних периода, док продужава радни век мембране. Технологија је посебно корисна за обраду суспензија велике -ћелијске-ћелијске густине и бујона од биолошке ферментације.

Одабир материјала за мембрану игра кључну улогу у укупним перформансама система.

Обично коришћени мембрански материјали укључују:

• полисулфон (ПСФ)– нуди одличну механичку чврстоћу и хемијску стабилност, што га чини веома погодним за сложене процесе ферментације.
• полиетерсулфон (ПЕС)– пружа већу пропустљивост, али је релативно подложнији запрљању мембране.
• Политетрафлуороетилен (ПТФЕ)– показује изузетну отпорност на хемикалије и корозију за захтевна окружења обраде.

Типичне величине поре мембране крећу се од0,1 μм до 0,5 μм. Оптимизујући и трансмембрански притисак (ТМП) и брзину унакрсног тока, ТФФ системи могу истовремено да максимизирају опоравак циљаног производа уз одржавање високе ефикасности филтрације.

Експериментални резултати су даље показали да редовно испирање у комбинацији са хемијским чишћењем обнавља више од90%оригиналног мембранског флукса, истичући значајне предности ТФФ-а у смислу ефикасног одвајања, малог прљања и поновне употребе мембране. Ове карактеристике чине ТФФ високо поузданом технологијом за пречишћавање бујона ферментације вакцине.

 

Закључак

Експериментални резултати показују да величина пора мембране има директан утицај на перформансе пермеације и запрљавање мембране током филтрације тангенцијалног протока.

Мембране са мањом величином пора (0,1 μм) ефикасно су смањиле запрљање мембране и одржале стабилне перформансе филтрације, иако су њихове стопе пропусности биле релативно ниже. Насупрот томе, мембране веће величине пора (0,5 μм) значајно су побољшале ефикасност продирања, али су такође резултирале повећаним запрљавањем мембране, наглашавајући компромис између протока филтрације и века трајања мембране.

Током континуиране филтрације, брзина пропусности је постепено опадала са 90,5% на 88,7%. Након чишћења мембране, пермеабилност се опоравила на 92,4%, што указује да комбинација повратног испирања и хемијског чишћења ефикасно уклања депоноване загађиваче, враћа перформансе мембране и продужава радни век мембране.

Даља анализа сугерише да оптимизација интервала чишћења мембране и радног притиска може значајно да побољша проток филтрације уз одржавање квалитета производа. Одговарајући радни услови не само да повећавају ефикасност одвајања већ и смањују потрошњу енергије и запрљавање мембране.

Све у свему, на перформансе филтрације тангенцијалног протока у биопроцесним апликацијама заједнички утичу карактеристике мембране и стратегије чишћења. Координисана оптимизација ова два фактора је од суштинског значаја за побољшање поузданости система, максимизирање ефикасности процеса и смањење трошкова производње.

Ови налази додатно подржавају примену ТФФ-а као ефикасне и скалабилне технологије пречишћавања за производњу вакцина и друге биофармацеутске производне процесе.