Tangentsiaalse voolu filtreerimise (TFF) rakendamine vaktsiini allavoolu puhastamisel

Tavalised filtreerimismeetodid, nagu settimine ja tsentrifuugimine, on võimelised eemaldama fermentatsioonipuljongist osa lisanditest. Kuid need meetodid kannatavad sageli piiratud töötlemise tõhususe, suure saastumise riski ja vähenenud mastaapsuse tõttu. Tänu oma suurepärasele eraldusefektiivsusele ja madalatele membraani määrdumisomadustele on tangentsiaalne voolufiltratsioon (TFF) muutunud biofarmatseutilises tööstuses üha olulisemaks tehnoloogiaks.

Erinevalt{0}}tupikfiltreerimisest võimaldab TFF protsessivedelikul voolata paralleelselt membraani pinnaga, minimeerides tõhusalt membraani pooride ummistumist, säilitades samal ajal stabiilse filtreerimisvoo. Vaktsiini valmistamisel eemaldab TFF kultuuripuljongist tõhusalt rakujäägid, lahustumatud lisandid ja fermentatsioonijäägid, parandades seeläbi oluliselt toote puhtust ja protsessi saagist.

Selles uuringus uuritakse tangentsiaalse voolu filtreerimise rakendamist vaktsiini allavoolu puhastamise ajal, pöörates erilist tähelepanu erinevate membraanimaterjalide ja pooride suuruse mõjule filtreerimisvõimele, membraani saastumisele ja lõpptoote puhtusele. Katsetulemused näitavad, et TFF pakub vaktsiinide puhastamisel olulisi eeliseid, suurendades filtreerimise tõhusust, vähendades membraani saastumist ja parandades toote kvaliteeti. Lisaks on membraani pooride suuruse ja puhastusstrateegiate optimeerimine kriitilise tähtsusega pikaajalise -toimivuse saavutamiseks.

Eksperimentaalne disain

Filtreerimiskatsed viidi läbi polüsulfooni (PSF) ja polüeetersulfooni (PES) membraanidega, mille pooride suurus oli 0, 1 μm, 0, 2 μm ja 0, 5 μm. Söötmise näidislahuseks valiti standardne Escherichia coli fermentatsioonipuljong.

Töötingimused säilitati järgmiselt:

Toitevoolu kiirus: 500 ml/min

Transmembraanne rõhk (TMP): 0,2 MPa

Filtreerimisaeg: 3 tundi

Filtreerimise ajal jälgiti korrapäraste ajavahemike järel läbitungimise kiirust, voolukiirust ja membraani saastumist. Membraani jõudlus taastati kavandatud puhastusprotseduuride abil.

Permeaadiproovid koguti iga 30 minuti järel, et määrata läbitungimise efektiivsust, samal ajal kui membraani saastumist hinnati, võrreldes läbitungimist enne ja pärast membraani puhastamist. Läbilaskvuse märkimisväärne vähenemine näitas tõsist membraani saastumist.

Iga 2 tunni järel puhastati membraani vesinikkloriidhappe lahusega, millele järgnes deioniseeritud veega loputamine. Membraani läbilaskvuse taastumine pärast puhastamist oli puhastuse tõhususe peamine näitaja.

Eksperimentaalsed tulemused

Membraanmaterjali mõju ja pooride suurus

Katsetulemused näitasid, et membraani pooride suuruse suurendamine 0, 1 μm-lt 0, 5 μm-le parandas oluliselt läbilaskvust.

PSF-membraani puhul suurenes läbilaskvus 90,5%-lt 95,0%-le, millega kaasnes filtreerimise voolukiiruse suurenemine. Kuid membraani saastumine muutus ka selgemaks, kasvades 3, 2% -lt 0, 1 μm juures 7, 8% -ni 0, 5 μm juures.

Sarnast suundumust täheldati ka PES-membraani puhul, membraani saastumine ulatus 8, 5% -ni, kui pooride suurus oli 0, 5 μm.

Need leiud näitavad, et kuigi suuremad membraanipoorid parandavad permeaadi voogu ja üldist filtreerimise efektiivsust, kiirendavad need ka membraani saastumist. Seetõttu nõuavad praktilised TFF-i toimingud sobivat tasakaalu filtreerimise ja saastumise kontrolli vahel.

 

Membraani pooride suuruse mõju filtreerimise jõudlusele

Katsetulemused näitasid, et membraani pooride suurusel on oluline mõju nii läbitungimise efektiivsusele kui ka membraani saastumisele.

Kuigi väiksema pooride suurusega membraanid (0.1 μm) säilitasid suhteliselt madala määrdumise taseme, nende läbilaskvus oli suhteliselt piiratud. Seevastu suurema poori suurusega membraanid (0.5 μm) saavutasid oluliselt suurema läbilaskevõime, kuid näitasid oluliselt suuremat membraani saastumist.

Kuna pooride suurus suurenes alates0,1 μm kuni 0,5 μm, läbitungimiskiirusPSF membraanaastast suurenenud90,5% kuni 95,0%, samas kui seePES membraantõusis alates87,3% kuni 94,1%.

Kuid membraani saastumine suurenes samaaegselt. PSF-membraani puhul suurenes saastumise suhe alates3,2% kuni 7,8%, samas kui PES-i membraan näitas tõusu5,0% kuni 8,5%.

Membraani materjal	Pooride suurus/μm	Filtreerimise läbilaskevõime/%	Permeaadi voog/(l/min)	Membraani saastumine/%
polüesterstaapelkiud	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

Need leiud näitavad, et membraani pooride suuruse suurendamine suurendab tõhusalt filtreerimise läbilaskevõimet ja permeaadi voogu, kuid kiirendab ka membraani saastumist. Seetõttu on sobiva membraani pooride suuruse valimiseks vaja tasakaalustada filtreerimise tõhusust -membraani pikaajalise jõudluse ja puhastusnõuetega.

 

 

Membraani puhastamise jõudlus

Pärast membraanipuhastusprotseduuri taastus mõlema membraanimaterjali jõudlus märkimisväärselt.

Pooride suurus/μm	PSF filtri läbilaskevõime/%	PSF membraani saastumine/%	PES-filtri läbilaskevõime/%	PES membraani saastumine/%
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

jaoksPSF membraan, taastus läbitungimiskiirus88.2%enne puhastamist92.5%pärast puhastamist, samal ajal kui membraani saastumise tase vähenes8.0%juurde3.2%.

Samamoodi onPES membraanalates84.1%juurde87.3%, mille membraani saastumine on vähendatud9.5%juurde5.0%.

Pooride suurus/μm	Enne puhastamist läbilaskevõime/%	Pärast puhastamist läbilaskevõime/%	Enne puhastamist Membraani saastumine/%	Pärast puhastamist Membraani saastumine/%
polüesterstaapelkiud	88.2	92.5	8	3.2
PES	84.1	87.3	9.5	5

Need tulemused näitavad, et membraani perioodiline puhastamine võib tõhusalt taastada membraani läbilaskvust, vähendades samal ajal oluliselt saastumist. Pärast puhastamist taastus membraanfiltri jõudlus peaaegu algsele töötasemele.

Uuring kinnitab ka TFF-membraanide suurepärast korduvkasutatavust, mis võimaldab tootjatel vähendada membraanide asendamise sagedust, alandada tegevuskulusid ja parandada üldist protsessi ökonoomsust.

 

 

Arutelu

Tangentsiaalne voolufiltreerimine tekitab suure{0}}nihkevooluvälja, võimaldades toitelahusel membraani pinnaga paralleelselt liikuda. See ristvoolumehhanism minimeerib tõhusalt osakeste ladestumist ja membraani pooride ummistumist, ületades tavapärase ummikfiltreerimise korral tavaliselt täheldatava kiire voo languse.

Selle tulemusena säilitab TFF stabiilse filtreerimisvõime pikema tööperioodi jooksul, pikendades samal ajal membraani kasutusiga. See tehnoloogia on eriti kasulik suure-rakutihedusega-suspensioonide ja bioloogilise kääritamispuljongi töötlemisel.

Membraanmaterjali valik mängib süsteemi üldises toimimises otsustavat rolli.

Tavaliselt kasutatavad membraanimaterjalid on järgmised:

• Polüsulfoon (PSF)– pakub suurepärast mehaanilist tugevust ja keemilist stabiilsust, mistõttu on see väga sobiv keeruliste fermentatsiooniprotsesside jaoks.
• Polüeetersulfoon (PES)– tagab suurema läbilaskvuse, kuid on suhteliselt vastuvõtlikum membraani saastumisele.
• Polütetrafluoroetüleen (PTFE)– omab silmapaistvat keemilist ja korrosioonikindlust nõudlikes töötlemiskeskkondades.

Tüüpilised membraani pooride suurused on vahemikus0,1 μm kuni 0,5 μm. Optimeerides nii transmembraanset rõhku (TMP) kui ka ristvoolu kiirust, saavad TFF-süsteemid samaaegselt maksimeerida sihttoote taastumist, säilitades samal ajal kõrge filtreerimise efektiivsuse.

Eksperimentaalsed tulemused näitasid veel, et regulaarne tagasiloputus koos keemilise puhastusega taastas rohkem kui90%algsest membraanivoolust, tuues esile TFF-i olulised eelised tõhusa eraldamise, vähese saastumise ja membraani korduvkasutatavuse osas. Need omadused muudavad TFF-i väga usaldusväärseks tehnoloogiaks vaktsiini fermentatsioonipuljongi puhastamiseks.

 

Järeldus

Katsetulemused näitavad, et membraani pooride suurusel on otsene mõju läbilaskvusele ja membraani saastumisele tangentsiaalse voolu filtreerimise ajal.

Väiksema poori suurusega (0, 1 μm) membraanid vähendasid tõhusalt membraani saastumist ja säilitasid stabiilse filtreerimise, kuigi nende läbilaskvuskiirus oli suhteliselt madalam. Seevastu suurema poori suurusega membraanid (0,5 μm) parandasid märkimisväärselt läbitungimise efektiivsust, kuid suurendasid ka membraani saastumist, rõhutades filtreerimise läbilaskevõime ja membraani eluea vahelist kompromissi.

Pideva filtreerimise ajal vähenes läbilaskvus järk-järgult 90,5%-lt 88,7%-le. Pärast membraani puhastamist taastus läbilaskvus 92,4% -ni, mis näitab, et tagasivoolu ja keemilise puhastuse kombinatsioon eemaldab tõhusalt ladestunud saasteained, taastab membraani jõudluse ja pikendab membraani kasutusiga.

Täiendav analüüs näitab, et membraani puhastusintervallide ja töörõhu optimeerimine võib oluliselt parandada filtreerimisvoogu, säilitades samal ajal toote kvaliteedi. Sobivad töötingimused mitte ainult ei suurenda eraldamise tõhusust, vaid vähendavad ka energiatarbimist ja membraani saastumist.

Üldiselt mõjutavad tangentsiaalse voolu filtreerimise jõudlust bioprotsessirakendustes membraani omadused ja puhastusstrateegiad. Nende kahe teguri kooskõlastatud optimeerimine on oluline süsteemi töökindluse parandamiseks, protsessi tõhususe maksimeerimiseks ja tootmiskulude vähendamiseks.

Need leiud toetavad veelgi TFF-i kasutamist tõhusa ja skaleeritava allavoolu puhastustehnoloogiana vaktsiinide tootmiseks ja muudeks biofarmatseutilisteks tootmisprotsessideks.