平面膜の選択性を向上させるにはどうすればよいか？

平らなシート膜の作業に時間を費やしたことがある人なら、選択性が単なるパフォーマンスの指標ではないことをご存知でしょう。機能するプロセスと、一貫した信頼性の高い結果をもたらすプロセスとの違いです。平膜のサプライヤーとして、私はこれに悩まされている何百ものチームと話をしてきました。流束率は得られるが、目的の成分が浸透していたり​​、目的外の粒子が通過して貴重な製品を失っていたりするのです。選択性の向上は、膜の完全な見直しを意味する必要はありません。長年にわたり、私はクライアントと協力してプロセスを微調整し、膜特性を調整し、操作条件を最適化して、流量や耐久性などの他の重要な指標を犠牲にすることなく選択性を高めてきました。実際に何が変化するのか、そしてこれらの手順を独自のワークフローにどのように適用できるのかを詳しく見てみましょう。

まず、これがどのような膜選択性であるかを調べてみましょう実は手段。平膜の場合、選択性とは、サイズ、電荷、または化学親和性に基づいて、特定の成分を分離する能力です。たとえば、小さな塩を通過させながら大きなタンパク質を保持する、または発酵ブロスから細菌を濾過するなどです。フラットシート形式は、スパイラル巻きや中空糸とは異なり、表面積と厚さの比が明確であるため、研究室規模の開発、小バッチ製造、または膜表面への容易なアクセスが重要な用途に最適です。しかし、同じ平らな形状でも、特に適切な膜特性をプロセスのニーズに適合させていない場合、一貫性に関して特有の課題が生じる可能性があります。

私がクライアントが犯す最も一般的な間違いの 1 つは、間違った孔径分布を持つ膜を選択することです。 「孔径は孔径のことだ」と思うかもしれませんが、実際には、平膜膜にはさまざまな孔径があり、単一の完全な直径はありません。たとえば、0.2μm とラベル付けされた膜は、すべての細孔が正確に 0.2μm であることを意味するわけではありません。大きいものもあれば小さいものもあります。ターゲットが 0.2μm 以上の粒子を保持することである場合、これらの特大の細孔によりターゲットの一部が通過してしまい、そこで選択性が低下します。だからこそ、当社は精密濾過カセットラインの改良に何年も費やしてきました。0.1um精密ろ過カセット微細で一貫した細孔制御が交渉の余地のない用途に最適です。これらのカセットは、細孔サイズの分布を狭める精密な延伸プロセスを使用して製造されており、選択性を損なう可能性のある「漏れやすい」細孔の数を減らします。私たちは、クライアントが一般的なフラットシートメンブレンからこれらに切り替えたところ、その 1 回の調整だけで成分保持率が 15 ～ 20% 向上したことをすぐに確認してきました。

ただし、影響を与える構造的要因は孔のサイズだけではありません。メンブレンの表面化学は、特にサイズだけではなく電荷や疎水性に依存する分離の場合、選択性に大きな影響を与えます。標準的な平シート膜の多くは、未修飾のポリエーテルスルホン (PES) を使用しています。PES は耐久性に優れていますが、表面がわずかに疎水性であるため、汚れや非特異的吸着を引き起こす可能性があります。プロセスに荷電分子の分離が含まれる場合、この未修飾の表面により、ターゲット成分と非ターゲット成分の両方が付着し、それらを区別することが困難になる可能性があります。私たちは提供しますポリエーテルスルホン精密ろ過カセットたとえば、非特異的結合を低減する親水性コーティングや、ターゲットと同じ電荷をもつ成分を反発する荷電官能基などの、表面修飾を施したものです。数か月前、私が担当したバイオ製薬会社のクライアントは、宿主細胞タンパク質からモノクローナル抗体を分離するために標準的なフラットシートを使用していました。膜表面への吸着により抗体の 12% が失われ、選択性が失われてしまいました。当社の改変 PES カセットに切り替えると、その吸着が 2% 未満に削減され、成分の選択性が劇的に向上しました。宿主細胞タンパク質を容易に通過させながら、標的の 99.8% を保持していました。これは、表面化学が細孔サイズと同じくらい影響を与える可能性があることを示す良い例です。

適切なメンブレンを選択したら、次のステップは動作条件を最適化することです。フラット シート システムで不適切に動作させた場合、最良のメンブレンでもパフォーマンスが低下するためです。流速、圧力、およびクロスフロー速度 (それを使用するシステムの場合) はすべて、選択性に影響します。プレッシャーから始めましょう。平らなシート膜を高い圧力で実行すると、膜の細孔構造が圧縮されたり、開いているはずの細孔に粒子が押し込まれたりする可能性があります。たとえば、精密ろ過では、推奨範囲を超える膜間圧力 (TMP) が膜表面にケーキを形成する可能性があります。蓄積された粒子は二次フィルターとして機能しますが、ケーキが不均一な場合は分離が不均一になり、選択性が低下します。私は常にクライアントに、TMP を段階的にテストし、低めから始めて、各レベルでの維持率を測定するように伝えています。ほとんどのフラット シート メンブレンは、精密濾過において 10 ～ 30 psi の TMP レベルで最高の性能を発揮しますが、これは用途によって異なる場合があります。タンジェンシャル フロー フィルトレーション (TFF) を使用している場合、これはさらに重要です。TFF精密ろ過カセットは、さまざまな圧力範囲にわたって一貫した細孔構造を維持するように設計されているため、高流束と良好な選択性のどちらかを選択する必要はありません。当社の TFF カセットを古いフラット シート システムに切り替えるお客様は、カセットが細孔の圧縮を防ぐように設計されているため、保持力を犠牲にすることなくわずかに高い流束で動作できることに気づくことがよくあります。

クロスフロー速度 (CFV) は、選択性の向上を目指す場合に見落とされがちなもう 1 つの操作パラメータです。クロスフローは粒子を膜表面から一掃することで機能し、ケーキの形成を減らします。 CFV が低すぎると、ケーキ層が蓄積し、一部の成分が捕捉されたり、細孔から押し出されたりして、選択性が損なわれます。高すぎると、繊細なターゲットコンポーネント (細胞やタンパク質など) が剪断されたり、エネルギーが不必要に浪費されたりする可能性があります。中空糸よりも流路が広いフラットシート システムの場合、CFV の方が調整が簡単ですが、スイート スポットを見つけることが重要です。たとえば、私が協力した食品および飲料のクライアントは、ビール発酵ブロスから酵母を濾過するために平らなシート膜を使用していました。低すぎる CFV で運転していたため、重いケーキが形成され、透過液中の酵母 (ターゲット) の 8% が​​失われ、同時に小さな細菌も通過していました。ケーキ層を薄く保つのに十分な程度に CFV を増加させることで (ただし、酵母を損傷するほど高くはありません)、酵母の損失を 1% 未満に削減し、細菌の保持率を 10% 改善しました。私たちは多くの場合、クライアントが TFF アプリケーションに対して 0.5、1.0、および 1.5 m/s で CFV をテストし、特定のコンポーネントのサイズと安定性に基づいて調整することを推奨します。

ファウリングは長期的な選択性にとって最大の敵であり、フラットシートメンブレンのユーザーなら誰しもが直面する問題です。ファウリングは、粒子、タンパク質、その他の成分が膜表面に付着したり、細孔に詰まり、時間の経過とともに細孔が狭くなったり、完全に閉塞したりすることで発生します。汚れが蓄積すると有効細孔サイズが変化するため、これにより分離が不均一になります。これに対処するには、単に優れたメンブレンを選択するだけではなく、穏やかでありながら効果的な定期的な洗浄プロトコルを実行することが重要です。再利用可能なシステムについては、再利用可能な TFF カセット細孔構造や表面化学を失うことなく、複数回の洗浄サイクル (多くの場合、最大 50 回) に耐えられるように設計されています。選択性を高めるための洗浄の鍵は、特定のタイプの汚れを対象とする洗浄剤を使用することです。たとえば、タンパク質の汚れに対処する場合、40°C の 0.1% SDS などの中性洗剤を使用すると、膜を損傷することなくタンパク質凝集体を分解できます。有機汚れ (廃水用途で一般的) の場合は、pH 調整された洗浄液または酵素洗浄剤が効果的です。お客様が適切な洗浄を省略し、わずか数回使用しただけで選択性が 25% 低下するのを見てきましたが、一貫した洗浄ルーチンを使用すれば、同じ膜が数か月間その選択性を維持できます。ある顧客は、特に使い捨てメンブレンがすぐに汚れてバッチごとに選択性が一貫していなかったため、当社の再利用可能な TFF カセットに切り替えました。現在では、10 回使用した後でも、実行ごとに一貫した結果が得られています。

見落とされがちなもう 1 つの要因は、膜の保管と取り扱いです。平らなシート膜は繊細であり、不適切に保管すると表面が損傷したり、細孔構造が変化したりして、使用する前から選択性が低下する可能性があります。私は常にクライアントに、メンブレンを直射日光や極端な温度を避け、涼しく乾燥した場所に保管し、すぐに使用しない場合は湿った状態に保つようにアドバイスしています。たとえば、膜が乾燥すると、一部の PES 膜では表面化学が変化し、吸着が増加したり細孔が狭くなったりすることがあります。これを防ぐために、すべてのカセットを湿度管理された密封ポーチに梱包していますが、それでも取り扱いガイドラインに従うことが重要です。うっかり膜を乾燥させてしまった場合は、多くの場合、脱イオン水で 24 時間再水和することでほとんどの特性を回復できますが、これは完璧な解決策ではないため、その手順を完全に避けることをお勧めします。

何を分離するかによって選択性が異なるため、アプリケーション固有の調整についても説明します。たとえば、バイオリアクターでの細胞保持を扱う場合、培地や小さなタンパク質を通過させながら大きな哺乳類細胞 (10 ～ 30 μm) を保持できるフラット シート TFF システムが最適です。この場合、孔径がわずかに大きく (0.45μm)、孔径分布が良好なメンブレンを使用すると、培地の流れを妨げずに高い細胞保持 (選択性) が得られます。一方、ナノ粒子やウイルス粒子を濾過する場合は、はるかに小さな孔が必要になります。フラット精密ろ過カセット正確な0.1μmの細孔サイズが便利です。浮遊物質とバクテリアの両方を除去する必要がある廃水処理の場合、表面が帯電した膜はマイナスに帯電したバクテリアを寄せ付けず、未修飾の膜よりも選択性が向上します。

私は膜業界に 12 年間携わっており、学んだことの 1 つは、選択性を向上させるための万能のソリューションはないということです。これは、適切な膜特性 (細孔サイズ、表面化学、形式) の選択、動作条件 (圧力、流量) の最適化、適切な洗浄ルーチンの実施、および膜の適切な取り扱いの組み合わせです。多くの場合、クライアントは膜自体にのみ注目し、プロセスパラメータやメンテナンスがパフォーマンスにどのような影響を与えるかを見逃しています。しかし、これらすべての要素を組み合わせると、一貫性があり、信頼性が高く、特定のアプリケーションに合わせた選択性を得ることができます。

対象成分の保持、不純物の削減、ファウリングの削減など、平膜膜プロセスの選択性に問題がある場合は、弊社のチームにご連絡いただくことをお勧めします。当社は、バイオ医薬品、食品飲料、廃水などの業界にわたる研究所や製造施設と連携して、精度にかかわらず、お客様のニーズに適切なカセットを適合させます。0.1um精密ろ過カセット、変更されましたポリエーテルスルホン精密ろ過カセット、または長期的な一貫性を実現する再利用可能な TFF カセット。当社は、さまざまな膜オプションのテスト、操作パラメータの調整、選択性を高め、全体的なプロセス効率を向上させる洗浄プロトコルの設定をお手伝いします。一貫性のない分離によって仕事が滞ることのないように、私たちがどのようにサポートできるかを話し合いましょう。

参考文献

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