Toepassing van tangentiële stroomfiltratie (TFF) bij de stroomafwaartse zuivering van vaccins

Conventionele filtratiemethoden, zoals sedimentatie en centrifugatie, zijn in staat een deel van de onzuiverheden uit de fermentatiebouillon te verwijderen. Deze technieken hebben echter vaak te lijden onder een beperkte verwerkingsefficiëntie, een hoog besmettingsrisico en een verminderde schaalbaarheid. Met zijn superieure scheidingsefficiëntie en lage membraanvervuilingseigenschappen is Tangential Flow Filtration (TFF) een steeds belangrijkere technologie geworden in de biofarmaceutische industrie.

In tegenstelling tot dead{0}}filtratie zorgt TFF ervoor dat de procesvloeistof evenwijdig aan het membraanoppervlak stroomt, waardoor verstopping van de membraanporiën effectief wordt geminimaliseerd terwijl een stabiele filtratieflux behouden blijft. Bij de productie van vaccins verwijdert TFF op efficiënte wijze celresten, onoplosbare onzuiverheden en resterende fermentatiematerialen uit kweekvloeistof, waardoor de productzuiverheid en procesopbrengst aanzienlijk worden verbeterd.

Deze studie onderzoekt de toepassing van tangentiële stroomfiltratie tijdens de stroomafwaartse zuivering van vaccins, met bijzondere nadruk op de effecten van verschillende membraanmaterialen en poriegroottes op de filtratieprestaties, membraanvervuiling en de zuiverheid van het eindproduct. Experimentele resultaten tonen aan dat TFF aanzienlijke voordelen biedt bij de zuivering van vaccins door de filtratie-efficiëntie te verbeteren, membraanvervuiling te verminderen en de productkwaliteit te verbeteren. Bovendien zijn optimalisatie van de membraanporiegrootte en reinigingsstrategieën van cruciaal belang voor het behalen van operationele prestaties op de lange- termijn.

Experimenteel ontwerp

Filtratie-experimenten werden uitgevoerd met behulp van polysulfon (PSF) en polyethersulfon (PES) membranen met poriegroottes van 0,1 μm, 0,2 μm en 0,5 μm. Als modelvoedingsoplossing werd standaard Escherichia coli-fermentatiebouillon gekozen.

De bedrijfsomstandigheden werden als volgt gehandhaafd:

Voedingsstroomsnelheid: 500 ml/min

Transmembraandruk (TMP): 0,2 MPa

Filtratietijd: 3 uur

Tijdens de filtratie werden de permeatiesnelheid, de stroomsnelheid en membraanvervuiling met regelmatige tussenpozen gecontroleerd. De membraanprestaties werden hersteld via geplande reinigingsprocedures.

Permeaatmonsters werden elke 30 minuten verzameld om de permeatie-efficiëntie te bepalen, terwijl membraanvervuiling werd geëvalueerd door de permeatieprestaties voor en na membraanreiniging te vergelijken. Een significante vermindering van de permeatie duidde op ernstige membraanvervuiling.

Elke 2 uur werd het membraan gereinigd met een zoutzuuroplossing, gevolgd door spoelen met gedeïoniseerd water. Het herstel van de membraanpermeabiliteit na reiniging was de belangrijkste indicator voor de effectiviteit van de reiniging.

Experimentele resultaten

Effect van membraanmateriaal en poriegrootte

De experimentele resultaten toonden aan dat het vergroten van de membraanporiegrootte van 0,1 μm naar 0,5 μm de permeatieprestaties aanzienlijk verbeterde.

Voor het PSF-membraan nam de permeatiesnelheid toe van 90,5% naar 95,0%, vergezeld van een toename van de filtratiestroomsnelheid. De membraanvervuiling werd echter ook duidelijker: van 3,2% bij 0,1 μm naar 7,8% bij 0,5 μm.

Een soortgelijke trend werd waargenomen voor het PES-membraan, waarbij de membraanvervuiling 8,5% bereikte bij een poriegrootte van 0,5 μm.

Deze bevindingen geven aan dat hoewel grotere membraanporiën de permeaatflux en de algehele filtratie-efficiëntie verbeteren, ze ook de membraanvervuiling versnellen. Daarom vereisen praktische TFF-bewerkingen een passend evenwicht tussen filtratieprestaties en vervuilingsbeheersing.

 

Effect van membraanporiegrootte op filtratieprestaties

De experimentele resultaten toonden aan dat de poriegrootte van het membraan een significante invloed heeft op zowel de permeatie-efficiëntie als de membraanvervuiling.

Hoewel membranen met een kleinere poriegrootte (0.1 μm) relatief lage vervuilingsniveaus behielden, was hun permeatieprestatie relatief beperkt. Daarentegen zijn membranen met een grotere poriegrootte (0.5 μm) bereikten aanzienlijk hogere permeatiesnelheden, maar vertoonden aanzienlijk grotere membraanvervuiling.

Naarmate de poriegrootte toenam van0,1 μm tot 0,5 μm, de permeatiesnelheid van dePSF-membraantoegenomen van90,5% tot 95,0%, terwijl die van dePES-membraansteeg van87,3% tot 94,1%.

Tegelijkertijd nam de membraanvervuiling echter toe. Voor het PSF-membraan nam de vervuilingsratio toe van3,2% tot 7,8%, terwijl het PES-membraan een toename vertoonde van5,0% tot 8,5%.

Membraan materiaal	Poriegroottes/μm	Filtratiedoorvoer/%	Permeaatstroom/(l/min)	Membraanvervuiling/%
PSF	0.1	90.5	5.1	3.2
	0.2	93.2	5.6	5.4
	0.5	95	6.2	7.8
PES	0.1	87.3	4.8	5
	0.2	91.4	5.2	6.2
	0.5	94.1	6	8.5

Deze bevindingen geven aan dat het vergroten van de poriegrootte van het membraan effectief de filtratiedoorvoer en de permeaatflux verbetert, maar ook de membraanvervuiling versnelt. Daarom vereist het selecteren van een geschikte membraanporiegrootte een evenwicht tussen de filtratie-efficiëntie en de membraanprestaties en reinigingsvereisten op lange termijn.

 

 

Membraanreinigingsprestaties

Na de membraanreinigingsprocedure herstelden de prestaties van beide membraanmaterialen aanzienlijk.

Poriegroottes/μm	PSF-filtratiedoorvoer/%	PSF-membraanvervuiling/%	PES-filtratiedoorvoer/%	PES Membraanvervuiling/%
0.1	90.5	3.2	87.3	5
0.2	93.2	5.4	91.4	6.2
0.5	95	7.8	94.1	8.5

Voor dePSF-membraan, waarvan de permeatiesnelheid herstelde88.2%voordat u gaat schoonmaken92.5%na reiniging, terwijl de membraanvervuiling daalde van8.0%naar3.2%.

Op dezelfde manier is dePES-membraanvertoonde een toename van de permeatie van84.1%naar87.3%, waarbij membraanvervuiling is verminderd van9.5%naar5.0%.

Poriegroottes/μm	Doorvoer vóór reiniging/%	Na reinigingscapaciteit/%	Vóór reiniging Membraanvervuiling/%	Na reiniging Membraanvervuiling/%
PSF	88.2	92.5	8	3.2
PES	84.1	87.3	9.5	5

Deze resultaten tonen aan dat periodieke membraanreiniging de membraanpermeabiliteit effectief kan herstellen en tegelijkertijd de vervuiling aanzienlijk kan verminderen. Na reiniging keerden de membraanfiltratieprestaties terug naar bijna het oorspronkelijke bedrijfsniveau.

De studie bevestigt ook de uitstekende herbruikbaarheid van TFF-membranen, waardoor fabrikanten de frequentie van membraanvervanging kunnen verminderen, de bedrijfskosten kunnen verlagen en de algehele proceseconomie kunnen verbeteren.

 

 

Discussie

Tangentiële stroomfiltratie genereert een hoog-stroomveld door de voedingsoplossing evenwijdig aan het membraanoppervlak te laten bewegen. Dit crossflow-mechanisme minimaliseert op effectieve wijze de afzetting van deeltjes en verstopping van de membraanporiën, waardoor de snelle fluxdaling wordt overwonnen die doorgaans wordt waargenomen bij conventionele doodlopende filtratie.

Als gevolg hiervan handhaaft TFF stabiele filtratieprestaties gedurende langere gebruiksperioden, terwijl de levensduur van het membraan wordt verlengd. De technologie is vooral voordelig voor de verwerking van suspensies met hoge{1}}celdichtheid- en biologische fermentatiebouillons.

De selectie van membraanmateriaal speelt een cruciale rol in de algehele systeemprestaties.

Veelgebruikte membraanmaterialen zijn onder meer:

• Polysulfon (PSF)– biedt uitstekende mechanische sterkte en chemische stabiliteit, waardoor het zeer geschikt is voor complexe fermentatieprocessen.
• Polyethersulfon (PES)– biedt een hogere permeabiliteit, maar is relatief gevoeliger voor membraanvervuiling.
• Polytetrafluorethyleen (PTFE)– vertoont uitstekende chemische en corrosiebestendigheid voor veeleisende verwerkingsomgevingen.

Typische membraanporiegroottes variëren van0,1 μm tot 0,5 μm. Door zowel de transmembraandruk (TMP) als de dwarsstroomsnelheid te optimaliseren, kunnen TFF-systemen tegelijkertijd de terugwinning van het doelproduct maximaliseren, terwijl de hoge filtratie-efficiëntie behouden blijft.

Experimentele resultaten toonden verder aan dat regelmatig terugspoelen in combinatie met chemische reiniging meer dan herstelde90%van de oorspronkelijke membraanflux, wat de aanzienlijke voordelen van TFF benadrukt in termen van efficiënte scheiding, lage vervuiling en herbruikbaarheid van membranen. Deze kenmerken maken TFF tot een zeer betrouwbare technologie voor de zuivering van vaccinfermentatiebouillon.

 

Conclusie

De experimentele resultaten tonen aan dat de poriegrootte van het membraan een directe invloed heeft op de permeatieprestaties en membraanvervuiling tijdens tangentiële stroomfiltratie.

Membranen met een kleinere poriegrootte (0,1 μm) verminderden effectief de membraanvervuiling en handhaafden stabiele filtratieprestaties, hoewel hun permeatiesnelheden relatief lager waren. Daarentegen verbeterden membranen met een grotere poriegrootte (0,5 μm) de permeatie-efficiëntie aanzienlijk, maar resulteerden ze ook in een verhoogde membraanvervuiling, wat de wisselwerking tussen de filtratiedoorvoer en de levensduur van het membraan benadrukte.

Tijdens continue filtratie daalde de permeatiesnelheid geleidelijk van 90,5% naar 88,7%. Na membraanreiniging herstelde de permeabiliteit tot 92,4%, wat aangeeft dat de combinatie van terugspoelen en chemische reiniging op effectieve wijze afgezette verontreinigingen verwijdert, de membraanprestaties herstelt en de levensduur van het membraan verlengt.

Verdere analyse suggereert dat het optimaliseren van de membraanreinigingsintervallen en de werkdruk de filtratiestroom aanzienlijk kan verbeteren terwijl de productkwaliteit behouden blijft. Geschikte bedrijfsomstandigheden verbeteren niet alleen de scheidingsefficiëntie, maar verminderen ook het energieverbruik en de membraanvervuiling.

Over het geheel genomen worden de prestaties van tangentiële stroomfiltratie in bioprocestoepassingen gezamenlijk beïnvloed door membraaneigenschappen en reinigingsstrategieën. Gecoördineerde optimalisatie van deze twee factoren is essentieel voor het verbeteren van de systeembetrouwbaarheid, het maximaliseren van de procesefficiëntie en het verlagen van de productiekosten.

Deze bevindingen ondersteunen verder de toepassing van TFF als een efficiënte en schaalbare stroomafwaartse zuiveringstechnologie voor de productie van vaccins en andere biofarmaceutische productieprocessen.