Scale-Down and Scale-up teorija za sisteme filtracije tangencijalnog protoka (TFF)
Kod konvencionalne filtracije u slijepoj ulici, smjer protoka hrane je usklađen sa smjerom filtracije, što ga čini vrlo osjetljivim na formiranje filterskog kolača ili sloja gela na površini membrane. Kako se filtracija nastavlja, naneseni sloj se postepeno zgušnjava, što rezultira smanjenjem protoka filtracije. Tangencijalna protočna filtracija (TFF) odnosi se na proces filtracije u kojem je smjer strujanja fluida okomit na smjer filtracije. Tokom TFF-a, tekućina teče tangencijalno duž površine membrane, stvarajući sile smicanja koje pomažu u smanjenju taloženja otopljene tvari na membrani i ublažavanju koncentracijske polarizacije. TFF se široko koristi u industrijskoj proizvodnji biofarmaceutika. Tipično, TFF sistem se sastoji od rezervoara za napajanje, peristaltičke pumpe ili centrifugalne pumpe, ulaznog manometra, membranske kasete, izlaznog manometra, ventila za povratni pritisak i povezanih cijevi i cjevovoda. Šematski dijagram sistema je prikazan ispod.
Protok permeata i koeficijent prosijavanja su dva važna parametra u procesima membranske filtracije. Tok permeata definira se kao volumen tekućine koja prolazi kroz membranu po jedinici površine membrane u jedinici vremena. Koeficijent prosijavanja je omjer koncentracije ciljnog produkta u permeatu i koncentracije u retentatu. Kada se porede sistemi filtracije tangencijalnog protoka (TFF) različitih razmera, eksperimentalne varijable moraju se kontrolisati kako bi se smetnje svele na minimum. Membranske kasete bi trebale imati konzistentne membranske materijale, granične vrijednosti molekulske težine (MWCO)/veličine pora, proizvođače i strukturu sita kanala unutar iste serije proizvoda. Rastvori za napajanje moraju imati identične sastave i koncentracije, a eksperimente treba izvoditi pod ujednačenim početnim temperaturnim uslovima. Jednom kada su ovi početni uslovi zadovoljeni, proces povećanja bi trebao slijediti tri temeljna principa: održavanje istog volumena napajanja po jedinici površine membrane, iste brzine smicanja površine membrane i istog početnog radnog fluksa. Pored toga, moraju se uzeti u obzir dinamički procesi koncentracije-dijafiltracije, eksperimentalno verifikovana dinamika fluida i odstupanja hardvera sistema. Ove mjere pomažu da se osigura da fluks permeata i koeficijent prosijavanja sistema filtracije na različitim skalama ostanu što je moguće konzistentniji u svakoj vremenskoj tački.
Princip 1: Održavajte istu obrađenu količinu hrane po jedinici površine membrane
Tok permeata i koeficijent prosijavanja usko su povezani sa intrinzičnim svojstvima membrane. Pod uslovom da materijal membrane, veličina pora i struktura sita kanala ostaju konzistentni, postizanje uporedivog protoka permeata i performansi prosijavanja kroz filtere različitih veličina zahteva da uslovi površine membrane (uključujući taloženje kolača i stepen polarizacije koncentracije) ostanu suštinski dosledni u svakom trenutku. Da bi se postigli uporedivi nivoi zagađivanja membrane i polarizacije koncentracije, zapremina rastvora za napajanje koji se obrađuje po jedinici površine membrane mora biti ista u sistemima za filtriranje različitih razmera, uz pretpostavku identičnog sastava i koncentracije hrane. Zbog toga se omjer količine hrane i površine membrane mora održavati u različitim veličinama filtera, osiguravajući konzistentan obrađeni volumen hrane po jedinici površine membrane (L/m²).
Tangencijalna protočna filtracija (TFF) u biofarmaceutskoj proizvodnji obično uključuje ultrafiltraciju (UF) za koncentraciju i dijafiltraciju (DF) za izmjenu pufera. Usklađivanje samo sa početnom zapreminom hrane po jedinici površine membrane je stoga nedovoljno. Kako koncentracija napreduje, koncentracija i viskozitet se kontinuirano povećavaju, utječući na stupanj polarizacije koncentracije i stopu onečišćenja membrane. Shodno tome, faktor volumetrijske koncentracije (VCF) mora biti konzistentan između malih i velikih ispitivanja u svakoj vremenskoj tački. Tokom dijafiltracije, broj dijafiltracijskih zapremina (DV) mora biti potpuno isti, jer direktno određuje efikasnost uklanjanja nečistoća male molekulske težine. Osim toga, svi kriteriji krajnje točke procesa – uključujući zapreminu retentata, ciljnu koncentraciju proteina, maksimalni DV i pragove alarma TMP – moraju se u potpunosti prenijeti iz modela smanjenja u proizvodnju u punoj mjeri.
Princip 2: Održavajte istu brzinu smicanja površine membrane
U biofarmaceutskoj industriji većina otopina za stočnu hranu za koje je potrebna filtracija sadrži biološki aktivne tvari. Smične sile koje djeluje fluid koji teče preko površine membrane utječe ne samo na formiranje kolača i polarizaciju koncentracije, već i na biološku aktivnost proizvoda. Stoga, brzina smicanja površinske stijenke membrane mora se održavati dosljedno između malih i velikih sistema filtracije tangencijalnog protoka (TFF) tokom eksperimentalnog rada.
Općenito, velike membranske kasete imaju pravokutne kanale protoka s integriranim tkanim potpornim zaslonima. Nasuprot tome, geometrija kanala protoka i konfiguracija ekrana malih laboratorijskih membranskih kaseta značajno se razlikuju od onih kaseta u proizvodnji.
Oslanjajući se isključivo na simulacije računske dinamike fluida (CFD) za određivanje brzina smicanja zida može unijeti greške zbog pretpostavki modela. U praksi, CFD simulacije bi trebale biti validirane u odnosu na eksperimentalno izmjeren pad tlaka (ΔP) između ulaza i izlaza membranske kasete. Pad pritiska u kanalu protoka na strani retentata je direktan inženjerski indikator uslova smicanja. Za membranske kasete unutar iste serije proizvoda, pad tlaka u kanalu (ΔP) treba uskladiti između malih i velikih sistema. Brzinu recirkulacije treba prilagoditi u skladu s tim kako bi se stope smicanja stijenke membranskih kaseta na različitim skalama što više približile. međutim,dosljedne brzine smicanja površine membrane ne znače nužno dosljednu ukupnu izloženost procesnom fluidu smicanju. Laboratorijski sistemi manjeg obima uglavnom koriste peristaltičke pumpe, dok sistemi industrijske proizvodnje uglavnom koriste centrifugalne pumpe. Same pumpe mogu dovesti do dodatnog smicanja koje može oštetiti proteine, viruse i druge biološke materijale. Tokom povećanja, rizici od agregacije proizvoda i gubitka biološke aktivnosti uzrokovane smicanjem izazvanim pumpom moraju se stoga pažljivo procijeniti.
Princip 3: Održavajte isti početni radni tok
Pod konzistentnim svojstvima napojnog rastvora, karakteristikama površine membrane i radnim uslovima, ako je početni tok permeata isti pod uslovima filtracije i površina membrane se razvija na sličan način, naknadni tok filtracije će generalno ostati dosledan. Iako se membranske kasete istog proizvođača, sa identičnim materijalima membrane i veličinom pora, koriste prije i poslije skaliranja, razlike u geometriji kanala protoka kasete znače da ukupna otpornost sistema na filtraciju možda neće biti jednaka. Kada se otpor filtracije razlikuje između filtera različitih veličina, potrebne su različite postavke transmembranskog tlaka (TMP) da bi se postigao isti tok permeata.
TMP se općenito definira kao razlika između prosjeka ulaznog i izlaznog tlaka i tlaka na strani permeata. Budući da su izlazi permeata i malih i velikih filtera općenito otvoreni za atmosferski tlak, tlak permeata je 0 Pa (manometrični tlak). Stoga se TMP izračunava kao prosjek ulaznog i izlaznog tlaka. Ova vrijednost predstavlja ukupni prosječni TMP na membranskoj kaseti. Međutim, TMP varira prostorno duž kanala protoka, što znači da lokalni TMP može premašiti prosječnu vrijednost. Procesi filtriranja općenito rade u jednom od dva načina upravljanja: konstantni TMP ili konstantni fluks. Operacija konstantnog TMP-a se obično koristi za ultrafiltraciju proteina. Tokom povećanja, postavke TMP-a iz ispitivanja manjeg obima ne bi trebale biti direktno replicirane; umjesto toga, tačka pregiba fluks-TMP treba se koristiti kao referenca. Operacija konstantnog protoka se obično koristi u mikrofiltraciji i obradi virusnih vektora. Tokom skaliranja, fluks permeata bi trebao biti prioritetan kao kontrolirani parametar, dok bi također trebalo uspostaviti gornju granicu TMP alarma.
Kada su sva tri principa zadovoljena, zajedno sa konzistentnim početnim uslovima, fluks permeata malih i velikih filtera bi teoretski trebao biti isti u bilo kom trenutku nakon početka filtracije. Ako su profili fluksa permeata dva sistema uvijek identični, njihova ukupna vremena filtracije će također biti jednaka.
Tri gore navedena principa povećanja su izvedena pod idealnim uslovima filtracije. U stvarnom povećanju procesa, međutim, moraju se uzeti u obzir i neidealna odstupanja koja proizlaze iz razlika u hardveru opreme. To prvenstveno uključuje zapreminu sistema zadržavanja, razlike u konfiguraciji recirkulacijske petlje i vremenu zadržavanja materijala, te stvaranje topline uzrokovano recirkulacijom fluida i smicanjem. Nadalje, ova teorija skaliranja primjenjiva je samo na membranske kasete iste konfiguracije i serije proizvoda. Značajna odstupanja od linearnih odnosa povećanja mogu se pojaviti kada se konfiguracija membranskog modula promijeni ili kada se obrađuju tekućine visokog viskoziteta, visokog sadržaja krutih tvari ili nenjutnovskih tekućina.
Budući da stvarni radni uvjeti rijetko mogu savršeno zadovoljiti sve teorijske pretpostavke, same teorijske jednačine nisu dovoljne da se direktno postigne prijenos procesa. Stoga se mora uspostaviti sveobuhvatan skup kriterija za procjenu valjanosti modela smanjenja. Upoređivanjem profila protoka i vremena, koeficijenata prosijavanja, prinosa proizvoda, performansi uklanjanja nečistoća i kritičnih atributa kvaliteta (CQA) - uključujući sadržaj agregata, nivoe čestica i biološku aktivnost - kroz sisteme filtracije različitih razmjera, model smanjenja može se smatrati reprezentativnim i pouzdanim za povećanje procesa.
