Vilken inverkan har foderkoncentrationen på ultrafiltreringskassetter?

När jag först började arbeta med ultrafiltreringskassetter (UF) redan i mina tidiga dagar som filterleverantör, ska jag erkänna att jag inte tänkte så mycket på foderkoncentrationen utöver att kontrollera om lösningen jag bearbetade var "tillräckligt tjock". Det förändrades snabbt - när en bioteknikklient träffade en vägg med sitt antikroppskoncentrationssteg och skyllde på frekvent igensättning och konstigt inkonsekventa flödeshastigheter. Det visade sig att de pressade mycket mer än vad deras UF-kassett kunde hantera, och det kostade dem dagar av stillestånd och ett parti dyra produkter. Om du arbetar med UF-kassetter är detta inte bara en liten detalj – det är en av de största spakarna som gör eller bryter din process, från avkastning till körtid. Låt oss bryta ner hur foderkoncentrationen påverkar varje del av UF, och vad jag har lärt mig under åren för att få saker att fungera smidigt.

Låt oss först grunda detta i vad UF-kassetter faktiskt gör, bara för att se till att vi är på samma sida. Om du är ny i spelet är en UF-kassett en fristående enhet med platta membran (kolla in vårPlatt arkkassettsida för den fullständiga uppdelningen) som separerar molekyler efter storlek - små saker passerar genom membranet, medan större "hålls kvar" och koncentreras på matningssidan. Vad gör dem så populära inom biopharma, mat och dryck och avloppsvatten? De är kompakta, återanvändbara (ibland, om de rengörs rätt) och mycket mer konsekventa än äldre, handskurna membranuppsättningar. DeKassetter Ultrafiltreringlinje vi erbjuder är byggd för skalbara körningar, från små labbpartier till fullständig tillverkning, vilket är anledningen till att vi har arbetat med kunder, allt från nystartade biotekniker till globala livsmedelsvarumärken.

Foderkoncentration, för dem som inte har fördjupat sig i terminologin, är i grunden mängden mål (eller oönskat) löst ämne i lösningen du pumpar in i kassetten. Till exempel, om du koncentrerar monoklonala antikroppar (mAb) från en cellodlingsbuljong, är foderkoncentrationen här hur många gram mAb som är per liter av den buljongen. Det är inte bara målet heller – du har också inblandat föroreningar som cellskräp, mediakomponenter och överblivna buffertsalter. Den söta punkten för foderkoncentration är olika beroende på ditt membrans molekylviktsgräns (MWCO), eller hur? En 30KD UF-kassett fungerar utmärkt för små proteiner, medan en 500KD är för större molekyler som virala vektorer. Jag har sett kunder ta tag i den första kassetten de tittar på, oavsett foderkoncentration, och det är där misstagen börjar.

Låt oss börja med den mest omedelbara effekten: flödeshastighet. Flux är volymen lösning som passerar genom membranet per ytenhet per timme – det är ryggraden i UF-produktiviteten. När din foderkoncentration är för hög sjunker flödet snabbt och inte på ett linjärt sätt. Här är anledningen: när du bearbetar lösningen, byggs de kvarhållna lösta ämnena upp nära membranytan och bildar vad som kallas ett "koncentrationspolarisationsskikt." Det lagret fungerar som en extra barriär, så vatten och små lösta ämnen måste arbeta hårdare för att ta sig igenom. Om foderkoncentrationen är extra hög till att börja med blir det polarisationsskiktet snabbt tjockt och snart trycker du knappt igenom något permeat. Jag hade en klient förra året som körde en 30KD ultrafiltreringskassett på en tät cellkultursupernatant – de åt med 25 g/L protein, när vår rekommendation var 10–15 g/L. Deras flöde sjönk från 60 L/m²/h till 12 L/m²/timme på 2 timmar, och de var tvungna att stänga av för att rengöra kassetten i förtid, vilket slösade bort 12 timmars körtid. Ännu värre, den höga koncentrationen av polarisationen ledde till att vissa proteiner fastnade i det lagret, så deras utbyte var 18 % lägre än förväntat.

Men det är inte bara flux – foderkoncentrationen är också direkt kopplad till membranpåväxt, som är UFs stora boogeyman. Nedsmutsning är när lösta ämnen, skräp eller aggregat fastnar permanent på membranytan eller porväggarna, och det är mycket värre med överkoncentrerat foder. När lösta ämnen är ihopträngda i fodret är det mer sannolikt att de kolliderar med membranet och fastnar. Jag har rengjort hundratals UF-kassetter genom åren, och 80 % av tiden spårar kraftig nedsmutsning tillbaka till foderkoncentrationen som var 2–3 gånger det rekommenderade intervallet. Till exempel ville en livsmedelsklient som bearbetade fruktjuice koncentrera sig till 30° Brix i en passage, istället för 15° Brix (vilket är sweet spot för deras 10KD-kassett). Juicens pektin och socker började byggas upp på membranet inom 30 minuter, och i slutet av körningen var membranporerna delvis blockerade, så de fick bara en fjärdedel av den koncentration de förväntade sig, och fick byta ut kassetten efter tre körningar istället för 10. Det gav betydligt högre kostnader per liter än om de skulle dela upp foderkoncentrationen i två gånger varje gång.

Utbytet är ett annat område där foderkoncentrationen slår hårt, särskilt inom biopharma där varje gram produkt har betydelse. När ditt foder är för koncentrerat blir du inte bara mer nedsmutsad, utan du börjar också se produktförlust på två sätt. För det första kan koncentrationspolarisationsskiktet fånga målmolekyler, och om det blir för tjockt kan dessa molekyler föras bort med retentatet när du dränerar kassetten, istället för att koncentreras. För det andra kan vissa målmolekyler (som proteiner) börja aggregera vid höga koncentrationer, och dessa aggregat är ofta tillräckligt små för att glida genom membranet eller fastna i permeatet, så att du förlorar dem. En viral vektorklient som jag arbetade med förra året använde vår 500KD ultrafiltreringskassett för att koncentrera AAV-vektorer – de höjde foderkoncentrationen till 1e13 vektorgenom per ml, vilket är långt över vår rekommendation av 2e12. Deras avkastning var bara 45%, jämfört med de 82% de fick när de sänkte foderkoncentrationen till rätt intervall. När vi testade retentatet fann vi att 30 % av deras målvektor satt fast i koncentrationspolarisationsskiktet och ytterligare 15 % aggregerades och förlorades. Det är den typen av träff som kan göra en hel batch värdelös, speciellt när du har att göra med GMP-kompatibla processer där du inte bara kan göra mer produkt på ett infall.

Vänta, men innan du tänker "lägre foderkoncentration är alltid bättre" - det är inte heller sant. Om ditt foder är alldeles för utspätt, slösar du tid och kassettkapacitet. UF är mest effektivt när du koncentrerar lösningen till en rimlig nivå, men om du börjar med ett foder som är för tunt, flyttar du mycket mer volym än du behöver, vilket ökar energikostnaderna för pumpning och tar längre tid att nå din målkoncentration. Till exempel använde en labbklient som koncentrerade ett litet proteinprov en 10KD-kassett med en foderkoncentration på 0,1 mg/ml – de försökte komma till 10 mg/ml, så de bearbetade 100 ml lösning för att få 10 ml retentat. Det tog dem 8 timmar, mot 2 timmar när de koncentrerade fodret först via centrifugering till 0,5 mg/ml, så de behandlade bara 20 ml. Det är en enorm skillnad i arbete och tid, särskilt om du kör flera batcher om dagen. Nyckeln är att träffa det mellanområdet - det jag kallar "koncentrationsfönstret" för din specifika kassett och applikation.

Så hur räknar du ut det där koncentrationsfönstret? Det passar inte alla, men det finns några tumregler som vi delar med alla våra kunder. Kontrollera först din kassetts MWCO: en kassett med en högre MWCO (som 500KD) kan vanligtvis hantera en högre matningskoncentration än en lägre MWCO (som 30KD), eftersom porerna är större, så polarisering är mindre av ett problem. VårKassetter-TFF-filtreringsseriensidan har specifika koncentrationsintervall för varje kassett, men som en allmän regel, gå aldrig över 10–15 % totala torrsubstanser för de flesta proteinapplikationer och 5–10 % för små molekyler. För det andra, testa ditt foder för föroreningar: om ditt foder har mycket skräp eller aggregat behöver du en lägre foderkoncentration för att undvika nedsmutsning, oavsett vilken målmolekyl du har. För det tredje, kör småskaliga tester först – hoppa inte bara in i full produktion. En testkörning på 100 ml eller 1 liter kommer att berätta exakt vilket flöde du får, hur snabbt nedsmutsning sätter in och vilken avkastning du kan förvänta dig, så att du inte slösar bort värdefull produkt.

En annan sak jag har märkt under åren är att foderkoncentrationen interagerar med andra processparametrar, som tvärflödeshastighet och transmembrantryck (TMP). Det är inte som att justera koncentrationen i vakuum – om du har en hög matningskoncentration kan du kompensera lite genom att öka tvärflödeshastigheten, som sveper bort polarisationsskiktet från membranytan, och öka TMP (men inte för mycket, eftersom TMP kan orsaka komprimering av polarisationsskiktet). Men det här är en balansgång: högre tvärflöde betyder mer energi, och högre TMP kan leda till membranskador om du inte är försiktig. Vi råder alltid kunder att köra fullständiga parametertester som inkluderar foderkoncentration, eftersom att byta en kan kasta bort de andra. Till exempel försökte en kund en gång fixa ett flödesfall från hög matningskoncentration genom att veva upp TMP och slutade med att komprimera membranet, så att deras nästa körningar hade ännu lägre flöde. Det är därför vi på vårt företag inte bara säljer kassetter – vi hjälper våra kunder att arbeta igenom dessa processförändringar, eftersom vi har sett nästan alla misstag du kan göra med foderkoncentration.

Låt oss också prata om långsiktiga effekter, eftersom foderkoncentrationen inte bara påverkar en enda körning – den påverkar kassettens livslängd. Om du kör med överkoncentrerad foder skapar du mycket mer nedsmutsning, vilket innebär att du måste rengöra kassetten oftare och mer aggressiva rengöringsmedel (som högre pH eller temperatur) för att bli av med ansamlingar. Med tiden försämrar den aggressiva rengöringen membranet, så kassetten har färre körningar innan den behöver bytas ut. Jag har haft en klient som körde vår Flat Sheet Cassette, och vid den 5:e körningen var de tvungna att ersätta den på grund av kraftig nedsmutsning, medan en annan klient som körde samma kassett med rätt matningskoncentration fick 15+ körningar. Det är en enorm kostnadsskillnad när du går igenom kassetter varje vecka kontra varje månad.

Låt oss nu bli praktiska – vad ska du egentligen göra om din foderkoncentration är avstängd? Först, mät det ordentligt. Många kunder väljer "visuell tjocklek" på lösningen, vilket är superfelaktigt. Använd en Brix-mätare för livsmedel, eller absorbans (som A280 för proteiner) för att få en exakt koncentration. Justera sedan ditt foder antingen genom att späda ut det (om det är för högt) eller koncentrera det ytterligare med ett mindre förbearbetningssteg (som tangentiell flödesfiltrering med en annan kassett eller centrifugering) om det är för lågt. Om du har att göra med ett unikt foder, som ett skräddarsytt biologiskt läkemedel, kontakta vårt team – vi har applikationsspecialister som kan hjälpa dig att utforma en process som är skräddarsydd för din foderkoncentration, oavsett om det handlar om att välja rätt MWCO (som 30KD vs. 500KD), justera tvärflödet eller ta reda på den bästa körtiden.

Jag kan inte nog betona hur mycket små justeringar av foderkoncentrationen kan förändra hela din UF-process. Det är inte en tråkig detalj – det är skillnaden mellan en löpning som når alla dina mål för avkastning och tidslinje, och en löpning som gör att du kan felsöka i flera dagar, slösa bort produkt och pengar. Vi har byggt vårKassetter Ultrafiltreringlinje för att vara flexibel, med alternativ för olika MWCOs (som vår30kd ultrafiltreringskassetteroch500KD ultrafiltreringskassetter), platta arkdesigner och TFF-serieinställningar, eftersom vi vet att varje kunds flöde är olika. Om du har problem med foderkoncentrationsproblem, eller bara vill göra din UF-process mer effektiv, finns vi här för att hjälpa dig – vi har arbetat med tusentals kunder för att få rätt koncentrationsfönster, och vi kan göra detsamma åt dig. Låt inte en liten detalj som foderkoncentration förstöra dina körningar – kontakta vårt team för att lära dig mer om att optimera din process idag.

Referenser

1. Belfort, G., Davis, RH, & Zydney, AL (1994). Uppförandet av suspensioner och makromolekylära lösningar i korsflödesmikrofiltrering. Journal of Membrane Science, 96(1–2), 1–58.
2. Charcosset, C. (2007). Hydrodynamisk och koncentrationspolarisering i ultrafiltrering: En översikt. Avsaltning, 211(1–3), 108–122.
3. Zydney, AL (2018). Tangentiell flödesfiltrering för biofarmaceutisk bearbetning. Current Opinion in Chemical Engineering, 20, 109–115.
4. Mulder, M. (1996). Basic Principles of Membrane Technology (2:a upplagan). Kluwer Academic Publishers.