평판형 막의 선택성을 향상시키는 방법은 무엇일까요?
평판 멤브레인을 사용해 본 적이 있다면 선택성이 단순한 성능 지표가 아니라 작동하는 공정과 일관되고 신뢰할 수 있는 결과를 제공하는 공정의 차이라는 점을 아실 것입니다. 평판 멤브레인 공급업체로서 저는 이 문제로 어려움을 겪고 있는 수백 개의 팀과 이야기를 나눴습니다. 그들은 플럭스 속도를 얻을 수 있지만 목표 구성 요소가 스며 나오거나 목표가 아닌 입자가 통과하기 때문에 귀중한 제품을 잃고 있습니다. 선택성 향상이 완전한 멤브레인 점검을 의미할 필요는 없습니다. 수년에 걸쳐 저는 고객과 협력하여 프로세스를 조정하고, 멤브레인 특성을 조정하고, 작동 조건을 최적화하여 흐름이나 내구성과 같은 다른 중요한 지표를 희생하지 않고 선택성을 높였습니다. 실제로 바늘을 움직이는 것이 무엇인지, 그리고 이러한 단계를 자신의 작업 흐름에 어떻게 적용할 수 있는지 분석해 보겠습니다.
먼저, 이것을 막 선택성이 무엇인지에 근거해 보겠습니다.실제로수단. 평막 멤브레인의 경우 선택성은 크기, 전하 또는 화학적 친화성을 기준으로 특정 구성 요소를 분리하는 능력(예: 작은 염은 통과시키면서 큰 단백질은 유지하거나 발효액에서 박테리아를 필터링하는 기능)을 의미합니다. 나선형 권선 또는 중공 섬유와 달리 플랫 시트 형식은 뚜렷한 표면적 대 두께 비율을 가지므로 실험실 규모 개발, 소규모 배치 제조 또는 멤브레인 표면에 쉽게 접근할 수 있는 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 동일한 평면 형상은 일관성에 대한 고유한 과제를 제시할 수 있습니다. 특히 프로세스 요구 사항에 적합한 멤브레인 특성을 일치시키지 않는 경우 더욱 그렇습니다.
고객이 저지르는 가장 흔한 실수 중 하나는 기공 크기 분포가 잘못된 멤브레인을 선택하는 것입니다. "기공 크기가 기공 크기이다"라고 생각할 수도 있지만, 실제로 평판 멤브레인은 하나의 완벽한 직경이 아닌 다양한 기공 크기를 갖습니다. 예를 들어, 0.2μm라고 표시된 멤브레인은 모든 기공이 정확히 0.2μm라는 것을 의미하지 않습니다. 일부는 더 크고 일부는 더 작습니다. 귀하의 목표가 0.2μm 이상의 입자를 유지하는 것이라면 이러한 특대형 기공으로 인해 일부 대상이 통과하게 되고 여기서 선택성이 떨어집니다. 이것이 바로 당사가 당사와 같은 특수 옵션을 포함하여 미세여과 카세트 라인을 개선하는 데 수년을 보낸 이유입니다.0.1um 미세여과 카세트미세하고 일관된 기공 제어가 타협 불가능한 응용 분야에 적합합니다. 이러한 카세트는 기공 크기 분포를 좁히고 선택성을 손상시킬 수 있는 "누출" 기공의 수를 줄이는 정밀 연신 공정을 사용하여 제조됩니다. 우리는 고객이 일반 평판 멤브레인에서 이 멤브레인으로 전환한 후 단일 조정만으로 구성 요소 유지율이 15-20% 향상되는 것을 즉시 확인했습니다.
그러나 기공 크기가 유일한 구조적 요인은 아닙니다. 멤브레인의 표면 화학은 선택성에 막대한 영향을 미치며, 특히 크기보다는 전하 또는 소수성에 의존하는 분리의 경우 더욱 그렇습니다. 많은 표준 평판 멤브레인은 변형되지 않은 폴리에테르술폰(PES)을 사용합니다. 이는 내구성이 뛰어나지만 오염 및 비특이적 흡착을 유발할 수 있는 약간 소수성 표면을 가지고 있습니다. 프로세스에 전하를 띤 분자를 분리하는 경우 수정되지 않은 이 표면으로 인해 표적 성분과 비표적 성분이 달라붙게 되어 둘을 구별하기가 어려워질 수 있습니다. 우리는 제공합니다폴리에테르설폰 미세여과 카세트공학적 표면 변형: 예를 들어 비특이적 결합을 줄이는 친수성 코팅 또는 표적과 동일한 전하를 가진 구성 요소를 밀어내는 전하를 띤 작용기 등이 있습니다. 몇 달 전 표준 플랫 시트를 사용하여 숙주 세포 단백질에서 단클론 항체를 분리하는 바이오제약 고객이 있었습니다. 그들은 막 표면의 흡착으로 인해 항체의 12%를 잃어 선택성이 떨어졌습니다. 수정된 PES 카세트로 전환하면 흡착이 2% 미만으로 줄어들고 구성 요소 선택성이 극적으로 향상되었습니다. 즉, 숙주 세포 단백질이 쉽게 통과하도록 하면서 목표의 99.8%를 유지했습니다. 이는 표면 화학이 기공 크기만큼 영향을 미칠 수 있다는 훌륭한 예입니다.
올바른 멤브레인을 선택했다면 다음 단계는 작동 조건을 최적화하는 것입니다. 아무리 최고의 멤브레인이라도 평판 시스템에서 잘못 작동하면 성능이 저하되기 때문입니다. 유속, 압력 및 교차 흐름 속도(이를 사용하는 시스템의 경우)는 모두 선택성에 중요한 역할을 합니다. 압력부터 시작해 보겠습니다. 평평한 시트 멤브레인을 너무 높은 압력에서 작동하면 멤브레인의 기공 구조가 압축되거나 입자가 열려 있어야 하는 기공에 끼이게 될 수 있습니다. 예를 들어 정밀여과에서 권장 범위를 초과하는 막횡단 압력(TMP)은 막 표면에 케이크 형성을 유발할 수 있습니다. 축적된 입자는 2차 필터 역할을 할 수 있지만 케이크가 고르지 않으면 분리가 일관되지 않고 선택성이 떨어집니다. 나는 항상 고객에게 TMP를 낮은 단계부터 점진적으로 테스트하고 각 수준에서 유지율을 측정하라고 말합니다. 대부분의 평막은 정밀여과용 TMP 수준인 10~30psi에서 가장 잘 작동하지만 이는 응용 분야에 따라 달라질 수 있습니다. 접선유동여과(TFF)를 사용하는 경우 이는 더욱 중요합니다.TFF 미세여과 카세트다양한 압력에서 일관된 기공 구조를 유지하도록 설계되었으므로 높은 유속과 우수한 선택성 중에서 선택할 필요가 없습니다. TFF 카세트를 기존 플랫 시트 시스템으로 전환하는 고객은 카세트가 기공 압축을 방지하도록 설계되었기 때문에 유지력을 희생하지 않고도 약간 더 높은 유량에서 작동할 수 있다는 사실을 종종 발견합니다.
교차 흐름 속도(CFV)는 더 나은 선택성을 목표로 할 때 종종 간과되는 또 다른 작동 매개변수입니다. 교차 흐름은 멤브레인 표면에서 입자를 쓸어내어 케이크 형성을 줄이는 방식으로 작동합니다. CFV가 너무 낮으면 케이크 층이 쌓이고 일부 구성 요소가 기공에 갇히거나 밀려나 선택성이 손상됩니다. 너무 높으면 섬세한 대상 구성 요소(예: 세포 또는 단백질)를 절단하거나 불필요하게 에너지를 낭비할 수 있습니다. 중공 섬유보다 흐름 채널이 더 넓은 플랫 시트 시스템의 경우 CFV는 조정하기 쉽지만 적합한 지점을 찾는 것이 중요합니다. 예를 들어, 제가 함께 일했던 한 식음료 고객은 맥주 발효액에서 효모를 걸러내기 위해 평판 막을 사용하고 있었습니다. CFV가 너무 낮아 무거운 케이크가 형성되고 투과물에서 효모(목표)의 8%가 손실되는 동시에 작은 박테리아도 통과하게 되었습니다. 케이크 층을 얇게 유지할 수 있을 만큼만 CFV를 증가시킴으로써(그러나 효모를 손상시킬 정도로 높지는 않음) 효모 손실을 1% 미만으로 줄이고 박테리아 보유를 10% 향상시켰습니다. 우리는 고객이 TFF 애플리케이션에 대해 0.5, 1.0 및 1.5m/s에서 CFV를 테스트하고 특정 구성 요소 크기 및 안정성에 따라 조정하도록 권장하는 경우가 많습니다.
파울링은 장기 선택성의 가장 큰 적이며 모든 평막 사용자가 겪는 문제입니다. 파울링은 입자, 단백질 또는 기타 구성 요소가 멤브레인 표면에 달라붙거나 기공에 박혀 시간이 지남에 따라 좁아지거나 완전히 차단될 때 발생합니다. 이는 파울링이 형성됨에 따라 유효 기공 크기가 변하기 때문에 일관성 없는 분리로 이어집니다. 이 문제를 해결하려면 좋은 멤브레인을 선택하는 것뿐만 아니라 부드럽지만 효과적인 정기적인 세척 프로토콜을 구현하는 것이 중요합니다. 재사용 가능한 시스템의 경우 당사는재사용 가능한 TFF 카세트기공 구조나 표면 화학적 성질을 잃지 않고 여러 번의 세척 주기(많은 경우 최대 50회)를 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 선택성을 위한 세척의 핵심은 특정 유형의 오염을 대상으로 하는 세척제를 사용하는 것입니다. 예를 들어, 단백질 오염을 처리하는 경우 40°C에서 0.1% SDS와 같은 순한 세제를 사용하면 막을 손상시키지 않고 단백질 응집체를 분해하는 데 도움이 됩니다. 유기물 오염(폐수 응용 분야에서 흔히 발생)의 경우 pH 조정 세척 용액이나 효소 세척제가 효과적입니다. 우리는 고객이 적절한 세척을 건너뛰고 단 몇 번의 사용만으로 선택성이 25% 감소하는 것을 목격했습니다. 그러나 일관된 세척 루틴을 사용하면 동일한 멤브레인이 몇 달 동안 선택성을 유지할 수 있습니다. 한 고객은 일회용 멤브레인이 너무 빨리 오염되어 배치별로 선택성이 일관되지 않았기 때문에 특히 재사용 가능한 TFF 카세트로 전환했습니다. 이제는 10회 사용 후에도 매 실행마다 일관된 결과를 얻습니다.
자주 간과되는 또 다른 요소는 멤브레인 보관 및 취급입니다. 플랫 시트 멤브레인은 섬세하며, 부적절한 보관으로 인해 표면이 손상되거나 기공 구조가 변경되어 사용하기도 전에 선택성이 저하될 수 있습니다. 나는 항상 고객에게 직사광선이나 극한의 온도를 피하고 서늘하고 건조한 곳에 멤브레인을 보관하고, 즉시 사용하지 않을 경우에는 촉촉한 상태를 유지하라고 조언합니다. 예를 들어, 멤브레인이 건조되면 일부 PES 멤브레인은 표면 화학적 변화를 가져 흡착이 증가하거나 기공이 좁아질 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 모든 카세트를 밀봉된 습도 조절 파우치에 포장하지만 취급 지침을 따르는 것이 여전히 중요합니다. 실수로 멤브레인을 건조하게 놔둔 경우 24시간 동안 탈이온수에 재수화하여 대부분의 특성을 복원할 수 있지만 완벽한 솔루션은 아니므로 해당 단계를 완전히 피하는 것이 좋습니다.
분리하는 항목에 따라 선택성이 다르게 보이기 때문에 응용 프로그램별 조정에 대해서도 이야기하겠습니다. 예를 들어, 생물반응기에서 세포 보유 작업을 수행하는 경우 평판 TFF 시스템은 배지와 작은 단백질을 통과시키면서 큰 포유류 세포(10-30μm)를 보유할 수 있기 때문에 이상적입니다. 이 경우, 기공 크기(0.45μm)가 약간 크지만 기공 크기 분포가 좋은 멤브레인을 사용하면 매체 흐름을 차단하지 않고 높은 세포 유지율(선택성)을 얻을 수 있습니다. 반면, 나노입자나 바이러스 입자를 필터링하려면 훨씬 더 작은 기공이 필요합니다.편평한 미세여과 카세트정확한 0.1μm 기공 크기로 편리하게 사용할 수 있습니다. 부유 물질과 박테리아를 모두 제거해야 하는 폐수 처리의 경우, 전하를 띤 표면이 있는 멤브레인은 음전하를 띤 박테리아를 밀어내는 데 도움이 되어 변형되지 않은 멤브레인에 비해 선택성을 향상시킬 수 있습니다.
저는 멤브레인 업계에 12년 동안 종사해 왔으며, 제가 배운 한 가지 사실은 선택성 향상을 위한 일률적인 솔루션은 없다는 것입니다. 이는 올바른 멤브레인 특성(기공 크기, 표면 화학, 형식) 선택, 작동 조건 최적화(압력, 유속), 우수한 세척 루틴 구현 및 멤브레인을 적절하게 취급하는 것의 조합입니다. 고객은 프로세스 매개변수와 유지 관리가 성능에 어떤 영향을 미치는지 간과하고 멤브레인 자체에만 집중하는 경우가 너무 많습니다. 그러나 이러한 모든 요소를 결합하면 일관되고 안정적이며 특정 응용 분야에 맞는 선택성을 얻을 수 있습니다.
목표 성분 유지, 불순물 감소, 오염 감소 등 평막 공정에서 선택성 문제로 어려움을 겪고 계시다면 당사 팀에 문의하시기 바랍니다. 우리는 바이오제약, 식품 및 음료, 폐수 등 산업 전반에 걸쳐 실험실 및 제조 시설과 협력하여 정밀도 여부에 관계없이 귀하의 요구에 맞는 카세트를 제공합니다.0.1um 미세여과 카세트, 수정됨폴리에테르설폰 미세여과 카세트, 또는 장기적인 일관성을 위한 재사용 가능한 TFF 카세트. 다양한 멤브레인 옵션을 테스트하고, 작동 매개변수를 조정하고, 선택성을 높이고 전반적인 공정 효율성을 향상시키는 세척 프로토콜을 설정하는 데 도움을 드릴 수 있습니다. 일관되지 않은 분리로 인해 작업이 지연되는 일이 없도록 하십시오. 우리가 어떻게 도울 수 있는지 이야기해 봅시다.
참고자료
- 베이커, RW (2012). 멤브레인 기술 및 응용(3판). 존 와일리 & 선즈.
- Kim, J., & Van der Bruggen, B. (2010). 미세여과 선택성에서 막 표면 특성과 기공 구조의 중요성. 막과학저널, 362(1-2), 1-12.
- 멀더, M. (1996). 멤브레인 기술의 기본 원리(2판). Kluwer 학술 출판사.
- Zeman, LJ, & 웨일즈, M. (1997). 미세여과 및 한외여과: 원리 및 응용. 마르셀 데커.