نظرية المقياس-للأسفل والقياس-للأعلى بالنسبة لأنظمة ترشيح التدفق العرضي (TFF)

في عملية الترشيح التقليدية-، يتم محاذاة اتجاه تدفق التغذية مع اتجاه الترشيح، مما يجعله عرضة بشكل كبير لتكوين كعكة مرشح أو طبقة هلامية على سطح الغشاء. ومع استمرار الترشيح، تزداد سماكة الطبقة المترسبة تدريجياً، مما يؤدي إلى انخفاض معدل تدفق الترشيح. يشير ترشيح التدفق العرضي (TFF) إلى عملية ترشيح يكون فيها اتجاه تدفق السائل متعامدًا مع اتجاه الترشيح. أثناء TFF، يتدفق السائل بشكل عرضي على طول سطح الغشاء، مما يولد قوى القص التي تساعد على تقليل ترسب المذاب على الغشاء وتخفيف استقطاب التركيز. يستخدم TFF على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي للمستحضرات الصيدلانية الحيوية. عادةً، يتكون نظام TFF من خزان تغذية، ومضخة تمعجية أو مضخة طرد مركزي، ومقياس ضغط المدخل، وشريط كاسيت غشائي، ومقياس ضغط المخرج، وصمام الضغط الخلفي، والأنابيب والأنابيب المرتبطة بها. ويرد أدناه رسم تخطيطي للنظام.

يعد تدفق التخلل ومعامل الغربلة عاملين مهمين في عمليات الترشيح الغشائي. يتم تعريف التدفق المتخلل على أنه حجم السائل الذي يمر عبر الغشاء لكل وحدة مساحة الغشاء لكل وحدة زمنية. معامل الغربلة هو نسبة تركيز المنتج المستهدف في المادة المتخللة إلى تركيزه في الشبكية. عند مقارنة أنظمة ترشيح التدفق العرضي (TFF) بمقاييس مختلفة، يجب التحكم في المتغيرات التجريبية لتقليل التداخل. يجب أن تحتوي أشرطة الأغشية على مواد غشائية متسقة، وقطع الوزن الجزيئي-أحجام المسام/الشركات المصنعة، وهياكل شاشات القنوات ضمن نفس سلسلة المنتجات. يجب أن تحتوي محاليل التغذية على تركيبات وتركيزات متطابقة، ويجب إجراء التجارب تحت ظروف درجة حرارة أولية موحدة. بمجرد استيفاء هذه الشروط الأولية، يجب أن تتبع عملية التوسع-ثلاثة مبادئ أساسية: الحفاظ على نفس حجم التغذية لكل وحدة مساحة غشاء، ونفس معدل قص سطح الغشاء، ونفس تدفق التشغيل الأولي. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تؤخذ في الاعتبار عمليات التركيز الديناميكي والترشيح، وديناميكيات الموائع التي تم التحقق منها تجريبيًا، وانحرافات أجهزة النظام. تساعد هذه التدابير على ضمان بقاء تدفق التخلل ومعامل الغربلة لأنظمة الترشيح بمقاييس مختلفة متسقة قدر الإمكان في كل نقطة زمنية.

المبدأ 1: الحفاظ على نفس حجم التغذية المعالجة لكل وحدة مساحة الغشاء

يرتبط تدفق التخلل ومعامل الغربلة ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الجوهرية للغشاء. شريطة أن تظل مادة الغشاء وحجم المسام وبنية شاشة القناة متسقة، فإن تحقيق تدفق متخلل وأداء غربلة قابل للمقارنة عبر مرشحات ذات أحجام مختلفة يتطلب أن تظل ظروف سطح الغشاء (بما في ذلك ترسب الكعك ودرجة استقطاب التركيز) ثابتة بشكل أساسي في جميع الأوقات. لتحقيق مستويات قابلة للمقارنة من تلوث الغشاء واستقطاب التركيز، يجب أن يكون حجم محلول التغذية المعالج لكل وحدة مساحة غشاء هو نفسه عبر أنظمة الترشيح ذات المقاييس المختلفة، بافتراض تكوين وتركيز تغذية متطابقين. لذلك، يجب الحفاظ على نسبة حجم التغذية إلى مساحة الغشاء عبر أحجام المرشحات المختلفة، مما يضمن حجم تغذية ثابت تتم معالجته لكل وحدة مساحة غشاء (L/m²).

يتضمن ترشيح التدفق العرضي (TFF) في تصنيع المستحضرات الصيدلانية الحيوية عادةً كلاً من الترشيح الفائق (UF) للتركيز والترشيح (DF) للتبادل العازل. وبالتالي فإن مطابقة حجم التغذية الأولي لكل وحدة مساحة الغشاء غير كافية. مع استمرار التركيز، يزداد تركيز التغذية واللزوجة بشكل مستمر، مما يؤثر على درجة استقطاب التركيز ومعدل تلوث الغشاء. وبالتالي، يجب أن يظل عامل التركيز الحجمي (VCF) متسقًا بين التجارب ذات النطاق الصغير - والتجارب الكبيرة- في كل نقطة زمنية. أثناء الترشيح، يجب أن يكون عدد أحجام الترشيح (DV) متماثلًا تمامًا، لأنه يحدد بشكل مباشر كفاءة إزالة الشوائب ذات الوزن -الجزيئي- المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، يجب نقل جميع معايير نقطة نهاية العملية-بما في ذلك حجم الاحتجاز وتركيز البروتين المستهدف والحد الأقصى للحجم اليومي وعتبات إنذار TMP- بالكامل من نموذج المقياس-الأسفل إلى التصنيع على نطاق كامل-.

المبدأ 2: الحفاظ على نفس معدل قص سطح الغشاء

في صناعة المستحضرات الصيدلانية الحيوية، تحتوي معظم محاليل الأعلاف التي تتطلب الترشيح على مواد نشطة بيولوجيا. لا تؤثر قوى القص التي يمارسها السائل المتدفق عبر سطح الغشاء على تكوين الكعكة واستقطاب التركيز فحسب، بل تؤثر أيضًا على النشاط البيولوجي للمنتج. لذلك، يجب الحفاظ على معدل قص جدار سطح الغشاء بشكل ثابت بين أنظمة ترشيح التدفق العرضي (TFF) الصغيرة والكبيرة الحجم- أثناء التشغيل التجريبي.

بشكل عام،-تتميز أشرطة الكاسيت ذات الأغشية كبيرة الحجم بقنوات تدفق مستطيلة مع شاشات دعم منسوجة مدمجة. في المقابل، فإن هندسة قناة التدفق وتكوين الشاشة لشرائط أغشية المختبرات الصغيرة-تختلف بشكل كبير عن أشرطة الإنتاج-ذات الحجم.

الاعتماد فقط على محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) لتحديد معدلات قص الجدار يمكن أن يؤدي إلى أخطاء بسبب افتراضات النموذج. من الناحية العملية، يجب التحقق من صحة عمليات محاكاة CFD مقابل انخفاض الضغط المقاس تجريبيًا (ΔP) بين مدخل ومخرج شريط الكاسيت. يعد انخفاض الضغط عبر قناة التدفق الجانبية -مؤشرًا هندسيًا مباشرًا لظروف القص. بالنسبة لأشرطة الكاسيت الغشائية ضمن نفس سلسلة المنتجات، يجب مطابقة انخفاض ضغط القناة (ΔP) بين أنظمة النطاق الصغير - والأنظمة الكبيرة -. ينبغي تعديل معدل تدفق إعادة التدوير وفقًا لذلك لتقريب معدلات قص الجدار لأشرطة الأغشية بمقاييس مختلفة قدر الإمكان. لكن،لا تعني معدلات القص المتسقة لسطح الغشاء بالضرورة التعرض الكلي المتسق للقص لسائل العملية. تستخدم أنظمة المختبرات الصغيرة- بشكل عام المضخات التمعجية، بينما تستخدم أنظمة الإنتاج الصناعي في الغالب مضخات الطرد المركزي. يمكن أن تؤدي المضخات نفسها إلى إجهاد قص إضافي قد يؤدي إلى تلف البروتينات والفيروسات والمواد البيولوجية الأخرى. أثناء التوسع-، يجب تقييم مخاطر تجميع المنتج وفقدان النشاط البيولوجي الناتج عن القص الناتج عن المضخة - بعناية.

المبدأ 3: الحفاظ على نفس تدفق التشغيل الأولي

في ظل خصائص محلول التغذية المتسقة، وخصائص سطح الغشاء، وظروف التشغيل، إذا كان التدفق المتخلل الأولي هو نفسه في ظل ظروف الترشيح ويتطور سطح الغشاء بطريقة مماثلة، فإن تدفق الترشيح اللاحق سيظل ثابتًا بشكل عام. على الرغم من استخدام أشرطة الكاسيت الغشائية من نفس الشركة المصنعة، بمواد غشائية وأحجام مسام متماثلة، قبل وبعد التوسيع-، فإن الاختلافات في هندسة قنوات تدفق الكاسيت تعني أن مقاومة الترشيح الإجمالية للأنظمة قد لا تكون متساوية. عندما تختلف مقاومة الترشيح بين المرشحات ذات الأحجام المختلفة، تكون هناك حاجة إلى إعدادات مختلفة لضغط الغشاء (TMP) لتحقيق نفس تدفق التخلل.

يتم تعريف TMP عمومًا على أنه الفرق بين متوسط ​​ضغوط الدخول والخروج والضغط الجانبي المتخلل-. نظرًا لأن منافذ التخلل لكل من المرشحات ذات الحجم - الصغيرة والكبيرة - مفتوحة عمومًا للضغط الجوي، فإن ضغط التخلل هو 0 باسكال (قياس الضغط). لذلك، يتم حساب TMP كمتوسط ​​لضغوط الدخول والخروج. تمثل هذه القيمة متوسط ​​TMP الإجمالي عبر شريط الغشاء. ومع ذلك، يختلف TMP مكانيًا على طول قناة التدفق، مما يعني أن TMP المحلي قد يتجاوز القيمة المتوسطة. تعمل عمليات الترشيح بشكل عام في أحد وضعي التحكم: TMP الثابت أو التدفق الثابت. تُستخدم عملية TMP الثابتة- بشكل شائع في الترشيح الفائق للبروتين. أثناء التوسيع-، لا ينبغي تكرار إعداد TMP من التجارب الصغيرة-مباشرة؛ بدلاً من ذلك، يجب استخدام نقطة انعطاف التمويه-TMP كمرجع. يتم استخدام عملية التدفق الثابت- بشكل شائع في الترشيح الدقيق ومعالجة المتجهات الفيروسية. أثناء التوسع-، يجب إعطاء الأولوية للتدفق المتخلل كمعلمة يتم التحكم فيها، في حين يجب أيضًا إنشاء حد إنذار TMP أعلى.

عندما يتم استيفاء المبادئ الثلاثة جميعها، جنبًا إلى جنب مع الشروط الأولية المتسقة، فإن التدفق المتخلل للمرشحات ذات الحجم الصغير- والمرشحات ذات الحجم الكبير- يجب أن يكون نظريًا هو نفسه في أي وقت محدد بعد بدء الترشيح. إذا كانت ملفات تعريف التدفق المتخلل للنظامين متطابقة في جميع الأوقات، فسيكون إجمالي أوقات الترشيح متساوية أيضًا.

تم استخلاص مبادئ التوسع-الثلاثة الموضحة أعلاه في ظل ظروف ترشيح مثالية. ومع ذلك، في نطاق العملية الفعلية-، يجب أيضًا أخذ الانحرافات غير المثالية الناتجة عن الاختلافات في أجهزة المعدات في الاعتبار. تتضمن هذه الأمور في المقام الأول حجم توقف النظام-، والاختلافات في تكوين حلقة إعادة التدوير ووقت بقاء المادة، وتوليد الحرارة الناتج عن إعادة تدوير السوائل والقص. علاوة على ذلك، فإن نظرية القياس هذه قابلة للتطبيق فقط على أشرطة الكاسيت الغشائية من نفس التكوين وسلسلة المنتجات. قد تحدث انحرافات كبيرة عن علاقات المقياس الخطي - عندما يتغير تكوين وحدة الغشاء أو عند معالجة -اللزوجة العالية، أو المحتوى-المواد الصلبة العالية-، أو السوائل غير-السوائل النيوتونية.

ونظرًا لأن ظروف التشغيل الفعلية نادرًا ما تلبي جميع الافتراضات النظرية بشكل كامل، فإن المعادلات النظرية وحدها غير كافية لتحقيق نقل العملية بشكل مباشر. لذلك، يجب إنشاء مجموعة شاملة من المعايير لتقييم صلاحية نموذج المقياس-. من خلال مقارنة ملفات تعريف التدفق الزمني، ومعاملات الغربلة، وإنتاجية المنتج، وأداء إزالة الشوائب، وسمات الجودة الحرجة (CQAs)-بما في ذلك المحتوى الإجمالي، ومستويات الجسيمات، والنشاط البيولوجي-عبر أنظمة الترشيح ذات المقاييس المختلفة، يمكن اعتبار النموذج المنخفض-ممثلًا وموثوقًا لنطاق العملية-أعلى فقط عندما يتم إظهار الاتساق عبر جميع مؤشرات الأداء الرئيسية.