Применение тангенциальной проточной фильтрации (TFF) при последующей очистке вакцин

Обычные методы фильтрации, такие как седиментация и центрифугирование, способны удалить часть примесей из ферментационного бульона. Однако эти методы часто страдают от ограниченной эффективности обработки, высокого риска загрязнения и ограниченной масштабируемости. Тангенциальная поточная фильтрация (TFF) благодаря своей превосходной эффективности разделения и низким характеристикам загрязнения мембран становится все более важной технологией в биофармацевтической промышленности.

В отличие от тупиковой-фильтрации, TFF позволяет технологической жидкости течь параллельно поверхности мембраны, эффективно сводя к минимуму закупорку пор мембраны, сохраняя при этом стабильный поток фильтрации. При производстве вакцин TFF эффективно удаляет остатки клеток, нерастворимые примеси и остаточные материалы ферментации из культуральной жидкости, тем самым значительно улучшая чистоту продукта и выход процесса.

В этом исследовании изучается применение тангенциальной проточной фильтрации во время последующей очистки вакцины, уделяя особое внимание влиянию различных материалов мембран и размеров пор на эффективность фильтрации, загрязнение мембраны и чистоту конечного продукта. Результаты экспериментов показывают, что TFF обеспечивает значительные преимущества при очистке вакцин за счет повышения эффективности фильтрации, уменьшения загрязнения мембран и улучшения качества продукции. Кроме того, оптимизация размера пор мембраны и стратегии очистки имеют решающее значение для достижения долгосрочных- эксплуатационных характеристик.

Экспериментальный дизайн

Эксперименты по фильтрации проводились с использованием мембран из полисульфона (PSF) и полиэфирсульфона (PES) с размерами пор 0,1 мкм, 0,2 мкм и 0,5 мкм. В качестве модельного питательного раствора был выбран стандартный ферментационный бульон Escherichia coli.

Условия эксплуатации поддерживались следующие:

Скорость потока подачи: 500 мл/мин.

Трансмембранное давление (ТМР): 0,2 МПа.

Время фильтрации: 3 часа

Во время фильтрации через регулярные промежутки времени контролировались скорость проникновения, скорость потока и загрязнение мембраны. Работоспособность мембраны была восстановлена ​​посредством плановых процедур очистки.

Образцы пермеата отбирали каждые 30 минут для определения эффективности проникновения, а засорение мембраны оценивали путем сравнения характеристик проникновения до и после очистки мембраны. Значительное снижение проницаемости указывало на серьезное загрязнение мембраны.

Каждые 2 часа мембрану очищали раствором соляной кислоты с последующей промывкой деионизированной водой. Восстановление проницаемости мембраны после очистки служило основным показателем эффективности очистки.

Результаты экспериментов

Влияние материала мембраны и размера пор

Результаты экспериментов показали, что увеличение размера пор мембраны с 0,1 мкм до 0,5 мкм значительно улучшает характеристики проникновения.

Для мембраны PSF скорость проникновения увеличилась с 90,5% до 95,0%, что сопровождалось увеличением скорости фильтрационного потока. Однако загрязнение мембран также стало более выраженным, увеличившись с 3,2% при 0,1 мкм до 7,8% при 0,5 мкм.

Аналогичная тенденция наблюдалась и для мембраны PES: загрязнение мембраны достигало 8,5% при размере пор 0,5 мкм.

Эти результаты показывают, что, хотя более крупные поры мембраны улучшают поток пермеата и общую эффективность фильтрации, они также ускоряют засорение мембраны. Таким образом, практические операции TFF требуют соответствующего баланса между производительностью фильтрации и контролем загрязнения.

 

Влияние размера пор мембраны на эффективность фильтрации

Результаты экспериментов показали, что размер пор мембраны оказывает существенное влияние как на эффективность проникновения, так и на загрязнение мембраны.

Хотя мембраны с меньшим размером пор (0.1 μm) поддерживали относительно низкие уровни загрязнения, их эффективность проникновения была сравнительно ограниченной. Напротив, мембраны с большим размером пор (0.5 μm) достигли значительно более высоких скоростей проникновения, но продемонстрировали значительно большее засорение мембраны.

По мере увеличения размера пор отот 0,1 мкм до 0,5 мкм, скорость проникновенияPSF-мембранаувеличился сот 90,5% до 95,0%, в то время какПЭС мембранавырос изот 87,3% до 94,1%.

Однако одновременно с этим увеличилось загрязнение мембраны. Для мембраны PSF степень загрязнения увеличилась сот 3,2% до 7,8%, тогда как мембрана PES показала увеличение сот 5,0% до 8,5%.

Мембранный материал	Размеры пор/мкм	Производительность фильтрации/%	Поток пермеата/(л/мин)	Загрязнение мембраны/%
ПСФ	0.1	90.5	5.1	3.2
	0.2	93.2	5.6	5.4
	0.5	95	6.2	7.8
ПЭС	0.1	87.3	4.8	5
	0.2	91.4	5.2	6.2
	0.5	94.1	6	8.5

Эти результаты показывают, что увеличение размера пор мембраны эффективно увеличивает пропускную способность фильтрации и поток пермеата, но также ускоряет засорение мембраны. Таким образом, выбор подходящего размера пор мембраны требует баланса между эффективностью фильтрации и долгосрочными-характеристиками мембраны и требованиями к очистке.

 

 

Эффективность очистки мембраны

После процедуры очистки мембраны характеристики обоих мембранных материалов значительно восстановились.

Размеры пор/мкм	PSF Пропускная способность фильтрации/%	Загрязнение мембраны PSF/%	PES Пропускная способность фильтрации/%	Загрязнение мембраны 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

ДляPSF-мембрана, скорость проникновения восстанавливается из88.2%перед чисткой, чтобы92.5%после очистки, при этом уровень загрязнения мембраны снизился с8.0%к3.2%.

Аналогичным образом,ПЭС мембрананаблюдается увеличение проницаемости из84.1%к87.3%, при этом загрязнение мембраны уменьшено с9.5%к5.0%.

Размеры пор/мкм	Пропускная способность до очистки/%	Пропускная способность после очистки/%	Перед очисткой Загрязнение мембраны, %	После очистки Загрязнение мембраны/%
ПСФ	88.2	92.5	8	3.2
ПЭС	84.1	87.3	9.5	5

Эти результаты показывают, что периодическая очистка мембраны может эффективно восстановить проницаемость мембраны, существенно уменьшая при этом загрязнение. После очистки эффективность мембранной фильтрации вернулась почти к исходному рабочему уровню.

Исследование также подтверждает превосходную возможность многократного использования мембран TFF, что позволяет производителям снизить частоту замены мембран, снизить эксплуатационные расходы и улучшить общую экономику процесса.

 

 

Обсуждение

Тангенциальная поточная фильтрация создает поле потока с высоким-сдвигом, позволяя исходному раствору двигаться параллельно поверхности мембраны. Этот механизм перекрестного потока эффективно сводит к минимуму осаждение частиц и закупорку пор мембраны, преодолевая быстрое снижение потока, обычно наблюдаемое при обычной тупиковой фильтрации.

В результате TFF сохраняет стабильные характеристики фильтрации в течение длительного периода эксплуатации, одновременно продлевая срок службы мембраны. Эта технология особенно выгодна для обработки суспензий с высокой-клеточной-плотностью и бульонов биологической ферментации.

Выбор материала мембраны играет решающую роль в общей производительности системы.

Обычно используемые мембранные материалы включают в себя:

• Полисульфон (ПСФ)– обладает превосходной механической прочностью и химической стабильностью, что делает его очень подходящим для сложных процессов ферментации.
• Полиэфирсульфон (ПЭС)– обеспечивает более высокую проницаемость, но относительно более восприимчив к мембранному загрязнению.
• Политетрафторэтилен (ПТФЭ)– демонстрирует выдающуюся химическую и коррозионную стойкость в сложных условиях обработки.

Типичные размеры пор мембраны варьируются отот 0,1 мкм до 0,5 мкм. Оптимизируя как трансмембранное давление (TMD), так и скорость поперечного потока, системы TFF могут одновременно максимизировать извлечение целевого продукта, сохраняя при этом высокую эффективность фильтрации.

Результаты экспериментов также показали, что регулярная обратная промывка в сочетании с химической очисткой восстанавливает более90%оригинального мембранного флюса, подчеркивая значительные преимущества TFF с точки зрения эффективного разделения, низкого загрязнения и возможности повторного использования мембраны. Эти характеристики делают TFF высоконадежной технологией очистки бульона для ферментации вакцин.

 

Заключение

Результаты экспериментов показывают, что размер пор мембраны оказывает прямое влияние на производительность проникновения и загрязнение мембраны во время тангенциальной потоковой фильтрации.

Мембраны с меньшим размером пор (0,1 мкм) эффективно снижали засорение мембраны и поддерживали стабильные характеристики фильтрации, хотя скорость их проникновения была относительно ниже. Напротив, мембраны с более крупным размером пор (0,5 мкм) значительно улучшали эффективность проникновения, но также приводили к увеличению загрязнения мембраны, подчеркивая компромисс-между производительностью фильтрации и сроком службы мембраны.

В ходе непрерывной фильтрации степень проникновения постепенно снижалась с 90,5% до 88,7%. После очистки мембраны проницаемость восстановилась до 92,4%, что указывает на то, что сочетание обратной промывки и химической очистки эффективно удаляет осаждающиеся загрязнения, восстанавливает рабочие характеристики мембраны и продлевает срок ее службы.

Дальнейший анализ показывает, что оптимизация интервалов очистки мембраны и рабочего давления может существенно улучшить поток фильтрации, сохраняя при этом качество продукта. Соответствующие условия эксплуатации не только повышают эффективность разделения, но также снижают потребление энергии и загрязнение мембран.

В целом, на эффективность тангенциальной фильтрации в биотехнологических процессах влияют характеристики мембраны и стратегии очистки. Скоординированная оптимизация этих двух факторов необходима для повышения надежности системы, максимизации эффективности процессов и снижения производственных затрат.

Эти результаты дополнительно подтверждают применение TFF в качестве эффективной и масштабируемой технологии последующей очистки для производства вакцин и других биофармацевтических производственных процессов.