Технология осветления трудно-фильтруемых биологических жидкостей, "Экспресс-Эко"

Технология осветления трудно-фильтруемых биологических жидкостей

   А.Ю.Котова, к.б.н., начальник отдела маркетинга,

 С.В. Горобец, менеджер-консультант, ООО НПП “Экспресс-Эко”

До настоящего времени работа по осветлению трудно-фильтруемых биологических жидкостей и фармацевтических растворов, содержащих большое количество взвесей коллоидной природы, создает массу трудностей для производителей фармацевтической продукции.   Специалисты ООО «Экспресс-Эко», обобщая более чем 15-ти летний опыт работы с предприятиями фармацевтической   промышленности, предлагают технологам предприятий инструмент, позволяющий оптимизировать процесс получения качественного результата. Кроме того, широкий спектр выпускаемых фильтрационных материалов позволяет найти оптимальный вариант системы фильтрации трудно-фильтруемых жидкостей как с технологической, так и с экономической точки зрения.

Выбор оптимальной системы фильтрации для каждой конкретной задачи – идет ли речь о фильтрации сыворотки крови, вакцины, культуральной или питательной среды, представляет собой определение четких позиций по ряду вопросов, основные из которых перечислены ниже.

1.      Определение фильтрационной задачи. Под этим понимается собственно формулирование технического задания для подбора системы: продукт фильтрации, стадия технологического процесса, технические параметры процесса, степень ответственности узла фильтрации и пр.   Последний пункт играет очень важную роль, поскольку статус этой позиции влечет за собой   требования, предъявляемые собственно к фильтрующим материалам и типу фильтра.

2.      Выбор фильтрующего материала и типа фильтрующего элемента. Для понимания важности правильного подхода и лучшей иллюстративности можно привести пример с выбором предфильтра и финишного фильтра для стерилизующей фильтрации сыворотки крови КРС. Сама фильтрационная система должна гарантировать стерильность продукта. Поэтому последняя, финишная ступень фильтрационного каскада должна обеспечивать максимальную эффективность удержания частиц – на уровне не менее 99,996%. Для этого используются мембранные фильтрующие элементы, характеризующиеся наиболее высокой эффективностью удержания частиц. Таким образом, определен тип фильтрующего элемента.

 Химические мембраны изготавливаются из нескольких полимеров – полиамида (капрона), гидрофильного фторопласта-42, полиэфирсульфона, ацетата целлюлозы и т.д. Однако все эти материалы характеризуются различной сорбирующей способностью по отношению к активным компонентам сыворотки крови.   Именно поэтому не рекомендуется использовать полиамидные и полиэфирсульфоновые мембраны, обладающие наибольшей сорбционной способностью. Напротив, мембранные элементы на основе гидрофильного фторопласта-42 и ацетата целлюлозы минимально уменьшают активность сывороточных белков.

Далее необходимо рассмотреть вопрос о выборе предфильтра. Фильтрация – процесс вероятностный и 100% результат можно гарантировать только в том случае, когда на финишный фильтр приходит уже почти стерильный продукт, содержащий минимальное количество контаминирующих частиц. Поэтому предфильтр должен обладать очень высокой удерживающей способностью по отношению к конкретному типу загрязнений, максимально защищая мембранный фильтр. Этим мы не только гарантируем качество фильтрации, но и делаем фильтрацию экономически эффективной, поскольку мембранные элементы дороги и чем выше ресурс их работы, тем меньше себестоимость продукта. Экономической целесообразностью диктуются и требования к фильтрам предварительной ступени фильтрации - они должны быть или дешевыми одноразовыми, или хорошо регенерируемыми.

При фильтрации фармацевтических жидкостей   необходимо осуществлять осветляющую фильтрацию, с помощью которой из раствора удаляются остатки наиболее тонких примесей, в основном в виде коллоидных частиц различной природы.

Большинство применяемых фильтрующих материалов обеспечивают так называемый «ситовый» механизм удержания частиц, т.е. частицы задерживаются в узких порах, диаметр которых меньше диаметра загрязняющих частиц. Однако при фильтрации продуктов, в которых необходимо удалять частицы коллоидной природы, «ситовый» механизм не может обеспечить высокого ресурса работы финишных мембранных элементов. Наилучшим материалом при работе с этими напитками были и остаются картоны, фильтрационные свойства которых основаны на высокой сорбционной способности используемых материалов.

Специалисты ООО «Экспресс-Эко» на протяжении нескольких последних лет вели исследовательские работы по получению фильтровального материала,   который при небольшой толщине и высокой механической прочности гарантировал бы качество фильтрации аналогичное тому, какое обеспечивают наиболее применяемые   типы   фильтровальных картонов. В результате этих работ были получены композиционные материалы на основе целлюлозного волокна и разных типов стекловолокна.

Использование стекловолокна разной дисперсности позволяет выпускать тонкие фильтровальные материалы на основе стекловолокна и целлюлозы толщиной 0,5- 0,7 мм с рейтингами фильтрации 0,5; 0,8; 1; 2 и 5 мкм, на основе которых производятся гофрированные фильтрующие элементы торговой марки ЭКОСТЕК.

На рис.1 показаны фотографии поверхности материалов с рейтингом 1 мкм (слева) и 0,5 мкм (справа), полученные на сканирующем электронном микроскопе. Видны крупные волокна (диаметром около 10 мкм) хлопковой целлюлозы, погруженные в паутину из стекловолокна разной дисперсности.

Фильтры марки ЭКОСТЕК, обладая высокой удерживающей способностью по отношению к загрязнениям коллоидной природы,   надежно защищают мембранные элементы финишной стадии фильтрации. При этом сорбция активных веществ невысокая и не снижает активности сыворотки крови. Полученные результаты позволили отказаться от использования, как дисковых фильтровальных картонов, так и дорогих мембранных элементов на стадиях предфильтрации при работе с сывороткой крови КРС. Поскольку стоимость элементов марки ЭКОСТЕК в 2-3 раза ниже стоимости мембранных элементов, они подвергаются регенерации с помощью 5% раствора щелочи, трипсина, перекиси водорода, процесс фильтрации сыворотки крови на ряде предприятий существенно упростился и стал менее трудоемким и затратным.

Элементы марки ЭКОСТЕК используются и в технологически сложной, осуществляемой в две стадии с промежуточным добавлением порции реагентов, системе фильтрации 5% раствора гемоглобина, в котором грязевая нагрузка очень велика и распределена равномерно в широком диапазоне   - от 0,5 до 20 мкм. Предварительную фильтрацию для удаления крупных частиц гема наиболее целесообразно осуществлять с помощью хорошо регенерируемых элементов на основе сверхвысоко-молекулярного полиэтилена марки ЭКОПЛАСТ-РЕ с рейтингом фильтрации от 20 до 1 мкм. Однако последующие стадии фильтрации необходимо проводить с помощью элементов марки ЭКОСТЕК. Выстраивание системы фильтрации заключается в установке фильтрующих элементов с рейтингами фильтрации последовательно уменьшающихся от ступени к ступени и, чем меньше разница   в рейтинге между соседними ступенями фильтрационного каскада, тем больший ресурс и лучшее качество фильтрации получится на выходе. Поэтому перед фильтроэлементом из композиционного материала на основе стекловолокна и целлюлозы с рейтингом фильтрации 0,5 мкм лучше поставить элемент из того же материала с рейтингом фильтрации 0,8 мкм и еще ранее   -   1-2 мкм.  

Что касается сорбции гемоглобина, то нами были получены следующие результаты: (см. таблицу).

Как видно из таблицы, сорбция гемоглобина на фильтрующих элементах составила менее 9 %, что является отличным результатом для минимизации потерь гемоглобина при производстве стерильных препаратов.

3.   Выбор типа фильтродержателя и фильтрационной системы. В данном случае речь идет об определении типоразмера фильтродержателя и количества фильтрационных модулей, необходимых для очистки конкретного продукта с заданной производительностью в течение определенного периода эксплуатации. Для каждого фильтрующего элемента рекомендуется оптимальный (номинальный) поток жидкости или газа, при котором гарантируется заявленное качество очистки. И чем более ответственной является задача и сложнее фильтруемая среда, тем меньше должна быть скорость фильтрации.

Для того, чтобы смоделировать процесс на небольших количествах жидкости, специалисты ООО «Экспресс-Эко» освоили серийный выпуск капсульных фильтров с корпусом из нержавеющей стали марки AISI 316L (Рис. 2 и 3). Корпус капсулы состоит из двух частей, соединяемых с помощью быстросъемного хомута. В капсулу устанавливаются фильтрующие элементы, имеющие площадь поверхности от 0,1 до 0,2 кв.м в зависимости от плотности упаковки материала. «Мертвый» объем капсулы составляет менее 100 мл. Ассортимент элементов для капсульных фильтров представлен всем спектром материалов, которые на сегодняшний день производит ООО «Экспресс-Эко». Это в первую очередь мембранные элементы марки ЭКОПОР на основе полиамида, фторопласта-42, а также пленочные элементы марки ЭКОСТЕК на основе стекловолокна и марки ЭКОПЛЕН из фторопласта-4, полиэтилена и термоскрепленного полипропилена. Фильтрующие элементы очень легко устанавливаются в капсуле. При этом, как и стандартные фильтроэлементы высотой 10 и более дюймов, элементы для капсульных фильтров подвергаются регенерации, промывке и могут быть использованы многократно.   Капсула вместе с фильтрующим элементом может быть простерилизована в автоклаве и в линии.

Перепад давления обеспечивается с помощью небольшого лабораторного компрессора, или с помощью водоструйного насоса, создающего вакуум на выходе с фильтра.

С помощью даже одной капсулы можно смоделировать процесс фильтрации, определив качество осветления раствора и ресурс работы различных фильтрующих элементов. Особенно это важно для определения эффективности работы различных ступеней фильтрационного каскада при многоступенчатой схеме фильтрации. Использование капсулы позволяет на небольшом объеме фильтрата оценить ресурс и эффективность работы предфильтра и добиться наибольшего ресурса работы и наиболее высокого качества фильтрации финишных фильтров. Проделав такой эксперимент на небольшом объеме фильтрата, можно избежать ненужных трат при проведении фильтрации в производственном масштабе, когда неправильно подобранный материал или рейтинг предфильтра являются причиной частой замены дорогих фильтров финишных ступеней фильтрации и высокой удельной стоимости процесса очистки в целом. Особенно удобны капсульные фильтры при работе с широким ассортиментом галеновых препаратов, когда необходимо тестировать каждую серию на фильтруемость. Более того, в нашей практике не раз встречались ситуации, когда достаточно большой объем многокомпонентного раствора   существенно различался по фильтруемости в начале и в конце фильтрации.

Объем фильтрата может быть от 300 мл до 10 и более литров в зависимости от задачи и используемых фильтрационных материалов.

Кроме того, капсульный фильтр из нержавеющей стали может быть использован и как проходной фильтродержатель для фильтрации небольших объемов жидкости или газа. Безусловно, капсульные фильтры просто незаменимы в случаях, когда необходимо качественно подготовить небольшое количество растворов   в лабораторных условиях.

Капсульные фильтры являются очень удобной альтернативой дисковым фильтродержателям, поскольку намного компактнее, легче, удобнее в работе, фильтрующие элементы могут быть использованы многократно.

Таким образом, специалисты ООО «Экспресс-Эко» предлагают технологам фармацевтических производств недорогое и многофункциональное оборудование, позволяющее решать целый комплекс фильтрационных задач. Широкий ассортимент уникальных фильтрующих материалов, обладающих высокой химической и термической стойкостью, высокой удерживающей способностью к контаминирующим частицам различной природы позволяет подобрать систему фильтрации разнообразных, в том числе труднофильтруемых жидкостей.

Выбор оптимальной системы фильтрации для каждой конкретной задачи – идет ли речь о фильтрации сыворотки крови, вакцины, культуральной или питательной среды, представляет собой определение четких позиций по ряду вопросов, основные из которых перечислены ниже.

1.      Определение фильтрационной задачи. Под этим понимается собственно формулирование технического задания для подбора системы: продукт фильтрации, стадия технологического процесса, технические параметры процесса, степень ответственности узла фильтрации и пр.   Последний пункт играет очень важную роль, поскольку статус этой позиции влечет за собой   требования, предъявляемые собственно к фильтрующим материалам и типу фильтра.

2.      Выбор фильтрующего материала и типа фильтрующего элемента. Для понимания важности правильного подхода и лучшей иллюстративности можно привести пример с выбором предфильтра и финишного фильтра для стерилизующей фильтрации сыворотки крови КРС. Сама фильтрационная система должна гарантировать стерильность продукта. Поэтому последняя, финишная ступень фильтрационного каскада должна обеспечивать максимальную эффективность удержания частиц – на уровне не менее 99,996%. Для этого используются мембранные фильтрующие элементы, характеризующиеся наиболее высокой эффективностью удержания частиц. Таким образом, определен тип фильтрующего элемента.

 Химические мембраны изготавливаются из нескольких полимеров – полиамида (капрона), гидрофильного фторопласта-42, полиэфирсульфона, ацетата целлюлозы и т.д. Однако все эти материалы характеризуются различной сорбирующей способностью по отношению к активным компонентам сыворотки крови.   Именно поэтому не рекомендуется использовать полиамидные и полиэфирсульфоновые мембраны, обладающие наибольшей сорбционной способностью. Напротив, мембранные элементы на основе гидрофильного фторопласта-42 и ацетата целлюлозы минимально уменьшают активность сывороточных белков.

Далее необходимо рассмотреть вопрос о выборе предфильтра. Фильтрация – процесс вероятностный и 100% результат можно гарантировать только в том случае, когда на финишный фильтр приходит уже почти стерильный продукт, содержащий минимальное количество контаминирующих частиц. Поэтому предфильтр должен обладать очень высокой удерживающей способностью по отношению к конкретному типу загрязнений, максимально защищая мембранный фильтр. Этим мы не только гарантируем качество фильтрации, но и делаем фильтрацию экономически эффективной, поскольку мембранные элементы дороги и чем выше ресурс их работы, тем меньше себестоимость продукта. Экономической целесообразностью диктуются и требования к фильтрам предварительной ступени фильтрации - они должны быть или дешевыми одноразовыми, или хорошо регенерируемыми.

При фильтрации фармацевтических жидкостей   необходимо осуществлять осветляющую фильтрацию, с помощью которой из раствора удаляются остатки наиболее тонких примесей, в основном в виде коллоидных частиц различной природы.

Большинство применяемых фильтрующих материалов обеспечивают так называемый «ситовый» механизм удержания частиц, т.е. частицы задерживаются в узких порах, диаметр которых меньше диаметра загрязняющих частиц. Однако при фильтрации продуктов, в которых необходимо удалять частицы коллоидной природы, «ситовый» механизм не может обеспечить высокого ресурса работы финишных мембранных элементов. Наилучшим материалом при работе с этими напитками были и остаются картоны, фильтрационные свойства которых основаны на высокой сорбционной способности используемых материалов.

Специалисты ООО «Экспресс-Эко» на протяжении нескольких последних лет вели исследовательские работы по получению фильтровального материала,   который при небольшой толщине и высокой механической прочности гарантировал бы качество фильтрации аналогичное тому, какое обеспечивают наиболее применяемые   типы   фильтровальных картонов. В результате этих работ были получены композиционные материалы на основе целлюлозного волокна и разных типов стекловолокна.

Использование стекловолокна разной дисперсности позволяет выпускать тонкие фильтровальные материалы на основе стекловолокна и целлюлозы толщиной 0,5- 0,7 мм с рейтингами фильтрации 0,5; 0,8; 1; 2 и 5 мкм, на основе которых производятся гофрированные фильтрующие элементы торговой марки ЭКОСТЕК.

На рис.1 показаны фотографии поверхности материалов с рейтингом 1 мкм (слева) и 0,5 мкм (справа), полученные на сканирующем электронном микроскопе. Видны крупные волокна (диаметром около 10 мкм) хлопковой целлюлозы, погруженные в паутину из стекловолокна разной дисперсности.

Фильтры марки ЭКОСТЕК, обладая высокой удерживающей способностью по отношению к загрязнениям коллоидной природы,   надежно защищают мембранные элементы финишной стадии фильтрации. При этом сорбция активных веществ невысокая и не снижает активности сыворотки крови. Полученные результаты позволили отказаться от использования, как дисковых фильтровальных картонов, так и дорогих мембранных элементов на стадиях предфильтрации при работе с сывороткой крови КРС. Поскольку стоимость элементов марки ЭКОСТЕК в 2-3 раза ниже стоимости мембранных элементов, они подвергаются регенерации с помощью 5% раствора щелочи, трипсина, перекиси водорода, процесс фильтрации сыворотки крови на ряде предприятий существенно упростился и стал менее трудоемким и затратным.

Элементы марки ЭКОСТЕК используются и в технологически сложной, осуществляемой в две стадии с промежуточным добавлением порции реагентов, системе фильтрации 5% раствора гемоглобина, в котором грязевая нагрузка очень велика и распределена равномерно в широком диапазоне   - от 0,5 до 20 мкм. Предварительную фильтрацию для удаления крупных частиц гема наиболее целесообразно осуществлять с помощью хорошо регенерируемых элементов на основе сверхвысоко-молекулярного полиэтилена марки ЭКОПЛАСТ-РЕ с рейтингом фильтрации от 20 до 1 мкм. Однако последующие стадии фильтрации необходимо проводить с помощью элементов марки ЭКОСТЕК. Выстраивание системы фильтрации заключается в установке фильтрующих элементов с рейтингами фильтрации последовательно уменьшающихся от ступени к ступени и, чем меньше разница   в рейтинге между соседними ступенями фильтрационного каскада, тем больший ресурс и лучшее качество фильтрации получится на выходе. Поэтому перед фильтроэлементом из композиционного материала на основе стекловолокна и целлюлозы с рейтингом фильтрации 0,5 мкм лучше поставить элемент из того же материала с рейтингом фильтрации 0,8 мкм и еще ранее   -   1-2 мкм.  

Что касается сорбции гемоглобина, то нами были получены следующие результаты: (см. таблицу).

Как видно из таблицы, сорбция гемоглобина на фильтрующих элементах составила менее 9 %, что является отличным результатом для минимизации потерь гемоглобина при производстве стерильных препаратов.

3.   Выбор типа фильтродержателя и фильтрационной системы. В данном случае речь идет об определении типоразмера фильтродержателя и количества фильтрационных модулей, необходимых для очистки конкретного продукта с заданной производительностью в течение определенного периода эксплуатации. Для каждого фильтрующего элемента рекомендуется оптимальный (номинальный) поток жидкости или газа, при котором гарантируется заявленное качество очистки. И чем более ответственной является задача и сложнее фильтруемая среда, тем меньше должна быть скорость фильтрации.

Для того, чтобы смоделировать процесс на небольших количествах жидкости, специалисты ООО «Экспресс-Эко» освоили серийный выпуск капсульных фильтров с корпусом из нержавеющей стали марки AISI 316L (Рис. 2 и 3). Корпус капсулы состоит из двух частей, соединяемых с помощью быстросъемного хомута. В капсулу устанавливаются фильтрующие элементы, имеющие площадь поверхности от 0,1 до 0,2 кв.м в зависимости от плотности упаковки материала. «Мертвый» объем капсулы составляет менее 100 мл. Ассортимент элементов для капсульных фильтров представлен всем спектром материалов, которые на сегодняшний день производит ООО «Экспресс-Эко». Это в первую очередь мембранные элементы марки ЭКОПОР на основе полиамида, фторопласта-42, а также пленочные элементы марки ЭКОСТЕК на основе стекловолокна и марки ЭКОПЛЕН из фторопласта-4, полиэтилена и термоскрепленного полипропилена. Фильтрующие элементы очень легко устанавливаются в капсуле. При этом, как и стандартные фильтроэлементы высотой 10 и более дюймов, элементы для капсульных фильтров подвергаются регенерации, промывке и могут быть использованы многократно.   Капсула вместе с фильтрующим элементом может быть простерилизована в автоклаве и в линии.

Перепад давления обеспечивается с помощью небольшого лабораторного компрессора, или с помощью водоструйного насоса, создающего вакуум на выходе с фильтра.

С помощью даже одной капсулы можно смоделировать процесс фильтрации, определив качество осветления раствора и ресурс работы различных фильтрующих элементов. Особенно это важно для определения эффективности работы различных ступеней фильтрационного каскада при многоступенчатой схеме фильтрации. Использование капсулы позволяет на небольшом объеме фильтрата оценить ресурс и эффективность работы предфильтра и добиться наибольшего ресурса работы и наиболее высокого качества фильтрации финишных фильтров. Проделав такой эксперимент на небольшом объеме фильтрата, можно избежать ненужных трат при проведении фильтрации в производственном масштабе, когда неправильно подобранный материал или рейтинг предфильтра являются причиной частой замены дорогих фильтров финишных ступеней фильтрации и высокой удельной стоимости процесса очистки в целом. Особенно удобны капсульные фильтры при работе с широким ассортиментом галеновых препаратов, когда необходимо тестировать каждую серию на фильтруемость. Более того, в нашей практике не раз встречались ситуации, когда достаточно большой объем многокомпонентного раствора   существенно различался по фильтруемости в начале и в конце фильтрации.

Объем фильтрата может быть от 300 мл до 10 и более литров в зависимости от задачи и используемых фильтрационных материалов.

Кроме того, капсульный фильтр из нержавеющей стали может быть использован и как проходной фильтродержатель для фильтрации небольших объемов жидкости или газа. Безусловно, капсульные фильтры просто незаменимы в случаях, когда необходимо качественно подготовить небольшое количество растворов   в лабораторных условиях.

Капсульные фильтры являются очень удобной альтернативой дисковым фильтродержателям, поскольку намного компактнее, легче, удобнее в работе, фильтрующие элементы могут быть использованы многократно.

Таким образом, специалисты ООО «Экспресс-Эко» предлагают технологам фармацевтических производств недорогое и многофункциональное оборудование, позволяющее решать целый комплекс фильтрационных задач. Широкий ассортимент уникальных фильтрующих материалов, обладающих высокой химической и термической стойкостью, высокой удерживающей способностью к контаминирующим частицам различной природы позволяет подобрать систему фильтрации разнообразных, в том числе труднофильтруемых жидкостей.