स्पर्शरेखीय प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) सिस्टम के लिए स्केल-नीचे और स्केल-ऊपर सिद्धांत

पारंपरिक डेड-एंड निस्पंदन में, फ़ीड प्रवाह की दिशा को निस्पंदन की दिशा के साथ संरेखित किया जाता है, जिससे यह झिल्ली की सतह पर फिल्टर केक या जेल परत के गठन के लिए अतिसंवेदनशील हो जाता है। जैसे-जैसे निस्पंदन जारी रहता है, जमा परत धीरे-धीरे मोटी होती जाती है, जिसके परिणामस्वरूप निस्पंदन प्रवाह दर में कमी आती है। स्पर्शरेखीय प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) एक निस्पंदन प्रक्रिया को संदर्भित करता है जिसमें द्रव प्रवाह की दिशा निस्पंदन की दिशा के लंबवत होती है। टीएफएफ के दौरान, द्रव झिल्ली की सतह के साथ स्पर्शरेखीय रूप से बहता है, जिससे कतरनी बल उत्पन्न होता है जो झिल्ली पर विलेय जमाव को कम करने और एकाग्रता ध्रुवीकरण को कम करने में मदद करता है। टीएफएफ का व्यापक रूप से बायोफार्मास्यूटिकल्स के औद्योगिक उत्पादन में उपयोग किया जाता है। आमतौर पर, टीएफएफ प्रणाली में एक फ़ीड जलाशय, एक पेरिस्टाल्टिक पंप या केन्द्रापसारक पंप, एक इनलेट दबाव गेज, एक झिल्ली कैसेट, एक आउटलेट दबाव गेज, एक बैकप्रेशर वाल्व और संबंधित ट्यूबिंग और पाइपिंग शामिल होती है। सिस्टम का एक योजनाबद्ध आरेख नीचे दिखाया गया है।

झिल्ली निस्पंदन प्रक्रियाओं में पर्मेट फ्लक्स और सिविंग गुणांक दो महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। पर्मेट फ़्लक्स को प्रति इकाई समय में प्रति इकाई झिल्ली क्षेत्र से एक झिल्ली से गुजरने वाले तरल की मात्रा के रूप में परिभाषित किया गया है। छनाई गुणांक, पर्मिट में लक्ष्य उत्पाद की सांद्रता और रेटेंटेट में सांद्रता का अनुपात है। विभिन्न पैमानों की स्पर्शरेखा प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) प्रणालियों की तुलना करते समय, हस्तक्षेप को कम करने के लिए प्रयोगात्मक चर को नियंत्रित किया जाना चाहिए। झिल्ली कैसेट में समान उत्पाद श्रृंखला के भीतर सुसंगत झिल्ली सामग्री, आणविक भार कटऑफ (एमडब्ल्यूसीओ)/छिद्र आकार, निर्माता और चैनल स्क्रीन संरचनाएं होनी चाहिए। फ़ीड समाधानों में समान संरचना और सांद्रता होनी चाहिए, और प्रयोग समान प्रारंभिक तापमान स्थितियों के तहत आयोजित किए जाने चाहिए। एक बार जब ये प्रारंभिक शर्तें पूरी हो जाती हैं, तो स्केलअप प्रक्रिया को तीन मूलभूत सिद्धांतों का पालन करना चाहिए: प्रति इकाई झिल्ली क्षेत्र में समान फ़ीड मात्रा, समान झिल्ली सतह कतरनी दर और समान प्रारंभिक ऑपरेटिंग फ्लक्स बनाए रखना। इसके अलावा, गतिशील एकाग्रता-डायफिल्ट्रेशन प्रक्रियाएं, प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित द्रव गतिशीलता और सिस्टम हार्डवेयर विचलन को ध्यान में रखा जाना चाहिए। ये उपाय यह सुनिश्चित करने में मदद करते हैं कि विभिन्न पैमानों पर निस्पंदन सिस्टम के पर्मिट फ्लक्स और छानने का गुणांक हर समय बिंदु पर यथासंभव सुसंगत रहे।

सिद्धांत 1: प्रति इकाई झिल्ली क्षेत्र में संसाधित समान फ़ीड मात्रा बनाए रखें

पारगम्य प्रवाह और छलनी गुणांक झिल्ली के आंतरिक गुणों से निकटता से संबंधित हैं। बशर्ते कि झिल्ली सामग्री, छिद्र आकार और चैनल स्क्रीन संरचना सुसंगत बनी रहे, विभिन्न आकारों के फिल्टरों में तुलनीय पारगम्य प्रवाह और छानने के प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए झिल्ली सतह की स्थिति (केक जमाव और एकाग्रता ध्रुवीकरण की डिग्री सहित) को हर समय अनिवार्य रूप से सुसंगत रहने की आवश्यकता होती है। झिल्ली फाउलिंग और एकाग्रता ध्रुवीकरण के तुलनीय स्तर को प्राप्त करने के लिए, समान फ़ीड संरचना और एकाग्रता मानते हुए, प्रति यूनिट झिल्ली क्षेत्र में संसाधित फ़ीड समाधान की मात्रा विभिन्न पैमाने के निस्पंदन सिस्टम में समान होनी चाहिए। इसलिए, विभिन्न फिल्टर आकारों में फ़ीड मात्रा और झिल्ली क्षेत्र का अनुपात बनाए रखा जाना चाहिए, जिससे प्रति इकाई झिल्ली क्षेत्र (एल/एम²) संसाधित एक सुसंगत फ़ीड मात्रा सुनिश्चित हो सके।

बायोफार्मास्युटिकल विनिर्माण में स्पर्शरेखा प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) में आमतौर पर एकाग्रता के लिए अल्ट्राफिल्ट्रेशन (यूएफ) और बफर एक्सचेंज के लिए डायफिल्ट्रेशन (डीएफ) दोनों शामिल होते हैं। इसलिए प्रति इकाई झिल्ली क्षेत्र में केवल प्रारंभिक फ़ीड मात्रा का मिलान अपर्याप्त है। जैसे-जैसे सांद्रण बढ़ता है, फ़ीड सांद्रण और चिपचिपाहट लगातार बढ़ती जाती है, जिससे सांद्रण ध्रुवीकरण की डिग्री और झिल्ली के दूषित होने की दर प्रभावित होती है। नतीजतन, वॉल्यूमेट्रिक एकाग्रता कारक (वीसीएफ) को हर समय बिंदु पर छोटे पैमाने और बड़े पैमाने के परीक्षणों के बीच सुसंगत रखा जाना चाहिए। डायफिल्ट्रेशन के दौरान, डायफिल्ट्रेशन वॉल्यूम (डीवी) की संख्या बिल्कुल समान होनी चाहिए, क्योंकि यह सीधे कम {{6}आणविक -वजन वाली अशुद्धियों को हटाने की दक्षता निर्धारित करती है। इसके अलावा, रिटेनटेट वॉल्यूम, लक्ष्य प्रोटीन एकाग्रता, अधिकतम डीवी, और टीएमपी अलार्म थ्रेशोल्ड सहित सभी प्रक्रिया समापन बिंदु मानदंड {{9} को स्केल डाउन मॉडल से पूर्ण {{12} स्केल विनिर्माण में पूरी तरह से स्थानांतरित किया जाना चाहिए।

सिद्धांत 2: समान झिल्ली सतह कतरनी दर बनाए रखें

बायोफार्मास्युटिकल उद्योग में, निस्पंदन की आवश्यकता वाले अधिकांश फ़ीड समाधानों में जैविक रूप से सक्रिय पदार्थ होते हैं। झिल्ली की सतह पर बहने वाले तरल पदार्थ द्वारा लगाए गए कतरनी बल न केवल केक निर्माण और एकाग्रता ध्रुवीकरण को प्रभावित करते हैं, बल्कि उत्पाद की जैविक गतिविधि को भी प्रभावित करते हैं। इसलिए, प्रायोगिक संचालन के दौरान झिल्ली सतह दीवार कतरनी दर को छोटे पैमाने और बड़े स्केल स्पर्शरेखा प्रवाह निस्पंदन (टीएफएफ) सिस्टम के बीच लगातार बनाए रखा जाना चाहिए।

सामान्य तौर पर, बड़े पैमाने पर झिल्ली कैसेट में एकीकृत बुने हुए समर्थन स्क्रीन के साथ आयताकार प्रवाह चैनल होते हैं। इसके विपरीत, छोटे पैमाने की प्रयोगशाला झिल्ली कैसेट की प्रवाह चैनल ज्यामिति और स्क्रीन कॉन्फ़िगरेशन उत्पादन पैमाने के कैसेट से काफी भिन्न होती है।

दीवार कतरनी दरों को निर्धारित करने के लिए केवल कम्प्यूटेशनल तरल गतिशीलता (सीएफडी) सिमुलेशन पर भरोसा करने से मॉडल मान्यताओं के कारण त्रुटियां हो सकती हैं। व्यवहार में, सीएफडी सिमुलेशन को झिल्ली कैसेट इनलेट और आउटलेट के बीच प्रयोगात्मक रूप से मापा दबाव ड्रॉप (ΔP) के खिलाफ मान्य किया जाना चाहिए। रिटेन्टेट-साइड फ्लो चैनल पर दबाव में गिरावट कतरनी स्थितियों का एक प्रत्यक्ष इंजीनियरिंग संकेतक है। एक ही उत्पाद श्रृंखला के भीतर झिल्ली कैसेट के लिए, चैनल दबाव ड्रॉप (ΔP) का मिलान छोटे -स्केल और बड़े-स्केल सिस्टम के बीच किया जाना चाहिए। झिल्ली कैसेट की दीवार कतरनी दरों को विभिन्न पैमानों पर यथासंभव करीब लाने के लिए पुनरावर्तन प्रवाह दर को तदनुसार समायोजित किया जाना चाहिए। तथापि,लगातार झिल्ली सतह कतरनी दर का मतलब प्रक्रिया द्रव का लगातार समग्र कतरनी जोखिम नहीं है. छोटे पैमाने की प्रयोगशाला प्रणालियाँ आमतौर पर क्रमिक वृत्तों में सिकुड़नेवाला पंपों का उपयोग करती हैं, जबकि औद्योगिक उत्पादन प्रणालियाँ मुख्य रूप से केन्द्रापसारक पंपों का उपयोग करती हैं। पंप स्वयं अतिरिक्त कतरनी तनाव उत्पन्न कर सकते हैं जो प्रोटीन, वायरस और अन्य जैविक सामग्रियों को नुकसान पहुंचा सकते हैं। स्केल अप के दौरान, उत्पाद एकत्रीकरण के जोखिम और पंप प्रेरित कतरनी के कारण होने वाली जैविक गतिविधि के नुकसान का सावधानीपूर्वक मूल्यांकन किया जाना चाहिए।

सिद्धांत 3: समान प्रारंभिक परिचालन प्रवाह बनाए रखें

सुसंगत फ़ीड समाधान गुणों, झिल्ली सतह विशेषताओं और परिचालन स्थितियों के तहत, यदि निस्पंदन स्थितियों के तहत प्रारंभिक परमिट फ्लक्स समान है और झिल्ली सतह समान तरीके से विकसित होती है, तो बाद में निस्पंदन प्रवाह आम तौर पर सुसंगत रहेगा। यद्यपि एक ही निर्माता के झिल्ली कैसेट, समान झिल्ली सामग्री और छिद्र आकार के साथ, स्केल अप से पहले और बाद में उपयोग किए जाते हैं, कैसेट प्रवाह चैनल ज्यामिति में अंतर का मतलब है कि सिस्टम का समग्र निस्पंदन प्रतिरोध बराबर नहीं हो सकता है। जब निस्पंदन प्रतिरोध विभिन्न आकारों के फिल्टर के बीच भिन्न होता है, तो समान पारगम्य प्रवाह को प्राप्त करने के लिए विभिन्न ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव (टीएमपी) सेटिंग्स की आवश्यकता होती है।

टीएमपी को आम तौर पर इनलेट और आउटलेट दबाव के औसत और पर्मिट साइड दबाव के बीच अंतर के रूप में परिभाषित किया जाता है। चूंकि छोटे {{2}पैमाने और बड़े - दोनों पैमाने के फिल्टर के पर्मिट आउटलेट आम तौर पर वायुमंडलीय दबाव के लिए खुले होते हैं, पर्मिट दबाव 0 Pa (गेज दबाव) होता है। इसलिए, टीएमपी की गणना इनलेट और आउटलेट दबाव के औसत के रूप में की जाती है। यह मान झिल्ली कैसेट में समग्र औसत टीएमपी का प्रतिनिधित्व करता है। हालाँकि, टीएमपी प्रवाह चैनल के साथ स्थानिक रूप से भिन्न होता है, जिसका अर्थ है कि स्थानीय टीएमपी औसत मूल्य से अधिक हो सकता है। निस्पंदन प्रक्रियाएं आम तौर पर दो नियंत्रण मोड में से एक में संचालित होती हैं: निरंतर टीएमपी या निरंतर प्रवाह। कॉन्स्टैंट-टीएमपी ऑपरेशन का उपयोग आमतौर पर प्रोटीन अल्ट्राफिल्ट्रेशन के लिए किया जाता है। स्केल अप के दौरान, छोटे पैमाने के परीक्षणों से टीएमपी सेटिंग को सीधे दोहराया नहीं जाना चाहिए; इसके बजाय, फ्लक्स-टीएमपी विभक्ति बिंदु को संदर्भ के रूप में उपयोग किया जाना चाहिए। लगातार -फ्लक्स ऑपरेशन का उपयोग आमतौर पर माइक्रोफिल्ट्रेशन और वायरल वेक्टर प्रोसेसिंग में किया जाता है। स्केल अप के दौरान, पर्मिट फ्लक्स को नियंत्रित पैरामीटर के रूप में प्राथमिकता दी जानी चाहिए, जबकि एक ऊपरी टीएमपी अलार्म सीमा भी स्थापित की जानी चाहिए।

जब सभी तीन सिद्धांत संतुष्ट हो जाते हैं, तो सुसंगत प्रारंभिक शर्तों के साथ, छोटे - पैमाने और बड़े पैमाने के फिल्टर का पारगम्य प्रवाह सैद्धांतिक रूप से निस्पंदन शुरू होने के बाद किसी भी समय समान होना चाहिए। यदि दो प्रणालियों के पर्मिट फ्लक्स प्रोफाइल हर समय समान हैं, तो उनका कुल निस्पंदन समय भी बराबर होगा।

ऊपर उल्लिखित तीन स्केल अप सिद्धांत आदर्श निस्पंदन स्थितियों के तहत प्राप्त किए गए हैं। हालाँकि, वास्तविक प्रक्रिया पैमाने में {{2}ऊपर, उपकरण हार्डवेयर में अंतर से उत्पन्न होने वाले गैर-आदर्श विचलन पर भी विचार किया जाना चाहिए। इनमें मुख्य रूप से सिस्टम होल्ड अप वॉल्यूम, रीसर्क्युलेशन लूप कॉन्फ़िगरेशन और सामग्री निवास समय में अंतर, और द्रव रीसर्क्युलेशन और कतरनी के कारण गर्मी उत्पादन शामिल है। इसके अलावा, यह स्केलिंग सिद्धांत केवल समान कॉन्फ़िगरेशन और उत्पाद श्रृंखला के झिल्ली कैसेट पर लागू होता है। रैखिक पैमाने से महत्वपूर्ण विचलन तब हो सकता है जब झिल्ली मॉड्यूल कॉन्फ़िगरेशन बदलता है या उच्च चिपचिपाहट, उच्च ठोस पदार्थ, या गैर न्यूटोनियन तरल पदार्थ संसाधित करते समय।

क्योंकि वास्तविक परिचालन स्थितियाँ शायद ही कभी सभी सैद्धांतिक मान्यताओं को पूरी तरह से संतुष्ट कर सकती हैं, अकेले सैद्धांतिक समीकरण सीधे प्रक्रिया हस्तांतरण को प्राप्त करने के लिए अपर्याप्त हैं। इसलिए स्केल डाउन मॉडल की वैधता का आकलन करने के लिए मानदंडों का एक व्यापक सेट स्थापित किया जाना चाहिए। विभिन्न पैमानों के निस्पंदन सिस्टमों में फ्लक्स-टाइम प्रोफाइल, छानने के गुणांक, उत्पाद की पैदावार, अशुद्धता हटाने के प्रदर्शन और महत्वपूर्ण गुणवत्ता विशेषताओं (सीक्यूए) की तुलना करके, जिसमें समग्र सामग्री, कण स्तर और जैविक गतिविधि शामिल है, स्केल डाउन मॉडल को प्रक्रिया पैमाने के लिए प्रतिनिधि और विश्वसनीय माना जा सकता है।