Beeinflussen wiederverwendbare TFF-Kassetten die Filtrationsleistung im Laufe der Zeit?

Als Lieferant von wiederverwendbaren TFF-Kassetten (Tangential Flow Filtration) bekomme ich ständig die Frage: Halten unsere Produkte auch bei wiederholtem Gebrauch eine gleichbleibende Leistung? Das ist berechtigt: Bioverarbeitungsteams verlassen sich bei allem, von der Klärung der Zellkultur bis zur Konzentration von Proteinen, auf TFF, und Ausfallzeiten aufgrund leistungsschwacher Geräte können ganze Produktionspläne zum Scheitern bringen. Nachdem ich acht Jahre lang in der Membranfiltrationstechnologie gearbeitet habe, habe ich gesehen, wie Teams zwischen Einweg- und wiederverwendbaren TFF-Kassetten wechselten, oft in der Annahme, dass eine von Natur aus besser ist als die andere. Die Wahrheit über die Leistung im Laufe der Zeit ist jedoch differenziert und hängt nicht nur von der Kassette selbst ab, sondern auch davon, wie sie gereinigt, gelagert und bedient wird.

Beginnen wir mit den Grundlagen: TFF-Kassetten funktionieren, indem sie Flüssigkeit parallel zu einer Membranoberfläche drücken und so kleine Partikel passieren lassen, während größere zurückgehalten werden. Bei wiederverwendbaren Modellen sind Membran und Kassettenrahmen so konzipiert, dass sie zerlegt, gereinigt und wiederaufbereitet werden können, anstatt wie eine Einwegeinheit nach einmaligem Gebrauch entsorgt zu werden. Der Schlüssel hier ist, dass die Leistung nicht einfach abnimmt – sie lässt aus bestimmten, vorhersehbaren Gründen nach, und hier können wiederverwendbare Kassetten entweder die Leistung von Einwegkassetten (bei richtiger Pflege) übertreffen oder bei falscher Wartung nicht überzeugen.

Einer der häufigsten Mythen besagt, dass sich wiederverwendbare Kassetten schnell abnutzen. Ich habe gesehen, dass Kassetten mehr als 50 Läufe durchlaufen haben und bei ordnungsgemäßer Reinigung immer noch 90 % ihres ursprünglichen Flusses (der Flüssigkeitsflussrate durch die Membran) liefern. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn Sie wichtige Reinigungsschritte überspringen. Wenn Sie eine TFF-Kassette verwenden, bildet sich auf der Membranoberfläche und in den Poren eine Schicht aus Verschmutzungen – Proteinaggregate, Zelltrümmer oder Medienbestandteile. Wenn Sie zwischen den Läufen nur kurz mit Wasser spülen, verhärten sich diese Verschmutzungen und setzen sich in den Poren der Membran fest. Mit der Zeit verringert sich dadurch die effektive Porengröße und blockiert den Durchfluss. Beispielsweise könnte eine 0,22-um-Mikrofiltrationskassette, die mit vollem Fluss startet, nach 10 Durchgängen um 30–40 % sinken, wenn sie nur mit Wasser gereinigt wird. Wenn Sie jedoch eine alkalische Reinigungslösung (z. B. 0,1 M NaOH) mit Umwälzung verwenden und dann mit Säure und Wasser spülen, bleibt dieselbe Kassette nach 15 Durchgängen bei 85 % Flussmittel.

Aus diesem Grund haben wir unsere TFF-Membrankassettenserie mit einfach zu zerlegenden Rahmen und kompatiblen Membranen aufgebaut, die der Proteinbindung widerstehen. Unser Forschungs- und Entwicklungsteam hat 10 verschiedene Membrantypen getestet, um Membrantypen zu finden, die Schmutzstoffe ohne Zersetzung freisetzen. Aus diesem Grund funktionieren unsere wiederverwendbaren Kassetten über alle Läufe hinweg konstant. Wir haben auch spezielle Modelle für Arbeiten im Labormaßstab – unsere Scales Lab-Mikrofiltrationskassetten zum Beispiel sind für kleine Bioreaktoren und mehrere kleine Läufe ausgelegt, sodass Labore keine Kompromisse zwischen Kosten und Leistung eingehen müssen.

Ein weiterer Faktor, der die Langzeitleistung beeinträchtigt, ist die Schädigung der Membran. Wiederverwendbare Kassetten erfordern eine physische Handhabung während der Demontage und Reinigung. Wenn ein Techniker eine harte Bürste verwendet oder die Membran zu stark schrubbt, kann die dünne Membranschicht reißen, was zu Produktverlusten führt (insbesondere bei Zielproteinen). Unsere Kassetten verfügen über eine weiche Membranoberfläche und klare Handhabungshinweise, um dies zu verhindern, aber selbst dann sind 15–20 % der Leistungseinbußen auf menschliches Versagen bei der Handhabung zurückzuführen. Bei Einwegkassetten wird dies vollständig vermieden, aber diese Einsparungen gehen in den langfristigen Kosten verloren – unsere Kunden sagen uns, dass sie die Filterkosten um 60 % senken, wenn sie von Einweg- auf unsere wiederverwendbaren TFF-Kassetten umsteigen, sogar unter Berücksichtigung gelegentlich beschädigter Einheiten.

Schauen wir uns die Daten unserer letzten Feldtests an. Wir haben mit einem Biotech-Unternehmen zusammengearbeitet, das monoklonale Antikörper (mAbs) für klinische Studien konzentriert. Sie ließen ihr mAb-Ausgangsmaterial auf einer 0,65-um-Mikrofiltrationskassette laufen, reinigten es dann, lagerten es in einer gepufferten Lösung und verwendeten es über 22 Läufe wieder. Ihr anfänglicher Fluss betrug 120 LMH (Liter pro Quadratmeter und Stunde) und nach 22 Durchgängen betrug er 98 LMH – nur ein Rückgang um 18 %. Sie testeten auch die wiederverwendbare Kassette eines Mitbewerbers, die nach 15 Durchläufen einen Flussabfall von 45 % aufwies, da ihre Membran eine aggressivere Reinigung erforderte, die die Porenstruktur beeinträchtigte. Der Unterschied? Unsere Membran besteht aus einer Polyethersulfon-Mischung (PES), die der Zersetzung durch Standardreinigungsmittel widersteht, während der Wettbewerber eine Zellulosemembran verwendete, die bei wiederholter alkalischer Einwirkung zerfällt.

Moment, aber was ist mit Fällen, in denen die Leistung stark abnimmt? Das liegt fast immer an unsachgemäßer Lagerung. Wenn eine wiederverwendbare Kassette trocken gelagert wird, kann die Membran reißen oder schrumpfen, wodurch sich die Porenstruktur verändert. Wenn es in einer aggressiven chemischen Lösung (z. B. unverdünntem Bleichmittel) gelagert wird, kann es die Membranporen verätzen und sie größer als vorgesehen machen. Wir empfehlen, unsere Kassetten in einer 20 %igen Ethanollösung bei 4 °C aufzubewahren, um mikrobielles Wachstum zu verhindern, ohne die Membran zu beschädigen. Teams, die diese Richtlinie befolgen, stellen über mehrere Monate hinweg nur minimale Leistungsveränderungen fest, während diejenigen, die diese Richtlinie überspringen, oft von Flussverlusten von 50 % oder mehr berichten.

Ein weiterer Punkt: Flussrückgewinnung. Eine gängige Messgröße für die TFF-Leistung ist die prozentuale Flussmittelrückgewinnung nach der Reinigung. Da sie jedes Mal neu sind, verfügen Einwegkassetten konstruktionsbedingt über eine 100-prozentige Flussrückgewinnung. Aber wiederverwendbare Kassetten sollten nach jeder ordnungsgemäßen Reinigung einen Wirkungsgrad von 90 % oder mehr erreichen. Liegt der Wert einer wiederverwendbaren Kassette unter diesem Wert, ist dies ein Zeichen dafür, dass entweder die Reinigung unzureichend ist, die Membran beschädigt ist oder sich festgesetzte Verschmutzungen festgesetzt haben. Wir legen jeder Kassette ein Flussmittel-Testkit bei, um Kunden dabei zu helfen, die Leistung zwischen den Läufen zu überprüfen, damit sie Probleme frühzeitig erkennen können, bevor sie sich auf ihren Prozess auswirken. Dies ist besonders wichtig für Scale-Up-Läufe – selbst der Verlust von 10 % Flussmittel kann die Produktionszeit um Stunden verlängern, was Ausfallzeiten in Höhe von Tausenden von Dollar kostet.

Ich habe auch gesehen, dass Teams davon ausgegangen sind, dass wiederverwendbare Kassetten nur für bestimmte Anwendungen funktionieren. Einige denken beispielsweise, dass sie nicht zur Zellklärung verwendet werden können, aber unsere 0,22-um-Mikrofiltrationskassetten werden regelmäßig zur Klärung von CHO-Zellkulturen verwendet. Wir haben einen Kunden in der Impfstoffherstellung, der sie zum Filtern viraler Vektoren verwendet, und sie haben über 30 Läufe hinweg eine konstante Leistung erzielt. Der Schlüssel liegt darin, die Porengröße und den Membrantyp der Kassette an die Anwendung anzupassen. Wenn Sie große Zelltrümmer filtern, ist eine größere Porengröße (z. B. 0,65 µm) besser und langlebiger als eine kleinere Pore, die anfälliger für Verstopfungen ist.

Hier gibt es einen Vorbehalt: Wiederverwendbare Kassetten haben einen Lebenszyklus. Selbst bei perfekter Pflege wird die Membran je nach Anwendung nach 50–60 Durchläufen irgendwann abbauen. Dann ist es an der Zeit, die Membran auszutauschen, nicht die gesamte Kassette. Unsere Kassettenrahmen sind so konzipiert, dass sie wiederverwendet werden können. Sie zahlen also nur für neue Membranen, was die Kosten noch weiter senkt. Bei Einwegkassetten muss jedes Mal eine neue Einheit gekauft werden, sodass sich die Lebenszykluskosten schnell summieren – bei 20 Läufen kann ein Kunde dreimal mehr für Einwegeinheiten ausgeben als für unsere wiederverwendbaren Kassetten mit Membranaustausch.

Um also auf die ursprüngliche Frage zurückzukommen: Beeinträchtigen wiederverwendbare TFF-Kassetten die Filterleistung im Laufe der Zeit? Die Antwort ist nein –WennSie werden ordnungsgemäß gehandhabt, gereinigt und gelagert. Die von den Teams gemeldeten Leistungsprobleme hängen fast nie mit der wiederverwendbaren Technologie zusammen, sondern mit der Art und Weise, wie sie die Kassetten verwenden (oder missbrauchen). Als Lieferant haben wir mit Hunderten von Kunden zusammengearbeitet, um ihre Prozesse anzupassen, von der Umstellung von Reinigungsmitteln bis hin zur Implementierung von Lagerungsprotokollen, und fast alle haben eine langfristige Stabilisierung oder Verbesserung ihrer Leistung im Vergleich zu Einwegalternativen festgestellt.

Wenn Sie erwägen, auf wiederverwendbare TFF-Kassetten umzusteigen, oder Leistungsprobleme mit Ihrem aktuellen Setup beheben möchten, sind wir hier, um Ihnen zu helfen. Unser Team kann mit Ihrer spezifischen Anwendung arbeiten, sei es Laborforschung oder groß angelegte Bioproduktion, um Ihnen die richtige Kassette zu empfehlen und Sie durch Reinigungs- und Wartungsschritte zu führen, damit die Leistung über einen längeren Zeitraum konstant bleibt.

Zögern Sie nicht, sich für Beschaffungsdetails und maßgeschneiderte Lösungen, die auf Ihre Filtrationsanforderungen zugeschnitten sind, an unser Team zu wenden.

Referenzen

1. Zydney, AL (2018). Tangentialflussfiltration: Prinzipien, Design und Bioprozessanwendungen. Springer.
2. Lue, B., et al. (2020). Leistungsvergleich von wiederverwendbaren und Einweg-TFF-Kassetten für die Konzentration monoklonaler Antikörper. Journal of Membrane Science, 598, 117682.
3. FDA. (2022). Leitfaden für die Industrie: Wiederverwendbare Membranfiltersysteme für die biopharmazeutische Verarbeitung. US-amerikanische Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde.
4. Chen, Y., et al. (2019). Schmutzentfernung aus Tangentialfluss-Filtrationsmembranen: Einfluss von Reinigungsprotokollen auf die Langzeitleistung. Biotechnologie und Bioingenieurwesen, 116(10), 2645-2655.
5. GE Healthcare. (2021). Wiederverwendbare vs. Einweg-TFF: Analyse der Gesamtbetriebskosten. Bericht zur Bioverarbeitungstechnologie.