Kakav je utjecaj koncentracije hrane na ultrafiltracijske kasete?

Kada sam prvi put počeo da radim sa kasetama za ultrafiltraciju (UF) još u svojim ranim danima kao dobavljač filtera, priznajem da nisam mnogo razmišljao o koncentraciji hrane osim da sam proverio da li je rastvor koji sam obrađivao „dovoljno gusto“. To se brzo promijenilo - kada je biotehnološki klijent udario u zid svojim korakom koncentracije antitijela, okrivljujući često začepljenje i čudno nedosljedne brzine protoka. Ispostavilo se da su gurali mnogo više nego što je njihova UF kaseta mogla podnijeti, a to ih je koštalo dana zastoja i serije skupih proizvoda. Ako radite sa UF kasetama, ovo nije samo sićušni detalj – to je jedna od najvećih poluga koja čini ili prekida vaš proces, od prinosa do vremena rada. Hajde da razjasnimo kako koncentracija hrane utječe na svaki dio UF-a i šta sam naučio tokom godina kako bi stvari tekle glatko.

Prvo, uzemljimo ovo u ono što UF kasete zapravo rade, samo da bismo bili sigurni da smo na istoj strani. Ako ste novi u igrici, UF kaseta je samostalna jedinica sa ravnim membranama (pogledajte našeKaseta sa ravnim listovimastranica za potpunu razgradnju) koja razdvaja molekule po veličini – male tvari prolaze kroz membranu, dok se veće „zadržavaju“ i koncentrišu na strani izvora. Šta ih čini tako popularnim u biofarmici, hrani i piću i otpadnim vodama? Oni su kompaktni, za višekratnu upotrebu (ponekad, ako se dobro čiste) i mnogo dosljedniji od starijih, ručno rezanih membranskih postavki. TheKasete UltrafiltracijaLinija koju nudimo je napravljena za skalabilne serije, od malih laboratorijskih serija do potpune proizvodnje, zbog čega smo radili sa klijentima u rasponu od početnih biotehnologija do globalnih prehrambenih brendova.

Koncentracija hrane, za one koji nisu duboko zaronili u terminologiju, je u osnovi količina ciljane (ili neželjene) otopljene tvari u otopini koju pumpate u kasetu. Na primjer, ako koncentrišete monoklonska antitijela (mAb) iz bujona stanične kulture, koncentracija hrane ovdje je koliko grama mAb ima po litri te juhe. Nije to samo meta – imate i nečistoće kao što su ostaci ćelija, komponente medija i zaostale puferske soli. Slatka tačka za koncentraciju hrane je različita u zavisnosti od granične molekularne težine vaše membrane (MWCO), zar ne? UF kaseta od 30KD odlično radi za male proteine, dok je kaseta od 500KD za veće molekule poput virusnih vektora. Vidio sam kako klijenti zgrabe prvu kasetu koju pogledaju, bez obzira na njihovu koncentraciju hrane, i tu počinju greške.

Počnimo s najneposrednijim utjecajem: brzinom protoka. Fluks je zapremina rastvora koja prolazi kroz membranu po jedinici površine na sat—to je okosnica UF produktivnosti. Kada je vaša koncentracija hrane previsoka, fluks opada brzo, a ne na linearan način. Evo zašto: dok obrađujete otopinu, zadržane otopljene tvari se nakupljaju u blizini površine membrane, formirajući ono što se naziva „polarizacijski sloj koncentracije“. Taj sloj djeluje kao dodatna barijera, tako da voda i male otopljene tvari moraju više raditi da bi prošli. Ako je koncentracija unosa ekstra visoka za početak, taj sloj polarizacije brzo postaje debeo, a uskoro jedva da progurate bilo kakav permeat. Imao sam klijenta prošle godine koji je koristio kasetu za ultrafiltraciju od 30KD na gustom supernatantu ćelijske kulture - hranili su se sa 25 g/L proteina, kada je naša preporuka bila 10-15 g/L. Njihov protok je pao sa 60 L/m²/h na 12 L/m²/h za 2 sata, i morali su da se ugase da bi prerano očistili kasetu, izgubivši 12 sati rada. Još gore, polarizacija visoke koncentracije dovela je do toga da su se neki proteini zaglavili u tom sloju, pa je njihov prinos bio 18% manji od očekivanog.

Ali ne radi se samo o fluksu – koncentracija hrane također je direktno povezana sa zagađivanjem membrane, što je velika buga UF-a. Zagađivanje je kada se otopljene tvari, krhotine ili agregati trajno zalijepe za površinu membrane ili zidove pora, a to je mnogo gore s prekoncentriranim izvorima hrane. Kada su otopljene tvari natrpane zajedno u hrani, veća je vjerovatnoća da će se sudarati s membranom i zarobiti. Očistio sam stotine UF kaseta tokom godina, i 80% vremena, tragovi jakih zagađivanja do koncentracije hrane koja je bila 2-3 puta veća od preporučenog raspona. Na primjer, klijent hrane koji prerađuje voćni sok želio se koncentrirati na 30° Brix u jednom prolazu, umjesto na 15° Brix (što je slatka tačka za njihovu kasetu od 10KD). Pektin i šećer iz soka počeli su se nakupljati na membrani u roku od 30 minuta, a do kraja ciklusa, pore membrane su bile djelomično začepljene, tako da su dobili samo četvrtinu koncentracije koju su očekivali, te su kasetu morali zamijeniti nakon tri ciklusa umjesto 10. To je rezultiralo znatno većim troškovima po litri u odnosu na nižu koncentraciju na dva puta.

Prinos je još jedno područje u kojem koncentracija hrane jako pogađa, posebno u biofarmi gdje je svaki gram proizvoda bitan. Kada je vaša hrana previše koncentrirana, ne samo da se više zagađujete, već ćete također početi vidjeti gubitak proizvoda na dva načina. Prvo, sloj koncentracijske polarizacije može uhvatiti ciljne molekule, a ako postane predebeo, ti molekuli mogu biti odneseni sa retentatom kada ispraznite kasetu, umjesto da budu koncentrirani. Drugo, neki ciljni molekuli (kao što su proteini) mogu početi da se agregiraju pri visokim koncentracijama, a ti agregati su često dovoljno mali da prođu kroz membranu ili se zaglave u permeatu, pa ih izgubite. Klijent virusnog vektora s kojim sam radio prošle godine koristio je našu kasetu za ultrafiltraciju od 500KD za koncentriranje AAV vektora—oni su gurnuli koncentraciju hrane na 1e13 vektorske genome po ml, što je daleko iznad naše preporuke od 2e12. Njihov prinos je bio samo 45%, u odnosu na 82% koje su dobili kada su spustili koncentraciju hrane na pravi raspon. Kada smo testirali retentat, otkrili smo da je 30% njihovog ciljnog vektora zaglavljeno u sloju polarizacije koncentracije, a još 15% je agregirano i izgubljeno. To je pogodak koji cijelu seriju može učiniti bezvrijednom, posebno kada se bavite procesima koji su usaglašeni sa GMP-om, gdje ne možete samo napraviti više proizvoda na hiru.

Sačekajte, ali prije nego što pomislite “niža koncentracija hrane je uvijek bolja” – ni to nije istina. Ako vam je hrana previše razrijeđena, gubite vrijeme i kapacitet kasete. UF je najefikasniji kada koncentrišete rješenje do razumnog nivoa, ali ako počnete s hranom koja je prerijetka, krećete mnogo više volumena nego što je potrebno, što povećava troškove energije za pumpanje i potrebno je više vremena da dođete do ciljane koncentracije. Na primjer, laboratorijski klijent koji je koncentrirao mali uzorak proteina koristio je kasetu od 10KD s koncentracijom hrane od 0,1 mg/mL - pokušavali su doći do 10 mg/mL, pa su obrađivali 100 mL otopine kako bi dobili 10 mL retentata. Trebalo im je 8 sati, u odnosu na 2 sata kada su prvo koncentrirali hranu centrifugiranjem na 0,5 mg/mL, tako da su preradili samo 20 mL. To je ogromna razlika u radu i vremenu, posebno ako radite više serija dnevno. Ključ je u dostizanju tog srednjeg opsega - ono što ja zovem "prozorom koncentracije" za vašu specifičnu kasetu i aplikaciju.

Kako onda shvatiti taj prozor koncentracije? Nije sve za sve, ali postoji nekoliko osnovnih pravila koja dijelimo sa svim našim klijentima. Prvo, provjerite MWCO vaše kasete: kaseta s većom MWCO (poput 500KD) obično može podnijeti veću koncentraciju hrane od niže MWCO (kao 30KD), jer su pore veće, pa je polarizacija manji problem. NašKasete-TFF-filtraciona serijastranica ima specifične raspone koncentracije za svaku kasetu, ali kao opće pravilo, nikada ne prelazite 10-15% ukupnih čvrstih tvari za većinu primjena proteina i 5-10% za male molekule. Drugo, testirajte svoju hranu na nečistoće: ako vaša hrana ima puno krhotina ili agregata, potrebna vam je niža koncentracija hrane kako biste izbjegli zagađivanje, bez obzira koji je vaš ciljni molekul. Treće, prvo pokrenite male testove – nemojte samo skočiti u punu proizvodnju. Probni rad od 100 mL ili 1 L će vam tačno reći koji fluks dobijate, koliko brzo dolazi do obraštanja i koji prinos možete očekivati, tako da ne gubite vrijedan proizvod.

Još jedna stvar koju sam primijetio tokom godina je da koncentracija hrane stupa u interakciju s drugim parametrima procesa, kao što su brzina protoka i transmembranski tlak (TMP). To nije kao podešavanje koncentracije u vakuumu – ako imate visoku koncentraciju hrane, možete malo kompenzirati povećanjem brzine protoka, što uklanja polarizacijski sloj s površine membrane, i povećanjem TMP (ali ne previše, jer TMP može uzrokovati zbijanje polarizacijskog sloja). Ali ovo je balansiranje: veći poprečni protok znači više energije, a veći TMP može dovesti do oštećenja membrane ako niste oprezni. Uvijek savjetujemo klijentima da pokreću pune testove parametara koji uključuju koncentraciju hrane, jer promjena jednog može izbaciti druge. Na primjer, klijent je jednom pokušao popraviti pad fluksa zbog visoke koncentracije hrane pokretanjem TMP-a i završio je sabijanjem membrane, tako da su njihova sljedeća pokretanja imala još manji protok. Zbog toga u našoj kompaniji ne prodajemo samo kasete – pomažemo našim klijentima da prebrode ove procese, jer smo vidjeli skoro svaku grešku koju možete napraviti s koncentracijom hrane.

Hajde da razgovaramo i o dugoročnim efektima, jer koncentracija hrane ne utiče samo na jedan rad – ona utiče na životni vek kasete. Ako koristite previše koncentriranu hranu, stvarate mnogo više prljavštine, što znači da morate češće čistiti kasetu i agresivnija sredstva za čišćenje (poput većeg pH ili temperature) da biste se riješili nakupina. Vremenom, to agresivno čišćenje degradira membranu, tako da kaseta ima manje prolaza prije nego što je treba zamijeniti. Imao sam klijenta koji je koristio našu kasetu sa ravnim listovima, i do 5. pokretanja, morali su je zamijeniti zbog velikog zaprljanja, dok je drugi klijent koji je koristio istu kasetu u pravoj koncentraciji dobivao 15+ serija. To je ogromna razlika u troškovima kada pregledavate kasete svake sedmice u odnosu na svaki mjesec.

Sada, hajde da budemo praktični – šta biste zapravo trebali učiniti ako vam je smanjena koncentracija hrane? Prvo ga pravilno izmjerite. Mnogi klijenti idu po "vizuelnoj debljini" rješenja, što je super neprecizno. Koristite Brix mjerač za prehrambene proizvode ili apsorbanciju (kao A280 za proteine) da biste dobili preciznu koncentraciju. Zatim prilagodite svoju hranu ili tako što ćete je razrijediti (ako je previsok) ili dodatno koncentrirati uz manji korak prethodne obrade (kao što je tangencijalna filtracija protoka s drugom kasetom ili centrifugiranje) ako je preniska. Ako imate posla s jedinstvenom hranom, poput prilagođenog biološkog lijeka, obratite se našem timu – imamo stručnjake za primjenu koji vam mogu pomoći da dizajnirate proces prilagođen vašoj koncentraciji hrane, bilo da je to odabir pravog MWCO (kao što je 30KD naspram 500KD), podešavanje unakrsnog toka ili pronalaženje najboljeg vremena rada.

Ne mogu dovoljno naglasiti koliko malih podešavanja za koncentraciju hrane mogu promijeniti cijeli vaš UF proces. To nije dosadan detalj – to je razlika između serije koja postiže sve vaše ciljeve prinosa i vremenskog okvira i serije koja vam ostavlja da danima rješavate probleme, rasipajući proizvod i novac. Izgradili smo našeKasete Ultrafiltracijalinija da bude fleksibilna, s opcijama za različite MWCO (kao što je naš30kd ultrafiltracione kasetei500KD Ultrafiltracione kasete), dizajn ravnih listova i postavke TFF serije, jer znamo da je feed svakog klijenta drugačiji. Ako se borite s problemima koncentracije hrane ili samo želite da učinite svoj UF proces efikasnijim, mi smo tu da vam pomognemo – radili smo s hiljadama klijenata kako bismo im ispravili prozore koncentracije, a mi možemo učiniti isto za vas. Ne dozvolite da vam mali detalj poput koncentracije hrane uništi trčanje – obratite se našem timu da saznate više o optimizaciji vašeg procesa već danas.

Reference

1. Belfort, G., Davis, RH, & Zydney, AL (1994). Ponašanje suspenzija i makromolekularnih otopina u poprečnoj mikrofiltraciji. Journal of Membrane Science, 96(1–2), 1–58.
2. Charcosset, C. (2007). Hidrodinamička i koncentracijska polarizacija u ultrafiltraciji: pregled. Desalinizacija, 211(1–3), 108–122.
3. Zydney, AL (2018). Tangencijalna protočna filtracija za biofarmaceutsku obradu. Current Opinion in Chemical Engineering, 20, 109–115.
4. Mulder, M. (1996). Osnovni principi membranske tehnologije (2. izdanje). Kluwer Academic Publishers.