タンジェンシャルフローろ過における高い圧力損失の原因と解決策の分析

バイオ医薬品プロセスにおける重要な分離および精製技術として、タンジェンシャルフローろ過 (TFF){0}}液体が膜表面を接線方向に流れる-独自の分離メカニズムを利用して、高分子や微粒子の蓄積を効果的に低減し、従来のデッドエンドろ過よりもはるかに高いスループットを実現します。{2}この技術は、製品の製造に広く応用されています。抗体、ワクチン、遺伝子治療、細胞治療、核酸医薬の主流の方法として機能します。濃度と緩衝液交換バイオ医薬品分子の研究。したがって、開発と最適化生産効率の向上、設備と消耗品のコストの削減、一貫した製品品質の確保には、TFF プロセスの割合が非常に重要です。ただし、プロセスの開発とスケールアップ中は、-高い圧力降下多くの場合、大きな課題になります。この記事では、高圧損失形成の背後にあるメカニズムを詳細に分析し、高い圧力降下の実現に役立つ体系的なソリューションを提供します。-安定かつ効率的な精製プロセス.

 

キーワード ---定義

タンジェンシャルフロー濾過では、圧力降下具体的には、フィードがタンクから流れるときに発生する圧力損失を指します。入口に出口膜モジュールの。

計算式：
ΔP=ピン - プレット

• ピン：供給圧力 - 膜モジュールに入る材料の圧力。
• プレト:残留物（戻り）圧力 - 膜モジュールから出る物質の圧力。
• ΔP:圧力降下 - 入口と出口の間の圧力差。

 

キーワード--- 過度の圧力降下の影響

• 膜チャネル閉塞のリスク:高い圧力降下は、チャネル内に物質が大量に蓄積していることを直接示しており、完全な閉塞やプロセスの中断につながる可能性があります。
• 膜モジュールの物理的損傷:メーカーが指定した最大許容圧力降下を超えると、チャネルスペーサーの変形や結合点の亀裂が発生し、モジュールに永久的な損傷が生じる可能性があります。
• プロセス効率の低下:抵抗が大きいと、流れを維持するためにより高いフィードポンプ圧力が必要になり、エネルギー消費と装置負荷が増加すると同時に、濃縮または濾過時間が大幅に長くなります。
• 掃除が難しく、寿命が短くなる:重度の詰まりは標準的な洗浄手順では除去するのが困難なことが多く、膜カセットの寿命が大幅に短くなります。
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キーワード---圧力降下過大の原因

過度の圧力低下の原因は、動作条件、材料特性、膜の汚れと詰まり、ハードウェアと設計の 4 つの主なカテゴリに要約できます。これらの要因は多くの場合相互に関連しており、一緒に作用します。

不適切な動作条件が最も一般的な直接の原因です。

• 過剰な接線方向流速:流速は、圧力降下に影響を与える最も重要な操作パラメータです。流体力学の原理によれば、チャネル内の圧力損失は流速の二乗にほぼ比例します（流れの状況に応じて）。したがって、単に供給流量または再循環流量を増加させると、圧力損失の大幅な上昇が直接引き起こされます。
• 初期フィード圧力の設定が高すぎます:定流量モードでは、非常に高い初期流量を達成するには、供給ポンプが高圧を出力する必要があり、これが直接流量のサージにつながります。、それによって大きな圧力損失が発生します。
• 材料特性の変化は、濃縮プロセス中に圧力損失が増加する通常の予想される原因です。
• 材料の濃度と粘度の増加:これは、TFF (タンジェンシャル フロー フィルトレーション) 濃縮モードの中心的な機能です。溶媒と低分子が濾過されると、飼料中の高分子（タンパク質、多糖類、細胞など）の濃度が上昇し、粘度が大幅に増加します。 -狭い膜チャネルを流れる高粘度流体は内部摩擦が急激に増加し、圧力損失が安定して継続的に上昇します。濃縮中に、体積濃縮係数に応じて圧力損失が徐々に増加するのが観察されるのは、正常な物理プロセスであり、異常な故障ではありません。
• 本質的に粘度が高い、または-非ニュートン流体:{1}初期濃度であっても、高分子量ポリマーを含む溶液、高細胞密度の発酵ブロス、特定の多糖類溶液などの一部の原料-は本質的に粘性があり、その結果、水や緩衝液よりも大幅に高いベースライン圧力降下が発生します。

 

膜の汚れとチャネルの閉塞これらは圧力降下の異常かつ急速な増加の主な原因であり、注意深い注意と介入が必要な故障モードを表しています。

 

• ゲル/ファウリング層の形成:膜に保持されている物質 (タンパク質、細胞破片、コロイドなど) が膜表面に蓄積し、緻密な汚れ層を形成します。この層は透過水の流れを妨げるだけでなく、膜チャネルの物理的空間を大幅に占有し、有効チャネル高さを減少させ、流れ抵抗を大幅に増加させます。
• 物理チャネルの遮断:膜チャネルの寸法と同等またはそれより大きい飼料中の不溶性粒子、繊維、または凝集体は、{0}}特に入口で-詰まり、深刻な局所的な閉塞を引き起こす可能性があります。このような詰まりは通常不均一であり、膜モジュール内の一部のチャネルが完全に機能しなくなる可能性があり、非常に高い非線形の圧力降下サージが発生する可能性があります。-これは最も危険な状況の 1 つであり、膜モジュールに永久的な損傷を与える可能性があります。
• 濃度分極:濃度分極層は可逆的ですが、高 TMP または高流束条件下では、層が非常に緻密でゲル状になることがあります。-局所的な粘度が増加し、チャネルスペースが減少し、圧力損失の上昇にさらに寄与します。
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不適切な膜モジュールの選択とハードウェア/設計の問題圧力損失の上昇にも寄与する可能性があります。

 

• 不適切な膜モジュールの選択:チャネルが長くなるほど、流体とチャネル壁の間の摩擦経路が大きくなり、その結果、ベースライン圧力降下が高くなります。チャネルが狭くなると、流体に対する幾何学的制約が大きくなり、流れ抵抗が増加し、圧力損失が増加します。
• システム配管とバルブの詰まり:問題は必ずしも膜モジュールに起因するとは限りません。供給ライン、センサーインターフェース、特に再循環ラインとそのバルブは汚染物質や結晶化によって詰まり、システム全体に追加の圧力損失を引き起こす可能性があり、これが膜モジュールの圧力降下と誤解される可能性があります。
• 温度の影響:供給温度がプロセス設計値よりも低い場合、通常、液体の粘度が増加し、圧力損失が大きくなります。

過度の圧力損失の解決策

過度の圧力低下の解決策は、即時の運用調整、洗浄と回復、長期的な予防と最適化の 3 つの主なタイプに分類できます。{0}}

 

即時の運用調整:

• 接線方向の流量を調整します。接線流量を適切に減らしてください。流量を下げることは、圧力損失を減らす最も直接的かつ効果的な方法です。ただし、流量が低すぎると膜表面にかかるせん断力が弱くなり、膜の汚れが増加する可能性があります。バランスを見つける必要があります。
• 飼料溶液を希釈します。飼料全体の濃度を下げるために、適切な量の緩衝水または精製水を飼料タンクに追加します。
• 浸透を一時停止して循環させます。透過水-側のバルブを閉じて、透過水を生成せずに供給液が「供給タンク→ポンプ→膜モジュール→供給タンク」のループを循環できるようにします。
• バルブ開度を確認して最適化します。再循環バルブが正しい開度に設定されていることを確認してください。開口部が小さすぎるなど、バルブの操作が不適切であると、人為的に大きな圧力降下が発生する可能性があります。

 

洗浄と膜の回復:

動作調整が効果がない場合は、汚れまたは詰まりが発生していることを示しており、清掃が必要です。

• -現場洗浄（CIP）:化学洗浄剤を使用して汚染物質を溶解または除去します。
• バックフラッシュ:供給側よりも透過側から高い圧力を加えて (きれいなバッファーまたは水を使用して)、液体を膜に押し戻し、膜の細孔とチャネル入口の汚れを押し出します。この方法は、磁束の回復と圧力損失の低減に非常に効果的です。メンブレンのタイプとモジュールが背圧に耐えられることを確認してください。
• 浸漬：システムを洗浄液で満たし、循環を停止し、数時間または一晩浸して、化学薬品が頑固な汚染物質と反応するのに十分な時間を与えます。

 

長期的な予防と根本的な最適化:-

問題の再発を防ぐには、システム レベルとプロセス レベルの両方で最適化に取り組む必要があります。

• 飼料の前処理を最適化:これが最も基本的な予防策です。飼料が TFF システムに入る前に、遠心分離、深層濾過、または同様の方法により、粒子、細胞破片、凝集体、およびその他の不溶性不純物を可能な限り除去します。クリーンなフィードによりスムーズな動作が保証されます。
• プロセス パラメータを再最適化します。-実験によって臨界流束を特定し、「臨界透過流束」を決定します。この流束以下で動作させると、濃度分​​極とゲル層の形成が大幅に減少し、ソースでの異常な圧力降下の増加が防止されます。接線流量と TMP の組み合わせを最適化します。-高流量と高 TMP を盲目的に使用することは避けてください。圧力損失を妥当な範囲内に保ちながら、十分な濾過効率を維持する最適な動作点を見つけます。
• ハードウェアの検査と保守:配管、継手、センサーダイヤフラムに詰まりやスケールがないか定期的にチェックしてください。圧力センサーを校正して、正確な測定値を確保します。
• 膜モジュールの選択を再評価します。-現在の膜チャネルが狭すぎて、高粘度のフィードや微粒子を少量含むフィードを処理できない場合は、より広いチャネルと優れた耐汚損性を備えたモジュールに切り替えることを検討してください。{0}さまざまな膜材料 (PES、RC、PVDF など) と特定の供給溶液との適合性を評価します。