Estudo sobre caracterização de processos de cassetes de membrana de ultrafiltração na área biofarmacêutica (parte 1)

A Caracterização do Processo (PC) é estudada principalmente na influência da entrada do processo na saída do processo, e a faixa de controle dos parâmetros do processo pode ser determinada por estudo, o que melhoraria a estabilidade do processo, reduziria as diferenças de lote e reduziria o risco de falha. Garanta que os lotes de validação de desempenho do processo (PPQ) e os lotes de produção comercial produzam consistentemente produtos que atendam aos padrões de qualidade.

 

Objetivo específico

Identifique os parâmetros do processo que afetam a qualidade e o rendimento do produto: A caracterização do processo permite determinar quais parâmetros do processo têm um impacto significativo nos principais atributos de qualidade (CQA) de um produto.

‌Determinar a gama de parâmetros operacionais e padrões aceitáveis: isso inclui determinar a faixa de controle dos parâmetros do processo para garantir que os produtos produzidos atendam aos padrões de qualidade predeterminados.

‌Determinar a relação entre os parâmetros do processo e os principais parâmetros de qualidade: Ao analisar a relação entre os parâmetros do processo e os principais parâmetros de qualidade, o fluxo do processo pode ser otimizado e a qualidade do produto pode ser melhorada.

À medida que mais e mais produtos biofarmacêuticos entram na fase de estudos clínicos críticos/registrados, o trabalho de caracterização de processos e validação de processos (PV) é gradualmente colocado na agenda. A caracterização e validação de processos com base no conceito QbD é uma das tarefas mais importantes na pesquisa farmacêutica pré-comercialização.

 

O processo de ultrafiltração tornou-se uma etapa indispensável no processo de produção biofarmacêutica e o cassete de membrana plana tornou-se, portanto, um consumível chave na produção biofarmacêutica. O estudo da caracterização do processo de cassetes de membranas de ultrafiltração no campo das aplicações biofarmacêuticas é sem dúvida crucial e está relacionado com os interesses centrais e o desenvolvimento de produtos a longo prazo. O objetivo do estudo de caracterização do processo de cassete de membrana de ultrafiltração é estudar a influência dos parâmetros operacionais do processo de ultrafiltração no desempenho do processo/qualidade do produto, a fim de determinar os principais parâmetros do processo e seus pontos de ajuste e faixa aceitável. O cassete de membrana é um importante componente da membrana do sistema de ultrafiltração de fluxo tangencial. O processo de produção de ultrafiltração de fluxo tangencial é determinado por muitos parâmetros, entre os quais os principais parâmetros do processo são: seleção do material da membrana, seleção do tamanho dos poros da membrana, controle de fluxo tangencial, controle eficaz de TMP, verificação de carga, seleção da área da membrana, limpeza do sistema, vida útil da membrana verificação, otimização da diálise, etc. Esses parâmetros não apenas afetam uns aos outros, mas também se restringem. Para atingir o objetivo de melhorar a estabilidade do processo e a eficiência da produção ao mesmo tempo, é necessário primeiro otimizar esses parâmetros. Abaixo apresentamos brevemente as ideias de otimização de vários parâmetros-chave do processo.

 

Seleção de material de membrana

Os materiais do cassete de membrana de ultrafiltração são poliéter sulfona (PES), celulose regenerada (RC), fluoreto de polivinilideno (PVDF) e assim por diante.

Poliéter sulfona (PES)

PES é a membrana de ultrafiltração mais utilizada atualmente. O PES possui forte hidrofobicidade ou lipofilicidade, portanto possui baixo fluxo de água e baixa capacidade antipoluição. Portanto, a maioria das membranas PES no mercado são poliéter sulfona hidrofílica modificada (PESU). A membrana PESU é caracterizada por alto fluxo, resistência a ácidos e álcalis, resistência à pressão, resistência ao calor e resistência à oxidação. É usado principalmente em soluções proteicas de alta concentração (como anticorpos monoclonais, HSA, IgG, proteínas recombinantes, etc.), colheita de células, vacinas, antibióticos, agentes de contraste, medicina tradicional chinesa, drogas sintéticas, etc.

 

Celulose regenerada (RC)

Comparado com outros materiais, a maior vantagem do RC é a adsorção proteica extremamente baixa. Além disso, a celulose é mais compatível com solventes orgânicos do que a poliéter sulfona, mas não pode ser limpa e conservada com altas concentrações de NaOH. A membrana RC é usada principalmente em soluções proteicas de baixa concentração, o rendimento proteico tem altos requisitos e a solução contém solventes orgânicos, mas nem todos os solventes orgânicos podem ser ultrafiltrados com membrana de celulose, é necessário selecionar contra a compatibilidade da membrana.

Fluoreto de polivinilideno (PVDF)

O PVDF é um material polimérico especial com excelente estabilidade química, estabilidade térmica e resistência às intempéries, além de boa resistência mecânica e resistência à compressão. Esta membrana tem alta permeabilidade e baixa capacidade de bloqueio, pode transferir efetivamente pequenas moléculas e água, ao mesmo tempo que bloqueia grandes moléculas e partículas sólidas. No campo da biomedicina, a membrana de PVDF pode ser usada para a preparação de proteínas purificadas, cultura celular, separação de sangue, etc. Embora a membrana de ultrafiltração de PVDF tenha bom desempenho, ela é frequentemente usada no processo de microfiltração.

 

Seleção de abertura de membrana

O tamanho dos poros de ultrafiltração é um dos importantes índices de desempenho da membrana de ultrafiltração, que afeta diretamente a eficiência de separação e o fluxo da membrana. Uma abertura muito grande leva a um efeito de filtração deficiente e não pode remover impurezas com eficácia; A abertura muito pequena reduzirá a velocidade de filtração e até mesmo causará bloqueio, afetando a vida útil da membrana de ultrafiltração. ‌

A seleção do tamanho dos poros da membrana é geralmente 3-6 vezes o peso molecular da substância alvo, preferencialmente 5 vezes, e uma alta taxa de fluxo é alcançada enquanto garante alta recuperação. A tabela a seguir mostra as aberturas comumente usadas do cassete de membrana em alguns cenários de aplicação.

 

Controle de fluxo tangencial

Fluxo tangencial‌ é a velocidade de um fluido que passa através e paralelamente à superfície de uma membrana, geralmente expressa em litros por minuto (L/min) ou litros por metro quadrado por hora (L/㎡/h) ‌. O fluxo tangencial desempenha um papel fundamental na ultrafiltração de fluxo tangencial, que determina o modo de fluxo do fluido na superfície da membrana, afetando assim a eficiência da filtração e a vida útil da membrana. O fluxo tangencial tem um efeito de "limpeza" na superfície da membrana do filtro, e aumentar adequadamente a taxa de fluxo tangencial ajuda a aliviar a polarização da concentração e aumentar o fluxo. Contudo, um fluxo tangencial muito elevado também aumentará a força de cisalhamento submetida ao produto, o que pode levar a uma diminuição na atividade do produto. Portanto, a seleção da vazão tangencial apropriada precisa considerar a tolerância da amostra e os requisitos do processo de filtração ‌.

A taxa de fluxo tangencial depende em grande parte da estrutura do cassete de membrana e do tipo de tela selecionado. Diferentes fornecedores recomendarão diferentes taxas de fluxo tangencial de acordo com as características de seus próprios cassetes de membrana. A vazão tangencial recomendada pela membrana de ultrafiltração Guidling é de 4-6L/m²/min, mas para algumas amostras sensíveis, pode ser apropriadamente inferior à faixa recomendada de acordo com a situação real.

 

Controle eficaz da pressão transmembrana (TMP)

TMP é um parâmetro chave no processo de ultrafiltração de fluxo tangencial‌. A pressão transmembrana efetiva (TMP, unidade: bar ou psi) refere-se à diferença média de pressão entre os dois lados da membrana. Fluxo (L/m²/h, L/m²/h, LMH) é a quantidade de fluido que passa através da membrana por unidade de tempo por unidade de área de membrana. No processo de ultrafiltração de fluxo tangencial, o TMP está intimamente relacionado ao Flux.

No processo de ultrafiltração de fluxo tangencial de fluxo constante, a relação entre Flux e TMP pode ser dividida em duas etapas.

TMP= (Pin+Pout) /2-Pp (Pin= pressão de alimentação, Pout= pressão de retorno, Pp= pressão de transmissão).

Região relacionada à pressão: Inicialmente, o Fluxo é afetado apenas pela resistência da membrana do filtro, portanto o Fluxo aumentará linearmente quando o TMP for aumentado.

 

Área independente de pressão ou área de controle da camada de gel: Com o aumento contínuo do TMP, a membrana do filtro é gradualmente polarizada pela concentração, e parte do aumento do TMP é compensada pela resistência da camada de polarização da concentração, de modo que o aumento do Fluxo diminui gradualmente . Até que finalmente, a membrana do filtro é completamente polarizada pela concentração, e o aumento do TMP é completamente compensado pela resistência da camada polarizada pela concentração. Neste momento, o Fluxo não aumenta mais.

No processo de otimização do fluxo tangencial TMP, o Flux Flux e o TMP são plotados para encontrar o ponto de inflexão do TMP (o fluxo não muda com o aumento do TMP), e 70-80% do valor da inflexão ponto do TMP é geralmente considerado o melhor ponto do TMP. Neste momento, a membrana do filtro não foi completamente polarizada pela concentração e o valor do fluxo é relativamente alto.

 

Verificação de carga

Capacidade (L/m² ou g/m²) refere-se ao volume ou massa do líquido filtrante por metro quadrado de área da membrana. Este é um dos indicadores mais importantes para medir o desempenho da filtração. A carga de diferentes líquidos varia muito, mesmo que seja utilizado o mesmo líquido (como vacinas), devido aos diferentes processos de vários fabricantes, a seleção e carga do filtro e outros indicadores de desempenho não são os mesmos.

 

A seguir está a capacidade recomendada dos cassetes de membrana de ultrafiltração Guidling para diferentes áreas de membrana.

Antes que o processo seja determinado, experimentos de pesquisa e desenvolvimento precisam ser realizados, e cassetes de membrana de {{0}},11m² ou 0,5m² são geralmente usados ​​na fase de pesquisa e desenvolvimento. Fazendo o teste inicial usando cassete de membrana de 1{{10}}kd 0.11m² por 45min para processar 2L de líquido como exemplo, a fim de determinar a carga do cassete de membrana de 10kd 0,11㎡, o o tempo de processo foi determinado primeiro, e o tempo de processamento de 4L, 5L e 6L foi registrado respectivamente com a pressão de teste de TMP <1,0bar até o especificado o tempo do processo foi atingido. Neste momento, a capacidade de processamento correspondente é a carga máxima do cassete de membrana de 10kd 0,11m² no tempo estimado de processo. Na produção real, a amplificação proporcional pode ser feita.

Se você quiser saber mais sobre a carga dos cassetes de membrana de ultrafiltração Guidling, entre em contato conosco para uma discussão mais aprofundada.

 

Sobre Guidling

A Guidling Technology é uma empresa nacional de alta tecnologia com foco em produtos biofarmacêuticos, cultura celular, purificação e concentração de biomedicina, diagnóstico e fluidos industriais. Desenvolvemos com sucesso dispositivos de filtro centrífugo, cassetes de ultrafiltração e microfiltração, filtro de vírus, sistema TFF, filtro de profundidade, fibra oca, etc. Nossas membranas e filtros de membrana são amplamente utilizados em concentração, extração e separação de pré-filtração, microfiltração, ultrafiltração e nanofiltração. Nossas diversas linhas de produtos, desde filtração laboratorial pequena e descartável até sistemas de filtração de produção, testes de esterilidade, fermentação, cultura celular e muito mais, atendem às necessidades de testes e produção. A Guidling Technology está ansiosa para cooperar com você!