Teoria de reducció i augment d'escala per a sistemes de filtració de flux tangencial (TFF)
En la filtració sense sortida convencional, la direcció del flux d'alimentació s'alinea amb la direcció de filtració, la qual cosa la fa molt susceptible a la formació d'un pastís de filtre o una capa de gel a la superfície de la membrana. A mesura que continua la filtració, la capa dipositada s'espesseix gradualment, donant lloc a una disminució del cabal de filtració. La filtració de flux tangencial (TFF) es refereix a un procés de filtració en què la direcció del flux de fluid és perpendicular a la direcció de filtració. Durant la TFF, el fluid flueix tangencialment al llarg de la superfície de la membrana, generant forces de cisalla que ajuden a reduir la deposició de soluts a la membrana i mitigar la polarització de la concentració. El TFF s'utilitza àmpliament en la producció industrial de productes biofarmacèutics. Normalment, un sistema TFF consta d'un dipòsit d'alimentació, una bomba peristàltica o una bomba centrífuga, un manòmetre de pressió d'entrada, un casset de membrana, un manòmetre de pressió de sortida, una vàlvula de contrapressió i tubs i canonades associats. A continuació es mostra un esquema esquemàtic del sistema.
El flux de permeat i el coeficient de tamisat són dos paràmetres importants en els processos de filtració de membrana. El flux de permeat es defineix com el volum de líquid que travessa una membrana per unitat d'àrea de membrana per unitat de temps. El coeficient de tamisatge és la relació entre la concentració del producte objectiu en el permeat i la del retentat. Quan es comparen sistemes de filtració de flux tangencial (TFF) de diferents escales, s'han de controlar les variables experimentals per minimitzar les interferències. Els cassets de membrana haurien de tenir materials de membrana consistents, talls de pes molecular (MWCO) / mides de porus, fabricants i estructures de pantalla de canals dins de la mateixa sèrie de productes. Les solucions d'alimentació han de tenir composicions i concentracions idèntiques, i els experiments s'han de dur a terme en condicions de temperatura inicial uniformes. Un cop es compleixin aquestes condicions inicials, el procés d'ampliació ha de seguir tres principis fonamentals: mantenir el mateix volum d'alimentació per unitat d'àrea de membrana, la mateixa velocitat de cisalla superficial de la membrana i el mateix flux d'operació inicial. A més, cal tenir en compte els processos dinàmics de concentració-diafiltració, la dinàmica de fluids verificada experimentalment i les desviacions del maquinari del sistema. Aquestes mesures ajuden a garantir que el flux de permeat i el coeficient de tamisatge dels sistemes de filtració a diferents escales siguin tan consistents com sigui possible en cada moment.
Principi 1: Mantenir el mateix volum d'alimentació processat per unitat d'àrea de membrana
El flux de permeat i el coeficient de tamisatge estan estretament relacionats amb les propietats intrínseques de la membrana. Sempre que el material de la membrana, la mida dels porus i l'estructura de la pantalla del canal siguin consistents, per aconseguir un flux de permeat comparable i un rendiment de tamisat a través de filtres de diferents mides requereix que les condicions de la superfície de la membrana (inclosa la deposició de pastís i el grau de polarització de la concentració) siguin essencialment consistents en tot moment. Per aconseguir nivells comparables de contaminació de la membrana i polarització de concentració, el volum de solució d'alimentació processada per unitat d'àrea de membrana ha de ser el mateix en els sistemes de filtració de diferents escales, assumint la mateixa composició i concentració d'alimentació. Per tant, la relació entre el volum d'alimentació i l'àrea de la membrana s'ha de mantenir en diferents mides de filtre, assegurant un volum d'alimentació consistent processat per unitat d'àrea de membrana (L/m²).
La filtració de flux tangencial (TFF) en la fabricació biofarmacèutica normalment implica tant ultrafiltració (UF) per a la concentració com diafiltració (DF) per a l'intercanvi de tampó. Per tant, no és suficient fer coincidir només el volum d'alimentació inicial per unitat d'àrea de membrana. A mesura que avança la concentració, la concentració d'alimentació i la viscositat augmenten contínuament, afectant el grau de polarització de la concentració i la taxa d'encrassement de la membrana. En conseqüència, el factor de concentració volumètrica (VCF) s'ha de mantenir coherent entre assaigs a petita i gran escala en cada moment. Durant la diafiltració, el nombre de volums de diafiltració (DV) ha de ser exactament el mateix, ja que determina directament l'eficiència d'eliminació d'impureses de baix pes molecular. A més, tots els criteris del punt final del procés, inclòs el volum de retentat, la concentració de proteïnes objectiu, el DV màxim i els llindars d'alarma de TMP, s'han de transferir completament del model reduït a la fabricació a gran escala.
Principi 2: Mantenir la mateixa velocitat de cisalla a la superfície de la membrana
A la indústria biofarmacèutica, la majoria de solucions de pinsos que requereixen filtració contenen substàncies biològicament actives. Les forces de cisalla exercides pel fluid que flueix a través de la superfície de la membrana afecten no només la formació de pastís i la polarització de la concentració, sinó també l'activitat biològica del producte. Per tant, la velocitat de cisalla de la paret de la superfície de la membrana s'ha de mantenir de manera coherent entre els sistemes de filtració de flux tangencial (TFF) a petita i gran escala durant el funcionament experimental.
En general, els cassets de membrana a gran escala presenten canals de flux rectangulars amb pantalles de suport teixides integrades. En canvi, la geometria del canal de flux i la configuració de la pantalla dels cassets de membrana de laboratori a petita escala difereixen significativament de les dels cassets a escala de producció.
Basar-se únicament en simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) per determinar les taxes de tall de la paret pot introduir errors a causa de les hipòtesis del model. A la pràctica, les simulacions CFD s'han de validar contra la caiguda de pressió mesurada experimentalment (ΔP) entre l'entrada i la sortida del casset de membrana. La caiguda de pressió a través del canal de flux del costat del retenat és un indicador d'enginyeria directe de les condicions de cisalla. Per als cassets de membrana dins de la mateixa sèrie de productes, la caiguda de pressió del canal (ΔP) s'hauria d'ajustar entre els sistemes a petita i gran escala. El cabal de recirculació s'ha d'ajustar en conseqüència per apropar el màxim possible les taxes de cisalla de la paret dels cassets de membrana a diferents escales. No obstant això,les taxes de cisalla de la superfície de la membrana consistents no signifiquen necessàriament una exposició general constant del fluid de procés. Els sistemes de laboratori a petita escala utilitzen generalment bombes peristàltiques, mentre que els sistemes de producció industrial utilitzen principalment bombes centrífugues. Les bombes en si mateixes poden introduir una tensió de cisalla addicional que pot danyar proteïnes, virus i altres materials biològics. Durant l'ampliació, s'han d'avaluar acuradament els riscos d'agregació del producte i la pèrdua d'activitat biològica causada per la cisalla induïda per la bomba.
Principi 3: Mantenir el mateix flux de funcionament inicial
Sota les propietats consistents de la solució d'alimentació, les característiques de la superfície de la membrana i les condicions de funcionament, si el flux de permeat inicial és el mateix en condicions de filtració i la superfície de la membrana evoluciona de manera similar, el flux de filtració posterior generalment es mantindrà consistent. Tot i que els cassets de membrana del mateix fabricant, amb materials de membrana idèntics i mides de porus, s'utilitzen abans i després de l'escala, les diferències en la geometria del canal de flux del casset fan que la resistència global de filtració dels sistemes no sigui igual. Quan la resistència a la filtració difereix entre filtres de diferents mides, es requereixen diferents configuracions de pressió transmembrana (TMP) per aconseguir el mateix flux de permeat.
El TMP es defineix generalment com la diferència entre la mitjana de les pressions d'entrada i sortida i la pressió del costat del permeat. Com que les sortides de permeat dels filtres a petita i gran escala estan generalment obertes a la pressió atmosfèrica, la pressió de permeat és de 0 Pa (pressió manomètrica). Per tant, el TMP es calcula com la mitjana de les pressions d'entrada i sortida. Aquest valor representa el TMP mitjà global a través del casset de membrana. Tanmateix, el TMP varia espacialment al llarg del canal de flux, el que significa que el TMP local pot superar el valor mitjà. Els processos de filtració funcionen generalment en un dels dos modes de control: TMP constant o flux constant. El funcionament de TMP constant s'utilitza habitualment per a la ultrafiltració de proteïnes. Durant l'escalada, la configuració del TMP dels assaigs a petita escala no s'ha de replicar directament; en canvi, el punt d'inflexió flux–TMP s'hauria d'utilitzar com a referència. El funcionament de flux constant s'utilitza habitualment en la microfiltració i el processament de vectors virals. Durant l'escala, s'ha de prioritzar el flux de permeat com a paràmetre controlat, mentre que també s'ha d'establir un límit d'alarma TMP superior.
Quan es compleixen els tres principis, juntament amb les condicions inicials consistents, el flux de permeat dels filtres a petita i gran escala hauria de ser teòricament el mateix en un moment donat després de començar la filtració. Si els perfils de flux de permeat dels dos sistemes són idèntics en tot moment, els seus temps de filtració totals també seran iguals.
Els tres principis d'ampliació descrits anteriorment es deriven en condicions de filtració ideals. En l'ampliació real del procés, però, també s'han de tenir en compte les desviacions no ideals derivades de les diferències en el maquinari de l'equip. Aquests inclouen principalment el volum de retenció del sistema, les diferències en la configuració del bucle de recirculació i el temps de residència del material i la generació de calor causada per la recirculació i el cisallament del fluid. A més, aquesta teoria d'escala només és aplicable a cassets de membrana de la mateixa configuració i sèrie de productes. Es poden produir desviacions significatives de les relacions d'escala lineal quan canvia la configuració del mòdul de membrana o quan es processen fluids d'alta viscositat, alt contingut de sòlids o no newtonians.
Com que les condicions de funcionament reals poques vegades poden satisfer perfectament tots els supòsits teòrics, les equacions teòriques soles són insuficients per aconseguir directament la transferència del procés. Per tant, cal establir un conjunt complet de criteris per avaluar la validesa del model reduït. En comparar els perfils de temps de flux, els coeficients de tamisatge, els rendiments del producte, el rendiment d'eliminació d'impureses i els atributs de qualitat crítics (CQA), inclòs el contingut agregat, els nivells de partícules i l'activitat biològica, entre sistemes de filtració de diferents escales, el model de reducció es pot considerar representatiu i fiable per a l'augment d'escala del procés només quan es demostra la consistència de tots els indicadors clau de rendiment.
