Qual o impacto da concentração da solução de alimentação nas cassetes de ultrafiltração?

Quando comecei a trabalhar com cassetes de ultrafiltração (UF), nos meus primeiros dias como fornecedor de filtros, admito que não pensei muito na concentração da alimentação além de verificar se a solução que estava processando era “espessa o suficiente”. Isso mudou rapidamente – quando um cliente de biotecnologia atingiu um obstáculo com sua etapa de concentração de anticorpos, culpando o entupimento frequente e as taxas de fluxo estranhamente inconsistentes. Acontece que eles estavam pressionando muito mais do que seu cassete UF poderia suportar, e isso lhes custou dias de inatividade e um lote de produtos caros. Se você estiver trabalhando com cassetes UF, isso não é apenas um pequeno detalhe – é uma das maiores alavancas que determinam o sucesso ou o fracasso do seu processo, desde o rendimento até o tempo de execução. Vamos analisar como a concentração de ração afeta cada parte da UF e o que aprendi ao longo dos anos para manter tudo funcionando perfeitamente.

Primeiro, vamos basear isso no que os cassetes UF realmente fazem, apenas para ter certeza de que estamos na mesma página. Se você é novo no jogo, um cassete UF é uma unidade independente com membranas planas (confira nossoCassete de Folha Planapágina para a análise completa) que separa as moléculas por tamanho – as coisas pequenas passam através da membrana, enquanto as maiores ficam “retidas” e concentradas no lado da alimentação. O que os torna tão populares em biofarmacêutica, alimentos e bebidas e águas residuais? Eles são compactos, reutilizáveis ​​(às vezes, se limpos corretamente) e muito mais consistentes do que as configurações de membrana antigas cortadas à mão. OUltrafiltração de CassetesA linha que oferecemos é construída para execuções escalonáveis, desde pequenos lotes de laboratório até a fabricação completa, e é por isso que trabalhamos com clientes que vão desde startups de biotecnologia até marcas globais de alimentos.

A concentração de alimentação, para aqueles que ainda não se aprofundaram na terminologia, é basicamente a quantidade de soluto alvo (ou indesejado) na solução que você está bombeando no cassete. Por exemplo, se você estiver concentrando anticorpos monoclonais (mAbs) de um caldo de cultura celular, a concentração de alimentação aqui é quantos gramas de mAb existem por litro desse caldo. Não é apenas o alvo: você também tem impurezas como restos celulares, componentes de mídia e sais tampão restantes. O ponto ideal para a concentração de ração é diferente dependendo do peso molecular de corte (MWCO) da sua membrana, certo? Um cassete UF de 30KD funciona muito bem para proteínas pequenas, enquanto um de 500KD é para moléculas maiores, como vetores virais. Já vi clientes pegarem o primeiro cassete que olham, independentemente da concentração do feed, e é aí que começam os erros.

Vamos começar com o impacto mais imediato: a taxa de fluxo. Fluxo é o volume de solução que passa através da membrana por unidade de área por hora – é a espinha dorsal da produtividade de UF. Quando a concentração de alimentação é muito alta, o fluxo cai rapidamente e não de forma linear. Eis o porquê: à medida que você processa a solução, os solutos retidos se acumulam perto da superfície da membrana, formando o que é chamado de “camada de polarização de concentração”. Essa camada atua como uma barreira extra, de modo que a água e os pequenos solutos precisam trabalhar mais para passar. Se a concentração de alimentação for muito alta para começar, essa camada de polarização fica espessa rapidamente e logo você quase não consegue passar o permeado. Tive um cliente no ano passado que executou um cassete de ultrafiltração de 30KD em um sobrenadante de cultura de células densas – eles estavam se alimentando com 25 g/L de proteína, quando nossa recomendação era de 10–15 g/L. Seu fluxo caiu de 60 L/m²/h para 12 L/m²/h em 2 horas, e eles tiveram que desligar prematuramente para limpar o cassete, desperdiçando 12 horas de tempo de execução. Pior ainda, a polarização de alta concentração fez com que algumas proteínas ficassem presas naquela camada, de modo que seu rendimento foi 18% menor do que o esperado.

Mas não é apenas o fluxo – a concentração de alimentação também está diretamente ligada à incrustação da membrana, que é o grande bicho-papão da UF. A incrustação ocorre quando solutos, detritos ou agregados aderem permanentemente à superfície da membrana ou às paredes dos poros, e é muito pior com alimentos superconcentrados. Quando os solutos estão amontoados na alimentação, é mais provável que colidam com a membrana e fiquem presos. Limpei centenas de cassetes de UF ao longo dos anos e, em 80% das vezes, vestígios de incrustações pesadas remontam à concentração de alimentação que era 2–3x a faixa recomendada. Por exemplo, um cliente do setor alimentício que processava suco de frutas queria concentrar a 30° Brix em uma passagem, em vez de 15° Brix (que é o ponto ideal para seu cassete de 10KD). A pectina e o açúcar do suco começaram a se acumular na membrana em 30 minutos e, no final da corrida, os poros da membrana estavam parcialmente bloqueados, então eles obtiveram apenas um quarto da concentração esperada e tiveram que substituir o cassete após três execuções em vez de 10. Isso resultou em custos por litro muito mais altos do que se eles dividissem a concentração em duas passagens com uma concentração de alimentação menor a cada vez.

O rendimento é outra área onde a concentração da ração atinge fortemente, especialmente na indústria biofarmacêutica, onde cada grama de produto é importante. Quando sua ração está muito concentrada, você não apenas fica com mais incrustações, mas também começa a ver perda de produto de duas maneiras. Primeiro, a camada de polarização de concentração pode capturar moléculas alvo e, se ficar muito espessa, essas moléculas podem ser carregadas com o retentado quando você drena o cassete, em vez de serem concentradas. Em segundo lugar, algumas moléculas-alvo (como proteínas) podem começar a agregar-se em concentrações elevadas, e esses agregados são muitas vezes pequenos o suficiente para deslizar através da membrana ou ficar presos no permeado, perdendo-os. Um cliente de vetor viral com quem trabalhei no ano passado estava usando nosso cassete de ultrafiltração 500KD para concentrar vetores AAV – eles aumentaram a concentração de alimentação para 1e13 genomas de vetor por mL, o que está muito acima de nossa recomendação de 2e12. Seu rendimento foi de apenas 45%, contra os 82% que obtiveram quando reduziram a concentração de ração para a faixa correta. Quando testamos o retentado, descobrimos que 30% do seu vetor alvo estava preso na camada de polarização de concentração e outros 15% foram agregados e perdidos. Esse é o tipo de golpe que pode inutilizar um lote inteiro, especialmente quando você está lidando com processos compatíveis com GMP, onde você não pode simplesmente fabricar mais produtos por capricho.

Espere, mas antes que você pense “menor concentração de ração é sempre melhor” – isso também não é verdade. Se a sua alimentação estiver muito diluída, você estará desperdiçando tempo e capacidade do cassete. A UF é mais eficiente quando você concentra a solução a um nível razoável, mas se você começar com uma alimentação muito fina, estará movimentando muito mais volume do que o necessário, o que aumenta os custos de energia para bombeamento e leva mais tempo para chegar à concentração desejada. Por exemplo, um cliente de laboratório que concentrava uma pequena amostra de proteína estava usando um cassete de 10KD com uma concentração de alimentação de 0,1 mg/mL – eles estavam tentando chegar a 10 mg/mL, então estavam processando 100 mL de solução para obter 10 mL de retentado. Eles levaram 8 horas, contra 2 horas quando concentraram a alimentação primeiro por meio de centrifugação a 0,5 mg/mL, então processaram apenas 20 mL. Essa é uma grande diferença em mão de obra e tempo, especialmente se você estiver executando vários lotes por dia. O segredo é atingir a faixa intermediária – o que chamo de “janela de concentração” para seu cassete e aplicação específicos.

Então, como você descobre essa janela de concentração? Não é um modelo único, mas existem algumas regras práticas que compartilhamos com todos os nossos clientes. Primeiro, verifique o MWCO do seu cassete: um cassete com um MWCO mais alto (como 500KD) geralmente pode lidar com uma concentração de alimentação mais alta do que um MWCO mais baixo (como 30KD), porque os poros são maiores, então a polarização é menos problemática. NossoSérie de filtração Cassetes-TFFA página tem faixas de concentração específicas para cada cassete, mas como regra geral, nunca ultrapasse 10–15% de sólidos totais para a maioria das aplicações de proteínas e 5–10% para moléculas pequenas. Em segundo lugar, teste a presença de impurezas na sua ração: se a sua ração tiver muitos detritos ou agregados, você precisará de uma concentração de ração mais baixa para evitar incrustações, independentemente da molécula alvo. Terceiro, execute primeiro testes em pequena escala – não entre apenas na produção total. Um teste de 100 mL ou 1 L lhe dirá exatamente qual fluxo você obtém, com que rapidez a incrustação se instala e que rendimento você pode esperar, para que você não desperdice produto valioso.

Outra coisa que notei ao longo dos anos é que a concentração de alimentação interage com outros parâmetros do processo, como taxa de fluxo cruzado e pressão transmembrana (TMP). Não é como ajustar a concentração no vácuo – se você tiver uma alta concentração de alimentação, poderá compensar um pouco aumentando a taxa de fluxo cruzado, que afasta a camada de polarização da superfície da membrana, e aumentando o TMP (mas não muito, porque o TMP pode causar compactação da camada de polarização). Mas este é um ato de equilíbrio: maior fluxo cruzado significa mais energia, e maior TMP pode causar danos à membrana se você não tomar cuidado. Sempre aconselhamos os clientes a realizar testes completos de parâmetros que incluam a concentração de ração, pois alterar um deles pode prejudicar os outros. Por exemplo, uma vez um cliente tentou corrigir uma queda de fluxo devido à alta concentração de alimentação aumentando o TMP e acabou compactando a membrana, de modo que suas próximas execuções tiveram fluxo ainda mais baixo. É por isso que em nossa empresa não vendemos apenas cassetes – ajudamos nossos clientes a resolver esses problemas do processo, porque vimos quase todos os erros que você pode cometer com a concentração de ração.

Vamos falar também sobre os efeitos a longo prazo, porque a concentração de alimentação não afeta apenas uma única execução – ela afeta a vida útil do cassete. Se você estiver usando alimentos superconcentrados, estará criando muito mais incrustações, o que significa que terá que limpar o cassete com mais frequência e usar agentes de limpeza mais agressivos (como pH ou temperatura mais elevados) para se livrar do acúmulo. Com o tempo, essa limpeza agressiva degrada a membrana, de modo que o cassete passa menos antes de precisar ser substituído. Tive um cliente que estava operando nosso cassete de folha plana e, na 5ª execução, eles tiveram que substituí-lo por causa de muita incrustação, enquanto outro cliente que estava executando o mesmo cassete na concentração de alimentação correta estava obtendo mais de 15 execuções. Essa é uma enorme diferença de custo quando você usa cassetes todas as semanas e todos os meses.

Agora, vamos ser práticos: o que você realmente deve fazer se a concentração de ração estiver errada? Primeiro, meça corretamente. Muitos clientes passam pela “espessura visual” da solução, o que é super impreciso. Use um medidor Brix para produtos alimentícios ou um medidor de absorbância (como A280 para proteínas) para obter uma concentração precisa. Em seguida, ajuste sua alimentação diluindo-a (se estiver muito alta) ou concentrando-a ainda mais com uma etapa menor de pré-processamento (como filtração de fluxo tangencial com um cassete diferente ou centrifugação) se estiver muito baixa. Se você estiver lidando com uma ração única, como um produto biológico personalizado, entre em contato com nossa equipe – temos especialistas em aplicações que podem ajudá-lo a projetar um processo adaptado à concentração de sua ração, seja escolhendo o MWCO certo (como 30KD vs. 500KD), ajustando o fluxo cruzado ou descobrindo o melhor tempo de execução.

Não consigo enfatizar o suficiente o quanto pequenos ajustes na concentração de alimentação podem mudar todo o seu processo de UF. Não é um detalhe chato: é a diferença entre uma execução que atinge todas as suas metas de rendimento e cronograma e uma execução que deixa você solucionando problemas por dias, desperdiçando produto e dinheiro. Nós construímos nossoUltrafiltração de Casseteslinha seja flexível, com opções para diferentes MWCOs (como nossogavetas da ultrafiltração 30kdeGavetas de ultrafiltração 500KD), designs de folhas planas e configurações da série TFF, porque sabemos que o feed de cada cliente é diferente. Se você está enfrentando problemas de concentração de ração ou apenas deseja tornar seu processo de UF mais eficiente, estamos aqui para ajudar – trabalhamos com milhares de clientes para acertar suas janelas de concentração e podemos fazer o mesmo por você. Não deixe que um pequeno detalhe, como a concentração de alimentação, estrague suas execuções. Entre em contato com nossa equipe para saber mais sobre como otimizar seu processo hoje mesmo.

Referências

1. Belfort, G., Davis, RH e Zydney, AL (1994). O comportamento de suspensões e soluções macromoleculares na microfiltração de fluxo cruzado. Journal of Membrane Science, 96(1–2), 1–58.
2. Charcosset, C. (2007). Polarização hidrodinâmica e de concentração na ultrafiltração: uma revisão. Dessalinização, 211(1–3), 108–122.
3. Zydney, AL (2018). Filtragem de fluxo tangencial para processamento biofarmacêutico. Opinião Atual em Engenharia Química, 20, 109–115.
4. Mulder, M. (1996). Princípios Básicos de Tecnologia de Membranas (2ª ed.). Editores Acadêmicos Kluwer.