Transcript Szűrőelemek_TakácsEnikő_BencsikDániel

SZŰRŐELEMEK A
BIOTECHNOLÓGIÁBAN
Takács Enikő
Bencsik Dániel
SZŰRÉS
Az a művelet, melynek során szilárd
halmazállapotú elválasztása történik
folyékony vagy légnemű közegtől

Cél:
Szilárd anyag kinyerése
 Folyékony közeg tisztítása
 Levegő tisztítása


Alkalmazhatóság
Iparban és laboratóriumban
 Gázok és folyadékok esetén
 Szakaszos és folyamatos üzemmódban

2
SZŰRÉSI TÍPUSOK

Dead-end

A betáplálás merőleges a
szűrőfelületre
 Szűrőlepény
 Eltömődés
 Szakaszos


Cross-flow
A betáplálás párhuzamos
a szűrőfelülettel
 NEM jön létre szűrőlepény
 Recirkuláció
 Nagyobb energiaigény

Tisztítás
recirkuláció
betáplálás
szűrőlepény
betáplálás
sűrítmény
szűrő
szűrő
3
szűrlet
szűrlet
SZŰRŐELEMEK A BIOTECHNOLÓGIÁBAN

Felhasználás






Sterilezés: fermentorok és bioreaktorok
betáplálásához
Elfolyó/kiáramló anyag tisztítása
Termék tisztítása
Sejt és sejttörmelék szeparáció
Steril végszűrés
Kiegészítő folyamatokban
4
SZŰRŐK OSZTÁLYOZÁSA
KISZŰRENDŐ RÉSZECSKÉK VISSZATARTÁSA ALAPJÁN

Abszolút szűrőképesség:
annak a legnagyobb (kemény, gömbalakú) részecskének
az átmérője, amely már képes áthaladni a szűrőn
adott vizsgálati körülmények között. Tehát megadja
a szűrő legnagyobb nyílásának, pórusának átmérőjét.

Névleges pórusméret:
a gyártó által meghatározott átmérő (μm). A szűrő
valahány százalékot visszatart egy adott méretű vagy
annál nagyobb részecskéből.
5
SZŰRŐK HATÉKONYSÁGI MUTATÓI
A szűrő hatékonyságát a százalékos visszatartás
adja meg
 Béta-hányados (egy adott szemcseméretnél)

befolyó fluidum koncentrációja
elfolyó fluidum koncentrációja

Titer csökkenés (TR)
a béta-hányados egy adott mikroorganizmusra nézve

Ezeket a jellemzőket előírt, adott feltételek mellett
kell meghatározni, mert a beépítendő szűrőelem
kiválasztása ezen paraméterek alapján történik!
6
SZŰRŐBETÉT BEÉPÍTÉSE/TERVEZÉSE

A beépíteni kívánt betét:







teljesítse a kívánt eltávolítási hatásfokot
feleljen meg az üzeni körülményeknek (hőm.,
nyomáskülönbség, áramlási sebesség)
legyen kompatibilis a szűrendő fluidummal
feleljen meg az alaki és mechanikai feltételeknek,
követelményeknek
legyen állandó pórusú
max. nyomáskülönbség esetén se váljon le belőle elemi szál
vagy szemcse
Anyaga:









PP
Pamut
Gyanta-impregnált üvegszál
Cellulóz
Nylon
Poliamid
Poliszulfon
Poli(vinilidén-fluorid)
Teflon
7
SZŰRŐTÍPUSOK: MÉLYSÉGI SZŰRŐK
1. POLIPROPILÉN MÉLYSÉGI SZŰRŐBETÉTEK

Szerkezet
Nem foszló, folytonos polipropilén szálak
 Gyanta jellegű kötőanyagot NEM tartalmaz


Felépítés

Belső rész: konstans pórusátmérő
megfelelő visszatartás biztosítása

Külső rész:



állandó hézagtérfogat
szálak átmérője kifelé nő
pórusátmérő nő
Alkalmazás
Előszűrőként (szérum, vakcina, ionmentes víz tisztítása)
 Fermentációnál (folyékony tápoldat, víz, oldószer, habgátló
szűrése)
 Downstream műveletnél (sejt és sejttörmelék eltávolítása;
puffer, tisztítószer, fertőtlenítő oldat szűrése)

8
SZŰRŐTÍPUSOK: MÉLYSÉGI SZŰRŐK
2. POLIPROPILÉN REDŐZÖTT SZŰRŐSZÖVETEK

Szerkezet


Nem foszló, folytonos polipropilén szálak
Felépítés
Belső rész: konstans pórusátmérő
 Külső rész:



állandó hézagtérfogat
pórusátmérő kifelé nő
hegesztés
Vékony redőzött lapok
hengeres tok
 PP szilárdító belső mag és külső védőkosár


Működési határ
550 kPa nyomáskülönbségig max. 50 °C
 410 kPa nyomáskülönbségig max. 80 °C


Alkalmazás
Előszűrőként (üzemi víz, mosóvíz, tápoldatba szükséges
szérum tisztítása)
 Downstream műveletnél (sejttörmelék eltávolítása; puffer,
oldószer szűrése)

9
SZŰRŐTÍPUSOK: MÉLYSÉGI SZŰRŐK
3. GYANTAMENTES CELLULÓZ REDŐZÖTT
SZŰRŐSZÖVETEK

Szerkezet


Felépítés


Tiszta cellulóz szálakból szőtt szövet
Nagy felületű hengerben felhajtogatott
cellulóz szövet
Működési határ
550 kPa nyomáskülönbségig max. 50 °C
 410 kPa nyomáskülönbségig max. 80 °C


Alkalmazás

Előszűrőként (üzemi vízhez, mosóvízhez, RO
membránhoz, ionmentes vízhez; fermentor és
bioreaktor levegőjéhez)
10
SZŰRŐTÍPUSOK: MÉLYSÉGI SZŰRŐK
4. GYANTÁVAL IMPREGNÁLT ÜVEGSZÁL ALAPÚ
REDŐZÖTT SZŰRŐSZÖVETEK

Szerkezet


Gyanta bevonat
Felépítés
•PP
Szűrősapka
•rozsdamentes acél
 Hordozó felület
 PP külső váz/ védőháló


Működési határ

PP sapka esetén:
550 kPa nyomáskülönbségig max. 50 °C
 410 kPa nyomáskülönbségig max. 80 °C


Rozsdamentes acél esetén:

520 kPa nyomáskülönbségig max. 135 °C
11
SZŰRŐTÍPUSOK: MÉLYSÉGI SZŰRŐK
REDŐZÖTT SZŰRŐSZÖVETET TARTALMAZÓ
SZŰRŐPATRON ELVI VÁZLATA
rögzítő vitorlák
Sokrétrgű
hajtogatott szűrőanyag
Folyadék elvezetéssel
ráolvasztott
sapka
Erős külső ház
Nyomásálló
belső henger
O-gyűrűk
Csavaró zár
12
SZŰRŐTÍPUSOK: MÉLYSÉGI SZŰRŐK
5. PORÓZUS ROZSDAMENTES ACÉL SZŰRŐK

Szerkezet


Porózus fém hordozó
Felépítés
Rozsdamentes acél szemcsék
összesűrítése
 Síklap/varratmentes henger


Tulajdonságok
Nagy kapacitású
 Hő- és korrózióálló
 Gázok tisztítása esetén abszolút szűrőteljesítmény:
0,4-11 μm között
 Kémiailag/mechanikailag jól tisztítható
gazdaságosan
újrafelhasználható

13
SZŰRŐTÍPUSOK: MEMBRÁN SZŰRŐK,
SZŰRŐSZÖVET BETÉTEK
Mikropórusos anyagból készül
 Abszolút visszatartás folyadék esetén:
0,04-1,2 μm között (tehát megfelel a 0,2-0,45 μm
tartományú standard ipari sterilitási
kritériumnak
mikroorganizmusok szűrésére
alkalmas)
 Szerkezet


A membrán nem szövött PÉ/PP rétegek között
szilárdító és folyadékelvezető funkció

Alkalmazás
Egyszeres membránréteg: előszűrőként
 Dupla membránréteg: steril szűréshez

14
SZŰRŐTÍPUSOK: MEMBRÁN SZŰRŐK,
SZŰRŐSZÖVET BETÉTEK
1. HIDROFIL MEMBRÁN SZŰRŐSZÖVET BETÉTEK

Anyaga






nylon66
hidroxilezett poliamid
poli(vinilidén-fluorid)
poliszulfon
egyéb polimerek
Feltételek
hidrofil
 egyenletes nedvesedés
 adalékanyag
leoldódhat
 bevonat


Alkalmazás
Előszűrőként
 Végső steril szűrőként

diagnosztikai reagenshez, tiszta
vízhez, injekcióhoz készülő vízhez,
száraz gázhoz, szerves oldószerhez,
pufferhez, biológiai folyadékhoz (pl.:
szérum, plazma táptalaj, fehérjeoldat,
fermentlé)
15
SZŰRŐTÍPUSOK: MEMBRÁN SZŰRŐK,
SZŰRŐSZÖVET BETÉTEK
2. KIS FEHÉRJEKÖTŐ KAPACITÁSÚ MEMBRÁN SZŰRŐSZÖVETEK

Anyaga





hidroxilezett poliamid
poli(vinilidén-fluorid)
poliszulfon
egyéb polimerek
Tulajdonságok
hidrofil
 cm2-ként 5 μg fehérjénél kevesebbet köt meg


Alkalmazás

1 mg/ml-nél kisebb fehérjetartalmú oldat szűréséhez,
amelynél minimális fehérjeveszteséget szeretnénk
elérni (szérummentes táptalaj, fehérje alapú
gyógyszer, diagnosztikum, híg fehérjetartalmú
puffer, hormon)
16
SZŰRŐTÍPUSOK: MEMBRÁN SZŰRŐK,
SZŰRŐSZÖVET BETÉTEK
3. HIDROFÓB MEMBRÁN SZŰRŐSZÖVET BETÉTEK

Felépítés


2 PP támasztóréteg között 2 réteg hidrofób
poli(vinilidén-fluorid) vagy poli(tetrafluor-etilén)
membrán
Feltételek
hidrofób
100%-os baktérium- és bakteriofág-visszatartási hatásfok
(levegő és gázáramban, nedves és száraz körülmények közt
egyaránt)
 Abszolút szűrőképesség folyadékban: 0,2 μm
 Abszolút szűrőképesség levegő és egyéb gáz esetén: 0,01 μm
 Ki kell bírnia többszöri in situ gőzsterilezést mindkét irányba
történő átfúvatással és autoklávozással (165 óra, 142 °C)



Alkalmazás
Fermentorban: bemenő steril levegő előállításához, kimenő
gáz szűréséhez
 Steril levegő és nitrogén előállítása aszeptikus
tárolótankhoz, csomagoláshoz, agresszív oldószerhez

17
SZŰRŐHÁZAK

Kiválasztási szempontok
Áramlási viszonyok (gyártó által előírt)
 Nyomáskülönbség


Gyártása gépészeti szabvány alapján (ismert max. üzemi
hőmérséklet és nyomás)
 Anyagoknak ki kell bírni a sterilezést és a feldolgozandó
fluidummal való érintkezést
rozsdamentes acél/szénacél


Egészségügyi és fermentációs felhasználás, levegő- és
gáztisztítás: CSAK rozsdamentes acél (belső felületek átlagos
felületi érdessége 0,51-0,64 μm
elektropolírozással)
Feltételek

A szűrő:







ne akadályozza az áramlást
ne okozzon veszteséget átengedett elfolyó folyadék által
cseréje során ne szennyeződjön a reaktor
ne engedje a szűrlet és a szűrendő folyadék keveredését
Legyen kondenz elvezetés
CSAK hegesztéses csőkötés (NEM csavarmenetes)
Tisztítható elemek (lehetőleg helyben)
18
SZŰRŐHÁZAK
NÉHÁNY SZŰRŐHÁZ ÉS ELVI VÁZLATA
gőz
szűrőgyertya
levegő be
levegő ki
19
kondenzátum
SZŰRŐK ALKALMAZÁSA A
FERMENTÁCIÓS ELJÁRÁSOKBAN
Alkalmazási terület
(ábra szerinti számozással)
Szűrőtípus
Abszolút
szűrőképesség (m)
1 Gőz: tisztításhoz és sterilezéshez
Porózus rozsdamentes acél
1,2
2 Levegő előszűrés
Cellulóz szűrőszövet
8,0
3 Fermentorlevegő steril szűrése
Hidrofób membrán
0,2
4 Levegő buborékoltatás
Porózus rozsdamentes acél
3,0
5 A távozó gáz előszűrése
Polipropilén szűrőbetét
1,2
6 A távozó gáz sterilizáló szűrése
Hidrofób membrán
0,2
7 Adalékanyagok, víz és nyersanyag
előszűrés
Polipropilén mélységi(+ töltött),
gyantakötéses üvegszál szűrőbetét
1,0
1,0
8 Az adagoló tartályba, tároló
tartályba, fermentorba sterilizáló
szűrése
9 Tartály kilevegőzés
Hidrofil,
alacsony fehérjekötő képességű vagy
+ töltött szűrőbetét
Hidrofób membrán
0,2
0,1
0,2
20
PP hajtogatott hfób PVDF
0,2 μm
1,2μm
gőz
Cellulóz
8,0μm v.
koaleszkáló 2
levegő
1
r.acél
1,0 μm
3
hfób PVDF
0,2 μm
5
PP mélységi
hfil nylon66
v.üvegszálas v. Poliamid
7 1,0μm
8 0,2-0,1 μm
tápoldat
PP+
mélységi
v.üvegszálas
1,0μm
PP mélységi
v.üvegszálas
1,0μm
hfil nylon66+
v. Poliamid
0,2-0,1 μm
7
8
Elmenő gáz
hfób PVDF
0,2 μm
9
feldolgozás
tároló
tartály
hfil nylon66
0,2-0,1 μm
7
6
8
BIOREAKTOR
4
levegőelosztó
21
GŐZ SZŰRÉSE
A gőzt sterilizálásra használjuk
 Korróziós termékek a csővezetékekből:
részecskeszennyezés kerülhet a gőzbe → szűrés
→ csökkenthető a sterilszűrőre jutó terhelés
 Porózus rozsdamentes acél szűrőkkel (1,2 µm)

22
FERMENTÁCIÓS LEVEGŐ ELŐSZŰRÉSE
Kompresszorok → nagynyomású levegőáram a
bioreaktorokba
A) Olajkenésű kompresszoroknál: gyantával
impregnált üvegszál alapú szűrők, pozitív zetapotenciállal → koaleszcencia
0,01-0,5 µm-nél nagyobb
víz- és olajcseppek
leválaszthatóak
23
FERMENTÁCIÓS LEVEGŐ ELŐSZŰRÉSE
B) Olajmentes kompresszoroknál: levegőben lévő
vízcseppek és szennyeződések eltávolítása
 Steril szűrőre jutó terhelés csökken, növekszik az
élettartama
 Cellulóz (8 µm), polipropilén (2,5 µm), vagy
üvegszál (3 µm) szűrőszövet
24
LEVEGŐ STERIL SZŰRÉSE
Steril aerob biológiai folyamatok ← bioreaktorba
vezetett levegő szűrése
 Hidrofób hajtogatott membránszűrők által:
víztaszítóak → 100%-os baktérium- és fág
visszatartás (nedves, száraz körülményeknél is)
 Abszolút szűrőképesség: 0,2 µm folyadékokra,
0,01 µm levegőre

25
LEVEGŐELOSZTÁS
Levegőeloszlatás a bioreaktorban: finom
levegőbuborék képzés ← szűrőelemek
 Csak mechanikusan nem kevert eseteknél
 Rozsdamentes acél lapszűrők (3 µm abszolút
szűrőképesség folyadékra)
 Finom levegőeloszlás → nyírásra érzékeny emlős
sejttenyészetek esetén is alkalmazható

26
ELMENŐ LEVEGŐ/GÁZ SZŰRÉSE
Mikroorganizmusok ne kerüljenek a környezetbe:
elmenő levegőáram által magával ragadott
aeroszol cseppekben távozhatnának
 Aeroszolok: 1-5 µm tartomány → ciklon,
ködleválasztó nem megfelelő eltávolításra
 Előszűrő: polipropilén mélységi szűrő (1,2 µm)
→ aeroszol részecskéket, organizmusokat
tartalmazó cseppek kiszűrése, kihabzás
megakadályozása
Steril szűrő: hidrofób membránszűrő (0,2 µm)

27
FOLYÉKONY ALAPANYAGOK SZŰRÉSE
Bioreaktorba betáplált habzásgátlók, pH állító
oldatok, tápanyagok, feltöltővíz szűrése
 Előszűrés (opcionális): polipropilén mélységi
szűrők
 Steril szűrés: hidrofil membránszűrő (0,2 µm)

28
MYCOPLASMA ÉS VÍRUS ELTÁVOLÍTÁSA
TÁPKÖZEGEKBŐL
Szérum (emlős sejttenyészet) és más biológiai
adalékok a sejtkultúra mycoplasma és vírus
szennyezésének forrásai lehetnek
 Mycoplasma eltávolítása: hidrofil hajtogatott
membránszűrők (0,1 µm)
 Vírusok eltávoltása: hidrofil membránszűrők
(0,04 µm)

29
SZŰRŐELEMEK ALKALMAZÁSA A
DOWNSTREAM MŰVELETEKBEN
Downstream műveletek: fermentorból kapott
anyagból nagy tisztaságú, biológiailag aktív
termék előállítása
 Fontos a szennyezések eltávolítása: baktériumok
és azok részecskéi, vírusok, biológiailag aktív
egyéb molekulák

30
ELSŐDLEGES SEJT (FŐTÖMEG) ÉS
SEJTTÖRMELÉK ELTÁVOLÍTÁS
Fermentlevek nagy szárazanyag tartalma,
viszkozitása → inkább centrifugálás, vagy
keresztáramú mikroszűrés
 Szűrőelemek is alkalmazhatóak → nagy
kapacitású mélységi előszűrők: gyors eltömődés
megelőzésére
Előnyeik:
‒ Könnyű használat
‒ Alacsony beruházási költség
‒ Könnyebb, gyorsabb tisztítás és sterilezés
‒ Minimális folyadék- és termékveszteség

31
ELSŐDLEGES SEJT (FŐTÖMEG) ÉS
SEJTTÖRMELÉK ELTÁVOLÍTÁS
Iparban: gyakran a centrifugálási lépés után
alkalmaznak szűrőelemet → tükrösre szűrés
 Általában polipropilén mélységi szűrők pozitív
töltéssel vagy anélkül
‒ Emlős sejtek esetén: 1-5 µm
‒ Baktériumok esetén: 0,3-1 µm
‒ Nagy sejttörmelék koncentrációnál: nagy felületű
gyantával impregnált üvegszál/polipropilén
redőzött szűrők; 0,7-2,5 µm

32
MÁSODLAGOS (MARADÉK) SEJT ÉS
SEJTTÖRMELÉK ELTÁVOLÍTÁS
Termék további tisztítása, néha a sterilitásig
 Koncentrációtól függően:
‒ Polipropilén mélységi szűrő (0,5 µm)
‒ Gyantával impregnált üvegszálas szűrő (1 µm)
‒ Alacsony koncentráció esetén: hidrofil
membránszűrő (0,45 vagy 0,2 µm) → sterilre
szűrés

33
VÍRUSSZENNYEZÉS LEHETŐSÉGÉNEK
CSÖKKENTÉSE
Víruseltávolítás: hidrofil membránszűrőkkel
(0,04 µm)
 Az ultraszűrés gyakran nem használható
víruseltávolításra, mert a fehérjéket is
visszatartja

34
DOWNSTREAM
RENDSZEREK VÉDELME
Olcsó szűrők előszűrőként → csökkentik a drága
membrán-, ultraszűrő berendezések terhelését →
nő az élettartam, csökken a tisztítási gyakoriság
 Előszűrés: polipropilén mélységi szűrők

35
A TERMÉK VÉGSŐ TISZTÍTÁSA ÉS
STERILRE SZŰRÉS
Kinyerési-tisztítási lépések után a terméket
gyűjtőtartályokban tárolják → tovább
szennyeződhet
 Termék végső csomagolása, tárolása előtt egy
utolsó tisztítás → tisztaság, sterilitás megőrzése
 Sterilre szűrés: hidrofil membránszűrők (0,2 µm)
Ha a fehérjetermék koncentrációja kicsi → kis
fehérjekötő képességű a hidrofil membrán

36
SZŰRŐELEMEK HASZNÁLATA A
KISZOLGÁLÓ RENDSZEREKBEN
Víz szűrése: készülékek mosása (CIP: cleaningin-place), injekció minőségű víz (WFI)
 Vegyszeroldatok szűrése
 Tartályok, csövek, szivattyúk „kilevegőzése”

37
SZŰRŐK GŐZSTERILEZÉSE
Lehetőségek: In situ gőzsterilezés (leggyakoribb),
autoklávban történő sterilezés
 Irányelv a gyakorlatban: legalább 121 °C-on, 30
percig kell sterilezni
 Elhelyezés: gőzkondenzátum el tudjon csorogni,
minél rövidebb steril csőhossz
 Sterilező gőz száraz, telített, szennyeződésmentes
→ rozsdamentes acél előszűrő
 Felhasználás után steril oldal irányába kell
átmosni a szűrőket
 Ellenirányú nyomás nem alkalmazható →
integritás elvesztésével járhat
→ Gőz lezárása után inert nyomás a szűrőelemre

38
SZŰRŐELEM INTEGRITÁS TESZTEK
1. BAKTERIÁLIS „CHALLENGE” TESZT


Szűrőelemek tényleges baktérium szűrő hatékonyságának
vizsgálata
Ismert méretű sejteket tartalmazó Pseudomonas diminuta
baktérium szuszpenzió (min. 107 db sejt/cm2 szűrőfelület)
áthatolás mértéke?

Tönkreteszi a szűrőt
termelési körülmények közt NEM
alkalmazható korreláltatás más, nem destruktív
tesztekkel
39
SZŰRŐELEM INTEGRITÁS TESZTEK
2. ÁTÁRAMOLTATÁSOS (FORWARD FLOW) TESZT
Nedvesített szűrő
 Konstans levegőnyomás

diffúziós levegőátáramlás
ha ez egy kívánt megengedhető maximális értéknél kisebb,
akkor alkalmazható a szűrő 
UPSTREAM
Adott bemenő nyomás mellett az
elmenő oldalon átdiffundált
levegő mennyisége?
DOWNSTREAM
Adott bemenő nyomásállandó
értéken tartásához szükséges
bemenő gázáram?
szűrőház
nedvesített
vizsgálandó
szűrőelem
gázfogó
büretta
levegő
vagy
nitrogén
40
nyomás
szabályozó
SZŰRŐELEM INTEGRITÁS TESZTEK
3. NYOMÁSTARTÁSI (PRESSURE HOLD) TESZT
Nedvesített szűrő
 Szelepekkel lezárt szűrőház
 Gáznyomás
csökkenése adott idő alatt,
állandó szűrőelem- és gázhőmérséklet mellett?
 Alkalmazható

Sterilezés előtt/után
 Szűrés előtt/után

nedvesített
vizsgálandó
szűrőelem
levegő
vagy
nitrogén
nyitva
41
nyomás
szabályozó
SZŰRŐELEM INTEGRITÁS TESZTEK
4. BUBORÉKPONT (BUBBLE POINT) TESZT



Vizuális teszt
Nedvesített szűrő
Levegő átnyomás a szűrőn növekvő nyomással
elmenő oldali buborékolás vizsgálata

Buborékolás:
Diffúziós levegőátvitelkor
lassú, szemmel követhető
 Buborékpont után
folyamatos
gáz

buborékok
zzűrőház a
nedvesített
vizsgálandó
szűrővel
42
SZŰRŐELEM INTEGRITÁS TESZTEK
4. VÍZELÁRASZTÁSI (WATER INTRUSION) TESZT

Nedvesített szűrő

Hidrofób membránnál alkohol oldattal
termelési körülmények közt nem mindig alkalmazható
hidrofób szűrőelemeknél
vízelárasztási teszt

Szűrőház bemenő oldali
vízelárasztása nyomás
növelés mellett
milyen nyomásnál kezd el
folyni az elmenő oldalon
a víz?
43
SZŰRŐELEM INTEGRITÁS TESZTEK
Ezen teszteket automatizáltan használják
biotechnológiai vállalatoknál
 Teszt kiválasztása: célszerű a szállítótól
informálódni

44
KÖSZÖNJÜK A FIGYELMET!