사료 농도가 초여과 카세트에 미치는 영향은 무엇입니까?
필터 공급업체로서 초창기 한외여과(UF) 카세트 작업을 처음 시작했을 때 처리 중인 용액이 "충분히 두꺼운지" 확인하는 것 외에는 사료 농도에 대해 별로 고려하지 않았다는 점을 인정합니다. 생명공학 고객이 항체 농축 단계에서 벽에 부딪혔을 때, 잦은 막힘과 이상하게 일관되지 않은 플럭스 속도를 비난하면서 상황은 빠르게 변했습니다. 알고 보니 그들은 UF 카세트가 처리할 수 있는 것보다 더 많은 것을 추진하고 있었고 이로 인해 며칠 간의 가동 중지 시간과 값비싼 제품 배치 비용이 발생했습니다. UF 카세트로 작업하는 경우 이것은 단지 작은 세부 사항이 아닙니다. 이는 생산량에서 실행 시간까지 프로세스를 성패시키거나 중단시키는 가장 큰 요소 중 하나입니다. 사료 농도가 University of Florida의 모든 부분에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 일을 원활하게 진행하기 위해 수년 동안 배운 내용을 분석해 보겠습니다.
먼저, UF 카세트가 실제로 하는 일을 토대로 우리가 같은 입장에 있는지 확인하겠습니다. 게임을 처음 접하는 경우 UF 카세트는 평평한 막이 있는 독립형 장치입니다.플랫 시트 카세트전체 분석 페이지) 분자를 크기별로 분리합니다. 작은 물질은 막을 통과하는 반면, 큰 물질은 "유지"되어 공급 측에 집중됩니다. 바이오의약품, 식품 및 음료, 폐수 분야에서 이 제품이 인기를 끄는 이유는 무엇입니까? 이 제품은 작고 재사용이 가능하며(때때로 제대로 청소한 경우) 기존의 손으로 자르는 멤브레인 설정보다 훨씬 더 일관성이 있습니다. 그만큼카세트 한외여과우리가 제공하는 라인은 소규모 실험실 배치부터 전체 제조에 이르기까지 확장 가능한 실행을 위해 구축되었습니다. 이것이 바로 우리가 스타트업 생명공학 기업부터 글로벌 식품 브랜드에 이르기까지 다양한 고객과 협력해 온 이유입니다.
용어를 자세히 다루지 않은 사람들을 위한 피드 농도는 기본적으로 카세트에 펌핑하는 용액에 있는 목표(또는 원치 않는) 용질의 양입니다. 예를 들어, 세포 배양액에서 단클론 항체(mAbs)를 농축하는 경우, 여기에서 공급 농도는 해당 국물 리터당 몇 그램의 mAb인지를 나타냅니다. 이는 표적뿐만 아니라 세포 잔해, 배지 구성 요소 및 남은 완충염과 같은 불순물도 혼합되어 있습니다. 공급물 농도의 최적점은 막의 분자량 컷오프(MWCO)에 따라 다릅니다. 그렇죠? 30KD UF 카세트는 작은 단백질에 적합하고 500KD 카세트는 바이러스 벡터와 같은 더 큰 분자에 적합합니다. 나는 고객이 사료 농도에 관계없이 처음 보는 카세트를 잡는 것을 본 적이 있는데, 여기서 실수가 시작됩니다.
가장 즉각적인 영향인 플럭스 속도부터 시작해 보겠습니다. 플럭스는 시간당 단위 면적당 막을 통과하는 용액의 양으로 UF 생산성의 중추입니다. 공급 농도가 너무 높으면 플럭스는 선형 방식이 아닌 빠르게 감소합니다. 그 이유는 다음과 같습니다. 용액을 처리할 때 잔류 용질이 멤브레인 표면 근처에 축적되어 "농도 분극층"을 형성합니다. 이 층은 추가 장벽처럼 작용하므로 물과 작은 용질은 통과하기 위해 더 열심히 노력해야 합니다. 처음부터 공급 농도가 매우 높으면 해당 편광층이 빠르게 두꺼워지고 곧 투과물을 거의 밀어내지 못하게 됩니다. 작년에 밀도가 높은 세포 배양 상등액에 30KD 한외여과 카세트를 사용하는 고객이 있었습니다. 우리의 권장 사항은 10~15g/L였을 때 그들은 25g/L의 단백질을 공급하고 있었습니다. 유량은 2시간 만에 60L/m²/hr에서 12L/m²/hr로 떨어졌고, 카세트를 조기에 청소하기 위해 작동을 중단해야 했으며 이로 인해 12시간의 실행 시간이 낭비되었습니다. 더 나쁜 것은 고농도 분극으로 인해 일부 단백질이 해당 층에 갇히게 되어 수율이 예상보다 18% 낮았습니다.
그러나 이는 단지 플럭스만이 아닙니다. 공급 농도도 University of Florida의 큰 부기맨인 막 오염과 직접적으로 연관되어 있습니다. 파울링은 용질, 잔해 또는 응집체가 막 표면이나 기공 벽에 영구적으로 달라붙는 경우이며, 공급물이 과도하게 농축되면 상황이 훨씬 더 악화됩니다. 용질이 피드에 함께 뭉쳐지면 막과 충돌하여 갇힐 가능성이 더 높습니다. 저는 수년에 걸쳐 수백 개의 UF 카세트를 청소했는데, 80%의 시간 동안 심한 오염은 권장 범위의 2~3배에 해당하는 공급 농도로 거슬러 올라갑니다. 예를 들어, 과일 주스를 처리하는 식품 고객은 15° Brix(10KD 카세트의 최적 지점) 대신 한 번에 30° Brix로 농축하기를 원했습니다. 주스의 펙틴과 설탕은 30분 이내에 멤브레인에 쌓이기 시작했고 실행이 끝날 때쯤에는 멤브레인 기공이 부분적으로 막혔기 때문에 예상한 농도의 4분의 1에 불과했고 10번이 아닌 3번의 실행 후에 카세트를 교체해야 했습니다. 이는 매번 더 낮은 공급 농도로 농도를 2번의 패스로 나누는 것보다 리터당 비용이 훨씬 더 높아졌습니다.
수율은 사료 농도가 큰 타격을 받는 또 다른 영역으로, 특히 제품 1g이 중요한 바이오제약 분야에서 더욱 그렇습니다. 사료가 너무 집중되면 더 많은 오염이 발생할 뿐만 아니라 두 가지 방식으로 제품 손실이 나타나기 시작합니다. 첫째, 농도 분극층은 표적 분자를 포착할 수 있으며, 너무 두꺼워지면 카세트를 배출할 때 해당 분자가 농축되지 않고 보유액과 함께 떠내려갈 수 있습니다. 둘째, 일부 표적 분자(예: 단백질)는 고농도에서 응집되기 시작할 수 있으며, 이러한 응집체는 종종 막을 통과하여 미끄러지거나 투과물에 갇힐 만큼 작아서 손실됩니다. 작년에 제가 작업한 바이러스 벡터 클라이언트는 500KD 한외여과 카세트를 사용하여 AAV 벡터를 농축했습니다. 공급 농도를 mL당 1e13 벡터 게놈으로 올렸는데, 이는 권장 사항인 2e12를 훨씬 뛰어넘는 수치입니다. 그들의 수율은 45%에 불과했는데, 사료 농도를 올바른 범위로 떨어뜨렸을 때 얻은 82%에 비해 말입니다. 보유물을 테스트한 결과, 타겟 벡터의 30%가 농도 분극층에 고착되어 있고, 15%가 응집되어 손실되는 것을 발견했습니다. 이는 전체 배치를 쓸모없게 만들 수 있는 종류의 히트입니다. 특히 기분 좋게 더 많은 제품을 만들 수 없는 GMP 준수 프로세스를 다룰 때 더욱 그렇습니다.
잠깐만요. 하지만 "낮은 사료 농도가 항상 더 좋다"고 생각하기 전에, 그것도 사실이 아닙니다. 피드가 너무 묽으면 시간과 카세트 용량을 낭비하게 됩니다. UF는 용액을 합리적인 수준으로 집중할 때 가장 효율적이지만 너무 묽은 공급량으로 시작하면 필요한 것보다 훨씬 더 많은 양을 이동하게 되어 펌핑에 드는 에너지 비용이 증가하고 목표 농도에 도달하는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 예를 들어, 작은 단백질 샘플을 농축하는 실험실 고객은 공급 농도가 0.1mg/mL인 10KD 카세트를 사용하고 있었습니다. 그들은 10mg/mL에 도달하려고 했기 때문에 10mL의 잔류물을 얻기 위해 100mL의 용액을 처리하고 있었습니다. 처음 원심분리를 통해 사료를 0.5mg/mL로 농축했을 때 2시간이 걸렸던 것에 비해 8시간이 걸렸기 때문에 20mL만 처리했습니다. 이는 특히 하루에 여러 배치를 실행하는 경우 노동력과 시간의 큰 차이입니다. 핵심은 특정 카세트 및 응용 프로그램에 대한 "집중 창"이라고 부르는 중간 범위에 도달하는 것입니다.
그렇다면 그 집중 창을 어떻게 알아낼 수 있을까요? 모든 경우에 적용되는 것은 아니지만 모든 고객과 공유하는 몇 가지 경험 법칙이 있습니다. 먼저, 카세트의 MWCO를 확인하십시오. MWCO가 더 높은(예: 500KD) 카세트는 일반적으로 낮은 MWCO(예: 30KD)보다 더 높은 공급 농도를 처리할 수 있습니다. 왜냐하면 기공이 더 크고 극성이 문제가 덜 되기 때문입니다. 우리의카세트-TFF-여과 시리즈페이지에는 각 카세트에 대한 특정 농도 범위가 있지만 일반적으로 대부분의 단백질 응용 분야에서는 총 고형분 함량이 10~15%를 넘지 않고 저분자 응용 분야에서는 5~10%를 초과하지 마십시오. 둘째, 피드에 불순물이 있는지 테스트하십시오. 피드에 잔해물이나 응집물이 많으면 표적 분자가 무엇이든 관계없이 오염을 방지하기 위해 더 낮은 피드 농도가 필요합니다. 셋째, 소규모 테스트를 먼저 실행하십시오. 단지 전체 생산에 뛰어들지 마십시오. 100mL 또는 1L 테스트 실행을 통해 얻을 수 있는 플럭스, 오염이 얼마나 빨리 발생하는지, 예상할 수 있는 생산량을 정확하게 알려주므로 귀중한 제품을 낭비하지 않습니다.
제가 수년에 걸쳐 알아차린 또 다른 사실은 공급 농도가 교차 흐름 속도 및 막횡단 압력(TMP)과 같은 다른 공정 매개변수와 상호 작용한다는 것입니다. 이는 진공에서 농도를 조정하는 것과는 다릅니다. 공급 농도가 높은 경우 교차 흐름 속도를 증가시켜 막 표면에서 편광층을 쓸어내고 TMP를 증가시킴으로써 약간 보상할 수 있습니다(그러나 TMP가 편광층의 압축을 유발할 수 있으므로 너무 많지는 않습니다). 그러나 이는 균형을 맞추는 행위입니다. 교차 흐름이 높을수록 더 많은 에너지를 의미하고, TMP가 높을수록 주의하지 않으면 막 손상이 발생할 수 있습니다. 우리는 항상 고객에게 사료 농도를 포함한 전체 매개변수 테스트를 실행하라고 조언합니다. 왜냐하면 하나를 변경하면 다른 매개변수가 사라질 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 한 고객은 한때 TMP를 높여 높은 공급 농도로 인한 플럭스 감소를 수정하려고 시도했지만 결국 멤브레인을 압축하여 다음 실행에서는 플럭스가 훨씬 더 낮았습니다. 그렇기 때문에 우리 회사에서는 카세트만 판매하는 것이 아니라 고객이 이러한 공정상의 문제를 해결할 수 있도록 돕습니다. 사료 농축과 관련해 발생할 수 있는 거의 모든 실수를 목격했기 때문입니다.
사료 농도는 단일 실행에만 영향을 미치는 것이 아니라 카세트의 수명에도 영향을 미치기 때문에 장기적인 영향에 대해서도 이야기해 보겠습니다. 과도하게 농축된 사료를 사용하는 경우 오염이 훨씬 더 많이 발생합니다. 즉, 카세트를 더 자주 청소해야 하며 축적된 찌꺼기를 제거하려면 더 강력한 세척제(예: 더 높은 pH 또는 온도)를 사용해야 합니다. 시간이 지남에 따라 이러한 공격적인 청소로 인해 멤브레인 성능이 저하되므로 교체해야 할 때까지 카세트에 들어가는 횟수가 줄어듭니다. 플랫 시트 카세트를 사용하는 클라이언트가 있었는데 5번째 실행 시 심각한 오염으로 인해 이를 교체해야 했으며, 동일한 카세트를 올바른 공급 농도로 사용하는 다른 클라이언트는 15회 이상 실행했습니다. 매주 카세트를 사용할 때와 매달 카세트를 사용할 때 이는 엄청난 비용 차이입니다.
이제 실제적으로 살펴보겠습니다. 사료 농도가 떨어지면 실제로 무엇을 해야 합니까? 첫째, 올바르게 측정하십시오. 많은 고객이 솔루션의 "시각적 두께"를 사용하는데 이는 매우 부정확합니다. 정확한 농도를 얻으려면 식품의 경우 Brix 측정기를 사용하고, 단백질의 경우 흡광도(예: A280)를 사용하세요. 그런 다음 피드를 희석하여(너무 높은 경우) 피드를 조정하거나, 너무 낮은 경우 더 작은 전처리 단계(예: 다른 카세트를 사용한 접선 흐름 여과 또는 원심분리)를 통해 더 농축합니다. 맞춤형 생물학적 제제와 같은 독특한 사료를 다루고 있다면 당사 팀에 문의하십시오. 올바른 MWCO 선택(예: 30KD 대 500KD), 교차 흐름 조정 또는 최적의 실행 시간 파악 등 사료 농도에 맞는 프로세스를 설계하는 데 도움을 줄 수 있는 응용 전문가가 있습니다.
사료 농도에 대한 작은 조정이 전체 UF 공정을 얼마나 변화시킬 수 있는지는 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 이는 지루한 세부 사항이 아닙니다. 이는 모든 수율 및 타임라인 목표를 달성하는 실행과 며칠 동안 문제를 해결하고 제품과 돈을 낭비하게 하는 실행의 차이입니다. 우리는 우리를 구축했습니다카세트 한외여과다양한 MWCO에 대한 옵션을 통해 유연성을 갖춘 라인(예:30kd 한외여과 카세트그리고500KD 한외여과 카세트), 플랫 시트 디자인, TFF 시리즈 설정 등 모든 클라이언트의 피드가 다르다는 것을 알고 있기 때문입니다. 사료 농도 문제로 어려움을 겪고 있거나 UF 프로세스를 보다 효율적으로 만들고 싶다면 우리가 도와드리겠습니다. 우리는 수천 명의 고객과 협력하여 농도 창을 올바르게 설정했으며 귀하도 똑같이 할 수 있습니다. 사료 농도와 같은 작은 세부 사항이 실행을 망치게 하지 마십시오. 지금 당사 팀에 문의하여 공정 최적화에 대해 자세히 알아보십시오.
참고자료
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- 멀더, M. (1996). 멤브레인 기술의 기본 원리(2판). Kluwer 학술 출판사.