Teoria di-riduzione e aumento-per i sistemi di filtrazione del flusso tangenziale (TFF)

Nella filtrazione convenzionale- senza uscita, la direzione del flusso di alimentazione è allineata con la direzione della filtrazione, rendendola altamente suscettibile alla formazione di un pannello filtrante o di uno strato di gel sulla superficie della membrana. Man mano che la filtrazione continua, lo strato depositato si ispessisce gradualmente, determinando una diminuzione della portata di filtrazione. La filtrazione a flusso tangenziale (TFF) si riferisce a un processo di filtrazione in cui la direzione del flusso del fluido è perpendicolare alla direzione di filtrazione. Durante il TFF, il fluido scorre tangenzialmente lungo la superficie della membrana, generando forze di taglio che aiutano a ridurre la deposizione di soluti sulla membrana e mitigare la polarizzazione della concentrazione. Il TFF è ampiamente utilizzato nella produzione industriale di prodotti biofarmaceutici. Tipicamente, un sistema TFF è costituito da un serbatoio di alimentazione, una pompa peristaltica o una pompa centrifuga, un manometro di ingresso, una cassetta a membrana, un manometro di uscita, una valvola di contropressione e tubi e tubazioni associati. Di seguito è riportato un diagramma schematico del sistema.

Il flusso del permeato e il coefficiente di setacciatura sono due parametri importanti nei processi di filtrazione su membrana. Il flusso del permeato è definito come il volume di liquido che passa attraverso una membrana per unità di area della membrana per unità di tempo. Il coefficiente di setacciatura è il rapporto tra la concentrazione del prodotto target nel permeato e quella nel retentato. Quando si confrontano sistemi di filtrazione a flusso tangenziale (TFF) di scale diverse, è necessario controllare le variabili sperimentali per ridurre al minimo le interferenze. Le cassette a membrana devono avere materiali di membrana, limiti di peso molecolare (MWCO)/dimensioni dei pori, produttori e strutture di screening dei canali coerenti all'interno della stessa serie di prodotti. Le soluzioni di alimentazione devono avere composizioni e concentrazioni identiche e gli esperimenti devono essere condotti in condizioni di temperatura iniziale uniformi. Una volta soddisfatte queste condizioni iniziali, il processo di aumento di scala- dovrebbe seguire tre principi fondamentali: mantenere lo stesso volume di alimentazione per unità di area della membrana, la stessa velocità di taglio della superficie della membrana e lo stesso flusso operativo iniziale. Inoltre, devono essere presi in considerazione i processi dinamici di concentrazione-diafiltrazione, la fluidodinamica verificata sperimentalmente e le deviazioni dell'hardware del sistema. Queste misure aiutano a garantire che il flusso del permeato e il coefficiente di setacciatura dei sistemi di filtrazione su scale diverse rimangano il più costanti possibile in ogni momento.

Principio 1: Mantenere lo stesso volume di mangime processato per unità di area della membrana

Il flusso del permeato e il coefficiente di setacciatura sono strettamente correlati alle proprietà intrinseche della membrana. A condizione che il materiale della membrana, la dimensione dei pori e la struttura dello schermo del canale rimangano coerenti, per ottenere prestazioni comparabili di flusso di permeato e setacciatura su filtri di diverse dimensioni è necessario che le condizioni della superficie della membrana (inclusa la deposizione del cake e il grado di polarizzazione della concentrazione) rimangano essenzialmente costanti in ogni momento. Per ottenere livelli comparabili di incrostazione della membrana e polarizzazione della concentrazione, il volume della soluzione di alimentazione trattata per unità di area della membrana deve essere lo stesso su sistemi di filtrazione di scale diverse, presupponendo composizione e concentrazione di alimentazione identiche. Pertanto, il rapporto tra volume di alimentazione e area della membrana deve essere mantenuto per filtri di diverse dimensioni, garantendo un volume di alimentazione coerente trattato per unità di area della membrana (L/m²).

La filtrazione a flusso tangenziale (TFF) nella produzione biofarmaceutica coinvolge tipicamente sia l'ultrafiltrazione (UF) per la concentrazione che la diafiltrazione (DF) per lo scambio del tampone. Pertanto, far corrispondere solo il volume di alimentazione iniziale per unità di area della membrana non è sufficiente. Man mano che la concentrazione procede, la concentrazione e la viscosità dell'alimentazione aumentano continuamente, influenzando il grado di polarizzazione della concentrazione e il tasso di incrostazione della membrana. Di conseguenza, il fattore di concentrazione volumetrica (VCF) deve essere mantenuto coerente tra le prove su piccola-scala e su larga-scala in ogni momento. Durante la diafiltrazione, il numero di volumi di diafiltrazione (DV) deve essere esattamente lo stesso, poiché determina direttamente l'efficienza di rimozione delle impurità a basso peso-molecolare-. Inoltre, tutti i criteri dell'endpoint del processo-tra cui il volume del retentato, la concentrazione delle proteine ​​target, il DV massimo e le soglie di allarme TMP-devono essere completamente trasferiti dal modello in scala-ridotta alla produzione su-scala completa.

Principio 2: mantenere la stessa velocità di taglio della superficie della membrana

Nell'industria biofarmaceutica, la maggior parte delle soluzioni di alimentazione che richiedono filtrazione contengono sostanze biologicamente attive. Le forze di taglio esercitate dal fluido che scorre attraverso la superficie della membrana influenzano non solo la formazione del panello e la polarizzazione della concentrazione, ma anche l'attività biologica del prodotto. Pertanto, la velocità di taglio della parete superficiale della membrana deve essere mantenuta in modo coerente tra i sistemi di filtrazione a flusso tangenziale (TFF) su piccola-scala e su larga-scala durante il funzionamento sperimentale.

In generale, le cassette a membrana su larga scala-sono dotate di canali di flusso rettangolari con schermi di supporto in tessuto integrati. Al contrario, la geometria del canale di flusso e la configurazione dello schermo delle cassette a membrana da laboratorio su piccola-scala differiscono significativamente da quelle delle cassette su scala di produzione-.

Affidarsi esclusivamente a simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) per determinare le velocità di taglio delle pareti può introdurre errori dovuti alle ipotesi del modello. In pratica, le simulazioni CFD dovrebbero essere convalidate rispetto alla caduta di pressione misurata sperimentalmente (ΔP) tra l'ingresso e l'uscita della cassetta della membrana. La caduta di pressione attraverso il canale di flusso lato retentato- è un indicatore ingegneristico diretto delle condizioni di taglio. Per le cassette a membrana della stessa serie di prodotti, la caduta di pressione del canale (ΔP) deve essere adattata tra i sistemi su piccola-scala e su larga-scala. La portata di ricircolo deve essere regolata di conseguenza per avvicinare il più possibile le velocità di taglio delle pareti delle cassette a membrana su scale diverse. Tuttavia,velocità di taglio costanti della superficie della membrana non significano necessariamente un'esposizione complessiva coerente al taglio del fluido di processo. I sistemi di laboratorio su piccola-scala utilizzano generalmente pompe peristaltiche, mentre i sistemi di produzione industriale utilizzano prevalentemente pompe centrifughe. Le pompe stesse possono introdurre ulteriore stress di taglio che può danneggiare proteine, virus e altri materiali biologici. Durante lo scale-up, i rischi di aggregazione del prodotto e di perdita di attività biologica causati dal taglio-indotto dalla pompa devono quindi essere attentamente valutati.

Principio 3: Mantenere lo stesso flusso operativo iniziale

Con proprietà della soluzione di alimentazione, caratteristiche della superficie della membrana e condizioni operative costanti, se il flusso iniziale del permeato è lo stesso in condizioni di filtrazione e la superficie della membrana si evolve in modo simile, il successivo flusso di filtrazione rimarrà generalmente costante. Sebbene prima e dopo l'aumento di scala-vengono utilizzate cassette a membrana dello stesso produttore, con materiali della membrana e dimensioni dei pori identici, le differenze nella geometria del canale di flusso della cassetta indicano che la resistenza di filtrazione complessiva dei sistemi potrebbe non essere uguale. Quando la resistenza alla filtrazione differisce tra filtri di diverse dimensioni, sono necessarie diverse impostazioni della pressione transmembrana (TMP) per ottenere lo stesso flusso di permeato.

Il TMP è generalmente definito come la differenza tra la media delle pressioni di ingresso e di uscita e la pressione sul lato del permeato-. Poiché le uscite del permeato dei filtri sia su piccola-scala che su larga-scala sono generalmente aperte alla pressione atmosferica, la pressione del permeato è 0 Pa (pressione relativa). Pertanto, il TMP viene calcolato come la media delle pressioni di ingresso e di uscita. Questo valore rappresenta il TMP medio complessivo attraverso la cassetta della membrana. Tuttavia, la TMP varia spazialmente lungo il canale di flusso, il che significa che la TMP locale può superare il valore medio. I processi di filtrazione generalmente operano in una delle due modalità di controllo: TMP costante o flusso costante. Il funzionamento-TMP costante viene comunemente utilizzato per l'ultrafiltrazione delle proteine. Durante lo scale-up, l'impostazione TMP delle sperimentazioni su piccola-scala non deve essere replicata direttamente; invece, il punto di flesso flusso-TMP dovrebbe essere utilizzato come riferimento. Il funzionamento a flusso costante-è comunemente utilizzato nella microfiltrazione e nell'elaborazione dei vettori virali. Durante l'incremento-, il flusso di permeato dovrebbe avere la priorità come parametro controllato, mentre dovrebbe essere stabilito anche un limite di allarme TMP superiore.

Quando tutti e tre i principi sono soddisfatti, insieme a condizioni iniziali coerenti, il flusso di permeato dei filtri su piccola-scala e su larga-scala dovrebbe teoricamente essere lo stesso in qualsiasi momento dopo l'inizio della filtrazione. Se i profili di flusso del permeato dei due sistemi sono sempre identici, anche i loro tempi di filtrazione totali saranno uguali.

I tre principi di scale-up delineati sopra derivano da condizioni di filtraggio ideali. Tuttavia, nello scale-up effettivo del processo-devono essere prese in considerazione anche le deviazioni non-ideali derivanti dalle differenze nell'hardware delle apparecchiature. Questi includono principalmente il volume di ristagno del sistema-, le differenze nella configurazione del circuito di ricircolo e nel tempo di permanenza del materiale, nonché la generazione di calore causata dal ricircolo del fluido e dal taglio. Inoltre, questa teoria della scala è applicabile solo alle cassette a membrana della stessa configurazione e serie di prodotti. Possono verificarsi deviazioni significative dalle relazioni di scalabilità-lineare quando la configurazione del modulo a membrana cambia o durante l'elaborazione di fluidi ad alta-viscosità, alto-contenuto di solidi-o fluidi non-newtoniani.

Poiché le condizioni operative effettive raramente riescono a soddisfare perfettamente tutti i presupposti teorici, le equazioni teoriche da sole non sono sufficienti per ottenere direttamente il trasferimento del processo. È pertanto necessario stabilire un insieme completo di criteri per valutare la validità del modello di riduzione-. Confrontando i profili di flusso-tempo, i coefficienti di setacciatura, le rese del prodotto, le prestazioni di rimozione delle impurità e gli attributi critici di qualità (CQA)-compresi contenuto aggregato, livelli di particelle e attività biologica-tra sistemi di filtrazione di scale diverse, il modello di riduzione-può essere considerato rappresentativo e affidabile per l'incremento del processo-solo quando viene dimostrata la coerenza tra tutti gli indicatori chiave di prestazione.