접선유동여과(TFF) 시스템에 대한 확장-축소 및 확장-이론
기존의 막다른{0}}여과는 공급물 흐름 방향이 여과 방향과 일치하므로 막 표면에 필터 케이크나 겔 층이 형성되기 매우 쉽습니다. 여과가 계속됨에 따라 퇴적층이 점차 두꺼워지며, 결과적으로 여과유량은 감소하게 됩니다. TFF(접선유동여과)는 유체 흐름 방향이 여과 방향에 수직인 여과 공정을 의미합니다. TFF 동안 유체는 막 표면을 따라 접선 방향으로 흐르며 막에 용질 침착을 줄이고 농도 분극을 완화하는 데 도움이 되는 전단력을 생성합니다. TFF는 바이오의약품의 산업 생산에 널리 사용됩니다. 일반적으로 TFF 시스템은 공급물 저장소, 연동 펌프 또는 원심 펌프, 입구 압력 게이지, 멤브레인 카세트, 출구 압력 게이지, 배압 밸브 및 관련 튜브 및 배관으로 구성됩니다. 시스템의 개략도는 아래와 같습니다.
투과유량과 체질 계수는 막 여과 공정에서 두 가지 중요한 매개변수입니다. 투과 유속은 단위 시간당 단위 막 면적당 막을 통과하는 액체의 부피로 정의됩니다. 체질 계수는 투과물 내 목표 제품의 농도와 보유물 내 목표 제품의 농도 비율입니다. 다양한 규모의 접선유동여과(TFF) 시스템을 비교할 때 간섭을 최소화하도록 실험 변수를 제어해야 합니다. 멤브레인 카세트는 동일한 제품 시리즈 내에서 일관된 멤브레인 재료, 분자량 차단(MWCO)/기공 크기, 제조업체 및 채널 스크린 구조를 가져야 합니다. Feed 용액은 조성과 농도가 동일해야 하며, 균일한 초기 온도 조건에서 실험을 진행해야 합니다. 이러한 초기 조건이 충족되면 확장 프로세스는 세 가지 기본 원칙, 즉 단위 막 면적당 동일한 공급량, 동일한 막 표면 전단 속도 및 동일한 초기 작동 플럭스를 유지해야 합니다. 또한 동적 농도-정용여과 프로세스, 실험적으로 검증된 유체 역학 및 시스템 하드웨어 편차를 고려해야 합니다. 이러한 조치는 다양한 규모의 여과 시스템의 투과 유속과 체질 계수가 모든 시점에서 최대한 일관되게 유지되도록 하는 데 도움이 됩니다.
원칙 1: 단위 막 면적당 처리되는 동일한 공급량을 유지합니다.
투과유속과 체분리 계수는 막의 고유 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 막 재료, 기공 크기 및 채널 스크린 구조가 일관되게 유지된다면, 다양한 크기의 필터에서 비슷한 투과유량 및 체질 성능을 달성하려면 막 표면 조건(케이크 침착 및 농도 분극 정도 포함)이 항상 본질적으로 일관되게 유지되어야 합니다. 비슷한 수준의 막 오염 및 농도 분극을 달성하려면 동일한 공급 조성과 농도를 가정할 때 단위 막 면적당 처리되는 공급 용액의 부피가 다양한 규모의 여과 시스템에서 동일해야 합니다. 따라서, 멤브레인 면적에 대한 공급량의 비율은 다양한 필터 크기에 걸쳐 유지되어야 하며, 이는 단위 멤브레인 면적(L/m²)당 처리되는 일관된 공급량을 보장해야 합니다.
바이오의약품 제조에서 접선유동여과(TFF)에는 일반적으로 농축을 위한 한외여과(UF)와 완충액 교환을 위한 정용여과(DF)가 모두 포함됩니다. 따라서 단위 막 면적당 초기 공급량만 일치시키는 것만으로는 충분하지 않습니다. 농축이 진행됨에 따라 피드 농도와 점도가 지속적으로 증가하여 농도 분극 정도와 막 오염률에 영향을 미칩니다. 결과적으로, VCF(용적농도계수)는 모든 시점에서 소규모-규모 및 대규모-규모 실험 간에 일관되게 유지되어야 합니다. 정용여과 동안 정용여과 용량(DV)의 수는 저-분자량-불순물의 제거 효율을 직접적으로 결정하므로 정확히 동일해야 합니다. 또한 보유액 부피, 표적 단백질 농도, 최대 DV 및 TMP 경보 임계값을 포함한 모든 공정 종료점 기준-은 축소 모델에서 전체{12}}규모 제조로 완전히 이전되어야 합니다.
원칙 2: 동일한 막 표면 전단 속도 유지
바이오제약 산업에서 여과가 필요한 대부분의 사료 용액에는 생물학적 활성 물질이 포함되어 있습니다. 막 표면을 가로질러 흐르는 유체에 의해 가해지는 전단력은 케이크 형성과 농도 분극뿐만 아니라 제품의 생물학적 활성에도 영향을 미칩니다. 따라서 실험 작동 중에 소규모-규모와 대규모-규모 접선유동여과(TFF) 시스템 사이에서 막 표면 벽 전단 속도가 일관되게 유지되어야 합니다.
일반적으로 대규모{0}}멤브레인 카세트는 직조 지지 스크린이 통합된 직사각형 흐름 채널을 특징으로 합니다. 대조적으로, 소규모-실험실 멤브레인 카세트의 흐름 채널 형상과 스크린 구성은 생산 규모-카세트 카세트와 크게 다릅니다.
벽 전단률을 결정하기 위해 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션에만 의존하면 모델 가정으로 인해 오류가 발생할 수 있습니다. 실제로 CFD 시뮬레이션은 멤브레인 카세트 입구와 출구 사이에서 실험적으로 측정된 압력 강하(ΔP)에 대해 검증되어야 합니다. 보유물-측 흐름 채널 전체의 압력 강하는 전단 조건의 직접적인 공학적 지표입니다. 동일한 제품 시리즈에 속하는 멤브레인 카세트의 경우 소규모-규모 시스템과 대규모-규모 시스템 간에 채널 압력 강하(ΔP)가 일치해야 합니다. 재순환 유속은 다양한 규모의 멤브레인 카세트의 벽 전단 속도를 최대한 가깝게 가져오도록 적절하게 조정되어야 합니다. 하지만,일관된 막 표면 전단 속도가 반드시 공정 유체의 일관된 전체 전단 노출을 의미하는 것은 아닙니다.. 소규모-규모 실험실 시스템은 일반적으로 연동 펌프를 사용하는 반면, 산업 생산 시스템은 주로 원심 펌프를 사용합니다. 펌프 자체로 인해 단백질, 바이러스 및 기타 생물학적 물질이 손상될 수 있는 추가적인 전단 응력이 발생할 수 있습니다. 따라서 확장- 중에 펌프로 인한 전단으로 인한 제품 응집 및 생물학적 활동 손실의 위험을 주의 깊게 평가해야 합니다.-
원칙 3: 동일한 초기 작동 자속 유지
일관된 공급 용액 특성, 막 표면 특성 및 작동 조건에서 초기 투과 유량이 여과 조건에서 동일하고 막 표면이 비슷한 방식으로 전개되면 후속 여과 유량은 일반적으로 일정하게 유지됩니다. 동일한 멤브레인 재료와 기공 크기를 가진 동일한 제조업체의 멤브레인 카세트가 확장- 전후에 사용되지만 카세트 흐름 채널 형상의 차이는 시스템의 전체 여과 저항이 동일하지 않을 수 있음을 의미합니다. 다양한 크기의 필터 간에 여과 저항이 다른 경우 동일한 투과 유량을 달성하려면 다양한 막횡단 압력(TMP) 설정이 필요합니다.
TMP는 일반적으로 입구 및 출구 압력의 평균과 투과{0}}측 압력 간의 차이로 정의됩니다. 소규모-및 대규모-규모 필터의 투과 출구는 일반적으로 대기압에 개방되어 있으므로 투과 압력은 0 Pa(게이지 압력)입니다. 따라서 TMP는 입구 및 출구 압력의 평균으로 계산됩니다. 이 값은 멤브레인 카세트 전체의 전체 평균 TMP를 나타냅니다. 그러나 TMP는 흐름 채널을 따라 공간적으로 변하며 이는 로컬 TMP가 평균 값을 초과할 수 있음을 의미합니다. 여과 공정은 일반적으로 일정한 TMP 또는 일정한 유속이라는 두 가지 제어 모드 중 하나로 작동됩니다. 지속적인-TMP 작업은 일반적으로 단백질 한외여과에 사용됩니다. 확장 중에-소규모 시도의 TMP 설정을 직접 복제해서는 안 됩니다.- 대신 자속-TMP 변곡점을 기준으로 사용해야 합니다. 일정한-플럭스 작업은 정밀여과 및 바이러스 벡터 처리에 일반적으로 사용됩니다. 확장 중에-투과 플럭스는 제어된 매개변수로 우선순위를 정해야 하며, TMP 경보 상한도 설정해야 합니다.
일관된 초기 조건과 함께 세 가지 원칙이 모두 충족되면 소규모 -및 대규모-규모 필터의 투과 유속은 이론적으로 여과가 시작된 후 특정 시간에 동일해야 합니다. 두 시스템의 투과 플럭스 프로필이 항상 동일하면 총 여과 시간도 동일합니다.
위에 설명된 세 가지 확장-원칙은 이상적인 여과 조건에서 파생됩니다. 그러나 실제 공정 확장에서는-장비 하드웨어의 차이로 인해 발생하는 비이상적인 편차도 고려해야 합니다.- 여기에는 주로 시스템 체류량, 재순환 루프 구성 및 재료 체류 시간의 차이, 유체 재순환 및 전단으로 인한 열 발생이 포함됩니다. 또한 이 스케일링 이론은 동일한 구성 및 제품 시리즈의 멤브레인 카세트에만 적용 가능합니다. 막 모듈 구성이 변경되거나 고-점도, 고{10}}고체 함량-또는 비-뉴턴 유체를 처리할 때 선형 확장-관계에서 상당한 편차가 발생할 수 있습니다.
실제 작동 조건은 모든 이론적 가정을 완벽하게 만족시킬 수 없기 때문에 이론 방정식만으로는 공정 이전을 직접적으로 달성하기에는 불충분합니다. 따라서 축소-모델의 유효성을 평가하려면 포괄적인 기준 세트를 설정해야 합니다. 다양한 규모의 여과 시스템 전반에 걸쳐 플럭스 시간 프로필, 체질 계수, 제품 수율, 불순물 제거 성능 및 중요 품질 특성(CQA)-총 함량, 입자 수준, 생물학적 활동-을 비교함으로써 축소-모델은 모든 핵심 성과 지표에서 일관성이 입증된 경우에만 공정 확장을 대표하고 신뢰할 수 있는 것으로 간주될 수 있습니다-.
