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Optimierung der Effizienz der nachgelagerten Reinigung in der biopharmazeutischen Herstellung

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Der Einsatz von Ultraschall-Durchflusssensoren in Tangentialflussfiltrationssystemen (TFF)

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Mit dem rasanten Wachstum der biopharmazeutischen Industrie haben die Herstellungsverfahren für hochwertige Biologika – wie rekombinante Proteine, monoklonale Antikörper (mAbs) und Impfstoffe – ein bisher unerreichtes Maß an Präzision erreicht. In der nachgelagerten Verarbeitung hat sich die Tangentialflussfiltration (TFF), auch bekannt als Cross-Flow-Filtration (CFF), als unverzichtbare Kerntechnologie etabliert.

Der stabile und effiziente Betrieb eines TFF-Systems wirkt sich direkt auf die Produktausbeute, die Reinheit und die Gesamtqualität aus. Innerhalb dieses kritischen Verfahrensschritts sind die präzise Überwachung und Steuerung des Flüssigkeitsstroms in Echtzeit die Lebensader des gesamten Prozesses.

1. TFF-Systeme: Der Präzisionsmotor der nachgelagerten Aufreinigung

Die Tangentialflussfiltration ist eine hocheffiziente Membrantrenntechnik. Im Gegensatz zur herkömmlichen Dead-End-Filtration, bei der der Zufuhrstrom senkrecht durch den Filter fließt, fließt die Flüssigkeit in einem TFF-System parallel (tangential) zur Membranoberfläche mit einer kontrollierten Geschwindigkeit. Diese Querströmung erzeugt eine abtragende Scherkraft über die Membran hinweg, wodurch die Bildung einer Kuchenschicht und die durch hochdichte Makromoleküle verursachte Konzentrationspolarisation wirksam minimiert werden.

Unter Druckeinwirkung tritt der Zufuhrstrom in die TFF-Kassette oder das Hohlfasermodul ein. Lösungsmittel und kleine gelöste Moleküle unterhalb der Molekulargewichtsgrenze (MWCO) passieren die Membranporen und bilden das Permeat (oder Filtrat). Gleichzeitig werden die biologischen Zielmakromoleküle zurückgehalten und entlang der Membranoberfläche mitgeführt, um schließlich als Retentat in den Zufuhrbehälter zurückzukehren.

Durch die präzise Steuerung der Permeatdurchflussrate und der Retentat-Rückführung führen TFF-Systeme eine effiziente Konzentration, Diafiltration und Pufferaustausch durch.

Bei der mAb-Aufreinigung und Proteinisolierung ist die Aufrechterhaltung einer stabilen Durchflussrate eine grundlegende Voraussetzung für die Steuerung des Transmembrandrucks (TMP). Eine ordnungsgemäße Durchflussregelung stellt sicher, dass der Prozess innerhalb seines optimalen Auslegungsbereichs abläuft, wodurch irreversible Scherbeeinträchtigungen empfindlicher Biomoleküle verhindert und gleichzeitig die Produktausbeute maximiert werden.

2. Branchenherausforderungen bei der herkömmlichen Durchflussüberwachung
In biotechnologischen Prozessumgebungen, in denen Sterilität, Stabilität und Biokompatibilität von größter Bedeutung sind, stoßen herkömmliche Durchflussmesstechnologien an erhebliche Grenzen:

→ Kontaminations- und Kreuzkontaminationsrisiken:
Herkömmliche, mit der Prozessflüssigkeit in Berührung kommende Durchflussmesser (wie z. B. Inline-Turbinen) erfordern direkten Kontakt mit der Prozessflüssigkeit. Dies birgt potenzielle Risiken einer mikrobiellen Kontamination und erschwert die Validierung von Clean-in-Place (CIP) und Steam-in-Place (SIP). Jegliche Materialrückstände zwischen den Chargen bergen das Risiko einer Kreuzkontamination.
→ Scherkraftbedingter Abbau von Biomolekülen:
Mechanische Durchflussmesser verfügen über interne bewegliche Teile (z. B. Laufräder), die empfindliche Proteine einer lokalen hohen Scherkraft aussetzen, was zu Proteinaggregation, Denaturierung und Aktivitätsverlust führt.
→ Druckabfall und Störung des Strömungsfeldes:
Invasive Sensoren stören das Strömungsprofil in den Rohrleitungen und verursachen unerwünschte Druckabfälle, die eine präzise TMP-Regelung beeinträchtigen und den Filtrationsfluss verringern.
→ Messgrenzen bei niedrigen Durchflussraten:
Tischgeräte für Forschung und Entwicklung oder analytische Aufbauten arbeiten häufig mit Mikroströmungsraten (im mL/min-Bereich). Bei diesen geringen Volumina haben herkömmliche Sensoren aufgrund von Störungen durch die Wandstärke der Schläuche und Signalabschwächung Schwierigkeiten, stabile und genaue Messwerte aufrechtzuerhalten.

3. Aufsteckbare Ultraschall-Durchflusssensoren: Die ideale Lösung für TFF
Ultraschall-Durchflusssensoren beseitigen diese betrieblichen Engpässe. Nach dem Ultraschall-Laufzeitprinzip werden zwei Wandler an der Außenseite der Leitung angebracht, die abwechselnd akustische Signale senden und empfangen. Durch die Messung der winzigen Zeitdifferenz zwischen den stromaufwärts und stromabwärts wandernden Ultraschallwellen berechnet der Sensor die genaue Flüssigkeitsgeschwindigkeit und den Volumenstrom.

Als Experte für Ultraschall-Durchflussmesstechnik bietet XY-TEK zwei sich ergänzende technische Lösungen an, die auf unterschiedliche Bioprozessgrößenordnungen zugeschnitten sind:

→ Ultraschall-Durchflusssensor der CG-Serie zum Aufklemmen
Optimiert für flexible Schläuche (z. B. Silikon, TPE, PVC, PTFE), wie sie üblicherweise bei Peristaltikpumpen in TFF-Systemen verwendet werden. Dank seines kompakten Clip-On-Designs lässt er sich schnell installieren, ohne den Flüssigkeitsweg zu unterbrechen.
Die Verarbeitungselektronik ist direkt im Sensorkörper integriert – externe Wandlerboxen sind somit überflüssig. Der Sensor bietet eine nicht-invasive Messung, industrielle Standardsignalausgänge (RS485 Modbus, 4–20 mA, Impuls) sowie eine integrierte Luftblasenerkennung zum Schutz der Systeme vor Signalstörungen.

→ Ultraschall-Durchflusssensor der TGU-Serie für niedrige Durchflussraten
Für Filtrationsanlagen im Labormaßstab, bei denen die Durchflussraten zu niedrig sind, als dass Clamp-On-Sensoren sie zuverlässig erfassen könnten, bietet die TGU-Serie eine hochpräzise Alternative.
Die TGU-Serie verfügt über ein spezielles internes U-Pfad-Design, das die Übertragungseffizienz des Ultraschallsignals optimiert und so stabile und genaue Messungen bis hinunter zu 1 ml/min ermöglicht. Das Flüssigkeitsrohr besteht aus biokompatiblem, chemisch inertem PEEK-Material, das Reinheit gewährleistet und gegen die Flüssigkeit beständig ist.

Auf dem Weg zu herausragender Effizienz und höchster Sicherheit in der Biopharmazie bilden präzise Durchflussdaten die Grundlage für die Optimierung. XY-TEK hat es sich zur Aufgabe gemacht, Kunden weltweit durch eine Vielzahl von Ultraschall-Messlösungen dabei zu unterstützen, einen nahtlosen Übergang über den gesamten Prozess von der Forschung und Entwicklung bis zur Produktion zu erreichen.