Primjena filtracije tangencijalnog protoka (TFF) u prečišćavanju vakcine

Konvencionalne metode filtracije, kao što su sedimentacija i centrifugiranje, mogu ukloniti dio nečistoća iz fermentacijske juhe. Međutim, ove tehnike često pate od ograničene efikasnosti obrade, visokog rizika od kontaminacije i smanjene skalabilnosti. Sa svojom vrhunskom efikasnošću odvajanja i niskim karakteristikama zaprljavanja membrane, tangencijalna filtracija protoka (TFF) postaje sve važnija tehnologija u biofarmaceutskoj industriji.

Za razliku od{0}}filtracije s mrtve strane, TFF omogućava da procesna tekućina teče paralelno s površinom membrane, efektivno minimizirajući blokadu pore membrane uz održavanje stabilnog protoka filtracije. U proizvodnji cjepiva, TFF efikasno uklanja ćelijske ostatke, netopive nečistoće i zaostale fermentacijske materijale iz bujona kulture, čime se značajno poboljšava čistoća proizvoda i prinos procesa.

Ova studija istražuje primjenu filtracije tangencijalnog protoka tokom prečišćavanja vakcine nizvodno, s posebnim naglaskom na efekte različitih materijala membrane i veličina pora na performanse filtracije, zaprljavanje membrane i čistoću finalnog proizvoda. Eksperimentalni rezultati pokazuju da TFF nudi značajne prednosti u prečišćavanju vakcine povećanjem efikasnosti filtracije, smanjenjem onečišćenja membrane i poboljšanjem kvaliteta proizvoda. Nadalje, optimizacija veličine pora membrane i strategija čišćenja je kritična za postizanje dugoročnih-operativnih performansi.

Eksperimentalni dizajn

Eksperimenti filtracije provedeni su korištenjem polisulfonskih (PSF) i polietersulfonskih (PES) membrana s veličinom pora od 0,1 μm, 0,2 μm i 0,5 μm. Standardna fermentaciona bujon Escherichia coli odabrana je kao otopina za hranjenje modela.

Uslovi rada su održavani na sledeći način:

Brzina protoka: 500 mL/min

Transmembranski pritisak (TMP): 0,2 MPa

Vrijeme filtriranja: 3 sata

Tokom filtracije, brzina permeacije, protok i zaprljanost membrane su praćeni u redovnim intervalima. Performanse membrane su obnovljene kroz planirane procedure čišćenja.

Uzorci permeata su prikupljani svakih 30 minuta kako bi se utvrdila efikasnost permeacije, dok je zaprljanost membrane procijenjena poređenjem performansi permeacije prije i nakon čišćenja membrane. Značajno smanjenje permeacije ukazuje na ozbiljno onečišćenje membrane.

Svaka 2 sata, membrana je čišćena rastvorom hlorovodonične kiseline, nakon čega je usledilo ispiranje dejonizovanom vodom. Oporavak propusnosti membrane nakon čišćenja služio je kao primarni pokazatelj efikasnosti čišćenja.

Eksperimentalni rezultati

Utjecaj materijala membrane i veličine pora

Eksperimentalni rezultati su pokazali da povećanje veličine pore membrane sa 0,1 μm na 0,5 μm značajno poboljšava performanse permeacije.

Za PSF membranu, stopa permeacije se povećala sa 90,5% na 95,0%, praćeno povećanjem brzine protoka filtracije. Međutim, obraštanje membrane je također postalo izraženije, povećavajući se sa 3,2% na 0,1 μm na 7,8% na 0,5 μm.

Sličan trend je uočen i za PES membranu, pri čemu je zarastanje membrane dostiglo 8,5% kada je veličina pora bila 0,5 μm.

Ovi nalazi pokazuju da iako veće pore membrane poboljšavaju protok permeata i ukupnu efikasnost filtracije, one također ubrzavaju zaprljavanje membrane. Stoga, praktične TFF operacije zahtijevaju odgovarajuću ravnotežu između performansi filtracije i kontrole onečišćenja.

 

Utjecaj veličine pore membrane na performanse filtracije

Eksperimentalni rezultati su pokazali da veličina pora membrane ima značajan utjecaj kako na efikasnost permeacije tako i na onečišćenje membrane.

Iako su membrane sa manjom veličinom pora (0.1 μm) održavale relativno niske nivoe zagađivanja, njihova permeacija je bila relativno ograničena. Nasuprot tome, membrane sa većom veličinom pora (0.5 μm) je postigao znatno veće stope propusnosti, ali je pokazao znatno veće zaprljanje membrane.

Kako se veličina pora povećavala od0,1 μm do 0,5 μm, brzina propusnostiPSF membranapovećano od90,5% do 95,0%, dok ono odPES membranarose from87,3% do 94,1%.

Međutim, zagađivanje membrane se istovremeno povećalo. Za PSF membranu, omjer onečišćenja se povećao od3,2% do 7,8%, dok je PES membrana pokazala povećanje od5,0% do 8,5%.

Materijal membrane	Veličine pora/μm	Propusnost filtracije/%	fluks permeata/(L/min)	Zagađivanje membrane/%
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

Ovi nalazi ukazuju na to da povećanje veličine pore na membrani efikasno povećava propusnost filtracije i protok permeata, ali i ubrzava zaprljavanje membrane. Stoga, odabir odgovarajuće veličine pora membrane zahtijeva balansiranje efikasnosti filtracije u odnosu na dugotrajne-performanse membrane i zahtjeve za čišćenjem.

 

 

Performanse čišćenja membrane

Nakon postupka čišćenja membrane, performanse oba membranska materijala značajno su se oporavile.

Veličine pora/μm	Protok PSF filtracije/%	PSF membransko onečišćenje/%	Propusnost PES filtracije/%	PES Membransko onečišćenje/%
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

ZaPSF membrana, stopa propusnosti oporavljena od88.2%prije čišćenja do92.5%nakon čišćenja, dok se nivo onečišćenja membrane smanjio od8.0%to3.2%.

Slično, thePES membranapokazao povećanje propusnosti od84.1%to87.3%, sa smanjenim onečišćenjem membrane od9.5%to5.0%.

Veličine pora/μm	Prije čišćenja protok/%	Nakon čišćenja protok/%	Prije čišćenja Zaprljanost membrane/%	Nakon čišćenja Zaprljanost membrane/%
PSF	88.2	92.5	8	3.2
PES	84.1	87.3	9.5	5

Ovi rezultati pokazuju da periodično čišćenje membrane može efikasno vratiti propusnost membrane uz značajno smanjenje onečišćenja. Nakon čišćenja, performanse membranske filtracije vratile su se skoro na početni radni nivo.

Studija također potvrđuje odličnu ponovnu upotrebu TFF membrana, omogućavajući proizvođačima da smanje učestalost zamjene membrana, snize operativne troškove i poboljšaju ukupnu ekonomičnost procesa.

 

 

Diskusija

Filtracija tangencijalnog protoka stvara polje strujanja velikog-smicanja omogućavajući dovodnom rastvoru da se kreće paralelno sa površinom membrane. Ovaj mehanizam unakrsnog toka efektivno minimizira taloženje čestica i blokadu pore na membrani, prevazilazeći brz pad toka koji se uobičajeno uočava kod konvencionalne-filtracije u mrtvom kraju.

Kao rezultat toga, TFF održava stabilne performanse filtracije tokom dužih radnih perioda, dok produžava radni vijek membrane. Tehnologija je posebno korisna za obradu suspenzija velike-ćelijske-gustine i bujona od biološke fermentacije.

Odabir materijala za membranu igra ključnu ulogu u ukupnim performansama sistema.

Obično korišteni membranski materijali uključuju:

• polisulfon (PSF)– nudi odličnu mehaničku čvrstoću i hemijsku stabilnost, što ga čini veoma pogodnim za složene procese fermentacije.
• polietersulfon (PES)– pruža veću propusnost, ali je relativno podložniji zaprljanju membrane.
• Politetrafluoroetilen (PTFE)– pokazuje izvanrednu otpornost na kemikalije i koroziju za zahtjevna okruženja obrade.

Tipične veličine pore na membrani kreću se od0,1 μm do 0,5 μm. Optimizacijom transmembranskog pritiska (TMP) i brzine unakrsnog toka, TFF sistemi mogu istovremeno maksimizirati oporavak ciljanog proizvoda uz održavanje visoke efikasnosti filtracije.

Eksperimentalni rezultati su dalje pokazali da redovno ispiranje u kombinaciji sa hemijskim čišćenjem obnavlja više od90%originalnog membranskog fluksa, ističući značajne prednosti TFF-a u smislu efikasnog odvajanja, malog prljanja i ponovne upotrebe membrane. Ove karakteristike čine TFF visoko pouzdanom tehnologijom za pročišćavanje bujona fermentacijom vakcine.

 

Zaključak

Eksperimentalni rezultati pokazuju da veličina pore na membrani ima direktan utjecaj na performanse permeacije i onečišćenje membrane tokom filtracije tangencijalnog protoka.

Membrane sa manjom veličinom pora (0,1 μm) efektivno su smanjile zaprljanje membrane i održale stabilne performanse filtracije, iako su njihove stope permeacije bile relativno niže. Nasuprot tome, membrane veće veličine pora (0,5 μm) značajno su poboljšale efikasnost permeacije, ali su također rezultirale povećanim zaprljavanjem membrane, naglašavajući kompromis između propusnosti filtracije i vijeka trajanja membrane.

Tokom kontinuirane filtracije, brzina propusnosti je postepeno opadala sa 90,5% na 88,7%. Nakon čišćenja membrane, propusnost se oporavila na 92,4%, što ukazuje da kombinacija povratnog ispiranja i hemijskog čišćenja efikasno uklanja nataložene kontaminante, vraća performanse membrane i produžava radni vijek membrane.

Dalja analiza sugerira da optimizacija intervala čišćenja membrane i radnog tlaka može značajno poboljšati tok filtracije uz održavanje kvalitete proizvoda. Odgovarajući radni uslovi ne samo da povećavaju efikasnost odvajanja već i smanjuju potrošnju energije i onečišćenje membrane.

Sve u svemu, na performanse filtracije tangencijalnog protoka u bioprocesnim aplikacijama zajednički utiču karakteristike membrane i strategije čišćenja. Koordinirana optimizacija ova dva faktora je neophodna za poboljšanje pouzdanosti sistema, maksimiziranje efikasnosti procesa i smanjenje troškova proizvodnje.

Ovi nalazi dodatno podržavaju primjenu TFF-a kao efikasne i skalabilne tehnologije prečišćavanja za proizvodnju cjepiva i druge biofarmaceutske proizvodne procese.