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Ottimizzazione dell'efficienza della purificazione a valle nella produzione biofarmaceutica

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L'applicazione dei sensori di flusso a ultrasuoni nei sistemi di filtrazione a flusso tangenziale (TFF)

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Con la rapida espansione dell’industria biofarmaceutica, i processi di produzione di prodotti biologici di alto valore — quali proteine ricombinanti, anticorpi monoclonali (mAb) e vaccini — hanno raggiunto livelli di precisione senza precedenti. Nella lavorazione a valle, la filtrazione a flusso tangenziale (TFF), nota anche come filtrazione a flusso incrociato (CFF), si è affermata come una tecnologia fondamentale e indispensabile.

Il funzionamento stabile ed efficiente di un sistema TFF influisce direttamente sulla resa del prodotto, sulla purezza e sulla qualità complessiva. All’interno di questa operazione unitaria critica, il monitoraggio e il controllo precisi e in tempo reale del flusso di liquido costituiscono la linfa vitale dell’intero processo.

1. Sistemi TFF: il motore di precisione della purificazione a valle

La filtrazione a flusso tangenziale è una tecnica di separazione a membrana altamente efficiente. A differenza della filtrazione a fondo cieco convenzionale, in cui il flusso di alimentazione passa perpendicolarmente attraverso il filtro, il fluido in un sistema TFF scorre parallelamente (tangenzialmente) alla superficie della membrana a una velocità controllata. Questo movimento trasversale genera una forza di taglio che attraversa la membrana, riducendo efficacemente al minimo l’accumulo dello strato di residuo e la polarizzazione di concentrazione causate dalle macromolecole ad alta densità.

Sotto pressione, il flusso di alimentazione entra nella cassetta TFF o nel modulo a fibre cave. Il solvente e le piccole molecole di soluto con peso molecolare inferiore al limite di separazione (MWCO) passano attraverso i pori della membrana formando il permeato (o filtrato). Nel frattempo, le macromolecole biologiche bersaglio vengono trattenute e trascinate lungo la superficie della membrana, tornando nel recipiente di alimentazione come retentato.

Controllando con precisione la portata del permeato e il ricircolo del retentato, i sistemi TFF eseguono in modo efficiente la concentrazione, la diafiltrazione e lo scambio tampone.

Nella purificazione degli anticorpi monoclonali (mAb) e nell’isolamento delle proteine, il mantenimento di una portata stabile è un prerequisito fondamentale per il controllo della pressione transmembrana (TMP). Un corretto controllo della portata garantisce che il processo operi all’interno del proprio spazio di progettazione ottimale, prevenendo danni irreversibili da taglio alle biomolecole sensibili e massimizzando al contempo il recupero del prodotto.

2. Sfide del settore relative al monitoraggio tradizionale della portata
Negli ambienti di bioprocessi in cui sterilità, stabilità e biocompatibilità sono fondamentali, le tecnologie tradizionali di misurazione della portata presentano gravi limitazioni:

→ Rischi di contaminazione e contaminazione incrociata:
I misuratori di portata tradizionali a contatto con il fluido (come le turbine in linea) richiedono il contatto diretto con il fluido di processo. Ciò comporta potenziali rischi di contaminazione microbica e complica la validazione dei processi Clean-in-Place (CIP) e Steam-in-Place (SIP). Qualsiasi materiale residuo tra un lotto e l’altro rappresenta un rischio di contaminazione incrociata.
→ Degradazione delle biomolecole indotta dal taglio:
I misuratori di portata meccanici presentano parti interne in movimento (ad es. giranti) che sottopongono le proteine delicate a elevate sollecitazioni di taglio localizzate, causando aggregazione, denaturazione e perdita di attività delle proteine.
→ Caduta di pressione e perturbazione del campo di flusso:
I sensori invasivi alterano il profilo fluidico all’interno delle tubazioni, introducendo cadute di pressione indesiderate che interferiscono con la regolazione precisa della pressione trasmurale (TMP) e riducono il flusso di filtrazione.
→ Limiti di misurazione a bassa portata:
I sistemi di ricerca e sviluppo da banco o le configurazioni analitiche operano spesso a micro-portate (nell’ordine dei mL/min). A questi bassi volumi, i sensori convenzionali faticano a mantenere letture stabili e accurate a causa dell’interferenza dovuta allo spessore delle pareti dei tubi e dell’attenuazione del segnale.

3. Sensori di flusso a ultrasuoni clamp-on: la soluzione ideale per la TFF
I sensori di flusso a ultrasuoni eliminano questi colli di bottiglia operativi. Funzionando secondo il principio ultrasonico del «tempo di transito», una coppia di trasduttori viene montata all’esterno del tubo per trasmettere e ricevere alternativamente segnali acustici. Misurando la minima differenza di tempo tra le onde ultrasoniche che viaggiano a monte e a valle, il sensore calcola la velocità precisa del fluido e la portata volumetrica.

In qualità di esperta nella tecnologia di rilevamento dei fluidi a ultrasuoni, XY-TEK offre due soluzioni tecniche complementari su misura per diverse scale di bioprocessi:

→ Sensore di flusso a ultrasuoni a fissaggio a morsetto serie CG
Ottimizzato per tubi flessibili (ad es. silicone, TPE, PVC, PTFE) comunemente utilizzati con le pompe peristaltiche nei sistemi TFF. Caratterizzato da un design compatto a clip, consente una rapida installazione senza interrompere il percorso del fluido.
Dispone di elettronica di elaborazione integrata direttamente all’interno del corpo del sensore, eliminando la necessità di convertitori esterni. Fornisce misurazioni non invasive, uscite di segnale standard industriali (RS485 Modbus, 4-20 mA, impulso) e rilevamento integrato delle bolle d’aria per proteggere i sistemi da interruzioni del segnale.

→ Sensore di flusso a ultrasuoni per basse portate serie TGU
Per le unità di filtrazione su scala di laboratorio in cui le portate sono troppo basse per essere rilevate in modo affidabile dai sensori a morsetto, la serie TGU offre un’alternativa ultraprecisa.
La serie TGU presenta uno speciale design interno a percorso a U che ottimizza l’efficienza di trasmissione del segnale ultrasonico, consentendo misurazioni stabili e accurate fino a 1 mL/min. Il tubo del fluido è realizzato in PEEK, un materiale biocompatibile e chimicamente inerte, che garantisce la purezza e la resistenza al liquido.

Nel percorso verso l’eccellenza in termini di efficienza e massima sicurezza nel settore biofarmaceutico, i dati precisi sulla portata costituiscono la base per l’ottimizzazione. XY-TEK si impegna ad assistere i clienti di tutto il mondo nel realizzare una transizione senza soluzione di continuità lungo l’intero processo, dalla ricerca e sviluppo alla produzione, attraverso una varietà di soluzioni di rilevamento a ultrasuoni.