Sollten wir bei der Auswahl eines Tangentialflussfiltrationssystems (TFF) eine Hohlfaserkartusche oder eine flache Kassettenmembran verwenden?

Die Tangentialflussfiltration (TFF) wird sowohl in der biopharmazeutischen als auch in der chemisch-pharmazeutischen Verarbeitung häufig als Schlüsseltechnologie für den Pufferaustausch und die Reinigung eingesetzt. Unter allen Prozesskomponenten ist die Auswahl der Membrankassette bzw. des Hohlfasermoduls besonders kritisch

 

Zunächst eine kurze Einführung zu Hohlfasermodulen und Membrankassetten:

Hohlfasermodul:
Die Feed-Lösung strömt axial durch das Lumen der Hohlfasern, während das Permeat radial durch die Membranwand strömt.

Membrankassette:
Mehrere flache -Blattmembranen werden übereinander gestapelt und typischerweise durch Siebe oder Strömungsabstandshalter getrennt, die tangentiale Strömungskanäle zur Verbesserung des Stofftransfers erzeugen.

 

1. Vergleich der wichtigsten Leistungsparameter

A. Fluss-/Massenübertragungseffizienz (Verarbeitungsgeschwindigkeit)

Membrankassetten erzielen im Allgemeinen einen höheren Fluss und kürzere Verarbeitungszeiten.
Die Abstandshalter-/Siebstruktur erzeugt Turbulenzen an der Membranoberfläche, reduziert die Bildung einer Gelschicht und verbessert die Stoffübertragungseffizienz sowie die Gesamtflussleistung.

Hohlfasermodule bieten normalerweise einen etwas geringeren, aber stabileren Fluss.
Ihre offenen Strömungskanäle verringern den hydraulischen Widerstand und machen sie bei der Verarbeitung von Futterströmen mit hohem {0}Feststoffgehalt oder hoher{1}}Viskosität weniger anfällig für plötzliche Verschmutzungen.

Fallbeispiel:
Bei der UF/DF-Verarbeitung von LNP--mRNA haben Studien gezeigt, dass Membrankassetten unter identischen TMP-Bedingungen (weniger als oder gleich 5 psi) und Feed-Parametern einen deutlich höheren Fluss zeigten, während Hohlfasermodule eine geringere Scherung, aber einen leicht reduzierten Durchsatz boten.

B. Scherkraft (Auswirkung auf Partikel, Viren und Biomoleküle)

Hohlfasermodule gelten allgemein als schonender.
Ihr offenes{0}Kanaldesign bedeutet, dass die Scherung hauptsächlich dem Standardverhalten der röhrenförmigen Strömung folgt und quantitativ über die Durchflussrate und den Faserinnendurchmesser gesteuert werden kann, wodurch sie für scherempfindliche Materialien geeignet sind.

Membrankassetten führen aufgrund der Abstandshalterstruktur zusätzliche Scherkräfte ein.
Dies verbessert zwar den Stoffübergang, kann aber auch die lokale Scherspannung erhöhen.

C. Verschmutzungsbeständigkeit / Umgang mit hohen Feststoffen und hoher Viskosität

Hohlfasermodule zeigen deutliche Vorteile bei der Verarbeitung von Materialien mit hohem -Feststoffgehalt- oder viskosen Materialien.

Der offene Strömungsweg verringert den Flüssigkeitswiderstand und trägt dazu bei, einen stabilen Fluss unter anspruchsvollen Zufuhrbedingungen aufrechtzuerhalten.

Membrankassetten eignen sich im Allgemeinen besser für Anwendungen mit niedrigem bis mittlerem Feststoffgehalt, bei denen ein hoher Durchsatz und eine schnellere Verarbeitung Priorität haben.
Ihr verbessertes Stofftransferdesign kann eine starke Leistung liefern, obwohl sehr viskose oder hoch{0}feste Systeme je nach Membranmaterial, MWCO/Porengröße und Prozessbedingungen einen schnelleren Flussabfall erfahren können.

D. Druckabfall und Betriebsfenster (TMP und Speisedruck)

In Hohlfasersystemen können Druckabfall und Scherung durch Faserdurchmesser, Faserlänge und Querströmungsrate gesteuert werden.
Kleinere Faserdurchmesser erhöhen die Scherung, während längere Strömungswege den Druckabfall erhöhen.

In der Praxis werden Hohlfaser-TFF-Systeme üblicherweise mithilfe von TMP-basierten Berechnungen entworfen und skaliert.

E. Konzentrationsfaktor, Wiederherstellungsrate und Haltevolumen

Membrankassetten sind oft vorteilhafter für Anwendungen mit hoher -Konzentration und hohen Konzentrationsfaktoren.

Branchenerfahrungen zeigen, dass Membrankassetten im Vergleich zu Hohlfasersystemen eine kompaktere Struktur, eine bessere Druckbeständigkeit, eine höhere Konzentrationsfähigkeit und häufig eine höhere Produktrückgewinnung bieten.

Hohlfasermodule können je nach Moduldesign und Systemkonfiguration größere Haltevolumina aufweisen, was bei der Verarbeitung kleiner Chargen hochwertiger Materialien kritischer sein kann.

F. Zuverlässigkeit und Lebensdauer: Faserbruch vs. Wartung

Ein potenzielles Risiko von Hohlfasersystemen ist Faserbruch und strukturelle Brüchigkeit.
Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass Hohlfasern gelegentlich brechen können und bestimmte Porenstrukturen (z. B. finger{0}}ähnliche Strukturen anfälliger für Beschädigungen sein können.

Auch Membrankassetten erfordern eine ordnungsgemäße Wartung, allerdings kann ihre Lebensdauer bei entsprechender Reinigung und Lagerung recht lang sein.
Es ist wichtig, ein Austrocknen der Membran zu vermeiden und die Membran nach der Verschmutzung umgehend zu regenerieren.

G. Einmal-Verwendung, Sterilität und Skalierung-

Hohlfasermodule für den einmaligen{0}}Gebrauch erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, da sie in der Regel vor-benetzt, gammasterilisiert und gebrauchsfertig geliefert werden, was die Anforderungen an die Reinigungsvalidierung erheblich reduziert.
Sie können auch effizient von der Laborentwicklung bis hin zur Fertigung im Großmaßstab-skaliert werden.

Hochskalierungslogik-:
Sowohl Hohlfasermodule als auch Membrankassetten können durch Vergrößerung der Membranoberfläche oder den Parallelbetrieb mehrerer Einheiten vergrößert werden. In der Dokumentation von Hohlfaserprodukten wird außerdem betont, dass mehrere Größen verfügbar sind, was eine unkomplizierte Skalierung-vom Labormaßstab auf den Produktionsmaßstab ermöglicht.

 

2. Auswahlvergleichstabelle

 

Dimension Hohlfaserkassetten