Фильтрация в биофармацевтическом производстве — не отдельная операция, а последовательность барьеров, каждый из которых решает свою задачу. Предварительная ступень снимает основную нагрузку, глубинная удерживает примеси в толще среды, стерилизующая обеспечивает финальную чистоту продукта. Ошибка на любой из них обходится дорого: забитый стерилизующий фильтр, потеря продукта, незапланированная остановка линии. Подбор систем фильтрации для биофармацевтики начинается с цели и характеристик продукта, а не только с размера пор. В этой категории собраны фильтры и фармацевтические фильтродержатели, приборы проверки целостности и оборудование для PUPSIT (Pre-Use Post-Sterilization Integrity Testing — проверка целостности фильтра до использования и после стерилизации) — всё, что нужно для построения такой последовательности.
Виды фильтрации
Фильтрация в биофарме делится на несколько ступеней, каждая со своими материалами и задачами. Выбор ступени зависит от свойств жидкости, требуемого уровня чистоты и положения этапа в технологической цепочке.
Предварительная фильтрация. Первая ступень, снижающая бионагрузку и удерживающая крупные частицы перед финальной стадией. Здесь работают полипропилен (PP), стекловолокно и асимметричные PES-мембраны с высокой грязеёмкостью. Задача этой ступени — защитить стерилизующий фильтр и продлить его ресурс.
Глубинная фильтрация. В отличие от мембранных фильтров, где частицы задерживаются на поверхности, глубинные работают по принципу трёхмерного удержания. Фильтрующая среда — целлюлоза, диатомовая земля и положительно заряженная смола — формуется в пористую матрицу с большой внутренней поверхностью и извилистыми путями потока. Структура градиентная: верхний слой имеет крупные поры, размер которых уменьшается по глубине. Крупные частицы оседают на поверхности, мелкие — на разной глубине, в зависимости от размера. Это обеспечивает высокую грязеёмкость и позволяет фильтру работать дольше.
Удержание идёт по двум механизмам одновременно. Механический — частицы не проходят через поры меньше их собственного размера. Адсорбционный — за счёт сил Ван-дер-Ваальса и электростатических взаимодействий улавливаются субмикронные частицы, коллоиды, белки клеток-хозяев, фрагменты нуклеиновых кислот и липиды. Диатомовая земля обеспечивает неспецифическую адсорбцию, положительно заряженная смола — электростатическую для отрицательно заряженных примесей.
Глубинные фильтры применяются для осветления культуральных жидкостей, лизатов, сывороток и плазмы. Пример — серия Biclaro с фильтрующей средой из целлюлозы, диатомовой земли и положительно заряженной смолы, а также предфильтр PREF TP с аналогичным составом.
Мембранная фильтрация. Тонкая мембрана с калиброванным размером пор задерживает частицы на поверхности. Сюда относятся стерилизующие фильтры 0,22 мкм и субмикронные 0,1 мкм для повышения уровня стерильности.
Стерилизующая фильтрация. Финальная стадия, обеспечивающая стерильность продукта. Подтверждается тестом на удержание Brevundimonas diminuta с нагрузкой ≥10⁷ КОЕ/см² по ASTM F838. Примеры: Bipura CSS, DSS, ESS, DER, DSR, SSF (PES), SVS (PVDF), STL (PTFE).
Фильтрация воздуха и газов. Гидрофобные PTFE-мембраны для стерилизации газов, вентиляции танков, подачи газа в ферментер и отвода отработанных газов. Пример — PRET SP, STG.
Ультра- и микрофильтрация (TFF). Полые волокна и кассеты для концентрации и диафильтрации белков, антител, вакцин, вирусных векторов. Пример — Bifluxa, половолоконные модули mPES (модифицированный полиэфирсульфон).
Форматы фильтров
Капсульные фильтры. Готовое изделие с корпусом из полипропилена. Не требует отдельного держателя, подключается напрямую. Стерилизуются автоклавированием (130 °C, 30 мин, минимум 25 циклов) или гамма-облучением (до 45 кГр). Оптимальны для малых и средних объёмов, одноразовых контуров, быстрой замены. Примеры: KL/KT-серии Bipura, капсулы Biclaro Cap.
Картриджные фильтры. Сменный элемент без корпуса, устанавливается в многоразовый фильтродержатель. Выпускаются в типоразмерах 5″, 10″, 20″, 30″, 40″. Стерилизуются SIP (130–135 °C, 30 мин — температура зависит от серии) или автоклавированием. Оптимальны для больших объёмов и многоразовых систем. Примеры: CT-серии Bipura, F-серии MBorst (SEF, SEA, SVS, STL, STG).
Дисковые фильтры. Малый диаметр (от 3,4 см²), низкий объём удержания, для лабораторных задач и оценки адсорбции. Пример — MK-серия.
Фильтродержатели. Санитарные (LF, GF, HX), мембранные (MP), титановые (TF), мешковые (DS). Материалы: нержавеющая сталь 304/316L, внутренняя полировка до ≤0,3 мкм, опция электрополировки. Рабочее давление до 10 бар, температура до 140 °C. Также — Biclaro S Holder для глубинных фильтров: от 1 до 30 модулей площадью 1,1 м² каждый.
Сравнение капсульного и картриджного фильтров
| Параметр | Капсульный | Картриджный |
|---|---|---|
| Корпус | Встроенный, PP | Отсутствует |
| Держатель | Не нужен | Обязателен |
| Интеграция | Прямое подключение | Монтаж в держатель |
| Стерилизация | Автоклав (130 °C), гамма до 45 кГр | SIP 130–135 °C, автоклав |
| Сервис и Масштабирование | Замена капсулы | Замена картриджа в том же держателе |
| Типичные задачи | Одноразовые контуры, малые объёмы, КИП | Промышленные объёмы, многоразовые системы |
Как подобрать
Выбор фильтра определяется совокупностью факторов — от свойств продукта до условий эксплуатации. Ниже — параметры, которые важно учесть до обращения к инженеру.
- Продукт: тип жидкости, вязкость, концентрация, наличие белков, агрегатов, липидов.
- Цель: осветление, снижение бионагрузки, стерилизация, вирусная очистка.
- Бионагрузка: исходная и целевая; определяет площадь и необходимость предфильтра.
- Размер пор: 0,45; 0,22; 0,1 мкм или номинальный для предфильтрации.
- Материал мембраны: PES (низкая адсорбция, широкий pH 1–14), PVDF (гидрофильный, минимальное связывание белка), PTFE (гидрофобный, газы и растворители), нейлон, PP, стекловолокно.
- Площадь: расчёт под объём, расход и допустимый перепад давления.
- Расход: рабочий и максимальный; проверка по кривой перепад–расход.
- Перепад давления: начальный и конечный; типично прямой поток 5,5–6,9 бар при 25 °C (картриджи Bipura), 5,5 бар (капсулы Bipura), обратный поток 2,1 бар.
- Температура: рабочая (до 85–90 °C для полимерных, до 480 °C для спечённых металлических — титановых, нержавеющая сталь 316L).
- Совместимость: химическая, с CIP/SIP, с продуктом.
- Потери продукта: объём удержания, адсорбция; для ценных продуктов — минимизировать.
- Масштабирование: сохранение конструкционных материалов при переходе от лаборатории к производству.
Целостность и валидация
Проверка целостности подтверждает, что фильтр не повреждён и удерживает микроорганизмы. Проводится до и после фильтрации, а также после стерилизации — в соответствии с процедурой заказчика.
Методы:
- Точка пузырька (bubble point): минимальное давление, при котором газ вытесняет жидкость из пор. Критерий — для конкретной серии и площади.
- Диффузионный поток (diffusion flow): измерение расхода газа через смоченную мембрану при давлении ниже точки пузырька. Пример: 2,75 бар для Bipura CSS, 3,4 бар для Bipura DSR.
- Тест на проникновение воды (Water Intrusion Test, WIT): для гидрофобных газовых фильтров. Давление 2,62 бар для PRET SP.
- Тест на удержание бактерий: ASTM F838, ≥10⁷ КОЕ/см² B. diminuta.
Приборы проверки целостности. Автоматические тестеры с протоколированием, расчётом критериев по площади и типу мембраны.
Документы: сертификат качества (CoQ), протокол испытаний, данные по экстрагируемым веществам (в соответствии с протоколами BPOG (BioPhorum Operations Group) и USP <665>), эндотоксины (<0,25 EU/мл), USP <87> (цитотоксичность), USP <88> Class VI, ISO 10993-5, 21 CFR 210.3(b)(6) — не выделяющий волокна.
Интеграция и эксплуатация
Фильтр работает в связке с насосом, одноразовой сборкой и системой подачи. При сборке контура из трубок, коннекторов и фильтров см. раздел Одноразовые сборные системы. Для концентрации и диафильтрации — Тангенциальная фильтрация. Для подачи продукта под давлением — Насосы.
Каскадная фильтрация. Предфильтр + стерилизующий фильтр. Снижает нагрузку на финальную мембрану, продлевает ресурс, уменьшает расход фильтров.
Типичные причины роста перепада давления: забивание порами, гелеобразование, высокая концентрация частиц, неверно подобранная площадь, недостаточная предфильтрация.
Стерилизация. Автоклав (121–135 °C), SIP (130–135 °C, 30 мин — температура зависит от серии), гамма-облучение (до 45 кГр). Число циклов — по паспорту серии.
Заказ и цена
На стоимость влияют: тип фильтра, материал мембраны, площадь, типоразмер, количество, формат (капсула/картридж), требования к документации. Поставка — со склада в Москве и под заказ.
Для запроса укажите: цель фильтрации, продукт, объём, расход, давление, температуру, бионагрузку, требуемый размер пор, совместимость, метод стерилизации, требования к целостности и документам.
FAQ
Чем мембранная фильтрация отличается от глубинной?
Мембранная задерживает частицы на поверхности тонкой мембраны с калиброванным размером пор. Глубинная удерживает частицы по всей толще среды — за счёт градиентной структуры пор и адсорбции. Глубинную часто используют как предфильтр перед мембранной стерилизацией, особенно для жидкостей с высоким содержанием взвесей.
Чем капсульный фильтр отличается от картриджного?
Капсульный — готовое изделие с корпусом, не требует держателя, стерилизуется автоклавом или гамма-облучением. Картриджный — сменный элемент без корпуса, устанавливается в многоразовый держатель и стерилизуется SIP. Выбор зависит от объёма, схемы процесса и требований к одноразовости.
Как выбрать размер пор и площадь фильтрации?
Размер пор определяется целью: 0,45 мкм — предфильтрация, 0,22 мкм — стерилизация, 0,1 мкм — повышенный уровень стерильности. Площадь рассчитывается под объём, расход, бионагрузку и допустимый перепад давления. Для высоких нагрузок — каскад с предфильтром.
Зачем и когда проверять целостность фильтра?
Целостность подтверждает, что мембрана не повреждена и удерживает микроорганизмы. Проверка проводится до и после фильтрации, а также после стерилизации — по процедуре заказчика. Методы: точка пузырька, диффузионный поток, тест на проникновение воды для газовых фильтров.
Какие данные и документы нужны для подбора и валидации?
Для подбора: продукт, объём, расход, давление, температура, бионагрузка, размер пор, совместимость. Для валидации: CoC/CoA, протоколы испытаний, данные по экстрагируемым веществам (USP <665>, BPOG), эндотоксины (<0,25 EU/мл), USP <87>, USP <88> Class VI, ISO 10993-5, 21 CFR 210.3(b)(6).
Полезные разделы: Одноразовые сборные системы, Приборы для проверки целостности фильтров, Перистальтические насосы.