Welchen Einfluss hat die Zulaufkonzentration auf Ultrafiltrationskassetten?

Als ich in meinen frühen Tagen als Filterlieferant anfing, mit Ultrafiltrationskassetten (UF) zu arbeiten, habe ich zugegebenermaßen nicht viel über die Futterkonzentration nachgedacht, außer zu prüfen, ob die von mir verarbeitete Lösung „dick genug“ war. Das änderte sich schnell – als ein Biotech-Kunde mit seinem Antikörperkonzentrationsschritt an eine Wand stieß und die Schuld auf häufige Verstopfungen und seltsam inkonsistente Flussraten zurückführte. Es stellte sich heraus, dass sie viel mehr Druck ausübten, als ihre UF-Kassette verarbeiten konnte, und das kostete sie tagelange Ausfallzeiten und eine Menge teurer Produkte. Wenn Sie mit UF-Kassetten arbeiten, ist dies nicht nur ein kleines Detail – es ist einer der größten Hebel, der Ihren Prozess entscheidet, von der Ausbeute bis zur Laufzeit. Lassen Sie uns zusammenfassen, wie sich die Futterkonzentration auf jeden Teil von UF auswirkt und was ich im Laufe der Jahre gelernt habe, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.

Lassen Sie uns zunächst darauf eingehen, was UF-Kassetten tatsächlich leisten, nur um sicherzugehen, dass wir uns einig sind. Wenn Sie neu im Spiel sind: Eine UF-Kassette ist eine eigenständige Einheit mit flachen Membranen (schauen Sie sich unsere anFlachbettkassetteAuf dieser Seite finden Sie die vollständige Aufschlüsselung), die Moleküle nach Größe trennt – kleine Stoffe passieren die Membran, während größere „zurückgehalten“ und auf der Feed-Seite konzentriert werden. Was macht sie in den Bereichen Biopharmazeutika, Lebensmittel und Getränke sowie Abwasser so beliebt? Sie sind kompakt, wiederverwendbar (manchmal, wenn sie richtig gereinigt werden) und viel konsistenter als ältere, handgeschnittene Membranaufbauten. DerKassetten-UltrafiltrationDie von uns angebotene Produktlinie ist für skalierbare Serien konzipiert, von kleinen Laborchargen bis hin zur kompletten Produktion. Aus diesem Grund haben wir mit Kunden zusammengearbeitet, die von Startup-Biotech-Unternehmen bis hin zu globalen Lebensmittelmarken reichen.

Für diejenigen, die sich noch nicht so intensiv mit der Terminologie auskennen, ist die Feed-Konzentration im Wesentlichen die Menge an gelöstem Zielstoff (oder unerwünschtem Stoff) in der Lösung, die Sie in die Kassette pumpen. Wenn Sie beispielsweise monoklonale Antikörper (mAbs) aus einer Zellkulturbrühe konzentrieren, gibt die Futterkonzentration hier an, wie viele Gramm mAb pro Liter dieser Brühe enthalten sind. Es ist nicht nur das Ziel – es sind auch Verunreinigungen wie Zelltrümmer, Medienbestandteile und übrig gebliebene Puffersalze beigemischt. Der Sweet Spot für die Feed-Konzentration ist je nach Molekulargewichtsgrenze (MWCO) Ihrer Membran unterschiedlich, oder? Eine 30KD-UF-Kassette eignet sich hervorragend für kleine Proteine, während eine 500KD-Kassette für größere Moleküle wie virale Vektoren geeignet ist. Ich habe gesehen, dass Kunden unabhängig von der Futterkonzentration die erste Kassette schnappten, die sie sahen, und da beginnen die Fehler.

Beginnen wir mit der unmittelbarsten Auswirkung: der Flussrate. Der Fluss ist das Lösungsvolumen, das pro Flächeneinheit und Stunde durch die Membran fließt – es ist das Rückgrat der UF-Produktivität. Wenn Ihre Futterkonzentration zu hoch ist, sinkt der Fluss schnell und nicht linear. Hier ist der Grund: Während Sie die Lösung verarbeiten, sammeln sich die zurückgehaltenen gelösten Stoffe in der Nähe der Membranoberfläche an und bilden eine sogenannte „Konzentrationspolarisationsschicht“. Diese Schicht wirkt wie eine zusätzliche Barriere, sodass Wasser und kleine gelöste Stoffe härter arbeiten müssen, um durchzukommen. Wenn die Feed-Konzentration zu Beginn besonders hoch ist, wird die Polarisationsschicht schnell dick, und bald wird kaum noch Permeat durchgedrückt. Ich hatte letztes Jahr einen Kunden, der eine 30KD-Ultrafiltrationskassette mit einem dichten Zellkulturüberstand laufen ließ – er fütterte mit 25 g/L Protein, während unsere Empfehlung bei 10–15 g/L lag. Ihr Fluss sank innerhalb von 2 Stunden von 60 l/m²/h auf 12 l/m²/h und sie mussten vorzeitig abschalten, um die Kassette zu reinigen, was 12 Stunden Laufzeit verschwendete. Schlimmer noch: Die hohe Polarisationskonzentration führte dazu, dass einige Proteine ​​in dieser Schicht stecken blieben, sodass ihre Ausbeute 18 % geringer ausfiel als erwartet.

Aber es geht nicht nur um den Fluss – die Futterkonzentration hängt auch direkt mit der Membranverschmutzung zusammen, die der große Schreckgespenst von UF ist. Von Fouling spricht man, wenn gelöste Stoffe, Trümmer oder Aggregate dauerhaft an der Membranoberfläche oder den Porenwänden haften bleiben. Bei überkonzentrierten Zufuhren ist das Problem noch schlimmer. Wenn gelöste Stoffe in der Zufuhr zusammengepfercht sind, ist es wahrscheinlicher, dass sie mit der Membran kollidieren und eingefangen werden. Ich habe im Laufe der Jahre Hunderte von UF-Kassetten gereinigt, und in 80 % der Fälle sind starke Verschmutzungen auf die Futterkonzentration zurückzuführen, die das Zwei- bis Dreifache des empfohlenen Bereichs betrug. Beispielsweise wollte ein Lebensmittelkunde, der Fruchtsaft verarbeitet, in einem Durchgang auf 30° Brix konzentrieren, statt auf 15° Brix (was der ideale Punkt für seine 10KD-Kassette ist). Das Pektin und der Zucker des Safts begannen sich innerhalb von 30 Minuten auf der Membran anzusammeln, und am Ende des Laufs waren die Membranporen teilweise verstopft, so dass sie nur ein Viertel der erwarteten Konzentration erreichten und die Kassette nach drei statt zehn Durchgängen ausgetauscht werden mussten. Das führte zu viel höheren Kosten pro Liter, als wenn sie die Konzentration in zwei Durchgänge mit jeweils niedrigerer Futterkonzentration aufgeteilt hätten.

Der Ertrag ist ein weiterer Bereich, in dem die Futterkonzentration eine große Rolle spielt, insbesondere in der Biopharmazeutik, wo es auf jedes Gramm Produkt ankommt. Wenn Ihr Futter zu konzentriert ist, kommt es nicht nur zu mehr Verschmutzung, sondern es kommt auch zu Produktverlusten auf zwei Arten. Erstens kann die Konzentrationspolarisationsschicht Zielmoleküle einfangen, und wenn sie zu dick wird, werden diese Moleküle beim Entleeren der Kassette möglicherweise mit dem Retentat mitgerissen, anstatt konzentriert zu werden. Zweitens können einige Zielmoleküle (z. B. Proteine) bei hohen Konzentrationen anfangen zu aggregieren, und diese Aggregate sind oft klein genug, um durch die Membran zu schlüpfen oder im Permeat stecken zu bleiben, sodass Sie sie verlieren. Ein viraler Vektorkunde, mit dem ich letztes Jahr zusammengearbeitet habe, verwendete unsere 500KD-Ultrafiltrationskassette, um AAV-Vektoren zu konzentrieren – sie erhöhten die Futterkonzentration auf 1e13 Vektorgenome pro ml, was weit über unserer Empfehlung von 2e12 liegt. Ihr Ertrag betrug nur 45 %, verglichen mit den 82 %, die sie erzielten, als sie die Futterkonzentration auf den richtigen Bereich senkten. Als wir das Retentat testeten, stellten wir fest, dass 30 % ihres Zielvektors in der Konzentrationspolarisationsschicht steckten und weitere 15 % aggregierten und verloren gingen. Das ist die Art von Treffer, die eine ganze Charge wertlos machen kann, insbesondere wenn es sich um GMP-konforme Prozesse handelt, bei denen man nicht einfach nach Lust und Laune mehr Produkt herstellen kann.

Warten Sie, aber bevor Sie denken: „Eine geringere Futterkonzentration ist immer besser“ – das stimmt auch nicht. Wenn Ihr Futter viel zu verdünnt ist, verschwenden Sie Zeit und Kassettenkapazität. UF ist am effizientesten, wenn Sie die Lösung auf ein angemessenes Niveau konzentrieren. Wenn Sie jedoch mit einer zu dünnen Zufuhr beginnen, bewegen Sie viel mehr Volumen als nötig, was die Energiekosten für das Pumpen erhöht und es länger dauert, bis Sie Ihre Zielkonzentration erreichen. Beispielsweise verwendete ein Laborkunde, der eine kleine Proteinprobe konzentrierte, eine 10KD-Kassette mit einer Feed-Konzentration von 0,1 mg/ml – er versuchte, 10 mg/ml zu erreichen, also verarbeitete er 100 ml Lösung, um 10 ml Retentat zu erhalten. Sie brauchten 8 Stunden, im Vergleich zu 2 Stunden, als sie das Futter zuerst durch Zentrifugieren auf 0,5 mg/ml konzentrierten, sodass sie nur 20 ml verarbeiteten. Das ist ein enormer Arbeits- und Zeitunterschied, insbesondere wenn Sie mehrere Chargen pro Tag verarbeiten. Der Schlüssel liegt darin, diesen mittleren Bereich zu erreichen – was ich das „Konzentrationsfenster“ für Ihre spezifische Kassette und Anwendung nenne.

Wie finden Sie also dieses Konzentrationsfenster heraus? Es gibt keine Einheitslösung, aber es gibt ein paar Faustregeln, die wir mit allen unseren Kunden teilen. Überprüfen Sie zunächst den MWCO Ihrer Kassette: Eine Kassette mit einem höheren MWCO (z. B. 500 KD) kann normalerweise eine höhere Feed-Konzentration verarbeiten als eine mit einem niedrigeren MWCO (z. B. 30 KD), da die Poren größer sind und die Polarisation daher weniger problematisch ist. UnserKassetten-TFF-FiltrationsserieAuf der Seite finden Sie spezifische Konzentrationsbereiche für jede Kassette. Als allgemeine Regel gilt jedoch, dass der Gesamtfeststoffgehalt für die meisten Proteinanwendungen nie über 10–15 % und für kleine Moleküle über 5–10 % liegen sollte. Zweitens testen Sie Ihr Futter auf Verunreinigungen: Wenn Ihr Futter viele Ablagerungen oder Aggregate enthält, benötigen Sie eine niedrigere Futterkonzentration, um Verschmutzungen zu vermeiden, unabhängig von Ihrem Zielmolekül. Drittens: Führen Sie zunächst kleine Tests durch und starten Sie nicht einfach die vollständige Produktion. Ein 100-ml- oder 1-L-Testlauf zeigt Ihnen genau, welches Flussmittel Sie erhalten, wie schnell die Verschmutzung einsetzt und mit welcher Ausbeute Sie rechnen können, sodass Sie kein wertvolles Produkt verschwenden.

Eine weitere Sache, die mir im Laufe der Jahre aufgefallen ist, ist, dass die Feed-Konzentration mit anderen Prozessparametern wie der Crossflow-Rate und dem Transmembrandruck (TMP) interagiert. Es ist nicht so, als würde man die Konzentration im Vakuum anpassen – wenn man eine hohe Feed-Konzentration hat, kann man dies etwas kompensieren, indem man die Querströmungsrate erhöht, die die Polarisationsschicht von der Membranoberfläche wegfegt, und TMP erhöht (aber nicht zu stark, da TMP eine Verdichtung der Polarisationsschicht verursachen kann). Aber das ist ein Balanceakt: Höherer Querfluss bedeutet mehr Energie und ein höherer TMP kann zu Membranschäden führen, wenn man nicht aufpasst. Wir raten unseren Kunden immer, vollständige Parametertests durchzuführen, die auch die Futterkonzentration einbeziehen, da die Änderung eines Parameters die anderen beeinträchtigen kann. Beispielsweise versuchte ein Kunde einmal, einen Flussabfall aufgrund einer hohen Feed-Konzentration durch Hochdrehen von TMP zu beheben, und verdichtete dabei letztendlich die Membran, so dass die nächsten Läufe einen noch geringeren Fluss aufwiesen. Deshalb verkaufen wir in unserem Unternehmen nicht nur Kassetten – wir helfen unseren Kunden, diese Prozessschwierigkeiten zu überwinden, denn wir haben fast jeden Fehler gesehen, den man bei der Futterkonzentration machen kann.

Lassen Sie uns auch über langfristige Auswirkungen sprechen, denn die Futterkonzentration wirkt sich nicht nur auf einen einzelnen Lauf aus, sondern auch auf die Lebensdauer der Kassette. Wenn Sie mit überkonzentriertem Futter arbeiten, kommt es zu viel mehr Verschmutzung, was bedeutet, dass Sie die Kassette häufiger reinigen und aggressivere Reinigungsmittel (z. B. einen höheren pH-Wert oder eine höhere Temperatur) verwenden müssen, um die Ablagerungen zu entfernen. Mit der Zeit wird die Membran durch diese aggressive Reinigung beschädigt, sodass die Kassette weniger Läufe aufweist, bevor sie ausgetauscht werden muss. Ich hatte einen Kunden, der unsere Flachblattkassette im Einsatz hatte, und beim fünften Durchgang musste er sie wegen starker Verschmutzung ersetzen, während ein anderer Kunde, der dieselbe Kassette mit der richtigen Futterkonzentration nutzte, mehr als 15 Durchgänge absolvierte. Das ist ein enormer Kostenunterschied, wenn Sie jede Woche oder jeden Monat Kassetten durchgehen.

Kommen wir nun zur Praxis: Was sollten Sie eigentlich tun, wenn Ihre Futterkonzentration nicht stimmt? Messen Sie es zunächst richtig. Viele Kunden gehen von der „visuellen Dicke“ der Lösung aus, was äußerst ungenau ist. Verwenden Sie ein Brix-Messgerät für Lebensmittel oder ein Absorptionsmessgerät (z. B. A280 für Proteine), um eine genaue Konzentration zu erhalten. Passen Sie dann Ihre Zufuhr an, indem Sie sie entweder verdünnen (wenn sie zu hoch ist) oder sie mit einem kleineren Vorverarbeitungsschritt (z. B. Tangentialflussfiltration mit einer anderen Kassette oder Zentrifugation) weiter konzentrieren, wenn sie zu niedrig ist. Wenn Sie es mit einem einzigartigen Futtermittel zu tun haben, beispielsweise einem kundenspezifischen Biologikum, wenden Sie sich an unser Team. Wir verfügen über Anwendungsspezialisten, die Ihnen dabei helfen können, einen auf Ihre Futtermittelkonzentration zugeschnittenen Prozess zu entwickeln, sei es bei der Auswahl des richtigen MWCO (z. B. 30KD vs. 500KD), der Anpassung des Querstroms oder der Ermittlung der besten Laufzeit.

Ich kann nicht genug betonen, wie sehr kleine Änderungen an der Futterkonzentration Ihren gesamten UF-Prozess verändern können. Es ist kein langweiliges Detail – es ist der Unterschied zwischen einem Lauf, der alle Ihre Ertrags- und Zeitziele erreicht, und einem Lauf, bei dem Sie tagelang Fehler suchen müssen und Produkt und Geld verschwenden. Wir haben unsere gebautKassetten-UltrafiltrationLinie, um flexibel zu sein, mit Optionen für verschiedene MWCOs (wie unsere30kd UltrafiltrationskassettenUnd500KD Ultrafiltrationskassetten), Flachblechdesigns und Aufbauten der TFF-Serie, weil wir wissen, dass der Feed jedes Kunden anders ist. Wenn Sie Probleme mit der Futterkonzentration haben oder Ihren UF-Prozess einfach effizienter gestalten möchten, sind wir für Sie da – wir haben mit Tausenden von Kunden zusammengearbeitet, um deren Konzentrationsfenster richtig einzustellen, und wir können das Gleiche für Sie tun. Lassen Sie nicht zu, dass ein kleines Detail wie die Futterkonzentration Ihre Läufe ruiniert – wenden Sie sich noch heute an unser Team, um mehr über die Optimierung Ihres Prozesses zu erfahren.

Referenzen

1. Belfort, G., Davis, RH und Zydney, AL (1994). Das Verhalten von Suspensionen und makromolekularen Lösungen bei der Crossflow-Mikrofiltration. Journal of Membrane Science, 96(1–2), 1–58.
2. Charcosset, C. (2007). Hydrodynamik und Konzentrationspolarisation in der Ultrafiltration: Ein Überblick. Entsalzung, 211(1–3), 108–122.
3. Zydney, AL (2018). Tangentialflussfiltration für die biopharmazeutische Verarbeitung. Current Opinion in Chemical Engineering, 20, 109–115.
4. Mulder, M. (1996). Grundprinzipien der Membrantechnologie (2. Aufl.). Kluwer Academic Publishers.