Teknologi serat berongga: Bagaimana untuk melindungi aktiviti produk biologi dengan daya ricih yang rendah?

Serat berongga (HF) adalah bahan berserabut dengan struktur rongga berongga, yang menampilkan saluran berongga dalaman dan dinding luar yang diperbuat daripada membran polimer berliang atau padat. Struktur unik ini menyediakan kawasan permukaan khusus yang tinggi, prestasi pemindahan jisim yang sangat baik, dan kekuatan mekanikal. Didorong oleh tekanan tangen, serat berongga menyaring zarah, bakteria, atau memintas bahan sasaran dengan kebolehtelapan terpilih, menjadikannya secara meluas dalam biomedicine, bioengineering, dan perlindungan alam sekitar.

 

Kelebihan produk

● Buka saluran aliran dengan kapasiti pemegangan kotoran yang tinggi

● Membran seragam dengan pilihan saiz liang yang komprehensif

● Reka bentuk modular yang fleksibel untuk berskala linear

● Daya ricih yang rendah, terutamanya sesuai untuk produk berasaskan protein yang sensitif dan pemprosesan virus

Daya ricih dalam sistem serat berongga memberi kesan kepada pengeluaran, pembersihan, dan kestabilan produk biologi, terutamanya dalam biopharmaceuticals (contohnya, antibodi monoklonal, vaksin, protein rekombinan) dan terapi sel. Kekuatan ricih yang sesuai meningkatkan pemindahan dan pencampuran massa, tetapi daya ricih yang berlebihan boleh menyebabkan inaktivasi, pengagregatan, atau kerosakan sel. Daya ricih terutamanya dipengaruhi oleh tiga kategori faktor: parameter hidrodinamik, parameter struktur serat, dan keadaan operasi. Kadar aliran (q) adalah berkadar terus dengan daya ricih, manakala peningkatan kelikatan cecair (μ) dengan ketara meningkatkan tahap daya ricih. Diameter dalaman serat (DI) adalah parameter struktur yang paling kritikal, kerana ia berkait rapat dengan perubahan ricih-minor perubahan dalam DI secara drastik dapat mengubah daya ricih secara drastik.

 

(1) Parameter hidrodinamik

Faktor	Kesan
Kadar aliran (q)	Kadar aliran yang lebih tinggi meningkatkan tekanan ricih dinding
Kelikatan (μ)	Cecair kelikatan tinggi (contohnya, media kultur sel pekat) mempamerkan tekanan ricih yang lebih tinggi pada kadar aliran yang sama
Mod aliran	Aliran laminar (ricih rendah) vs aliran bergelora (ricih tinggi, risiko kerosakan sel atau denaturasi protein)

 

(2) parameter struktur serat berongga

Faktor	Kesan
Diameter dalaman (DI)	Di lebih kecil meningkatkan halaju dan tekanan ricih pada kadar aliran yang sama
Panjang (l)	Peningkatan Panjang Meningkatkan Penurunan Tekanan, secara tidak langsung mempengaruhi pengagihan tekanan ricih
Ketumpatan pembungkusan serat	Pembungkusan padat meningkatkan rintangan aliran serat, berpotensi meningkatkan tekanan ricih tempatan

 

(2) keadaan operasi

Faktor	Kesan
Tekanan transmembran (TMP	Perbezaan tekanan tinggi boleh meningkatkan tekanan ricih permukaan membran, menyebabkan fouling atau ubah bentuk
Aliran pulsatile	Aliran berkala mengurangkan fouling tetapi mungkin memperkenalkan puncak tekanan ricih sementara

 

Formula untuk mengira daya ricih dalam serat kosong

(1) Tekanan ricih dinding (τw)

Berkenaan dengan aliran laminar (nombor Reynolds rendah Re <2100) dalam tiub serat lurus:

τw: Tekanan ricih dinding (PA atau Dyn/cm²)

μ: kelikatan bendalir (PA · s)

Q: Kadar aliran volumetrik (m³/s)

DI: Diameter dalaman serat (m)

 

(2) Nombor Reynolds (semula) untuk penentuan rejim aliran

ρ: ketumpatan bendalir (kg/m³)

v: halaju aliran (m/s)

DI: Diameter dalaman serat (m)

Aliran Laminar: Re <2100 (tekanan ricih yang boleh diramalkan)

Aliran Turbulen: Re> 4000 (Tekanan Ricih Kompleks, Memerlukan Simulasi CFD)

 

(3) hubungan antara penurunan tekanan (Δp) dan tegasan ricih

Persamaan Hagen-Poiseuille (aliran laminar):

Penurunan tekanan tinggi secara tidak langsung boleh meningkatkan tekanan ricih, terutamanya dalam serat panjang atau sistem dengan DI kecil.

 

Kesan langsung daya ricih pada produk biologi

Permohonan	Risiko daya ricih	Ambang toleransi tipikal
Pengeluaran mAb	Pengagregatan (sensitiviti sederhana tinggi)	＜1000s-1(ultrafiltrasi)
Budaya sel CHO	Kerosakan sel CHO (kepekaan tinggi)	＜ 50-100 dyn/cm²
Pembersihan AAV (UF)	Pecah zarah virus (kepekaan tinggi)	＜500s-1
Hemodialisis	Hemolisis (kepekaan yang sangat tinggi)	＜1500s-1
Pengasingan exosome	Pecah Vesicle (Kepekaan Tinggi)	＜1500s-1
Adjuvant alum tradisional	Kerosakan zarah, keruntuhan liang (kepekaan tinggi	＜1000s-1(Ambang berisiko rendah) 1000-3000s-1(ambang risiko sederhana) ＞3000s-1(ambang berisiko tinggi)

 

(1) denaturasi atau pengagregatan protein/antibodi

Mekanisme:

Daya ricih yang tinggi (contohnya, pergolakan, peronggaan) boleh menyebabkan perubahan konformasi dalam protein, mendedahkan kawasan hidrofobik dan mencetuskan agregasi. Semasa penapisan, ultrafiltrasi, atau budaya perfusi, daya ricih boleh mengganggu struktur protein asli.

Kes:

Antibodi monoklonal (mAb) terdedah kepada pengagregatan semasa pemadatan berkelajuan tinggi atau penapisan membran, menjejaskan keberkesanan dan keselamatan.

 

(2) kerosakan sel (sel mamalia/mikrob)

Mekanisme:

Sel-sel mamalia (contohnya, sel CHO) adalah sensitif ricih; Daya ricih yang tinggi boleh menyebabkan pecah membran, apoptosis, atau disfungsi metabolik. Mikroba (contohnya, E. coli) boleh di bawah ricih yang tinggi, melepaskan endotoxin.

Ambang Kritikal:

Sel mamalia: biasanya bertolak ansur<50–100 dyn/cm² (perfusion culture).

Red blood cells: >1500 s⁻¹ boleh menyebabkan hemolisis (contohnya, hemodialisis).

 

(3) Gangguan virus/exosomes (nanopartikel)

Mekanisme:

Vektor virus (contohnya, AAV, lentivirus) atau exosom boleh pecah di bawah tekanan ricih, mengurangkan infektiviti atau keberkesanan terapeutik.

Kes:

Dalam terapi gen, vektor virus memerlukan kawalan daya ricih semasa pembersihan serat berongga untuk mengelakkan kehilangan titer.

 

(4) membran fouling dan kehilangan produk

Mekanisme:

Daya ricih yang tinggi boleh menyebabkan serpihan sel atau pemendapan protein pada membran, menyekat liang -liang dan mengurangkan kecekapan pemindahan massa. Adsorpsi yang disebabkan oleh ricih (contohnya, mengikat antibodi tidak spesifik) boleh mengurangkan pemulihan produk.

 

Strategi Pengoptimuman: Mengurangkan kesan ricih ricih

(1) Pengoptimuman Reka Bentuk Sistem

Kurangkan kadar aliran: Gunakan pam ricih rendah (contohnya, pam peristaltik) atau mengoptimumkan reka bentuk laluan aliran (contohnya, saluran tirus).

Pemilihan serat: Meningkatkan DI untuk mengurangkan tekanan ricih dinding (keseimbangan dengan kecekapan pemindahan massa).

Gunakan membran yang diubahsuai permukaan (contohnya, lapisan hidrofilik) untuk meminimumkan penjerapan protein.

(2) Kawalan parameter proses

Budaya Perfusion: Kadar Perfusion Kawalan (misalnya, 1-3 RV/hari) untuk mengelakkan kerosakan sel.

Melaksanakan teknologi aliran tangen (ATF) yang berselang -seli untuk mengurangkan ricih tinggi yang berterusan.

Tahap pemurnian: Gunakan TMP rendah (<1 bar) and low flow rates during ultrafiltration/dialysis.

(3) perlindungan tambahan

Penstabil: Tambah gula (contohnya, trehalose) atau surfaktan (contohnya, pluronik F68) untuk mengurangkan pengagregatan protein.

Pelindung sel: Gunakan serum atau polimer (contohnya, polyvinyl alkohol) untuk menurunkan kepekaan ricih.

(4) Pemantauan dan pemodelan masa nyata

Pemantauan Sensor: Pengesanan masa nyata tekanan ricih (contohnya, sensor tekanan ricih dinding).

Simulasi CFD: Ramalkan zon ricih tinggi dan mengoptimumkan medan aliran melalui dinamik cecair pengiraan.

Hollow fiber technology demonstrates significant advantages in biological product applications due to its low-shear design, making it ideal for shear-sensitive substances (e.g., proteins, viral vectors, cells). Its tangential flow filtration (TFF) reduces transmembrane pressure (TMP) via parallel flow, minimizing fluid shear stress to prevent product denaturation or damage. The laminar flow characteristics of fiber lumens and optimized flow rates enable efficient mass transfer while maintaining gentle operation, widely applied in mAb concentration, vaccine purification, and other precision processes. Modular designs support linear scalability, ensuring consistent shear force parameters from lab to production scale, thereby preserving product activity. Furthermore, hydrophilic membrane materials (e.g., PES, PVDF) and low-shear pumps (e.g., diaphragm pumps) synergistically reduce friction and adsorption, improving recovery rates (e.g., >90% untuk pembersihan AAV). Ringkasnya, teknologi serat berongga, dengan ricih yang rendah, kawalan tinggi, dan skalabilitas, adalah pilihan yang ideal untuk bioproses hiliran, terutamanya untuk bernilai tinggi, produk sensitif ricih.

 

Mengenai Guidling

Teknologi Guidling adalah perusahaan berorientasikan pengeluaran dan berteknologi tinggi yang memberi tumpuan kepada penjelasan hiliran, pemisahan dan pemurnian biopharmaceuticals. Produk ini digunakan secara meluas dalam proses penapisan mAb, vaksin, diagnosis, produk darah, serum, endotoxin dan produk biologi lain; Teknologi Guidling mempunyai "penapis kaset dan peranti penapisan aliran tangen", "membran serat berongga", "penapis virus", "membran dalam", "penapis sterilizaation", "peranti penapis sentrifugal" dan produk lain, dan mempunyai sejumlah besar lini produk, dari penapisan makmal kecil. Teknologi Guidling tidak sabar -sabar untuk bekerjasama dengan anda!