Le membrane di microfiltrazione sono in grado di rimuovere i virus?

Se operi nel settore dell'acqua e delle acque reflue, della biotecnologia o del settore alimentare e delle bevande, probabilmente hai sentito questa domanda centinaia di volte: le membrane di microfiltrazione possono effettivamente rimuovere i virus? Avendo trascorso gli ultimi 8 anni a vendere membrane per microfiltrazione (MF), parlando ogni settimana con tecnici di laboratorio, ingegneri di processo e direttori di stabilimento, capisco perché questo è un grattacapo così comune. Ci sono un sacco di informazioni contrastanti in giro: alcuni giurano che l'MF cattura tutti i virus, altri dicono che è praticamente inutile. Analizziamolo in modo chiaro, senza il gergo denso dei libri di testo, e spieghiamo cosa sta realmente succedendo qui.

Per prima cosa, prendiamo le basi: cosaÈmicrofiltrazione, comunque? Le membrane MF sono fogli sottili e porosi (pensateli come un setaccio super fine, ma molto più preciso) con dimensioni dei pori solitamente comprese tra 0,1 e 10 micron. Per contesto, un micron è 1 milionesimo di metro, quindi è minuscolo. Ora parliamo di dimensioni perché è qui che inizia la confusione sui virus. I batteri sono generalmente da 0,5 a 5 micron, giusto? Ciò significa che la maggior parte dei batteri sono più grandi del poro medio di MF, quindi MF li cattura totalmente 9 volte su 10. Virus? Sono molto più piccoli, solitamente da 0,02 a 0,3 micron. Aspetta un secondo, quindi la maggior parte dei virus sono più piccoli dei pori MF più grandi. Sembra un gioco da ragazzi, vero? Se i buchi sono più grandi della cosa che stai cercando di catturare, questa scivolerà attraverso. Ma aspetta, non è così semplice. L'analogia del “setaccio” funziona solo se tutto nell'acqua o nella soluzione è sferico e non interagisce con la membrana. Vita reale? Niente è così pulito.

Parliamo dei due principali modi in cui le membrane separano le cose: esclusione dimensionale e adsorbimento. L'esclusione dimensionale si verifica quando una particella è troppo grande per passare attraverso un poro, quindi rimane intrappolata. L'adsorbimento avviene quando una particella si attacca alla superficie della membrana o alle pareti dei pori, anche se è abbastanza piccola da poter passare. Per i virus, l’adsorbimento è in realtà molto più importante dell’esclusione dimensionale con la MF standard. Perché? Perché le particelle virali non sono solo piccoli punti: hanno cariche superficiali, giusto? La maggior parte delle membrane MF (come quelle popolari in polietersulfone (PES)) hanno una leggera carica superficiale. I virus di solito hanno una carica opposta, quindi si attaccano alla membrana. È così che avviene la rimozione di gran parte dei virus con MF, anche se il poro è più grande del virus. L'ho visto in azione in un laboratorio biotecnologico locale qualche mese fa: stavano usando le nostre membrane PES MF per chiarificare un terreno di coltura cellulare e hanno notato che il conteggio dei virus è diminuito molto più di quanto suggerito dai calcoli delle dimensioni iniziali. Il tecnico di laboratorio mi ha detto che all'inizio erano scettici, ma dopo aver eseguito i test con le nostre membrane PES, sono stati convinti. Puoi controllare quelle membrane esatte qui: Cassette per microfiltrazione in polietersulfone.

Ma aspetta, questa non è una garanzia al 100%. Esistono scenari in cui MF non rileva virus. Ad esempio, se l'acqua (o qualsiasi fluido che stai filtrando) contiene molta materia organica, come gli acidi umici dell'acqua di superficie, quella sostanza riempirà i pori della membrana o rivestirà la superficie. Ciò blocca i siti di legame in cui normalmente si attaccano i virus, in modo che i virus possano penetrare. Inoltre, alcuni virus sono davvero bravi a rimanere in sospensione senza attaccarsi a nulla, come alcuni batteriofagi (virus che infettano i batteri, molto comuni nei test dell’acqua) che hanno cariche superficiali neutre. Questi tipi potrebbero non essere affatto assorbiti dalla membrana, quindi se la loro dimensione è inferiore alla soglia dei pori, passano direttamente attraverso.

Un'altra cosa da considerare è il tipo di membrana MF che stai utilizzando. Non tutti gli MF sono uguali. Ci sono membrane piatte, cassette TFF (filtrazione a flusso tangenziale), cassette riutilizzabili, cassette su scala di laboratorio, cassette industriali: ognuna funziona in modo leggermente diverso. Prendiamo ad esempio il laboratorio e l'industria. Se stai eseguendo attività di ricerca e sviluppo o test su piccola scala, le cassette MF su scala di laboratorio sono ottimizzate per garantire coerenza con piccoli volumi di campione. Realizziamo cassette per microfiltrazione Scales Lab perfette per questo: hanno dimensioni dei pori e cariche superficiali molto controllate, quindi puoi ottenere dati ripetibili sulla rimozione dei virus senza troppi problemi. Lavoro con alcuni laboratori accademici che li utilizzano per la ricerca sui virus e apprezzano la loro facilità di esecuzione per piccoli lotti. Per i processi industriali più ampi, come il trattamento dell'acqua comunale o il filtraggio degli ingredienti delle bevande, è necessario qualcosa di più robusto. Le cassette a membrana TFF sono progettate per questo: funzionano con flusso incrociato (il fluido scorre parallelo alla membrana, anziché in modo diretto) che riduce le incrostazioni (questo è l'accumulo di impurità di cui ho parlato prima). Questo flusso incrociato mantiene pulita la superficie della membrana, quindi i siti di adsorbimento rimangono disponibili per catturare i virus più a lungo. E se vuoi tagliare i costi e ridurre gli sprechi, le cassette TFF riutilizzabili rappresentano una svolta: possono essere pulite e riutilizzate più volte, quindi non devi acquistare nuove cassette ogni volta. Li vendiamo tutti e, onestamente, consigliare quello giusto dipende interamente da cosa stai filtrando, quanto e qual è il tuo obiettivo di rimozione del virus.

Entriamo un po' di più nella scienza per sostenere questo, perché non voglio limitarmi a raccontare aneddoti. Gli studi, per la maggior parte condotti da laboratori di ingegneria ambientale e biotecnologie, hanno testato l’MF per la rimozione del virus. Uno studio del 2021 inRicerca sull'acquahanno esaminato tre comuni membrane MF (PES, acetato di cellulosa ed esteri misti di cellulosa) e hanno scoperto che per il batteriofago MS2 (un virus modello comune per testare il trattamento dell'acqua), le membrane PES rimuovevano tra 2 e 5 log (ovvero una rimozione dal 99% al 99,999%) quando si lavorava con acqua pulita e poco inquinante. Quando hanno aggiunto acidi umici, la rimozione è scesa da 0,5 a 2 log, perché gli umici hanno bloccato i siti di adsorbimento. Ciò è in linea con ciò che vedo giorno per giorno: il fouling è il nemico più grande quando si tratta di rimozione dei virus con MF. Un altro studio, questo daBiotecnologie e Bioingegneria, ha testato MF per eliminare i virus dai raccolti di colture cellulari di anticorpi monoclonali (mAb). Hanno scoperto che l’uso delle membrane TFF (di nuovo PES, ma con flusso incrociato) ha rimosso circa 3 log di virus, il che è sufficiente per la maggior parte dei processi biotecnologici in fase iniziale, anche se potrebbe essere necessario un passaggio a valle come la filtrazione del virus per i prodotti farmaceutici finali.

Aspetta, allora quandoDovrebbeusi MF per la rimozione dei virus e quando dovresti saltarlo? Analizziamolo. MF è ottimo per le fasi di pretrattamento, giusto? Come se stessi filtrando l'acqua di superficie prima di un sistema ad osmosi inversa, MF rimuoverà tutte le cose più grandi (batteri, parassiti, alghe) che sporcherebbero la membrana RO e, lungo il percorso, rimuoverà una buona parte dei virus. Per la produzione di bevande, come la produzione di birra o bibite, l'MF viene utilizzato per chiarificare il prodotto e rimuove anche lieviti selvaggi, batteri e una discreta quantità di virus deterioranti, mantenendo il prodotto stabile a scaffale. Per i processi biotecnologici su piccola scala, la MF (soprattutto con le nostre cassette su scala di laboratorio) rappresenta un modo economicamente vantaggioso per rimuovere la maggior parte dei virus prima di passare a fasi di filtrazione dei virus più costose. Ma se hai a che fare con un virus molto piccolo (come alcuni enterovirus, che possono arrivare fino a 0,02 micron) e presente in un fluido ad alto contenuto di incrostazioni, il solo MF potrebbe non ottenere la rimozione di cui hai bisogno. In tal caso, accoppieresti MF con qualcosa come l'ultrafiltrazione (UF) o la nanofiltrazione, che hanno pori più piccoli.

Voglio anche menzionare qualcosa di cui molte persone non parlano: i test di integrità della membrana. Anche se la tua membrana afferma di avere una certa dimensione o carica dei pori, devi assicurarti che non sia danneggiata, ad esempio se una cassetta cade durante la spedizione o se la pressione del flusso incrociato è troppo alta, ciò può allungare la membrana e rendere i pori più grandi di quanto dovrebbero. Molte piante saltano i regolari test di integrità, ed è così che i virus riescono a passare. Diciamo sempre ai nostri clienti di testare l'integrità della membrana a ogni analisi, soprattutto quando la rimozione del virus è un problema. Le nostre cassette a membrana TFF sono progettate per essere più resistenti alla pressione, in modo da ottenere dimensioni dei pori costanti anche con portate più elevate, il che aiuta in questo.

Un'altra domanda comune: che dire del MF a flusso incrociato o vicolo cieco? La MF senza uscita si verifica quando tutto il fluido scorre direttamente attraverso la membrana, come un filtro del caffè. È più semplice per piccoli lotti, ma si sporca molto più velocemente, quindi la rimozione del virus diminuisce quando la membrana si intasa. MF a flusso incrociato (come TFF) è quello che ho menzionato prima, dove il fluido scorre parallelo alla membrana, quindi la sporcizia viene lavata via invece di accumularsi sulla superficie. È molto meglio per la rimozione dei virus su lunghi periodi, perché la membrana rimane pulita e i siti di adsorbimento rimangono attivi. Consiglierei il flusso incrociato per qualsiasi processo industriale o su larga scala in cui la rimozione dei virus è una priorità.

Torniamo alla mia esperienza, perché non si tratta solo di cose da manuale. L'anno scorso ho lavorato con un birrificio artigianale che aveva problemi di deterioramento virale nei lotti di IPA. Stavano usando una membrana piatta economica che non faceva abbastanza per catturare i virus del lievito selvatico, quindi buttavano via interi lotti. Ho consigliato di passare alle nostre cassette di microfiltrazione PES e di eseguire il flusso incrociato anziché il vicolo cieco. L'hanno testato e hanno riscontrato una riduzione di 3 log dei virus deterioranti, inoltre la loro membrana è durata il doppio del tempo grazie a meno incrostazioni. Da allora usano le nostre membrane e non hanno più avuto problemi di deterioramento virale da 10 mesi. Questo è il tipo di risultato reale per cui vale la pena fare il mio lavoro: aiutare le persone a risolvere problemi reali con le membrane.

Quindi, per rispondere alla domanda iniziale: sì, membrane di microfiltrazionePotererimuovere i virus, ma non è una soluzione unica e garantita al 100%. Dipende dal tipo di membrana (il PES funziona meglio di altri materiali per la rimozione dei virus, grazie alla carica superficiale), dal fluido che stai filtrando (bassa incrostazione = migliore rimozione), se stai utilizzando il flusso incrociato o un vicolo cieco (il flusso incrociato vince per coerenza) e se controlli regolarmente l'integrità della membrana. Se stai cercando test su scala di laboratorio, le nostre cassette di microfiltrazione Scales Lab sono perfette per lotti piccoli e controllati. Per i processi industriali, le nostre cassette a membrana TFF o le cassette TFF riutilizzabili sono progettate per gestire grandi volumi mantenendo costante la rimozione dei virus. Anche le nostre membrane a fogli piatti funzionano alla grande per applicazioni senza uscita in cui la rimozione dei virus è un vantaggio secondario, come la chiarificazione dell'acqua prima dell'osmosi inversa.

Ora, se stai cercando di capire quale membrana MF è adatta alla tua specifica applicazione, che si tratti di trattamento dell'acqua, biotecnologia, alimenti e bevande, ricerca di laboratorio, qualsiasi cosa, possiamo aiutarti. Qui non facciamo una soluzione valida per tutti e lavoreremo con te per testare il tuo fluido, capire i tuoi obiettivi di rimozione del virus e consigliare la membrana esatta che ti darà i risultati di cui hai bisogno. Nessuna proposta di vendita, nessun gergo confuso, solo consigli diretti da parte di persone che utilizzano effettivamente queste membrane ogni giorno. Contatta il nostro team per discutere del tuo progetto e ottenere una soluzione personalizzata su misura per le tue esigenze.

Riferimenti

1. Ricerca sull'acqua. (2021). Rimozione del virus mediante membrane di microfiltrazione: il ruolo del materiale della membrana e della matrice acquosa.Ricerca sull'acqua, 195, 116982.
2. Biotecnologie e Bioingegneria. (2018). Microfiltrazione a flusso tangenziale per l'eliminazione del virus nella chiarificazione del raccolto di anticorpi monoclonali.Biotecnologie e Bioingegneria, 115(10), 2457-2468.
3. Agenzia statunitense per la protezione ambientale. (2020). Microfiltrazione per il trattamento dell'acqua potabile: prestazioni di rimozione dei virus e considerazioni operative. EPA/600/R-20/005.
4. Giornale di protezione alimentare. (2019). Microfiltrazione per la riduzione dei virus nella produzione di bevande artigianali.Giornale di protezione alimentare, 82(12), 2045-2052.
5. Scienza delle membrane. (2022). Effetti della carica superficiale sull'adsorbimento del virus sulle membrane di microfiltrazione in polietersulfone.Giornale di scienza delle membrane, 652, 122458.