Тангенциальная фильтрация

 

Ускоряющаяся биореволюция активно проникает в промышленный сектор и подпитывает волну инноваций в самых разных областях. Ученые и производственники непрерывно ведут поиски простых и коммерчески выгодных методов разделения и очистки биомолекул.

В последние десятилетия в этой сфере обозначился переход от ультрацентрифугирования к тангенциальной фильтрации. Технология демонстрирует бурный рост и активно внедряется в целом ряде направлений производства.

Существует две основных схемы разделения компонентов в жидком растворе с использованием фильтрующих мембран. В классической прямоточной схеме поток жидкости движется перпендикулярно мембране. Процесс фильтрации идет на поверхности и в глубинных слоях, через мембрану проходит все 100% весь объема потока. Такой тип мембранной фильтрации называют тупиковым, или статическим.

В альтернативном варианте поток движется параллельно поверхности мембраны, по касательной, то есть тангенциально. Отсюда и пошло название метода, который известен также как фильтрация с поперечным потоком (кросс-флоу). При такой схеме мембрана пропускает через себя только часть потока, а осадок образуется исключительно на поверхности.

Система тангенциальной фильтрации поперечного потока представляет собой замкнутый циркуляционный контур. Исходный раствор прогоняется через модуль с мембранным фильтром, внутри которого создается повышенное давление. При прохождении вдоль мембраны жидкость частично выталкивается оказываемым давлением в поток фильтрата.

Все компоненты раствора, которые не смогли пройти сквозь поры мембраны, подхватываются и устремляются дальше по направлению потока. Возникает эффект самоочистки, вследствие чего на фильтрующей поверхности успевает образоваться лишь относительно тонкий слой осадка.

Турбулентность потока не дает оседающим крупным частицам превратиться в сплошной слой геля, тем самым сохраняется доступ к мембране для более мелких частиц. Механизм этого процесса легко представить себе на примере отделения песка от гальки при встряхивании сита.

Для фильтрации тангенциального потока используются мембраны из полимеров, чаще всего из полиэфирсульфона, а также из регенерированной целлюлозы или керамики. Полимерная продукция устойчива к экстремальным значениям кислотности и щелочности pH, в то же время из-за склонности к загрязнению у нее быстрее ухудшается пропускная способность. Мембраны из регенерированной целлюлозы загрязняются меньше, отличаются высокой гидрофильностью и сверхнизкой адсорбцией растворенных веществ, более совместимы с органическими растворителями.

Если работать предстоит с агрессивными жидкостями либо при высокой температуре и давлении, наиболее подходящей окажется продукция из керамики. На ее изготовление идет керамическая крошка с добавлением оксида алюминия, титана или циркония.

Мембранные модули бывают одноразовыми, допускающими возможность повторного использования, и многоразовыми. Одноразовые элементы популярнее из-за сокращенного времени на подготовку производства и фильтрацию, меньших капитальных затрат и пониженного риска перекрестного загрязнения.

Типы используемых модулей:

• Кассетные. Состоят из плоских мембранных пластин с чередованием разделительных слоев или без них. Компактны, характеризуются малым мертвым объемом, применяются в основном в биофармацевтике.
• Половолоконные. Выглядят как пучок тонкостенных мембранных трубок малого диаметра. Отличаются повышенной гидравлической проницаемостью, узким распределением пор по размерам и отсутствием застойных зон. Рассчитаны на небольшое давление.
• Рулонные. Навиты по спирали вокруг полого сердечника, мембранные слои перемежаются разделительными. Обладают значительной эффективной площадью фильтрации, используются при невысокой температуре и вязкости раствора, в основном в пищевой промышленности. За счет увеличенной турбулентности тангенциального потока имеют преимущество перед половолоконными, из минусов – невозможность линейного масштабирования.
• Керамические. Представляют собой блок со сквозными каналами, покрытыми керамической мембраной, рассчитаны на жесткие условия фильтрации. Наилучший вариант для высоковязких растворов, геометрия пор определяется вязкостью обрабатываемого вещества. Эффективная площадь фильтрации небольшая.

Мембранными фильтрами удерживаются только те частицы, размер которых не превышает номинальный размер пор. Если удерживающие свойства мембраны вместо размеров пор привязаны к предельной молекулярной массе частиц, это правило срабатывает не всегда. Здесь определенную роль играет еще и форма частиц, их склонность к деформации и взаимодействие с другими компонентами раствора.

Категории тангенциальной фильтрации и их характеристики

 

Поскольку каждое сырье и технологический процесс уникальны, для подбора оптимального образца мембраны может потребоваться тестирование. Если размер пор определен правильно, потери целевого продукта при концентрировании удастся свести практически к нулю.

Исходное сырье заливается в резервуар, магнитная мешалка на дне обеспечивает равномерное перемешивание. Из резервуара жидкость по линии подачи нагнетается насосом в фильтр. Давление внутри фильтрационного модуля регулируется клапаном. Условия фильтрации подбирают с помощью эмпирических правил и экспериментов, учитываются также требования и ограничения технологии.

Ключевые параметры тангенциальной фильтрации:

• Скорость поперечного потока. В значительной степени этот параметр зависит от типа модуля и усилителя турбулентности в канале подачи. При увеличении скорости потока фильтрация также ускоряется, но одновременно ухудшается качество продукта и возрастают потери в застойных зонах, поэтому придется искать баланс.
• Трансмембранное давление. С ростом давления поток фильтрата сначала увеличивается, а потом происходит стабилизация. Чем выше концентрация отделяемого вещества в растворе и чем ниже скорость потока сырья, тем меньше оптимальное значение трансмембранного давления.
• Управление фильтратом. Поддержание выхода фильтрата на заданном уровне стабилизирует тангенциальный поток и предотвращает преждевременное засорение мембранного фильтра.
• Эффективная площадь мембраны. С увеличением времени фильтрации уменьшается необходимая для этого площадь мембраны. В результате сокращаются затраты и количество безвозвратных отходов, однако возникает угроза снижения качества и биологического загрязнения продукта. В расчете на масштабирование закладывается не менее 20% дополнительной площади.
• Схема диафильтрации. Разрабатывается при наличии этапа удаления солей либо замены буфера. Более эффективна и чаще встречается диафильтрация с постоянным объемом, при которой вода или буферный раствор добавляется в резервуар с той же скоростью, с какой из системы изымается фильтрат.

Просочившийся через мембрану фильтрат – пермеат – собирается в отдельную емкость. Оставшееся количество – концентрат, или ретентат – возвращается по циркуляционному контуру обратно в резервуар для сырья, откуда отправляется на новый цикл фильтрации.

 С помощью тангенциальной фильтрации изготавливают медицинские препараты для клеточной и генной терапии, антибиотики, вакцины и биологически активные вещества, культивируют клетки в жидкой среде, занимаются диагностикой заболеваний. Метод доказал эффективность при очистке целевых продуктов от примесей, микроорганизмов и иных загрязнений. Бережная обработка сырья гарантирует сохранность ценных компонентов.

Технология тангенциальной фильтрации в этих областях служит для решения следующих задач:

• Концентрирование и обессоливание белков, пептидов и нуклеиновых кислот
• Осветление ферментационных бульонов, клеточных лизатов, гомогенатов тканей
• Фракционирование разбавленных белковых смесей, сбор клеточных суспензий
• Извлечение и очистка моноклональных антител, рекомбинантных белков, плазмид и хромосомных ДНК
• Очистка и концентрирование вирусов и вирусных векторов
• Депирогенезация (удаление эндотоксинов) из воды, буферных растворов и питательных сред
• Подготовка образцов для ионообменной колоночной хроматографии

Высокая производительность технологии помогает справляться с большим объемом продукции, свойственным для производственного процесса в этой отрасли.

На установках фильтрации с тангенциальным потоком выполняют следующие операции:

• Удаление фосфолипидов при рафинировании растительных масел
• Извлечение белка из молочной сыворотки и получение сухого молока
• Фильтрация при производстве бифидумбактеринов
• Стерилизующая фильтрация
• Концентрирование пектина
• Выделение дрожжей из культуральной жидкости

 Напитки освобождаются от остатков дрожжей, осветляются и сразу фильтруются до стерильного уровня. Обеспечивается прозрачность, независимо от мутности сырья, и микробиологическая стабильность, значительно улучшается цвет и блеск, сохраняется аромат. Тангенциальная фильтрация по технологичности и качеству очистки существенно превосходит линии с традиционными кизельгуровыми и пластинчатыми фильтрами.

В отличие от классической прямоточной схемы здесь исключено быстрое снижение скорости фильтрации жидкости, вызванное накоплением загрязнений на мембране. Это позволяет пропускать больший объем раствора через единицу площади поверхности мембраны и увеличивает ресурс работы модуля. Система демонстрирует стабильную производительность с удлиненными циклами фильтрации. Мойка многоразовых модулей осуществляется путем обратной промывки без разбора оборудования.

Другие плюсы метода тангенциальной фильтрации:

• Простота, оперативность и удобство. Для начала работы достаточно вставить мембранный фильтр и добавить раствор в резервуар. Оборудование настраивается легче и быстрее, чем при диализе. Концентрирование занимает меньше времени по сравнению с центрифугами и ячейками с мешалками. Объединение концентрирования и диафильтрации в одной системе экономит время и позволяет избежать потерь продукта.
• Масштабирование. Легко выполняется переход от лабораторных исследований до клинических испытаний и промышленного производства с учетом стандартов GLP, GCP и GMP. Обрабатывать можно образцы объемом от десяти миллилитров до тысяч литров.

• Щадящие условия фильтрации. Разделение раствора происходит гораздо мягче, чем в других технологиях, в результате устраняется риск денатурации биологических молекул и максимизируется выход продукта.
• Возможность автоматизации. В автоматическом режиме идет отслеживание параметров, оборудование работает с заранее известным результатом.
• Экономичность. Нормативный срок службы фильтрующих элементов достигает 3 лет, на практике – в разы дольше.

При тангенциальной фильтрации некоторых суспензий полностью задержать твердые частицы на поверхности мембраны не получается, осадок проникает в поры. Такая ситуация характерна для высоковязких жидкостей с небольшой концентрацией сравнительно малых частиц, например сахарных сиропов, масел для трансформаторов, прядильных растворов для синтетических волокон.

Факторы, которыми определяется финансовый выигрыш или потери, зависят от сферы применения тангенциальной фильтрации. На цене продуктов с высокой добавленной стоимостью экономика технологического процесса сказывается сравнительно слабо, в иных случаях, чтобы получить конкурентоспособный продукт, нужно снизить расходы по максимуму. Обработка сразу нескольких продуктов позволяет разнести капитальные затраты на более широкую базу прибыли.

При эксплуатации установки с предельно малой эффективной площадью фильтрации затраты на саму мембрану, держатели и трубопроводы минимальны. За счет высокой плотности укладки мембран получается существенно уменьшить площадь помещения, которая требуется под оборудование с мембранными фильтрами большой площади.

Высокая стоимость одноразовых мембран компенсируется минимальными расходами на их очистку и проверку допустимости повторного использования. В то же время для замены каждого комплекта нужна рабочая сила, затраты на нее зависят от типа модуля и площади мембран.

У многоразовых мембран ниже себестоимость в расчете на один цикл фильтрации. Однако это преимущество сводится на нет, если из-за слишком большого числа циклов производительность мембраны начинает снижаться. Одновременно сильно возрастают расходы на валидацию и риски, связанные с качеством продукта.

Оптимизация диафильтрации, а также снижение объема буферных растворов и чистящих средств сокращает расходы на резервуары. Легко моющимся мембранам нужно меньше промывочной воды и чистящих средств после каждого цикла фильтрации. При эксплуатации систем с ручным управлением по сравнению с автоматизированным оборудованием ниже расходы на КИПиА, но выше трудозатраты.

Для подбора оптимальной системы тангенциальной фильтрации проводится комплексная экспертиза, поскольку даже у схожих производственных процессов есть свои особенности. Производительность обработки должна быть проверена на реальном сырье.

Компания Challenge IM входит в число ведущих разработчиков и производителей тангенциальных установок, деятельность предприятия сфокусирована на биофармацевтике. Компания VM-Solutions поставляет оборудование от Challenge IM, VM-Solutions имеет статус официального поставщика.

1. Производительность и время обработки

Стандартный цикл фильтрации сокращается с 6–12 часов до 2–4 часов (точное значение зависит от типа и объема образца). Например, при концентрировании моноклональных антител производительность составляет стабильно 80–120 л/м2/ч, ультрацентрифуге на ту же задачу понадобится гораздо больше времени.

2. Сохранение продукта

Выход продукта достигает 95–98% по сравнению с 85–90% при обработке в ультрацентрифуге. Такой результат обеспечивается за счет следующих факторов:

• Минимальный стресс для белков ввиду отсутствия больших центробежных сил
• Уменьшение риска образования агрегатов
• Возможность отслеживания параметров процесса в режиме реального времени

3. Масштабируемость и автоматизация

Системы Challenge IM легко масштабируются от лабораторных объемов до крупномасштабного производства, в то время как ультрацентрифуги должны пройти сложную процедуру балансировки плюс имеют ограничения по объему обработки. Возможна полная автоматизация процесса фильтрации, в том числе:

• Автоматическая промывка мембранных модулей
• Контроль параметров через SCADA-системы
• Интеграция с другими этапами биопроизводства

4. Экономическая эффективность

Анализ совокупной стоимости владения показывает, что у систем Challenge IM:

• На 30–40% меньше эксплуатационные расходы
• В 2–3 раза ниже энергопотребление
• До 50 циклов использования мембран
• Мягче требования к площадям помещений и производственной инфраструктуре

5. Гибкость применения

Для ультрацентрифуг приходится подбирать конкретный ротор и пробирки под каждый вид образцов. Challenge IM вместо этого предлагает универсальное решение для:

• Концентрирования
• Диафильтрации
• Буферного обмена
• Вирусной очистки

Преимущества систем тангенциальной фильтрации перед ультрацентрифугированием, особенно на производственном уровне, неоспоримы. Компания VM-Solutions успешно внедрит эту технологию на вашем предприятии. С нами переход на современные методы производства окажется плавным и точно просчитанным.