Skaler-ned og skaler-op-teori for Tangential Flow Filtration (TFF)-systemer
Ved konventionel blind{0}}filtrering er fødestrømmens retning justeret med filtreringsretningen, hvilket gør den meget modtagelig for dannelsen af en filterkage eller et gellag på membranoverfladen. Efterhånden som filtreringen fortsætter, bliver det aflejrede lag gradvist tykkere, hvilket resulterer i et fald i filtreringsflowhastigheden. Tangential flow filtration (TFF) refererer til en filtreringsproces, hvor væskestrømningsretningen er vinkelret på filtreringsretningen. Under TFF flyder væsken tangentielt langs membranoverfladen og genererer forskydningskræfter, der hjælper med at reducere aflejring af opløst stof på membranen og afbøde koncentrationspolarisering. TFF er meget udbredt i industriel produktion af biofarmaceutiske produkter. Et TFF-system består typisk af et fødereservoir, en peristaltisk pumpe eller centrifugalpumpe, en indløbstrykmåler, en membrankassette, en udløbstrykmåler, en modtryksventil og tilhørende slanger og rør. Et skematisk diagram af systemet er vist nedenfor.
Permeatflux og sigtningskoefficient er to vigtige parametre i membranfiltreringsprocesser. Permeatflux er defineret som volumenet af væske, der passerer gennem en membran pr. enhed membranareal pr. tidsenhed. Sigtningskoefficienten er forholdet mellem koncentrationen af målproduktet i permeatet og koncentrationen i retentatet. Når man sammenligner tangential flow filtration (TFF) systemer af forskellige skalaer, skal eksperimentelle variabler kontrolleres for at minimere interferens. Membrankassetterne skal have ensartede membranmaterialer, molekylvægtsskærings-afskæringer (MWCO'er)/porestørrelser, producenter og kanalskærmstrukturer inden for samme produktserie. Foderopløsningerne skal have identiske sammensætninger og koncentrationer, og forsøg bør udføres under ensartede begyndelsestemperaturforhold. Når først disse indledende betingelser er opfyldt, bør opskaleringsprocessen følge tre grundlæggende principper: opretholdelse af det samme fødevolumen pr. membranarealenhed, den samme membranoverfladeforskydningshastighed og den samme indledende driftsflux. Derudover skal dynamiske koncentration-diafiltreringsprocesser, eksperimentelt verificeret væskedynamik og systemhardwareafvigelser tages i betragtning. Disse foranstaltninger hjælper med at sikre, at permeatfluxen og sigtningskoefficienten for filtreringssystemer ved forskellige skalaer forbliver så konsistente som muligt på hvert tidspunkt.
Princip 1: Oprethold den samme fodervolumen behandlet pr. membranenhed
Permeatflux og sigtningskoefficienten er tæt forbundet med membranens iboende egenskaber. Forudsat at membranmaterialet, porestørrelsen og kanalskærmstrukturen forbliver konsistente, kræver opnåelse af sammenlignelig permeatflux og sigteydelse på tværs af filtre af forskellige størrelser, at membranoverfladebetingelserne (inklusive kageaflejring og graden af koncentrationspolarisering) forbliver i det væsentlige konsistente på alle tidspunkter. For at opnå sammenlignelige niveauer af membrantilsmudsning og koncentrationspolarisering skal volumenet af foderopløsning behandlet pr. membranarealenhed være det samme på tværs af filtreringssystemer i forskellige skalaer, forudsat identisk fodersammensætning og koncentration. Derfor skal forholdet mellem fødevolumen og membranarealet opretholdes på tværs af forskellige filterstørrelser, hvilket sikrer en ensartet fødevolumen behandlet pr. enhedsmembranareal (L/m²).
Tangential flow filtration (TFF) i biofarmaceutisk fremstilling involverer typisk både ultrafiltrering (UF) til koncentration og diafiltrering (DF) til bufferudveksling. Det er derfor utilstrækkeligt at kun matche det indledende fødevolumen pr. enhed membranareal. Efterhånden som koncentrationen skrider frem, stiger foderkoncentrationen og viskositeten kontinuerligt, hvilket påvirker graden af koncentrationspolarisering og hastigheden af membrantilsmudsning. Følgelig skal den volumetriske koncentrationsfaktor (VCF) holdes konsistent mellem forsøg i lille-skala og stor-skala på hvert tidspunkt. Under diafiltrering skal antallet af diafiltreringsvolumener (DV) være nøjagtigt det samme, da det direkte bestemmer fjernelseseffektiviteten af lav-molekylære-vægtige urenheder. Derudover skal alle procesendepunktskriterier-inklusive retentatvolumen, målproteinkoncentration, maksimale DV- og TMP-alarmtærskler-overføres fuldstændigt fra skaleringsmodellen-ned til fuld-produktion.
Princip 2: Oprethold den samme membranoverfladeforskydningshastighed
I den biofarmaceutiske industri indeholder de fleste foderopløsninger, der kræver filtrering, biologisk aktive stoffer. De forskydningskræfter, der udøves af væsken, der strømmer hen over membranoverfladen, påvirker ikke kun kagedannelse og koncentrationspolarisering, men også produktets biologiske aktivitet. Derfor skal membranoverfladevæggens forskydningshastighed opretholdes konsekvent mellem små-skala og stor- tangential flowfiltreringssystemer (TFF) under eksperimentel drift.
Generelt har membrankassetter i stor skala- rektangulære strømningskanaler med integrerede vævede støtteskærme. I modsætning hertil adskiller strømningskanalgeometrien og skærmkonfigurationen af små-laboratoriemembrankassetter sig væsentligt fra produktions-skalakassetter.
At stole udelukkende på CFD-simuleringer (Computational Fluid Dynamics) for at bestemme vægforskydningshastigheder kan introducere fejl på grund af modelantagelser. I praksis bør CFD-simuleringer valideres mod det eksperimentelt målte trykfald (ΔP) mellem membrankassettens indløb og udløb. Trykfaldet over retentatet-sidestrømningskanalen er en direkte teknisk indikator for forskydningsforhold. For membrankassetter inden for samme produktserie skal kanaltrykfaldet (ΔP) matches mellem små-skala- og stor-systemer. Recirkulationsflowhastigheden bør justeres i overensstemmelse hermed for at bringe membrankassetternes vægforskydningshastigheder ved forskellige skalaer så tæt som muligt. Imidlertid,ensartede membranoverfladeforskydningshastigheder betyder ikke nødvendigvis ensartet samlet forskydningseksponering af procesvæsken. Små-laboratoriesystemer bruger generelt peristaltiske pumper, hvorimod industrielle produktionssystemer overvejende bruger centrifugalpumper. Selve pumperne kan introducere yderligere forskydningsspænding, der kan beskadige proteiner, vira og andre biologiske materialer. Under -opskalering skal risikoen for produktaggregering og tab af biologisk aktivitet forårsaget af pumpe-induceret forskydning derfor vurderes omhyggeligt.
Princip 3: Oprethold den samme indledende driftsflux
Under konsistente fødeopløsningsegenskaber, membranoverfladekarakteristika og driftsbetingelser, hvis den indledende permeatflux er den samme under filtreringsbetingelser, og membranoverfladen udvikler sig på en lignende måde, vil den efterfølgende filtreringsflux generelt forblive konsistent. Selvom membrankassetter fra samme producent, med identiske membranmaterialer og porestørrelser, bruges før og efter opskalering, betyder forskelle i kassettens flowkanalgeometri, at systemernes samlede filtreringsmodstand muligvis ikke er ens. Når filtreringsmodstanden er forskellig mellem filtre af forskellige størrelser, kræves der forskellige transmembrantryk (TMP) indstillinger for at opnå den samme permeatflux.
TMP er generelt defineret som forskellen mellem gennemsnittet af indløbs- og udløbstrykket og permeat--sidetrykket. Da permeatudløbene fra både små- og stor- filtre generelt er åbne for atmosfærisk tryk, er permeattrykket 0 Pa (overtryk). Derfor beregnes TMP som gennemsnittet af indløbs- og udløbstrykket. Denne værdi repræsenterer den samlede gennemsnitlige TMP over membrankassetten. TMP varierer dog rumligt langs flowkanalen, hvilket betyder, at den lokale TMP kan overstige gennemsnitsværdien. Filtreringsprocesser fungerer generelt i en af to kontroltilstande: konstant TMP eller konstant flux. Konstant-TMP-drift bruges almindeligvis til proteinultrafiltrering. Under opskalering- bør TMP-indstillingen fra forsøg i små-skala ikke replikeres direkte. i stedet skal flux-TMP-bøjningspunktet bruges som reference. Konstant-fluxoperation er almindeligt anvendt i mikrofiltrering og viral vektorbehandling. Under opskalering- bør permeatfluxen prioriteres som den kontrollerede parameter, mens en øvre TMP-alarmgrænse også bør etableres.
Når alle tre principper er opfyldt, sammen med konsistente begyndelsesbetingelser, bør permeatstrømmen af små-filtre og stor-skalafiltre teoretisk være den samme på ethvert givet tidspunkt, efter at filtreringen begynder. Hvis permeatfluxprofilerne for de to systemer til enhver tid er identiske, vil deres samlede filtreringstider også være ens.
De tre opskaleringsprincipper, der er skitseret ovenfor, er afledt under ideelle filtreringsforhold. I den faktiske proces skala-op skal ikke-ideelle afvigelser som følge af forskelle i udstyrshardware også tages i betragtning. Disse omfatter primært systemhold-volumen, forskelle i recirkulationskredsløbskonfiguration og materialeopholdstid og varmegenerering forårsaget af væskerecirkulation og forskydning. Desuden er denne skaleringsteori kun anvendelig på membrankassetter af samme konfiguration og produktserie. Væsentlige afvigelser fra lineære opskaleringsforhold kan forekomme, når membranmodulets konfiguration ændres, eller når der behandles høj-viskositet, højt-faststofindhold- eller ikke-newtonske væsker.
Fordi faktiske driftsbetingelser sjældent kan opfylde alle teoretiske antagelser perfekt, er teoretiske ligninger alene utilstrækkelige til direkte at opnå procesoverførsel. Der skal derfor etableres et omfattende sæt af kriterier for at vurdere validiteten af nedskaleringsmodellen-. Ved at sammenligne flux-tidsprofiler, sigtningskoefficienter, produktudbytte, ydeevne til fjernelse af urenheder og kritiske kvalitetsattributter (CQA'er)-inklusive aggregeret indhold, partikelniveauer og biologisk aktivitet-på tværs af filtreringssystemer af forskellige skalaer, kan skalaen-} kun betragtes som repræsentativ--modellen for konsistens{6}, når en pålidelig nedskalering af processen kan påvises{6} på tværs af alle nøglepræstationsindikatorer.
