Czy kasety TFF wielokrotnego użytku wpływają na wydajność filtracji z upływem czasu?

Jako dostawca kaset TFF (filtracja z przepływem stycznym) wielokrotnego użytku stale dostaję to pytanie: Czy nasze produkty zachowują stałą wydajność przy wielokrotnym użyciu? To uczciwe założenie — zespoły zajmujące się bioprzetwarzaniem polegają na TFF we wszystkim, od klarowania hodowli komórkowych po koncentrację białek, a przestoje spowodowane niesprawnym sprzętem mogą wykoleić całe harmonogramy produkcji. Po 8 latach pracy w technologii filtracji membranowej widziałem zespoły przełączające się pomiędzy jednorazowymi i wielorazowymi kasetami TFF, często zakładając, że jedna jest z natury lepsza od drugiej. Jednak prawda o wydajności na przestrzeni czasu jest zniuansowana i powiązana nie tylko z samą kasetą, ale także ze sposobem jej czyszczenia, przechowywania i obsługi.

Zacznijmy od podstaw: kasety TFF działają poprzez wypychanie płynu równolegle do powierzchni membrany, umożliwiając przepływ małych cząstek, zatrzymując jednocześnie większe. W przypadku modeli wielokrotnego użytku membranę i ramę kasety zaprojektowano tak, aby można je było zdemontować, oczyścić i poddać ponownej obróbce, a nie wyrzucać po jednorazowym użyciu, jak w przypadku jednostki jednorazowego użytku. Kluczem jest to, że wydajność nie tylko ulega pogorszeniu – ona ulega pogorszeniu z konkretnych, przewidywalnych powodów, i w tym przypadku kasety wielokrotnego użytku mogą albo działać lepiej niż kasety jednorazowego użytku (przy odpowiedniej pielęgnacji), albo zawieść, jeśli są nieprawidłowo konserwowane.

Jednym z najpopularniejszych mitów jest to, że kasety wielokrotnego użytku szybko się zużywają. Widziałem, jak kasety przeszły ponad 50 przebiegów i po prawidłowym oczyszczeniu nadal zapewniały 90% początkowego strumienia (szybkości przepływu płynu przez membranę). Ale tak się nie stanie, jeśli pominiesz krytyczne etapy czyszczenia. Kiedy używasz kasety TFF, na powierzchni membrany i w porach gromadzi się warstwa zanieczyszczeń – agregatów białkowych, resztek komórek lub składników pożywki. Jeśli między seriami będziesz płukać tylko wodą, zanieczyszczenia stwardnieją i osadzą się w porach membrany. Z biegiem czasu zmniejsza to efektywną wielkość porów i blokuje przepływ. Na przykład kaseta mikrofiltracyjna o średnicy 0,22 µm, która zaczyna się od pełnego strumienia, może spaść o 30–40% po 10 cyklach, jeśli zostanie wyczyszczona samą wodą. Jeśli jednak użyjesz alkalicznego roztworu czyszczącego (np. 0,1 M NaOH) z recyrkulacją, a następnie przepłuczesz kwasem i wodą, ta sama kaseta pozostanie na poziomie 85% strumienia po 15 cyklach.

Dlatego zbudowaliśmy naszą linię kaset z membraną TFF z łatwymi do demontażu ramkami i kompatybilnymi membranami, które są odporne na wiązanie białek. Nasz zespół badawczo-rozwojowy przetestował 10 różnych typów membran, aby znaleźć takie, które uwalniają zanieczyszczenia bez degradacji, dlatego nasze kasety wielokrotnego użytku sprawdzają się niezmiennie w każdym cyklu. Posiadamy również modele dedykowane do pracy w skali laboratoryjnej — na przykład nasze kasety do mikrofiltracji Scales Lab są dopasowane do małych bioreaktorów i wielu małych serii, więc laboratoria nie muszą iść na kompromis między kosztem a wydajnością.

Kolejnym czynnikiem wpływającym na długoterminową wydajność jest uszkodzenie membrany. Kasety wielokrotnego użytku wymagają fizycznej obsługi podczas demontażu i czyszczenia. Jeśli technik użyje ostrej szczotki lub zbyt mocno szoruje membranę, może rozerwać cienką warstwę membrany, co prowadzi do utraty produktu (szczególnie w przypadku docelowych białek). Nasze kasety mają miękką powierzchnię membranową i przejrzyste wskazówki dotyczące obsługi, które temu zapobiegają, ale nawet w tym przypadku 15–20% pogorszenia wydajności wynika z błędów ludzkich podczas obsługi. Kasety jednorazowego użytku całkowicie tego unikają, ale oszczędności są tracone w długoterminowych kosztach — nasi klienci mówią nam, że obniżyli koszty filtracji o 60% przy przejściu z jednorazowych kaset TFF na wielokrotnego użytku, nawet biorąc pod uwagę sporadyczne uszkodzenia jednostek.

Przyjrzyjmy się danym z naszych ostatnich testów terenowych. Nawiązaliśmy współpracę z firmą biotechnologiczną, która koncentruje przeciwciała monoklonalne (mAb) do badań klinicznych. Przepuścili surowiec mAb na kasecie mikrofiltracyjnej o średnicy 0,65 um, następnie wyczyścili go, przechowywali w buforowanym roztworze i wykorzystali ponownie w 22 seriach. Początkowy strumień wynosił 120 LMH (litrów na metr kwadratowy na godzinę), a po 22 seriach wynosił 98 LMH – co oznacza spadek o zaledwie 18%. Przetestowali także kasetę wielokrotnego użytku konkurencyjnej firmy, w której po 15 cyklach zaobserwowano spadek strumienia o 45%, ponieważ membrana wymagała bardziej agresywnego czyszczenia, co degradowało strukturę porów. Różnica? Nasza membrana jest wykonana z mieszanki polieterosulfonu (PES), która jest odporna na degradację pod wpływem standardowych środków czyszczących, podczas gdy konkurencja zastosowała membranę celulozową, która rozkłada się pod wpływem powtarzającej się ekspozycji na działanie zasad.

Czekaj, ale co z przypadkami, w których wydajność gwałtownie spada? Prawie zawsze jest to spowodowane niewłaściwym przechowywaniem. Jeśli kaseta wielokrotnego użytku jest przechowywana w suchym miejscu, membrana może pęknąć lub skurczyć się, zmieniając strukturę porów. Jeśli jest przechowywany w ostrym roztworze chemicznym (takim jak nierozcieńczony wybielacz), może wytrawić pory membrany, czyniąc je większymi niż zamierzone. Zalecamy przechowywanie naszych kaset w 20% roztworze etanolu w temperaturze 4°C, co zapobiegnie rozwojowi drobnoustrojów bez uszkodzenia membrany. Zespoły stosujące się do tych wytycznych odnotowują minimalną zmianę wydajności w ciągu miesięcy przechowywania, natomiast zespoły, które je pomijają, często zgłaszają spadki strumienia o 50% lub więcej.

Kolejna kwestia: odzyskiwanie strumienia. Powszechnym miernikiem wydajności TFF jest % odzysku topnika po czyszczeniu. Kasety jednorazowego użytku charakteryzują się 100% odzyskiem strumienia, ponieważ są za każdym razem nowe. Jednak po każdym prawidłowym czyszczeniu kasety wielokrotnego użytku powinny osiągnąć 90% lub więcej. Jeżeli poniżej tej wartości znajduje się kaseta wielokrotnego użytku, oznacza to, że albo czyszczenie jest niewystarczające, albo membrana jest uszkodzona, albo trwale osadzają się w niej zanieczyszczenia. Do każdej kasety dołączamy zestaw do testowania strumienia, który pomaga klientom sprawdzać wydajność pomiędzy seriami, dzięki czemu mogą wcześnie wykryć problemy, zanim będą miały wpływ na proces. Jest to szczególnie istotne w przypadku operacji zwiększania skali — utrata nawet 10% strumienia może wydłużyć czas produkcji o wiele godzin, a przestoje kosztują tysiące dolarów.

Widziałem też, jak zespoły zakładały, że kasety wielokrotnego użytku sprawdzają się tylko w określonych zastosowaniach. Na przykład niektórzy uważają, że nie można ich używać do klarowania komórek, ale nasze kasety mikrofiltracyjne o średnicy 0,22 µm są regularnie używane do klarowania kultur komórkowych CHO. Mamy klienta zajmującego się produkcją szczepionek, który wykorzystuje je do filtrowania wektorów wirusowych i jego skuteczność jest stała w ciągu 30 serii. Kluczem jest dopasowanie wielkości porów kasety i rodzaju membrany do zastosowania. Jeśli filtrujesz duże zanieczyszczenia komórkowe, większy rozmiar porów (np. 0,65 um) jest lepszy i trwalszy niż mniejsze pory, które są bardziej podatne na zatykanie.

Jest tu jedno zastrzeżenie: kasety wielokrotnego użytku mają swój cykl życia. Nawet przy doskonałej pielęgnacji membrana ostatecznie ulegnie degradacji po 50-60 cyklach, w zależności od zastosowania. Wtedy właśnie przychodzi czas na wymianę membrany, a nie całej kasety. Nasze ramy kasetowe są zaprojektowane tak, aby można je było ponownie wykorzystać, więc płacisz tylko za nowe membrany, co jeszcze bardziej obniża koszty. Kasety jednorazowego użytku wymagają za każdym razem zakupu nowej jednostki, więc koszt cyklu życia szybko się sumuje — po 20 seriach klient może wydać 3 razy więcej na jednostki jednorazowego użytku niż na nasze kasety wielokrotnego użytku z wymianą membran.

Wracając do pierwotnego pytania: czy kasety TFF wielokrotnego użytku wpływają na skuteczność filtracji w miarę upływu czasu? Odpowiedź brzmi: nie.Jeślisą odpowiednio obsługiwane, czyszczone i przechowywane. Problemy z wydajnością zgłaszane przez zespoły prawie nigdy nie wynikają z technologii wielokrotnego użytku, ale ze sposobu, w jaki wykorzystują (lub niewłaściwie) kasety. Jako dostawca współpracowaliśmy z setkami klientów, aby dostosować ich procesy, od zmiany środków czyszczących po wdrożenie protokołów przechowywania, i prawie wszyscy zaobserwowali, że ich wydajność w dłuższej perspektywie stabilizuje się lub poprawia w porównaniu z alternatywnymi produktami jednorazowego użytku.

Jeśli zastanawiasz się nad przejściem na kasety TFF wielokrotnego użytku lub chcesz rozwiązać problemy z wydajnością w bieżącej konfiguracji, jesteśmy tutaj, aby Ci pomóc. Nasz zespół może pracować nad konkretnym zastosowaniem, niezależnie od tego, czy są to badania laboratoryjne, czy bioprodukcja na dużą skalę, aby zalecić odpowiednią kasetę i przeprowadzić Cię przez etapy czyszczenia i konserwacji, aby utrzymać stałą wydajność w czasie.

Nie wahaj się skontaktować z naszym zespołem, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat zamówień i niestandardowych rozwiązań dostosowanych do Twoich potrzeb w zakresie filtracji.

Referencje

1. Zydney, AL (2018). Filtracja z przepływem stycznym: zasady, projektowanie i zastosowania w bioprocesach. Skoczek.
2. Lue, B. i in. (2020). Porównanie wydajności kaset TFF wielokrotnego użytku i jednorazowego użytku pod kątem stężenia przeciwciał monoklonalnych. Journal of Membrane Science, 598, 117682.
3. FDA. (2022). Wytyczne dla przemysłu: Systemy filtrów membranowych wielokrotnego użytku do przetwarzania biofarmaceutycznego. Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków.
4. Chen, Y. i in. (2019). Usuwanie zanieczyszczeń z membran filtracyjnych z przepływem stycznym: wpływ protokołów czyszczenia na długoterminową wydajność. Biotechnologia i Bioinżynieria, 116(10), 2645-2655.
5. GE Healthcare. (2021). TFF wielokrotnego użytku a jednorazowe: analiza całkowitego kosztu posiadania. Raport dotyczący technologii bioprzetwarzania.