Anwendung der Tangentialflussfiltration (TFF) bei der nachgeschalteten Reinigung von Impfstoffen

Herkömmliche Filtrationsmethoden wie Sedimentation und Zentrifugation sind in der Lage, einen Teil der Verunreinigungen aus der Fermentationsbrühe zu entfernen. Diese Techniken leiden jedoch häufig unter einer begrenzten Verarbeitungseffizienz, einem hohen Kontaminationsrisiko und einer eingeschränkten Skalierbarkeit. Aufgrund ihrer überlegenen Trenneffizienz und geringen Membranverschmutzungseigenschaften ist die Tangentialflussfiltration (TFF) zu einer immer wichtigeren Technologie in der biopharmazeutischen Industrie geworden.

Im Gegensatz zur Dead-End-Filtration ermöglicht TFF, dass die Prozessflüssigkeit parallel zur Membranoberfläche fließt, wodurch die Verstopfung der Membranporen effektiv minimiert und gleichzeitig ein stabiler Filtrationsfluss aufrechterhalten wird. Bei der Impfstoffherstellung entfernt TFF effizient Zelltrümmer, unlösliche Verunreinigungen und restliche Fermentationsmaterialien aus der Kulturbrühe und verbessert so die Produktreinheit und Prozessausbeute deutlich.

Diese Studie untersucht die Anwendung der Tangentialflussfiltration bei der nachgeschalteten Reinigung von Impfstoffen, mit besonderem Schwerpunkt auf den Auswirkungen verschiedener Membranmaterialien und Porengrößen auf die Filtrationsleistung, Membranverschmutzung und die Reinheit des Endprodukts. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass TFF erhebliche Vorteile bei der Impfstoffreinigung bietet, indem es die Filtrationseffizienz erhöht, Membranverschmutzung reduziert und die Produktqualität verbessert. Darüber hinaus ist die Optimierung der Membranporengröße und der Reinigungsstrategien entscheidend für die Erzielung einer langfristigen Betriebsleistung.

Experimentelles Design

Filtrationsexperimente wurden mit Polysulfon- (PSF) und Polyethersulfon-Membranen (PES) mit Porengrößen von 0,1 μm, 0,2 μm und 0,5 μm durchgeführt. Als Modell-Futterlösung wurde Standard-Escherichia-coli-Fermentationsbrühe ausgewählt.

Die Betriebsbedingungen wurden wie folgt eingehalten:

Feed-Durchflussrate: 500 ml/min

Transmembrandruck (TMP): 0,2 MPa

Filtrationszeit: 3 Stunden

Während der Filtration wurden Permeationsrate, Durchflussrate und Membranverschmutzung in regelmäßigen Abständen überwacht. Die Membranleistung wurde durch geplante Reinigungsverfahren wiederhergestellt.

Alle 30 Minuten wurden Permeatproben entnommen, um die Permeationseffizienz zu bestimmen, während die Membranverschmutzung durch den Vergleich der Permeationsleistung vor und nach der Membranreinigung bewertet wurde. Eine deutliche Verringerung der Permeation deutete auf eine starke Membranverschmutzung hin.

Alle 2 Stunden wurde die Membran mit einer Salzsäurelösung gereinigt und anschließend mit entionisiertem Wasser gespült. Die Wiederherstellung der Membranpermeabilität nach der Reinigung diente als primärer Indikator für die Reinigungswirksamkeit.

Experimentelle Ergebnisse

Einfluss von Membranmaterial und Porengröße

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass eine Erhöhung der Membranporengröße von 0,1 μm auf 0,5 μm die Permeationsleistung deutlich verbesserte.

Bei der PSF-Membran stieg die Permeationsrate von 90,5 % auf 95,0 %, begleitet von einem Anstieg der Filtrationsdurchflussrate. Allerdings nahm auch die Membranverschmutzung zu und stieg von 3,2 % bei 0,1 μm auf 7,8 % bei 0,5 μm.

Ein ähnlicher Trend wurde für die PES-Membran beobachtet, wobei die Membranverschmutzung 8,5 % erreichte, wenn die Porengröße 0,5 μm betrug.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass größere Membranporen zwar den Permeatfluss und die Gesamtfiltrationseffizienz verbessern, aber auch die Membranverschmutzung beschleunigen. Daher erfordern praktische TFF-Vorgänge ein angemessenes Gleichgewicht zwischen Filtrationsleistung und Verschmutzungskontrolle.

 

Einfluss der Membranporengröße auf die Filtrationsleistung

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Membranporengröße einen erheblichen Einfluss sowohl auf die Permeationseffizienz als auch auf die Membranverschmutzung hat.

Obwohl Membranen mit einer kleineren Porengröße (0.1 μm) relativ niedrige Fouling-Werte aufwiesen, ihre Permeationsleistung war vergleichsweise begrenzt. Im Gegensatz dazu sind Membranen mit einer größeren Porengröße (0.5 μm) erreichten wesentlich höhere Permeationsraten, zeigten jedoch ein deutlich stärkeres Membranfouling.

Mit zunehmender Porengröße nahm ab0,1 μm bis 0,5 μm, die Permeationsrate derPSF-Membranerhöht von90,5 % bis 95,0 %, während das desPES-Membranstieg aus87,3 % bis 94,1 %.

Allerdings nahm gleichzeitig die Membranverschmutzung zu. Bei der PSF-Membran erhöhte sich das Fouling-Verhältnis von3,2 % bis 7,8 %, wohingegen die PES-Membran einen Anstieg zeigte5,0 % bis 8,5 %.

Membranmaterial	Porengrößen/μm	Filtrationsdurchsatz/%	Permeatfluss/(L/min)	Membranverschmutzung/%
PSF	0.1	90.5	5.1	3.2
	0.2	93.2	5.6	5.4
	0.5	95	6.2	7.8
PES	0.1	87.3	4.8	5
	0.2	91.4	5.2	6.2
	0.5	94.1	6	8.5

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Vergrößerung der Membranporengröße den Filtrationsdurchsatz und den Permeatfluss wirksam steigert, aber auch die Membranverschmutzung beschleunigt. Daher muss bei der Auswahl einer geeigneten Membranporengröße die Filtrationseffizienz mit der langfristigen Membranleistung und den Reinigungsanforderungen in Einklang gebracht werden.

 

 

Membranreinigungsleistung

Nach dem Membranreinigungsverfahren erholte sich die Leistung beider Membranmaterialien deutlich.

Porengrößen/μm	PSF-Filtrationsdurchsatz/%	PSF-Membranverschmutzung/%	PES-Filtrationsdurchsatz/%	PES-Membranverschmutzung/%
0.1	90.5	3.2	87.3	5
0.2	93.2	5.4	91.4	6.2
0.5	95	7.8	94.1	8.5

Für diePSF-Membran, die Permeationsrate erholte sich von88.2%vor der Reinigung92.5%nach der Reinigung, während der Grad der Membranverschmutzung abnahm8.0%Zu3.2%.

Ebenso diePES-Membranzeigte einen Anstieg der Permeation von84.1%Zu87.3%, mit reduzierter Membranverschmutzung von9.5%Zu5.0%.

Porengrößen/μm	Vor Reinigungsdurchsatz/%	Nach Reinigungsdurchsatz/%	Vor der Reinigung Membranverschmutzung/%	Nach der Reinigung Membranverschmutzung/%
PSF	88.2	92.5	8	3.2
PES	84.1	87.3	9.5	5

Diese Ergebnisse zeigen, dass eine regelmäßige Membranreinigung die Membrandurchlässigkeit wirksam wiederherstellen und gleichzeitig die Verschmutzung erheblich reduzieren kann. Nach der Reinigung erreichte die Membranfiltrationsleistung nahezu ihr ursprüngliches Betriebsniveau.

Die Studie bestätigt auch die hervorragende Wiederverwendbarkeit von TFF-Membranen, die es Herstellern ermöglicht, die Häufigkeit des Membranwechsels zu reduzieren, die Betriebskosten zu senken und die Gesamtökonomie des Prozesses zu verbessern.

 

 

Diskussion

Die Tangentialflussfiltration erzeugt ein Strömungsfeld mit hoher -Scherwirkung, indem sie es der Zufuhrlösung ermöglicht, sich parallel zur Membranoberfläche zu bewegen. Dieser Querstrommechanismus minimiert effektiv die Partikelablagerung und die Verstopfung der Membranporen und überwindet so den schnellen Flussabfall, der üblicherweise bei der herkömmlichen Dead-End-Filtration beobachtet wird.

Dadurch behält TFF eine stabile Filtrationsleistung über längere Betriebszeiträume bei und verlängert gleichzeitig die Lebensdauer der Membran. Die Technologie ist besonders vorteilhaft für die Verarbeitung von Suspensionen mit hoher Zelldichte und biologischen Fermentationsbrühen.

Die Auswahl des Membranmaterials spielt eine entscheidende Rolle für die Gesamtsystemleistung.

Zu den häufig verwendeten Membranmaterialien gehören:

• Polysulfon (PSF)– bietet eine hervorragende mechanische Festigkeit und chemische Stabilität und eignet sich daher hervorragend für komplexe Fermentationsprozesse.
• Polyethersulfon (PES)– bietet eine höhere Permeabilität, ist jedoch relativ anfälliger für Membranverschmutzung.
• Polytetrafluorethylen (PTFE)– weist eine hervorragende Chemikalien- und Korrosionsbeständigkeit für anspruchsvolle Verarbeitungsumgebungen auf.

Typische Membranporengrößen reichen von0,1 μm bis 0,5 μm. Durch die Optimierung sowohl des Transmembrandrucks (TMP) als auch der Querstromgeschwindigkeit können TFF-Systeme gleichzeitig die Zielproduktrückgewinnung maximieren und gleichzeitig eine hohe Filtrationseffizienz aufrechterhalten.

Experimentelle Ergebnisse zeigten außerdem, dass durch regelmäßiges Rückspülen in Kombination mit chemischer Reinigung mehr als wiederhergestellt wurde90%des ursprünglichen Membranflusses, was die erheblichen Vorteile von TFF in Bezug auf effiziente Trennung, geringe Verschmutzung und Wiederverwendbarkeit der Membran hervorhebt. Diese Eigenschaften machen TFF zu einer äußerst zuverlässigen Technologie für die Reinigung von Impfstoff-Fermentationsbrühen.

 

Abschluss

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Membranporengröße einen direkten Einfluss auf die Permeationsleistung und Membranverschmutzung während der Tangentialflussfiltration hat.

Membranen mit einer kleineren Porengröße (0,1 μm) reduzierten effektiv die Membranverschmutzung und behielten eine stabile Filtrationsleistung bei, obwohl ihre Permeationsraten relativ niedriger waren. Im Gegensatz dazu verbesserten Membranen mit größerer Porengröße (0,5 μm) die Permeationseffizienz erheblich, führten aber auch zu einer erhöhten Membranverschmutzung, was den Kompromiss zwischen Filtrationsdurchsatz und Membranlebensdauer verdeutlicht.

Während der kontinuierlichen Filtration sank die Permeationsrate allmählich von 90,5 % auf 88,7 %. Nach der Membranreinigung erholte sich die Permeabilität auf 92,4 %, was darauf hindeutet, dass die Kombination aus Rückspülung und chemischer Reinigung abgelagerte Verunreinigungen effektiv entfernt, die Membranleistung wiederherstellt und die Lebensdauer der Membran verlängert.

Weitere Analysen legen nahe, dass die Optimierung der Membranreinigungsintervalle und des Betriebsdrucks den Filtrationsfluss erheblich verbessern und gleichzeitig die Produktqualität aufrechterhalten kann. Geeignete Betriebsbedingungen verbessern nicht nur die Trenneffizienz, sondern reduzieren auch den Energieverbrauch und die Membranverschmutzung.

Insgesamt wird die Leistung der Tangentialflussfiltration in Bioprozessanwendungen gemeinsam von Membraneigenschaften und Reinigungsstrategien beeinflusst. Eine koordinierte Optimierung dieser beiden Faktoren ist für die Verbesserung der Systemzuverlässigkeit, die Maximierung der Prozesseffizienz und die Reduzierung der Herstellungskosten von entscheidender Bedeutung.

Diese Ergebnisse unterstützen die Anwendung von TFF als effiziente und skalierbare Downstream-Reinigungstechnologie für die Impfstoffherstellung und andere biopharmazeutische Produktionsprozesse.