Teorija skaliranja-navzdol in-navzgor za sisteme filtracije tangencialnega toka (TFF)
Pri običajnem-filtriranju v slepi ulici je smer dovodnega toka usklajena s smerjo filtracije, zaradi česar je zelo dovzeten za nastanek filtrske pogače ali plasti gela na površini membrane. Ko se filtracija nadaljuje, se nanesena plast postopoma zgosti, kar povzroči zmanjšanje hitrosti filtracijskega pretoka. Filtracija s tangencialnim tokom (TFF) se nanaša na postopek filtracije, pri katerem je smer toka tekočine pravokotna na smer filtracije. Med TFF tekočina teče tangencialno vzdolž površine membrane in ustvarja strižne sile, ki pomagajo zmanjšati odlaganje topljenca na membrano in ublažiti koncentracijsko polarizacijo. TFF se pogosto uporablja v industrijski proizvodnji biofarmacevtskih izdelkov. Običajno je sistem TFF sestavljen iz dovodnega rezervoarja, peristaltične črpalke ali centrifugalne črpalke, vhodnega manometra, membranske kasete, izhodnega manometra, protitlačnega ventila ter pripadajočih cevi in cevi. Spodaj je prikazan shematski diagram sistema.
Pretok permeata in koeficient sejanja sta dva pomembna parametra v procesih membranske filtracije. Pretok permeata je opredeljen kot prostornina tekočine, ki prehaja skozi membrano na enoto površine membrane na enoto časa. Koeficient presejanja je razmerje med koncentracijo ciljnega produkta v permeatu in koncentracijo v retentatu. Pri primerjavi sistemov filtracije tangencialnega toka (TFF) različnih lestvic je treba nadzorovati eksperimentalne spremenljivke, da se čim bolj zmanjšajo motnje. Membranske kasete morajo imeti dosledne membranske materiale, presečne- molekulske mase (MWCO)/velikosti por, proizvajalce in strukturo zaslona kanalov znotraj iste serije izdelkov. Napajalne raztopine morajo imeti enake sestave in koncentracije, poskuse pa je treba izvajati pri enakih začetnih temperaturnih pogojih. Ko so ti začetni pogoji izpolnjeni, mora -postopek povečanja slediti trem temeljnim načelom: ohranjanje enakega volumna dovoda na enoto površine membrane, enaka strižna hitrost površine membrane in enak začetni delovni tok. Poleg tega je treba upoštevati dinamične procese koncentracije–diafiltracije, eksperimentalno preverjeno dinamiko tekočin in odstopanja strojne opreme sistema. Ti ukrepi pomagajo zagotoviti, da pretok permeata in koeficient sejanja filtrirnih sistemov na različnih lestvicah ostaneta čim bolj dosledna v vsaki časovni točki.
Načelo 1: Ohranite enako količino obdelane krme na enoto površine membrane
Pretok permeata in koeficient presejanja sta tesno povezana z intrinzičnimi lastnostmi membrane. Pod pogojem, da material membrane, velikost por in struktura kanala ostanejo dosledni, doseganje primerljivega pretoka permeata in učinkovitosti sejanja prek filtrov različnih velikosti zahteva, da pogoji na površini membrane (vključno z odlaganjem pogače in stopnjo polarizacije koncentracije) ostanejo v bistvu ves čas dosledni. Da bi dosegli primerljive ravni umazanije membrane in koncentracijske polarizacije, mora biti prostornina napajalne raztopine, obdelane na enoto površine membrane, enaka v filtrirnih sistemih različnih lestvic, ob predpostavki enake napajalne sestave in koncentracije. Zato je treba razmerje med volumnom dovoda in površino membrane vzdrževati pri različnih velikostih filtrov, kar zagotavlja dosleden volumen dovoda, obdelanega na enoto površine membrane (L/m²).
Tangencialna pretočna filtracija (TFF) v biofarmacevtski proizvodnji običajno vključuje ultrafiltracijo (UF) za koncentracijo in diafiltracijo (DF) za izmenjavo pufra. Ujemanje samo z začetnim volumnom dovoda na enoto površine membrane je zato nezadostno. Ko se koncentracija nadaljuje, se koncentracija in viskoznost dovoda nenehno povečujeta, kar vpliva na stopnjo polarizacije koncentracije in stopnjo umazanije membrane. Posledično mora biti faktor volumetrične koncentracije (VCF) v vsaki časovni točki dosleden med poskusi majhnega-in velikega- obsega. Med diafiltracijo mora biti število diafiltracijskih volumnov (DV) popolnoma enako, saj neposredno določa učinkovitost odstranjevanja nečistoč z nizko-molekularno- maso. Poleg tega je treba vsa merila končne točke procesa-vključno z volumnom retentata, koncentracijo ciljne beljakovine, najvišjo vrednostjo DV in alarmnimi pragovi TMP-v celoti prenesti iz modela-zmanjšanega obsega v-proizvodnjo v polnem obsegu.
Načelo 2: Ohranite enako stopnjo striženja površine membrane
V biofarmacevtski industriji večina krmnih raztopin, ki zahtevajo filtracijo, vsebuje biološko aktivne snovi. Strižne sile, ki jih izvaja tekočina, ki teče čez površino membrane, ne vplivajo samo na tvorbo pogače in koncentracijsko polarizacijo, temveč tudi na biološko aktivnost izdelka. Zato je treba med poskusnim delovanjem vzdrževati dosledno hitrost striženja površinske stene membrane med sistemi filtracije s tangencialnim tokom (TFF) v majhnem-in-velikem obsegu.
Na splošno imajo velike-kasete z membrano pravokotne pretočne kanale z integriranimi tkanimi podpornimi zasloni. Nasprotno pa se geometrija pretočnega kanala in konfiguracija zaslona majhnih-laboratorijskih membranskih kaset bistveno razlikujeta od tistih pri proizvodnih-kasetah.
Zanašanje izključno na simulacije računalniške dinamike tekočin (CFD) za določanje stopenj striženja sten lahko povzroči napake zaradi predpostavk modela. V praksi je treba simulacije CFD validirati glede na eksperimentalno izmerjen padec tlaka (ΔP) med vhodom in izhodom membranske kasete. Padec tlaka v kanalu stranskega toka retentata-je neposreden inženirski indikator strižnih pogojev. Za membranske kasete znotraj iste serije izdelkov mora biti padec tlaka v kanalu (ΔP) usklajen med sistemi majhnega-in velikega-sistema. Hitrost recirkulacijskega toka je treba ustrezno prilagoditi, da se stopnje striženja sten membranskih kaset na različnih lestvicah čim bolj približajo. vendardosledne stopnje striženja površine membrane ne pomenijo nujno dosledne celotne izpostavljenosti procesne tekočine strigu. Manj-laboratorijski sistemi običajno uporabljajo peristaltične črpalke, medtem ko industrijski proizvodni sistemi večinoma uporabljajo centrifugalne črpalke. Črpalke same lahko ustvarijo dodatno strižno napetost, ki lahko poškoduje beljakovine, viruse in druge biološke materiale. Med povečevanjem-razširitve je treba zato skrbno oceniti tveganja agregacije produkta in izgube biološke aktivnosti, ki jo povzroči-strig, ki ga povzroči črpalka.
Načelo 3: Ohranite isti začetni tok delovanja
Pri doslednih lastnostih napajalne raztopine, značilnostih površine membrane in pogojih delovanja, če je začetni tok permeata enak pri pogojih filtracije in se površina membrane razvija na podoben način, bo kasnejši filtracijski tok na splošno ostal dosleden. Čeprav se pred in po povečanju uporabljajo membranske kasete istega proizvajalca z enakimi membranskimi materiali in velikostmi por, razlike v geometriji pretočnih kanalov kasete pomenijo, da celotna filtracijska odpornost sistemov morda ni enaka. Ko se filtracijski upor med filtri različnih velikosti razlikuje, so potrebne različne nastavitve transmembranskega tlaka (TMP), da se doseže enak pretok permeata.
TMP je na splošno opredeljen kot razlika med povprečjem vstopnega in izstopnega tlaka ter tlakom-na strani permeata. Ker so izhodi permeata filtrov majhnega-in velikega-obsega odprti za atmosferski tlak, je tlak permeata 0 Pa (manometrski tlak). Zato se TMP izračuna kot povprečje vstopnega in izstopnega tlaka. Ta vrednost predstavlja skupno povprečno TMP v membranski kaseti. Vendar se TMP prostorsko spreminja vzdolž pretočnega kanala, kar pomeni, da lahko lokalni TMP preseže povprečno vrednost. Postopki filtracije običajno delujejo v enem od dveh načinov krmiljenja: konstantni TMP ali konstantni tok. Stalno delovanje-TMP se običajno uporablja za ultrafiltracijo beljakovin. Med-večanjem obsega se nastavitev TMP iz-preskusov v majhnem obsegu ne sme neposredno posnemati; namesto tega je treba kot referenco uporabiti prevojno točko TMP. Delovanje s konstantnim-pretokom se običajno uporablja pri mikrofiltraciji in obdelavi virusnih vektorjev. Med -večanjem obsega je treba pretoku permeata dati prednost kot nadzorovanemu parametru, medtem ko je treba določiti tudi zgornjo mejo alarma TMP.
Ko so izpolnjena vsa tri načela, skupaj z doslednimi začetnimi pogoji, bi moral biti tok permeata filtrov majhnega-in velikega-teoretično enak v danem trenutku po začetku filtracije. Če sta profila pretoka permeata obeh sistemov ves čas enaka, bosta enaka tudi njuna skupna časa filtracije.
Zgoraj opisana tri -načela povečanja so izpeljana v idealnih pogojih filtriranja. Pri dejanskem povečanju-procesa pa je treba upoštevati tudi ne-idealna odstopanja, ki izhajajo iz razlik v strojni opremi opreme. Ti vključujejo predvsem zadrževalno- prostornino sistema, razlike v konfiguraciji recirkulacijske zanke in čas zadrževanja materiala ter nastajanje toplote zaradi recirkulacije tekočine in striženja. Poleg tega je ta teorija skaliranja uporabna samo za membranske kasete iste konfiguracije in serije izdelkov. Do znatnih odstopanj od razmerij linearnega povečanja- lahko pride, ko se spremeni konfiguracija membranskega modula ali pri obdelavi visoko-viskoznosti, visoke-trdne-vsebnosti ali ne-Newtonovih tekočin.
Ker lahko dejanski pogoji delovanja le redko povsem zadovoljijo vse teoretične predpostavke, same teoretične enačbe ne zadoščajo za neposreden prenos procesa. Za oceno veljavnosti pomanjšanega-modela je zato treba določiti celovit nabor meril. S primerjavo profilov pretoka–časa, koeficientov sejanja, izkoristkov izdelkov, učinkovitosti odstranjevanja nečistoč in kritičnih atributov kakovosti (CQA)-vključno z vsebnostjo agregatov, ravnmi delcev in biološko aktivnostjo-v filtrirnih sistemih različnih lestvic se lahko model zmanjšanja-zmanjšanja šteje za reprezentativnega in zanesljivega za postopek povečanja-navzgor le, če je dokazana doslednost po vseh ključnih kazalnikih uspešnosti.
