メンブレンカセットの容量はどれくらいですか？
バイオ医薬品の製造、水処理、食品や飲料の加工に携わったことがある方は、膜カセットを目にしたことがあるでしょう。これは、細胞培養液の清澄からタンパク質治療薬の濃縮まで、あらゆる処理を行うコンパクトなモジュール式濾過の主力製品です。しかし、「膜カセットの容量は正確にはどのくらいですか?」と疑問に思ったことがあるなら、あなたは一人ではありません。膜カセットのサプライヤーとして、私は 1L のサンプルをテストする研究室の技術者から 10,000L のバッチに対応する工場管理者まで、この質問に答えてきましたが、答えが画一的な数字になることはほとんどありません。ここでの容量とは、カセットがどれだけの容量を保持できるかということだけではなく、パフォーマンスの耐久性、濾過速度、特定のプロセスのニーズに適切なカセットを適合させることも重要です。
膜カセットの文脈において「容量」が実際に何を意味するのかを分析することから始めましょう。保持容量と作業容量を混同するのは簡単だからです。カセットの内部容積はフィルター層とハウジングの間の空間ですが、それが実用化の原動力となるわけではありません。実際の処理能力は、透過水流束 (単位時間当たり単位面積当たりの膜を通過する濾液の量) と総スループット (洗浄または交換が必要になる前に処理できる量) という 2 つの中心的な指標に要約されます。どちらの数値も、膜の分子量カットオフ (MWCO)、材料、構成に加えて、圧力、温度、供給溶液の粘度などのプロセス条件に大きく依存します。
たとえば、限外濾過 (UF) カセットは、当社が提供する最も一般的なタイプの 1 つです。 MWCO の範囲は 1 kDa から最大 1,000 kDa であり、それぞれの範囲は特定のタスクに合わせて調整されています。小規模な研究室での作業では、当社の 30kd 限外濾過カセットは、抗体を濃縮したり、小さな塩からタンパク質を分離したりするのに最適です。初めてお使いになるお客様から「10Lのサンプルも処理できますか？」とよく質問されます。答えはカセットのサイズだけではありません。 0.1 m² の膜面積を備えた単一の 30 kDa UF カセットは、希釈タンパク質溶液に対して 40 ～ 60 L/m²/時間のフラックスを供給する可能性があるため、圧力制限内に留まり膜の汚れを回避すれば、10 時間かけて合計 40 ～ 60 L を処理できる可能性があります。しかし、血清タンパク質を多く含む細胞培養上清など、より粘性の高いフィードを扱う場合、その流束は 30 ～ 50% 低下し、それに比例してスループットも低下する可能性があります。ここで、カセットをプロセスに適合させることが重要になります。の500KD 限外濾過カセットたとえば、より大きな粒子を処理できるように細孔サイズが大きいため、細胞破片や粗製発酵ブロスを処理するときに高い流束を維持し、これらの飼料タイプの総作業能力が高くなります。
精密濾過 (MF) カセットも同様のロジックに従いますが、その能力は、溶解した分子ではなく、より大きな粒子 (細胞、細菌、またはマイクロサイズの汚染物質) を分離することに重点を置いています。私たちのTFF精密ろ過カセットタンジェンシャルフローろ過 (TFF) 用に設計されています。TFF は、膜表面から破片を一掃することで汚れを軽減するため、カセットベースのろ過の最も一般的な方法です。 TFF MF カセットは、ベンチトップのラボセットアップから完全な製造ラインまでの範囲のスケールで利用でき、その容量は膜面積に直接対応します。面積 0.01 m² の実験室規模の TFF MF カセットは 1 時間あたり 1 ～ 5 L の細胞懸濁液を処理できますが、10 m² の膜を備えた生産規模のカセットは 1 時間あたり 500 ～ 2,000 L を処理できます。実験室規模で研究する研究者にとって、Scales Lab 精密ろ過カセットは小容量向けに最適化されており、正確な流量により、プロセスパラメータが確定したら簡単にスケールアップできます。100 mL から 10 L バッチに移行するときにセットアップ全体をやり直す必要はありません。
カセット容量のもう 1 つの重要な要素は、その使用方法に関係する設計構成です。 TFF カセットは、UF であっても MF であっても、硬いプラスチックのフレームの間に挟まれた平らなシートの膜を持ち、供給溶液を膜と平行に導く流路を備えています。この設定により、汚れが低減されるだけでなく、膜表面全体にわたる一貫した流束が可能になるため、デッドエンドろ過カセットを使用する場合よりも確実に容量を予測できます。私たちのTFF限外濾過カセットたとえば、流束と総スループットの両方を最大化するために、さまざまな高さのスペーサー チャネル (粘性供給には狭いチャネル、高流量には広いチャネル) が組み込まれています。モノクローナル抗体 (mAb) 濃縮プロセスの場合、TFF UF カセットの作業容量は MWCO に応じて 50 ～ 200 L/m² になります。30 kDa バージョンは、抗体を保持しながらより小さな不純物を通過させるため、ほとんどの mAb で最高の回収率を実現します。
しかし、容量は量だけを意味するものではなく、寿命も意味します。カセットは 1 日に 100 L を処理できますが、20 L を超えて汚れた場合、その日は無駄になり、洗浄や交換に余分なコストがかかります。ここで膜の素材が重要な役割を果たします。それは私が新規顧客に対して常に強調していることです。たとえば、ポリエーテルスルホン (PES) 膜は耐薬品性が高く、タンパク質結合が低いため、交換する前に 0.5 M NaOH などの強力な CIP (定置洗浄) 溶液で複数回洗浄できます。 PES ベースの TFF UF カセットは 5 ～ 10 の処理サイクルを達成でき、時間の経過とともにその容量が効果的に増加し、単一カセットの 100 L/日の処理量が寿命期間中に 500 ～ 1,000 L に変わります。一方、一部のセルロースベースの MF カセットは、デリケートなラボ用途での 1 回限りの使用に適していますが、耐薬品性が低いため洗浄できないため、カセットあたりの総スループットは低くなりますが、実行間の相互汚染がないという利点があります。
私は最近、ワクチン精製ステップの生産能力目標を達成するのに苦労している小規模なバイオテクノロジー新興企業のチームと協力しました。彼らは 100 kDa MWCO を備えた汎用 UF カセットを使用していましたが、汚れが生じる前にカセットあたりの処理量が 20 L しか得られず、バッチ生産が最高に遅くなりました。テストした後、500KD 限外濾過カセット、より小さな培地成分からウイルス粒子を分離するように設計されたこの装置では、フラックスが 40% 増加し、カセットあたりの合計スループットが 35 L になりました。流量と圧力設定をわずかに調整したところ、カセットの寿命を 3 サイクルに延長することができ、週あたりの総容量が 120 L から 300 L 以上になり、今後の臨床試験の期限に間に合うように十分な量になりました。それがカセットの容量に関するものです。仕様書に記載されている静的な数値ではありません。これは、製品とプロセスを適切に調整することで最適化できる変数です。
これを具体的な数値で示すために、標準プロセス条件 (25°C、UF では 15 ～ 20 psi、MF では 10 ～ 15 psi) に基づいた、当社のコアカセットラインの典型的な作業能力の簡単な内訳を以下に示します。
- Scales Lab 精密ろ過カセット: 膜面積 0.005 ～ 0.02 m²、バッチあたり 0.5 ～ 5 L を処理、研究開発および小規模サンプル前処理に最適です。
- 30kd 限外濾過カセット: 膜面積 0.1 ～ 1 m² で利用可能、希釈タンパク質溶液のスループットは 1 m²/時間あたり 40 ～ 80 L、洗浄前のカセットあたりの総作業容量は 50 ～ 200 L。
- 500KD 限外濾過カセット: 膜面積 0.05 ～ 0.5 m²、原油供給の流束が高く (60 ～ 100 L/m²/時間)、カセットあたりの合計スループット 100 ～ 250 L。
- TFF 精密濾過カセット: 膜面積 0.5 ～ 5 m²、細胞懸濁液を 1 時間あたり 50 ～ 500 L 処理し、繰り返し使用できる長寿命を備えています。
- TFF 限外濾過カセット: 膜面積 0.5 ～ 10 m²、ラボから生産まで拡張可能、フィード粘度に応じてカセットあたりの合計スループット 200 ～ 1,000 L。
これらはベースラインの数値であり、すべてのプロセスで調整が必要になることに注意することが重要です。たとえば、食品加工でホエイプロテインなどの固形分を多く含む飼料を扱う場合、汚れにより流束が最大 60% 低下する可能性があるため、同じ能力を維持するにはより大きな膜面積が必要になります。そのため、私のチームは常にお客様に無料のプロセス コンサルティングを提供し、特定のフィード、希望の純度、バッチ サイズに基づいて必要な正確な容量を計算するのを支援します。推測は必要ありません。
もう 1 つのよくある質問は、「カセットを組み合わせて容量を増やすことはできますか?」というものです。簡単に言うと「はい」ですが、正しく行う必要があります。複数のカセットに同じ流れが供給される並列構成では、膜の総面積が増加し、したがって総スループットが増加します。一方、直列構成では、純度を高めるために連続した濾過ステップ (清澄、濃縮、研磨) に使用されます。しかし、流量分布を考慮せずにカセットを並行して実行すると、一部のカセットが他のカセットよりも激しく動作することになり、不均一な汚れが発生し、全体の容量が低下する可能性があります。当社の TFF カセットは、並列セットアップを簡単にする均一なフロー チャネルを備えて設計されているため、スケーリングに慣れていないお客様でも、複数のユニットにわたって一貫したパフォーマンスを得ることができます。
結局のところ、膜カセットの容量は、適切なツールを仕事に適合させるかどうかにかかっています。新薬候補の開発に取り組む研究室の研究者は、市販の治療法を製造する製造工場と同じカセット容量を必要としません。また、牛乳から脂肪を分離するフードプロセッサーには、マイクロプラスチックを除去する水処理施設とは異なるニーズがあります。サプライヤーとしての私たちの目標は、単にカセットを販売することではなく、実際に必要な容量をお客様が理解し、そこに到達するための製品とサポートを提供することです。ろ過プロセスの最適化、運用のスケールアップを検討している場合、または特定の膜カセットの容量について詳しく知りたい場合は、当社のチームがお客様の要件について話し合い、適切なソリューションを見つけます。
参考文献
- モルダー、M. (1996)。膜技術の基本原理。クルーワー学術出版社。
- LJ ゼマン、アラバマ州ジドニー (1996)。精密濾過と限外濾過: 原理と応用。マルセル・デッカー株式会社
- RW フィールド、D. ウー、JA ハウエル、BB グプタ (1995)。クロスフロー膜フィルターの汚れのモデル化。膜科学ジャーナル、100(1)、259–275。