Teğetsel Akış Filtrasyon (TFF) Sistemleri İçin Ölçek Küçültme ve Ölçek Büyütme Teorisi
Geleneksel çıkmaz filtrelemede, besleme akışının yönü, filtreleme yönü ile aynı hizada olduğundan, membran yüzeyinde bir filtre keki veya jel tabakası oluşumuna karşı oldukça duyarlı hale gelir. Filtrasyon devam ettikçe biriken katman giderek kalınlaşır ve bu da filtrasyon akış hızının azalmasına neden olur. Teğetsel akış filtrelemesi (TFF), sıvı akış yönünün filtreleme yönüne dik olduğu bir filtreleme işlemini ifade eder. TFF sırasında sıvı, membran yüzeyi boyunca teğetsel olarak akar ve membran üzerinde çözünen madde birikimini azaltmaya ve konsantrasyon polarizasyonunu hafifletmeye yardımcı olan kesme kuvvetleri üretir. TFF, biyofarmasötiklerin endüstriyel üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tipik olarak bir TFF sistemi, bir besleme rezervuarı, bir peristaltik pompa veya santrifüj pompa, bir giriş basınç göstergesi, bir membran kaseti, bir çıkış basınç göstergesi, bir geri basınç valfi ve ilgili boru ve borulardan oluşur. Sistemin şematik diyagramı aşağıda gösterilmiştir.
Süzüntü akışı ve eleme katsayısı membran filtrasyon proseslerinde iki önemli parametredir. Süzüntü akısı, birim zamanda birim membran alanı başına bir membrandan geçen sıvının hacmi olarak tanımlanır. Eleme katsayısı, süzüntüdeki hedef ürünün konsantrasyonunun, tutulan maddedekine oranıdır. Farklı ölçeklerdeki teğetsel akış filtreleme (TFF) sistemlerini karşılaştırırken, girişimi en aza indirmek için deneysel değişkenler kontrol edilmelidir. Membran kasetleri aynı ürün serisi içinde tutarlı membran malzemelerine, moleküler ağırlık kesimlerine (MWCO'lar)/gözenek boyutlarına, üreticilere ve kanal elek yapılarına sahip olmalıdır. Besleme çözeltileri aynı bileşime ve konsantrasyona sahip olmalı ve deneyler aynı başlangıç sıcaklık koşulları altında gerçekleştirilmelidir. Bu başlangıç koşulları karşılandıktan sonra, ölçek büyütme prosesi üç temel prensibi takip etmelidir: birim membran alanı başına aynı besleme hacmini, aynı membran yüzeyi kayma hızını ve aynı başlangıç çalışma akısını korumak. Ayrıca dinamik konsantrasyon-diyafiltrasyon işlemleri, deneysel olarak doğrulanmış akışkan dinamiği ve sistem donanımı sapmaları da dikkate alınmalıdır. Bu önlemler, farklı ölçeklerdeki filtreleme sistemlerinin nüfuz akışı ve eleme katsayısının her zaman noktasında mümkün olduğunca tutarlı kalmasının sağlanmasına yardımcı olur.
İlke 1: Birim Membran Alanı Başına İşlenen Aynı Besleme Hacmini Koruyun
Süzüntü akışı ve eleme katsayısı, membranın kendine özgü özellikleriyle yakından ilişkilidir. Membran malzemesinin, gözenek boyutunun ve kanal elek yapısının tutarlı kalması koşuluyla, farklı boyutlardaki filtreler arasında karşılaştırılabilir nüfuz akışı ve eleme performansı elde etmek, membran yüzey koşullarının (kek birikmesi ve konsantrasyon polarizasyon derecesi dahil) her zaman esasen tutarlı kalmasını gerektirir. Karşılaştırılabilir düzeyde membran kirlenmesi ve konsantrasyon polarizasyonu elde etmek için, birim membran alanı başına işlenen besleme çözeltisinin hacmi, aynı besleme bileşimi ve konsantrasyonu varsayılarak, farklı ölçeklerdeki filtreleme sistemlerinde aynı olmalıdır. Bu nedenle, besleme hacminin membran alanına oranı, farklı filtre boyutlarında muhafaza edilmeli ve birim membran alanı (L/m²) başına işlenen tutarlı bir besleme hacmi sağlanmalıdır.
Biyofarmasötik üretiminde teğetsel akış filtrasyonu (TFF), tipik olarak hem konsantrasyon için ultrafiltrasyonu (UF) hem de tampon değişimi için diafiltrasyonu (DF) içerir. Bu nedenle birim membran alanı başına yalnızca başlangıç besleme hacminin eşleştirilmesi yetersizdir. Konsantrasyon ilerledikçe besleme konsantrasyonu ve viskozitesi sürekli olarak artar, konsantrasyon polarizasyon derecesi ve membran kirlenmesi oranı etkilenir. Sonuç olarak, hacimsel konsantrasyon faktörünün (VCF) her zaman noktasında küçük ölçekli ve büyük ölçekli denemeler arasında tutarlı tutulması gerekir. Diafiltrasyon sırasında, diafiltrasyon hacimlerinin (DV) sayısı tamamen aynı olmalıdır çünkü bu, düşük molekül ağırlıklı safsızlıkların giderilme verimliliğini doğrudan belirler. Ayrıca, tutulan hacim, hedef protein konsantrasyonu, maksimum DV ve TMP alarm eşikleri de dahil olmak üzere tüm süreç uç noktası kriterlerinin, ölçek küçültme modelinden tam ölçekli üretime tamamen aktarılması gerekir.
Prensip 2: Aynı Membran Yüzeyi Kayma Hızını Koruyun
Biyofarmasötik endüstrisinde, filtreleme gerektiren çoğu yem solüsyonu biyolojik olarak aktif maddeler içerir. Membran yüzeyi boyunca akan sıvının uyguladığı kesme kuvvetleri yalnızca kek oluşumunu ve konsantrasyon polarizasyonunu değil aynı zamanda ürünün biyolojik aktivitesini de etkiler. Bu nedenle, deneysel çalışma sırasında membran yüzeyi duvar kesme hızının küçük ölçekli ve büyük ölçekli teğetsel akış filtreleme (TFF) sistemleri arasında tutarlı bir şekilde korunması gerekir.
Genel olarak büyük ölçekli membran kasetleri, entegre dokuma destek ekranlarına sahip dikdörtgen akış kanallarına sahiptir. Buna karşılık, küçük ölçekli laboratuvar membran kasetlerinin akış kanalı geometrisi ve ekran konfigürasyonu, üretim ölçekli kasetlerden önemli ölçüde farklıdır.
Duvar kesme hızlarını belirlemek için yalnızca hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) simülasyonlarına güvenmek, model varsayımları nedeniyle hatalara neden olabilir. Uygulamada, CFD simülasyonlarının, membran kaseti girişi ve çıkışı arasındaki deneysel olarak ölçülen basınç düşüşüne (ΔP) göre doğrulanması gerekir. Tutulan taraftaki akış kanalı boyunca basınç düşüşü, kesme koşullarının doğrudan mühendislik göstergesidir. Aynı ürün serisindeki membran kasetleri için kanal basınç düşüşü (ΔP), küçük ölçekli ve büyük ölçekli sistemler arasında eşleştirilmelidir. Membran kasetlerinin duvar kesme hızlarını farklı ölçeklerde mümkün olduğu kadar birbirine yaklaştıracak şekilde yeniden sirkülasyon akış hızı buna göre ayarlanmalıdır. Fakat,Tutarlı membran yüzeyi kesme hızları mutlaka proses akışkanının tutarlı genel kaymaya maruz kaldığı anlamına gelmez. Küçük ölçekli laboratuvar sistemlerinde genellikle peristaltik pompalar kullanılırken, endüstriyel üretim sistemlerinde ağırlıklı olarak santrifüj pompalar kullanılır. Pompaların kendileri proteinlere, virüslere ve diğer biyolojik materyallere zarar verebilecek ek kayma gerilimi oluşturabilir. Ölçek büyütme sırasında, pompanın neden olduğu kesmenin neden olduğu ürün toplanması ve biyolojik aktivite kaybı riskleri bu nedenle dikkatli bir şekilde değerlendirilmelidir.
İlke 3: Aynı İlk Çalışma Akışını Koruyun
Tutarlı besleme çözeltisi özellikleri, membran yüzey özellikleri ve çalışma koşulları altında, eğer başlangıçtaki süzüntü akışı, filtreleme koşulları altında aynıysa ve membran yüzeyi benzer şekilde gelişirse, sonraki filtreleme akışı genellikle tutarlı kalacaktır. Ölçek büyütmeden önce ve sonra aynı üreticinin aynı membran malzemelerine ve gözenek boyutlarına sahip membran kasetleri kullanılmasına rağmen, kaset akış kanalı geometrisindeki farklılıklar, sistemlerin genel filtreleme direncinin eşit olmayabileceği anlamına gelir. Filtrasyon direnci farklı boyutlardaki filtreler arasında farklılık gösterdiğinde, aynı süzüntü akışını elde etmek için farklı transmembran basınç (TMP) ayarları gerekir.
TMP genel olarak giriş ve çıkış basınçlarının ortalaması ile süzüntü tarafı basıncı arasındaki fark olarak tanımlanır. Hem küçük hem de büyük ölçekli filtrelerin süzüntü çıkışları genellikle atmosferik basınca açık olduğundan, süzüntü basıncı 0 Pa'dır (gösterge basıncı). Bu nedenle TMP, giriş ve çıkış basınçlarının ortalaması olarak hesaplanır. Bu değer, membran kasetindeki genel ortalama TMP'yi temsil eder. Ancak TMP, akış kanalı boyunca mekansal olarak değişiklik gösterir; bu, yerel TMP'nin ortalama değeri aşabileceği anlamına gelir. Filtrasyon işlemleri genellikle iki kontrol modundan birinde çalışır: sabit TMP veya sabit akı. Sabit-TMP işlemi, protein ultrafiltrasyonu için yaygın olarak kullanılır. Ölçek büyütme sırasında, küçük ölçekli denemelerdeki TMP ayarı doğrudan kopyalanmamalıdır; bunun yerine akı-TMP bükülme noktası referans olarak kullanılmalıdır. Sabit akış işlemi, mikrofiltrasyon ve viral vektör işlemede yaygın olarak kullanılır. Ölçek büyütme sırasında, kontrollü parametre olarak süzüntü akışına öncelik verilmeli, aynı zamanda bir üst TMP alarm limiti de oluşturulmalıdır.
Tutarlı başlangıç koşullarıyla birlikte üç prensibin tümü karşılandığında, küçük ölçekli ve büyük ölçekli filtrelerin süzüntü akışı, filtreleme başladıktan sonra herhangi bir zamanda teorik olarak aynı olmalıdır. İki sistemin süzüntü akı profilleri her zaman aynıysa, toplam filtreleme süreleri de eşit olacaktır.
Yukarıda özetlenen üç ölçek büyütme ilkesi ideal filtreleme koşulları altında elde edilmiştir. Ancak prosesin fiili ölçek büyütmesinde, ekipman donanımındaki farklılıklardan kaynaklanan ideal olmayan sapmaların da dikkate alınması gerekir. Bunlar öncelikle sistem tutma hacmini, devridaim döngüsü konfigürasyonundaki ve malzemenin kalma süresindeki farklılıkları ve sıvı devridaimi ve kaymanın neden olduğu ısı üretimini içerir. Ayrıca bu ölçeklendirme teorisi yalnızca aynı konfigürasyon ve ürün serisindeki membran kasetlerine uygulanabilir. Membran modülü konfigürasyonu değiştiğinde veya yüksek viskoziteli, yüksek katı içerikli veya Newtonyen olmayan sıvılar işlenirken doğrusal ölçek büyütme ilişkilerinden önemli sapmalar meydana gelebilir.
Gerçek çalışma koşulları nadiren tüm teorik varsayımları mükemmel bir şekilde karşılayabildiğinden, teorik denklemler tek başına süreç transferini doğrudan gerçekleştirmek için yetersizdir. Bu nedenle, ölçek küçültme modelinin geçerliliğini değerlendirmek için kapsamlı bir kriter seti oluşturulmalıdır. Akış süresi profillerini, eleme katsayılarını, ürün verimlerini, safsızlık giderme performansını ve toplam içerik, parçacık seviyeleri ve biyolojik aktivite dahil olmak üzere kritik kalite özelliklerini (CQA'lar) farklı ölçeklerdeki filtrasyon sistemleri arasında karşılaştırarak, ölçek küçültme modeli, yalnızca tüm temel performans göstergelerinde tutarlılık gösterildiğinde süreç ölçeklendirmesi için temsili ve güvenilir kabul edilebilir.
