¿Cuál es el impacto de la concentración de la alimentación en los cartuchos de ultrafiltración?

Cuando comencé a trabajar con casetes de ultrafiltración (UF) en mis inicios como proveedor de filtros, admito que no pensé mucho en la concentración del alimento más allá de verificar si la solución que estaba procesando era "lo suficientemente espesa". Eso cambió rápidamente, cuando un cliente de biotecnología chocó contra una pared con su paso de concentración de anticuerpos, culpando a las obstrucciones frecuentes y a tasas de flujo extrañamente inconsistentes. Resulta que estaban exigiendo mucho más de lo que su casete UF podía soportar, y les costó días de inactividad y un lote de producto costoso. Si trabaja con casetes UF, esto no es sólo un pequeño detalle: es una de las palancas más importantes que influyen o deshacen su proceso, desde el rendimiento hasta el tiempo de ejecución. Analicemos cómo la concentración de alimento afecta cada parte de la UF y lo que he aprendido a lo largo de los años para que todo funcione sin problemas.

Primero, fundamentemos esto en lo que realmente hacen los casetes UF, solo para asegurarnos de que estamos en la misma página. Si eres nuevo en el juego, un casete UF es una unidad autónoma con membranas planas (consulta nuestraCasete de hoja planapágina para el desglose completo) que separa las moléculas por tamaño: las cosas pequeñas pasan a través de la membrana, mientras que las más grandes quedan “retenidas” y concentradas en el lado de alimentación. ¿Qué los hace tan populares en biofarmacia, alimentos y bebidas y aguas residuales? Son compactos, reutilizables (a veces, si se limpian correctamente) y mucho más consistentes que las configuraciones de membranas más antiguas cortadas a mano. ElUltrafiltración de casetesLa línea que ofrecemos está diseñada para procesos escalables, desde pequeños lotes de laboratorio hasta fabricación completa, razón por la cual hemos trabajado con clientes que van desde nuevas empresas de biotecnología hasta marcas globales de alimentos.

La concentración de alimentación, para aquellos que no han profundizado en la terminología, es básicamente la cantidad de soluto objetivo (o no deseado) en la solución que está bombeando al casete. Por ejemplo, si está concentrando anticuerpos monoclonales (mAb) de un caldo de cultivo celular, la concentración de alimento aquí es cuántos gramos de mAb hay por litro de ese caldo. Tampoco es solo el objetivo: también se mezclan impurezas como restos celulares, componentes de medios y sales tampón sobrantes. El punto óptimo para la concentración del alimento es diferente dependiendo del límite de peso molecular (MWCO) de su membrana, ¿verdad? Un casete UF de 30 KD funciona muy bien para proteínas pequeñas, mientras que uno de 500 KD es para moléculas más grandes, como vectores virales. He visto a clientes coger el primer casete que miran, independientemente de la concentración de alimentación, y ahí es donde empiezan los errores.

Comencemos con el impacto más inmediato: la tasa de flujo. El flujo es el volumen de solución que pasa a través de la membrana por unidad de área por hora; es la columna vertebral de la productividad de UF. Cuando la concentración de alimento es demasiado alta, el flujo cae rápidamente y no de forma lineal. He aquí por qué: a medida que se procesa la solución, los solutos retenidos se acumulan cerca de la superficie de la membrana, formando lo que se llama una "capa de polarización de concentración". Esa capa actúa como una barrera adicional, por lo que el agua y los pequeños solutos tienen que trabajar más para atravesarla. Si la concentración de alimentación es muy alta para empezar, esa capa de polarización se espesa rápidamente y pronto apenas se empuja permeado. El año pasado tuve un cliente que utilizó un casete de ultrafiltración de 30 KD en un sobrenadante de cultivo celular denso; se alimentaban con 25 g/l de proteína, cuando nuestra recomendación era de 10 a 15 g/l. Su flujo cayó de 60 L/m²/h a 12 L/m²/h en 2 horas, y tuvieron que apagarlo para limpiar el casete prematuramente, desperdiciando 12 horas de tiempo de funcionamiento. Peor aún, la polarización de alta concentración provocó que algunas proteínas se quedaran atrapadas en esa capa, por lo que su rendimiento fue un 18% menor de lo esperado.

Pero no se trata sólo del flujo: la concentración de la alimentación también se relaciona directamente con la contaminación de la membrana, que es el gran fantasma de la UF. La contaminación ocurre cuando solutos, desechos o agregados se adhieren permanentemente a la superficie de la membrana o a las paredes de los poros, y es mucho peor con alimentos demasiado concentrados. Cuando los solutos se acumulan en el alimento, es más probable que choquen con la membrana y queden atrapados. He limpiado cientos de casetes de UF a lo largo de los años y el 80 % de las veces, la suciedad intensa se debe a una concentración de alimentación que era entre 2 y 3 veces el rango recomendado. Por ejemplo, un cliente de alimentos que procesa jugo de frutas quería concentrar a 30° Brix en una sola pasada, en lugar de 15° Brix (que es el punto ideal para su casete de 10 KD). La pectina y el azúcar del jugo comenzaron a acumularse en la membrana en 30 minutos, y al final del experimento, los poros de la membrana estaban parcialmente bloqueados, por lo que solo obtuvieron una cuarta parte de la concentración que esperaban y tuvieron que reemplazar el casete después de tres experimentos en lugar de 10. Eso sumó costos por litro mucho más altos que si hubieran dividido la concentración en dos pases con una concentración de alimento más baja cada vez.

El rendimiento es otra área donde la concentración del alimento afecta con fuerza, especialmente en el sector biofarmacéutico, donde cada gramo de producto importa. Cuando su alimento está demasiado concentrado, no solo se ensucia más, sino que también comienza a ver la pérdida de producto de dos maneras. Primero, la capa de polarización de concentración puede atrapar moléculas objetivo y, si se vuelve demasiado espesa, esas moléculas podrían ser arrastradas con el retenido cuando se drena el casete, en lugar de concentrarse. En segundo lugar, algunas moléculas diana (como las proteínas) pueden comenzar a agregarse en altas concentraciones, y esos agregados suelen ser lo suficientemente pequeños como para deslizarse a través de la membrana o quedarse atrapados en el permeado, por lo que se pierden. Un cliente de vectores virales con el que trabajé el año pasado estaba usando nuestro casete de ultrafiltración de 500 KD para concentrar vectores de AAV; aumentaron la concentración de alimentación a 1e13 genomas de vectores por ml, lo que está muy por encima de nuestra recomendación de 2e12. Su rendimiento fue sólo del 45 %, frente al 82 % que obtuvieron cuando redujeron la concentración de alimento al rango correcto. Cuando probamos el retenido, descubrimos que el 30% de su vector objetivo estaba atrapado en la capa de polarización de concentración y otro 15% se agregaba y se perdía. Ese es el tipo de golpe que puede hacer que un lote completo pierda su valor, especialmente cuando se trata de procesos que cumplen con las GMP en los que no se puede producir más producto por capricho.

Espere, pero antes de que piense que “una menor concentración de alimento siempre es mejor”, eso tampoco es cierto. Si su alimento está demasiado diluido, está perdiendo tiempo y capacidad del casete. La UF es más eficiente cuando concentra la solución a un nivel razonable, pero si comienza con una alimentación demasiado fina, está moviendo mucho más volumen del necesario, lo que aumenta los costos de energía para el bombeo y lleva más tiempo llegar a su concentración objetivo. Por ejemplo, un cliente de laboratorio que concentraba una pequeña muestra de proteína estaba usando un casete de 10 KD con una concentración de alimentación de 0,1 mg/ml; intentaban llegar a 10 mg/ml, por lo que estaban procesando 100 ml de solución para obtener 10 ml de retenido. Les tomó 8 horas, frente a 2 horas cuando concentraron el alimento primero mediante centrifugación a 0,5 mg/ml, por lo que solo procesaron 20 ml. Esa es una gran diferencia en mano de obra y tiempo, especialmente si ejecuta varios lotes al día. La clave es alcanzar ese rango medio, lo que yo llamo la “ventana de concentración” para su casete y aplicación específicos.

Entonces, ¿cómo se calcula esa ventana de concentración? No es una solución única para todos, pero existen algunas reglas generales que compartimos con todos nuestros clientes. Primero, verifique el MWCO de su casete: un casete con un MWCO más alto (como 500 KD) generalmente puede soportar una concentración de alimentación más alta que uno con un MWCO más bajo (como 30 KD), porque los poros son más grandes, por lo que la polarización es un problema menor. NuestroSerie de casetes-TFF-filtraciónLa página tiene rangos de concentración específicos para cada casete, pero como regla general, nunca supere el 10-15% de sólidos totales para la mayoría de las aplicaciones de proteínas y el 5-10% para moléculas pequeñas. En segundo lugar, pruebe su alimento en busca de impurezas: si su alimento tiene muchos desechos o agregados, necesita una concentración de alimento más baja para evitar la contaminación, sin importar cuál sea su molécula objetivo. En tercer lugar, ejecute primero pruebas a pequeña escala; no se limite a pasar a la producción total. Una prueba de 100 ml o 1 litro le indicará exactamente qué flujo obtiene, qué tan rápido se produce la incrustación y qué rendimiento puede esperar, para no desperdiciar producto valioso.

Otra cosa que he notado a lo largo de los años es que la concentración de la alimentación interactúa con otros parámetros del proceso, como el caudal cruzado y la presión transmembrana (TMP). No es como ajustar la concentración en el vacío: si tiene una concentración de alimentación alta, puede compensar un poco aumentando la tasa de flujo cruzado, que barre la capa de polarización lejos de la superficie de la membrana, y aumentando la TMP (pero no demasiado, porque la TMP puede causar la compactación de la capa de polarización). Pero esto es un acto de equilibrio: un flujo cruzado más alto significa más energía, y una TMP más alta puede provocar daños en la membrana si no se tiene cuidado. Siempre recomendamos a los clientes que realicen pruebas de parámetros completos que incluyan la concentración de alimento, porque cambiar uno puede alterar los demás. Por ejemplo, una vez un cliente intentó corregir una caída de flujo debido a una alta concentración de alimento aumentando el TMP y terminó compactando la membrana, por lo que sus siguientes ejecuciones tuvieron un flujo aún menor. Es por eso que en nuestra empresa no solo vendemos casetes: ayudamos a nuestros clientes a resolver estos problemas del proceso, porque hemos visto casi todos los errores que se pueden cometer con la concentración de alimento.

Hablemos también de los efectos a largo plazo, porque la concentración de alimento no afecta solo a una sola ejecución, sino que afecta la vida útil del casete. Si utiliza alimentos demasiado concentrados, está generando mucha más suciedad, lo que significa que debe limpiar el casete con más frecuencia y utilizar agentes de limpieza más agresivos (como un pH o una temperatura más altos) para eliminar la acumulación. Con el tiempo, esa limpieza agresiva degrada la membrana, por lo que el casete tiene menos recorridos antes de que sea necesario reemplazarlo. Tuve un cliente que estaba ejecutando nuestro casete de hoja plana y, en la quinta ejecución, tuvieron que reemplazarlo debido a una gran suciedad, mientras que otro cliente que ejecutaba el mismo casete con la concentración de alimentación correcta estaba obteniendo más de 15 ejecuciones. Esa es una enorme diferencia de costos cuando se revisan los casetes cada semana versus cada mes.

Ahora, seamos prácticos: ¿qué debería hacer realmente si su concentración de alimento no es la adecuada? Primero, mídalo correctamente. Muchos clientes se basan en el "grosor visual" de la solución, lo cual es muy inexacto. Utilice un medidor Brix para productos alimenticios o un medidor de absorbancia (como el A280 para proteínas) para obtener una concentración precisa. Luego, ajuste su alimento diluyéndolo (si es demasiado alto) o concentrándolo más con un paso de preprocesamiento más pequeño (como filtración de flujo tangencial con un casete diferente o centrifugación) si es demasiado bajo. Si se trata de un alimento único, como un producto biológico personalizado, comuníquese con nuestro equipo: contamos con especialistas en aplicaciones que pueden ayudarlo a diseñar un proceso adaptado a su concentración de alimento, ya sea eligiendo el MWCO correcto (como 30 KD frente a 500 KD), ajustando el flujo cruzado o determinando el mejor tiempo de ejecución.

No puedo enfatizar lo suficiente cómo pequeños ajustes en la concentración de alimento pueden cambiar todo el proceso de UF. No es un detalle aburrido: es la diferencia entre una ejecución que alcanza todos sus objetivos de rendimiento y cronograma, y ​​una ejecución que lo deja resolviendo problemas durante días, desperdiciando producto y dinero. Hemos construido nuestroUltrafiltración de casetesLa línea debe ser flexible, con opciones para diferentes MWCO (como nuestraCasetes de ultrafiltración de 30 kdyCasetes de ultrafiltración 500KD), diseños de hoja plana y configuraciones de la serie TFF, porque sabemos que el feed de cada cliente es diferente. Si tiene problemas de concentración de alimento o simplemente desea que su proceso de UF sea más eficiente, estamos aquí para ayudarlo: hemos trabajado con miles de clientes para lograr que sus ventanas de concentración sean correctas y podemos hacer lo mismo por usted. No permita que un pequeño detalle, como la concentración del alimento, arruine sus experimentos; comuníquese con nuestro equipo para obtener más información sobre cómo optimizar su proceso hoy.

Referencias

1. Belfort, G., Davis, RH y Zydney, AL (1994). El comportamiento de suspensiones y soluciones macromoleculares en microfiltración de flujo cruzado. Revista de ciencia de membranas, 96(1–2), 1–58.
2. Charcosset, C. (2007). Polarización hidrodinámica y de concentración en ultrafiltración: una revisión. Desalinización, 211(1–3), 108–122.
3. Zydney, AL (2018). Filtración de flujo tangencial para procesamiento biofarmacéutico. Opinión actual en ingeniería química, 20, 109-115.
4. Mulder, M. (1996). Principios básicos de la tecnología de membranas (2ª ed.). Editores académicos de Kluwer.