Quel est l'impact de la concentration de l'alimentation sur les cassettes d'ultrafiltration ?

Lorsque j'ai commencé à travailler avec des cassettes d'ultrafiltration (UF), à mes débuts en tant que fournisseur de filtres, j'admets que je n'ai pas beaucoup réfléchi à la concentration des aliments, au-delà de vérifier si la solution que je traitais était « assez épaisse ». Cela a changé rapidement : lorsqu’un client de biotechnologie s’est heurté à un mur avec son étape de concentration d’anticorps, accusant des colmatages fréquents et des taux de flux étrangement incohérents. Il s'est avéré qu'ils poussaient bien plus que ce que leur cassette UF pouvait gérer, et cela leur a coûté des jours d'arrêt et un lot de produits coûteux. Si vous travaillez avec des cassettes UF, ce n'est pas qu'un petit détail : c'est l'un des principaux leviers qui font ou défont votre processus, du rendement à la durée d'exécution. Voyons comment la concentration des aliments affecte chaque partie de l'UF et ce que j'ai appris au fil des années pour que tout se passe bien.

Tout d’abord, analysons cela dans ce que font réellement les cassettes UF, juste pour nous assurer que nous sommes sur la même longueur d’onde. Si vous débutez dans le jeu, une cassette UF est une unité autonome dotée de membranes plates (consultez notreCassette à feuilles platespage pour la répartition complète) qui sépare les molécules par taille : les petites choses passent à travers la membrane, tandis que les plus grosses sont « retenues » et concentrées du côté alimentation. Qu’est-ce qui les rend si populaires dans les secteurs de la biopharmaceutique, de l’alimentation, des boissons et des eaux usées ? Ils sont compacts, réutilisables (parfois, s’ils sont correctement nettoyés) et bien plus cohérents que les anciennes configurations de membranes découpées à la main. LeUltrafiltration à cassettesLa gamme que nous proposons est conçue pour des séries évolutives, depuis les petits lots de laboratoire jusqu'à la fabrication complète, c'est pourquoi nous avons travaillé avec des clients allant des startups de biotechnologie aux marques alimentaires mondiales.

La concentration alimentaire, pour ceux qui n'ont pas approfondi la terminologie, est essentiellement la quantité de soluté cible (ou indésirable) dans la solution que vous pompez dans la cassette. Par exemple, si vous concentrez des anticorps monoclonaux (AcM) provenant d'un bouillon de culture cellulaire, la concentration alimentaire correspond ici au nombre de grammes d'AcM par litre de ce bouillon. Ce n'est pas seulement la cible non plus : vous avez également mélangé des impuretés telles que des débris cellulaires, des composants de milieu et des restes de sels tampons. Le point idéal pour la concentration des aliments est différent en fonction du seuil de poids moléculaire (MWCO) de votre membrane, n'est-ce pas ? Une cassette UF de 30 KD fonctionne très bien pour les petites protéines, tandis qu'une cassette de 500 KD est destinée aux molécules plus grosses comme les vecteurs viraux. J'ai vu des clients prendre la première cassette qu'ils regardaient, quelle que soit la concentration de leur alimentation, et c'est là que commencent les erreurs.

Commençons par l'impact le plus immédiat : le débit. Le flux est le volume de solution qui traverse la membrane par unité de surface et par heure : c'est l'épine dorsale de la productivité de l'UF. Lorsque la concentration de votre alimentation est trop élevée, le flux chute rapidement et non de manière linéaire. Voici pourquoi : à mesure que vous traitez la solution, les solutés retenus s'accumulent près de la surface de la membrane, formant ce qu'on appelle une « couche de polarisation de concentration ». Cette couche agit comme une barrière supplémentaire, de sorte que l’eau et les petits solutés doivent travailler plus fort pour passer. Si la concentration de l'alimentation est très élevée au début, cette couche de polarisation s'épaissit rapidement et bientôt vous ne faites presque plus passer le perméat. L'année dernière, j'ai eu un client qui utilisait une cassette d'ultrafiltration 30KD sur un surnageant de culture cellulaire dense : il se nourrissait à raison de 25 g/L de protéines, alors que notre recommandation était de 10 à 15 g/L. Leur flux est passé de 60 L/m²/h à 12 L/m²/h en 2 heures, et ils ont dû s'arrêter pour nettoyer la cassette prématurément, perdant ainsi 12 heures de fonctionnement. Pire encore, la polarisation à forte concentration a conduit certaines protéines à rester coincées dans cette couche, de sorte que leur rendement était inférieur de 18 % à celui prévu.

Mais ce n'est pas seulement une question de flux : la concentration de l'alimentation est également directement liée à l'encrassement de la membrane, qui est le grand croque-mitaine de l'UF. L'encrassement se produit lorsque des solutés, des débris ou des agrégats adhèrent de manière permanente à la surface de la membrane ou aux parois des pores, et c'est bien pire avec des aliments trop concentrés. Lorsque les solutés sont entassés dans l’alimentation, ils sont plus susceptibles d’entrer en collision avec la membrane et d’être piégés. J'ai nettoyé des centaines de cassettes UF au fil des ans, et 80 % du temps, des encrassements importants remontent à une concentration d'alimentation qui était 2 à 3 fois supérieure à la plage recommandée. Par exemple, un client du secteur alimentaire transformant des jus de fruits souhaitait concentrer à 30° Brix en un seul passage, au lieu de 15° Brix (qui est le point idéal pour sa cassette 10KD). La pectine et le sucre du jus ont commencé à s'accumuler sur la membrane en 30 minutes, et à la fin du cycle, les pores de la membrane étaient partiellement obstrués, de sorte qu'ils n'ont obtenu qu'un quart de la concentration attendue et ont dû remplacer la cassette après trois cycles au lieu de 10. Cela s'est ajouté à des coûts par litre bien plus élevés que s'ils avaient divisé la concentration en deux passes avec une concentration d'alimentation plus faible à chaque fois.

Le rendement est un autre domaine où la concentration des aliments est très importante, en particulier dans le secteur biopharmaceutique où chaque gramme de produit compte. Lorsque votre aliment est trop concentré, non seulement vous obtenez davantage d’encrassement, mais vous commencez également à constater une perte de produit de deux manières. Premièrement, la couche de polarisation de concentration peut capturer les molécules cibles, et si elle devient trop épaisse, ces molécules pourraient être emportées avec le rétentat lorsque vous videz la cassette, au lieu d'être concentrées. Deuxièmement, certaines molécules cibles (comme les protéines) peuvent commencer à s’agréger à des concentrations élevées, et ces agrégats sont souvent suffisamment petits pour glisser à travers la membrane ou rester coincés dans le perméat, ce qui entraîne leur perte. Un client de vecteurs viraux avec lequel j'ai travaillé l'année dernière utilisait notre cassette d'ultrafiltration 500KD pour concentrer les vecteurs AAV. Ils ont poussé la concentration de l'alimentation à 1e13 génomes vectoriels par ml, ce qui est bien au-dessus de notre recommandation de 2e12. Leur rendement n’était que de 45 %, contre 82 % obtenus en abaissant la concentration de l’alimentation dans la bonne plage. Lorsque nous avons testé le rétentat, nous avons constaté que 30 % de leur vecteur cible était coincé dans la couche de polarisation de concentration et que 15 % supplémentaires étaient agrégés et perdus. C'est le genre de succès qui peut rendre un lot entier sans valeur, en particulier lorsque vous avez affaire à des processus conformes aux BPF où vous ne pouvez pas simplement fabriquer plus de produits sur un coup de tête.

Attendez, mais avant de penser « une concentration alimentaire plus faible est toujours préférable », ce n'est pas vrai non plus. Si votre aliment est trop dilué, vous perdez du temps et de la capacité de la cassette. L'UF est plus efficace lorsque vous concentrez la solution à un niveau raisonnable, mais si vous commencez avec une alimentation trop fine, vous déplacez beaucoup plus de volume que nécessaire, ce qui augmente les coûts énergétiques de pompage et prend plus de temps pour atteindre votre concentration cible. Par exemple, un client de laboratoire concentrant un petit échantillon de protéines utilisait une cassette 10KD avec une concentration d'alimentation de 0,1 mg/mL. Il essayait d'atteindre 10 mg/mL, il traitait donc 100 ml de solution pour obtenir 10 ml de rétentat. Cela leur a pris 8 heures, contre 2 heures lorsqu'ils ont d'abord concentré l'aliment par centrifugation à 0,5 mg/mL, ils n'ont donc traité que 20 ml. Cela représente une énorme différence en termes de travail et de temps, surtout si vous exécutez plusieurs lots par jour. La clé est d'atteindre cette plage médiane, ce que j'appelle la « fenêtre de concentration » pour votre cassette et votre application spécifiques.

Alors, comment déterminez-vous cette fenêtre de concentration ? Il n’y a pas de solution universelle, mais il existe quelques règles empiriques que nous partageons avec tous nos clients. Tout d'abord, vérifiez le MWCO de votre cassette : une cassette avec un MWCO plus élevé (comme 500 KD) peut généralement gérer une concentration d'alimentation plus élevée qu'une cassette avec un MWCO inférieur (comme 30 KD), car les pores sont plus grands, donc la polarisation est moins problématique. NotreSérie Cassettes-TFF-filtrationLa page présente des plages de concentration spécifiques pour chaque cassette, mais en règle générale, ne dépassez jamais 10 à 15 % de solides totaux pour la plupart des applications protéiques et 5 à 10 % pour les petites molécules. Deuxièmement, testez votre aliment pour détecter les impuretés : si votre aliment contient beaucoup de débris ou d'agrégats, vous avez besoin d'une concentration d'aliment plus faible pour éviter l'encrassement, quelle que soit votre molécule cible. Troisièmement, effectuez d’abord des tests à petite échelle : ne vous lancez pas simplement dans la production complète. Un test de 100 ml ou 1 L vous indiquera exactement quel flux vous obtenez, à quelle vitesse l'encrassement s'installe et quel rendement vous pouvez espérer, afin que vous ne gaspilliez pas de produit précieux.

Une autre chose que j'ai remarquée au fil des années est que la concentration de la charge interagit avec d'autres paramètres de processus, comme le débit transversal et la pression transmembranaire (TMP). Ce n'est pas comme ajuster la concentration dans le vide : si vous avez une concentration d'alimentation élevée, vous pouvez compenser un peu en augmentant le débit transversal, qui éloigne la couche de polarisation de la surface de la membrane, et en augmentant le TMP (mais pas trop, car le TMP peut provoquer un compactage de la couche de polarisation). Mais il s'agit d'un exercice d'équilibre : un flux transversal plus élevé signifie plus d'énergie, et un TMP plus élevé peut entraîner des dommages à la membrane si vous n'y faites pas attention. Nous conseillons toujours à nos clients d’effectuer des tests complets de paramètres incluant la concentration des aliments, car changer l’un peut perturber les autres. Par exemple, un client a essayé un jour de corriger une baisse de flux due à une concentration élevée d'alimentation en augmentant le TMP, et a fini par compacter la membrane, de sorte que ses prochaines analyses avaient un flux encore plus faible. C'est pourquoi dans notre entreprise, nous ne vendons pas seulement des cassettes : nous aidons nos clients à résoudre ces problèmes de processus, car nous avons vu presque toutes les erreurs que vous pouvez commettre avec la concentration des aliments.

Parlons également des effets à long terme, car la concentration des aliments n'a pas seulement un impact sur un seul passage, mais aussi sur la durée de vie de la cassette. Si vous utilisez des aliments trop concentrés, vous créez beaucoup plus d'encrassement, ce qui signifie que vous devez nettoyer la cassette plus souvent et utiliser des produits de nettoyage plus agressifs (comme un pH ou une température plus élevée) pour éliminer l'accumulation. Au fil du temps, ce nettoyage agressif dégrade la membrane, de sorte que la cassette contient moins de passages avant de devoir être remplacée. J'ai eu un client qui utilisait notre cassette à feuilles plates, et au cinquième passage, il a dû la remplacer en raison d'un encrassement important, tandis qu'un autre client utilisant la même cassette avec la bonne concentration d'alimentation obtenait plus de 15 passages. Cela représente une énorme différence de coût lorsque vous consultez des cassettes chaque semaine ou chaque mois.

Maintenant, soyons pratiques : que devez-vous réellement faire si la concentration de votre alimentation est mauvaise ? Tout d’abord, mesurez-le correctement. De nombreux clients se fient à « l’épaisseur visuelle » de la solution, ce qui est très imprécis. Utilisez un Brix mètre pour les produits alimentaires, ou un absorbeur (comme le A280 pour les protéines) pour obtenir une concentration précise. Ensuite, ajustez votre alimentation soit en la diluant (si elle est trop élevée), soit en la concentrant davantage avec une étape de prétraitement plus petite (comme une filtration à flux tangentiel avec une cassette différente ou une centrifugation) si elle est trop faible. Si vous avez affaire à un aliment unique en son genre, comme un produit biologique personnalisé, contactez notre équipe : nous avons des spécialistes des applications qui peuvent vous aider à concevoir un processus adapté à la concentration de votre aliment, qu'il s'agisse de choisir le bon MWCO (comme 30 KD contre 500 KD), d'ajuster le flux transversal ou de déterminer la meilleure durée d'exécution.

Je ne saurais trop insister sur le fait que de petits ajustements apportés à la concentration de l'alimentation peuvent modifier l'ensemble de votre processus UF. Ce n'est pas un détail ennuyeux : c'est la différence entre une exécution qui atteint tous vos objectifs de rendement et de calendrier, et une exécution qui vous oblige à dépanner pendant des jours, gaspillant des produits et de l'argent. Nous avons construit notreUltrafiltration à cassettesligne pour être flexible, avec des options pour différents MWCO (comme notreCassettes d'ultrafiltration 30kdetCassettes d'ultrafiltration 500KD), les conceptions de feuilles plates et les configurations de la série TFF, car nous savons que le flux de chaque client est différent. Si vous rencontrez des problèmes de concentration des aliments ou si vous souhaitez simplement rendre votre processus UF plus efficace, nous sommes là pour vous aider : nous avons travaillé avec des milliers de clients pour obtenir les bonnes fenêtres de concentration, et nous pouvons faire de même pour vous. Ne laissez pas un petit détail comme la concentration des aliments gâcher vos courses : contactez notre équipe pour en savoir plus sur l'optimisation de votre processus dès aujourd'hui.

Références

1. Belfort, G., Davis, RH et Zydney, AL (1994). Le comportement des suspensions et des solutions macromoléculaires en microfiltration à flux croisés. Journal of Membrane Science, 96(1-2), 1-58.
2. Charcosset, C. (2007). Polarisation hydrodynamique et concentration en ultrafiltration : une revue. Dessalement, 211(1-3), 108-122.
3. Zydney, AL (2018). Filtration à flux tangentiel pour le traitement biopharmaceutique. Opinion actuelle en génie chimique, 20, 109-115.
4. En ligneMulder, M. (1996). Principes de base de la technologie des membranes (2e éd.). Éditeurs académiques Kluwer.