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TECNOLOGIAS DE LOS

ALIMENTOS II “SEPARACIONES CON MEMBRANA BASADOS

EN PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS.”

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INTRODUCCIÓN. Las separaciones basadas en membranas son las operaciones unitarias más ubicuas en los procesos biotecnológicos. Existen varias razones.

1. En primer lugar, se pueden utilizar con una gran variedad de aplicaciones incluida la clarificación, concentración, intercambio de tampón, purificación y esterilización.

2. Están disponibles en una variedad de formatos, tales como filtración en profundidad, ultrafiltración, diafiltración, nanofiltración, ósmosis inversa, y microfiltración.

3. Son fáciles de operar y son generalmente robustas hacia variaciones normales en el tipo de material y parámetros de funcionamiento.

4. Separaciones basadas en membranas típicamente requieren un menor coste de capital en comparación con otro tipo de elaboración.

Las operaciones basadas en membranas son relativamente menos duras y no requieren la adición de otros productos químicos, por lo tanto se hacen muy adecuados para el procesamiento de productos biotecnológicos. Algunos de los objetivos comunes para el uso de separaciones de membrana incluyen la separación de partículas de la corriente de proceso para obtener la corriente lista para su posterior procesamiento (por ejemplo, filtros de guardia para columnas de cromatografía), separación de las impurezas de la corriente del proceso. Separaciones de membrana se pueden clasificar sobre la base de la conducción la fuerza y la dirección del flujo con respecto a la superficie de la membrana. La siguiente figura ilustra los diferentes tipos de separaciones de membrana que son utilizados en el procesamiento biológico. Un paso proceso de membrana típica implica el paso de alimentar a través de la membrana de tal manera que las moléculas se separan en retenido y permeado sobre la base de su tamaño, carga, u otra interacción diferencial.

Figura 1. Correlación de propiedades de membranas con rangos de separación.

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AVANCES RECIENTES EN SEPARACIONES CON MEMBRANA BASADOS Membranas y carcasas de membrana (módulos de membrana) constituyen la parte consumible de la operación de filtración. Medios de filtración en profundidad se componen de material fibroso mezclado con un ayudante de filtración y el aglutinante capaz de echar en una lámina de membrana. Lo más destacado es tal vez el diseño de filtro de profundidad de múltiples capas de tal manera que las diferentes capas realizar diferentes funciones y juntos el filtro funciona como una secuencia de varios diferentes operaciones unitarias basadas en membranas. Una aplicación tradicional de la filtración en profundidad ha sido en el área de cosecha de células y aclaración. Con la adición de las superficies adsorbentes, estos filtros ahora también se utilizan para una variedad de otras aplicaciones que implican la eliminación de endotoxinas, virus, ácidos desoxirribonucleico (ADN), y pro- célula huésped proteínas (HCP). Las separaciones basadas en membranas requieren el uso de membranas poliméricas de un definido y específico tamaño de los poros. Mientras que las membranas utilizadas para la microfiltración a menudo son simétricas con poros de tamaño regular, los utilizados para la ultrafiltración son membranas de material compuesto con capa polimérica delgada sobre la microporosa estructura. El material de membrana juega un papel importante en la selección de la membrana para una aplicación particular en purificación biofarmacéutica catión. Selección de membrana con características apropiadas (tamaño de poro, corte de peso molecular química de la superficie, etc.) es quizás la parte más importante de la optimización de un proceso de membrana paso. Otros parámetros que deben tenerse en cuenta durante el desarrollo incluir el área de superficie de la membrana, la presión transmembrana (TMP). Los materiales de membrana usados comúnmente incluyen polivinilideno, fluoruro (PVDF), nylon, poliéter sulfona (PES), polisulfona (PS), y celulosa regenerada (RC), ya que estos materiales ofrecen una reducción inespecífica. Los acontecimientos recientes también incluyen aparición de las membranas funcionalizados que son selectivos para ciertos productos químicos. También llamados adsorbedores de membrana, tales productos están disponibles con el intercambio iónico y de interacción hidrófoba ligandos en módulos y diseñados especialmente para su uso está ganando rápidamente en forma de cromatografía de membrana. Otro avance reciente es la disponibilidad de membranas cerámicas en fibra hueca y formatos de hoja flexibles. Estas membranas se han utilizado en la producción de los productos lácteos como proteínas de suero. Operaciones de nanofiltración se utilizan comúnmente para la eliminación de virus durante el procesamiento de productos biotecnológicos derivados de células de mamíferos cultura. Esta etapa del procedimiento es, sin embargo, a menudo empañado por flujos inferiores debido para el tamaño de poro pequeño de los nanofiltros. Los avances en estos filtros tienen centrado en aumentar el rendimiento. Virosolve Pro utiliza de Millipore de doble membrana de PES en el que la membrana de nano filtración está protegida por una membrana de adsorción que se pueden eliminar los agregados. Ha sido demostrado que este módulo ofrece una mayor capacidad de retención y el rendimiento en comparación con los filtros virales tradicionales.

LOS AVANCES EN LA FILTRACIÓN DE SKID / HARDWARE

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La selección del hardware es crítica ya que el equipo debe ser económico de usar y debe cumplir con los requisitos normativos, operativos y de seguridad. En el caso de separaciones basadas en membranas, algunas de las características clave de hardware. Las separaciones de membrana-base en Biotecnología incluir un volumen mínimo de retención (de piernas muertas y longitud de tubo), una bomba adecuada que proporciona las velocidades de flujo requeridas precisión sin dañar el producto de cizallamiento, una limpieza eficiente en el lugar (CIP) y cocer al vapor en su lugar (SIP) de protocolo, el procesamiento automatizado, y un archivado de datos eficiente y sistema de análisis. La filtración de las materias primas para piensos concentrados viscosos o es a menudo empañado por la obstrucción de la membrana. Tasa o módulos con especialmente de flujo cruzado de alta pantallas diseñadas que crean turbulencia cerca de la superficie de la membrana se generan aliado utilizado para dicho tratamiento. El sistema de filtración Pall Sep de Life Pall ciencias es uno de tales sistemas. Se basa en la filtración de membrana vibratoria (VMF) operación, en la que el módulo de filtración vibra durante el procesamiento debido al movimiento de torsión de la placa de sísmica conectado a la membrana por barra de torsión.

En separaciones basadas en membranas, la bomba es la causa principal del daño a las proteínas debido a la cizalladura que genera. Cavitación y la gran superficie área de la cara de las micros burbujas producidas en zonas de baja presión en todas las cuchillas de la bomba causan daño a las proteínas mediante la alteración de la conformación de proteínas. Los sistema de filtración de Pall cadencia es un sistema de filtración de una sola pasada con un módulo especial que permite la eliminación de la bomba de múltiples diseñado.

LOS AVANCES EN LAS PRÁCTICAS DE FILTRACIÓN

Figura 2.- El sistema de filtración Pall Sep de Life Pall

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La ultrafiltración convencional requiere una diferencia mayor de 10 veces entre las diferentes especies para conseguir la separación aceptable. Dos enfoques, a saber, de alto rendimiento de filtración de flujo tangencial (HPTFF) y filtración de flujo en cascada, han sido capaces de reducir significativamente la diferencia de tamaño requerido. El alto rendimiento de filtración de flujo tangencial (HPTFF) se basa en el principio de que a pesar de las separaciones basadas en membranas son generalmente de tamaño basado, la transmisión de proteínas es fuertemente dependiente de la electrostática, interacciones y carga de las proteínas, sobre todo en el caso de las membranas cargadas. En HPTFF, las moléculas de tamaño similar se pueden separar sobre la base de diferencias en la carga. La carga de la proteína determina el espesor de la capa iónica, que a su vez determina el tamaño efectivo de la proteína. Una proteína dada tiene el tamaño más pequeño en su punto isoeléctrico (carga neta cero). Dado que la presencia de iones reduce el espesor de la capa iónica alrededor de la superficie de la proteína, el efecto del pH en el tamaño eficaz de una proteína es más alta en menor resistencia iónica. La resolución puede mejorarse aún más por el uso de membranas cargadas.

Filtración de flujo en cascada es otra práctica de filtración para la eficiente separación de las proteínas de tamaño similar. Un flujo tangencial contracorriente ultrafiltración (filtración de flujo en cascada) de configuración ha sido utilizado para separación de las proteínas utilizando las membranas de ultrafiltración. Los módulos de la membrana se conectaron en la serie y se utilizó el flujo en contracorriente de la alimentación y barrido = diafiltración Las membranas con diferentes puntos de corte de peso molecular también se pueden usar para la separación eficiente.

TECNOLOGÍA DE FILTRACIÓN DESECHABLE

Figura 3.- Membrana de Ultrafiltración.

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El uso de tecnologías desechables es una tendencia emergente. Existen varias razones por las que una empresa puede elegir para adoptar estas tecnologías. El aumento de la flexibilidad operativa y menor inversión de capital son deseables tanto para las pequeñas empresas que se centran en reducir al mínimo el costo y para establecer, multi producto, las grandes empresas que desean rápidamente aumentar su capacidad de producción. La decisión de utilizar materiales desechables también podría ser parte de una estrategia de gestión de riesgos para una empresa. Estas tecnologías también ofrecen una manera más rápida a la comercialización, ya que permiten el desarrollo de procesos de alto rendimiento y la puesta en práctica y significativamente a reducir los costos mediante la eliminación de pasos como el CIP y SIP, junto con los principales porciones de proceso y la validación equipo. Las tecnologías desechables han sido ampliamente utilizados para las partes de procesamiento de aguas arriba, su uso en el procesamiento de aguas abajo ha sido alguien lo que limita. A menudo las empresas utilizan una combinación de reutilizables y tecnologías desechables basados en los factores pertinentes económicos y tecnológicos. De las diferentes operaciones unitarias empleadas en aguas abajo procesamiento, las separaciones basadas en membranas son sin duda la operación más adecuada que se lleva a cabo utilizando tecnologías desechables.

ALTO RENDIMIENTO DESARROLLO DE PROCESOS DE FILTRACIÓN Desarrollo y comercialización de productos biotecnológicos están sintiendo aumento de la presión para contener los costos y al mismo tiempo generar un mayor nivel de producto y la comprensión de los procesos. El desarrollo del proceso de una etapa de membrana normalmente implica optimización de las variables clave en el diseño, como la presión y flujo de permeado para lograr un alto rendimiento y ensuciamiento mínimo. La absorbancia, conductividad y pH del permeado se controlan continuamente para la determinación del óptimo pH y concentración de sal. La demostración exitosa de este enfoque se ha realizado para la ultrafiltración de las proteínas de suero bovino albúmina, albúmina de suero humano, y un anticuerpo monoclonal.

MEMBRANAS ADSORBENTES

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Los avances en genética molecular y la ingeniería bioquímica han dado lugar a un aumento significativo en los títulos de productos bioterapéuticos.

La necesidad de tecnologías que pueden sustituir uno o más cromatografía pasos en el

proceso se ha destacado en la literatura. La cromatografía de membrana es una alternativa potencial a la convencional cromatografía de lecho empaquetado. Sus ventajas incluyen la reducción de hardware, requisito, la facilidad operativa, y más corto tiempo de procesamiento. Membrana adsorbedores son membranas microporosas con adsorbente ligando injertado sobre la superficie de los poros. El transporte de moléculas en tales membranas es principalmente impulsado por convección con la difusión de poros muy limitada en comparación con cromatografía en columna de lecho fijo.

Hay algunas limitaciones que surgen durante el uso de la membrana adsorbente cuando se comparan con cromatografía de lecho fijo convencional. Estas incluyen distorsión de

Figura 4.- Cromatografía de Membrana.

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flujo de entrada, grosor de la membrana irregular, de tamaño de poro irregular, falta de dispositivos de escala hacia abajo, y una menor capacidad de unión. La siguiente tabla resume algunas de las recientes aplicaciones que implican el uso de adsorbentes de membrana. La mayoría de ellos implican la eliminación de impurezas (ácidos nucleicos, proteínas de células huésped, endotoxinas y virus) de la alimentación corriente en el modo de flujo continuo.

La Cromatografía de membrana ya ha encontrado un lugar en algunos de los procesos comerciales a nivel mundial y esperamos que este pase a ser más popular en los próximos tiempos. Para los casos en que la columna de cromatografía está siendo

Tabla 1.- Aplicaciones que implican el uso de adsorbentes de membrana.

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operada en un modo de flujo continuo y otros tales casos, este paso ofrece una alternativa convincente a cromatografía de lecho fijo tradicional.

Figura 5.- Cromatografía de Membrana.