Membranfiltration Höhere Prozesseffizienz durch neue Membrantechnologie

Autor / Redakteur: Dr. Jens Meyer / Wolfgang Ernhofer

Im Zuge von Prozessoptimierungen werden mehr und mehr die Gesamtkosten für Filtrationsprozesse analysiert. Nicht nur der Preis eines Filters ist relevant, sondern auch die mit seiner Verwendung verbundenen Folgekosten sind von großer Bedeutung. Modernste Membran-Filtertechnologie leistet dabei einen entscheidenden Beitrag zur Reduktion von Prozesskosten, wie eine neue Filterkerze anschaulich zeigt.

Firmen zum Thema

Die neue Filterkerze zeichnet sich durch eine höhere Standzeit und ein optimiertes Durchflussverhalten aus.
Die neue Filterkerze zeichnet sich durch eine höhere Standzeit und ein optimiertes Durchflussverhalten aus.
(Bild: Sartorius)

Polyethersulfon (PES), das Material aus dem die neue Filtermembran Sartopore Platinum besteht, ist seit Jahren im Markt etabliert und durch hohe Leistungsdaten, zuverlässige mikrobielle Rückhaltung und hohe chemische Kompatibilität charakterisiert. Das von Natur aus leicht hydrophobe Material wird im Zuge der Membranherstellung hydrophilisiert, um die Eigenschaften für die Filtration wässriger Lösungen zu optimieren. Die Art dieser Modifizierung hat entscheidenden Einfluss auf die Filtereigenschaften. Zudem ist es wichtig, eine möglichst große Membranfläche in eine Filterkerze zu verbauen, ohne dabei jedoch die Filtrationsleistung durch eine zu hohe Packungsdichte der Membran negativ zu beeinflussen.

Für den Sterilfilter Sartopore Platinum wurde sowohl eine neuartige Plissiertechnologie als auch eine neue Oberflächenveredelung entwickelt. Die Kombination dieser beiden technischen Neuerungen führt zu einzigartigen Filtereigenschaften, die ganz neue Maßstäbe bei der Gesamtkalkulation von Filtrationskosten setzen.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Alternative Plissiertechnologie

Um die effektive Filtrationsfläche pro Filterkerze zu erhöhen, wird die Membran im gefalteten (plissierten) Zustand in die Filterkerze verbaut. Dabei kann durch eine Erhöhung der Faltenzahl die Fläche weiter maximiert werden. Die Packungsdichte der Membran beeinflusst das Durchströmungsverhalten des Mediums während der Filtration.

Da das Platzangebot für die Membran umso geringer wird, je weiter man in den zentralen Bereich einer Filterkerze gelangt, ist es eine logische Konsequenz, die Membranfläche vor allem im Außenbereich zu vergrößern und nahe am Innendurchmesser der Filterkerze unverändert zu belassen. Genau diese Überlegungen sind Grundlage der Twinpleat-Plissiergeometrie: Diese zeichnet sich durch eine alternierende Abfolge von jeweils einer langen und einer kurzen Plissierfalte aus. Zusätzlich sind die Falten in einem bestimmten Winkel angeordnet, sodass diese länger sind. Die neuartige Plissierung vergrößert die Membranfläche im äußeren Bereich der Filterkerze deutlich. Pro 10‘‘-Filterkerze konnte die Membranfläche dadurch um 66 % auf jetzt einen Quadratmeter erhöht werden.

Zugleich ist sichergestellt, dass das zu filtrierende Medium auch bis tief zwischen die Plissierfalten vordingen kann und so die komplette Membranfläche für die Filtration verwendet wird. Mit einer zur Filtration gefärbten Testlösung kann dies veranschaulicht werden, da bei Produktkontakt die Membran entsprechend eingefärbt wird. Auf diese Weise lassen sich Bereiche identifizieren, die für die Flüssigkeit nicht erreichbar sind (z.B. durch zu hohe Packungsdichte der Membran).

Ungenutzte Abschnitte schränken Leistung der Filterkerze ein

Die komplette Twinpleat-Membran ist selbst tief zwischen den Falten durchgefärbt. Bei einer anderen flächenoptimierten Filterkerze mit einer alternativen Plissiertechnik besitzen alle Membranfalten eine identische Länge und sind überlappend angeordnet. Das Färbeexperiment mit dieser Filterkerze zeigt jedoch große weiße Areale auf, die sich vor allem tief zwischen den Faltungen befinden. Hier hat die gefärbte wässrige Lösung aufgrund einer zu hohen Packungsdichte keinen Kontakt zur Membran bekommen. Diese ungenutzten Abschnitte können bis zu 30 % der Membranfläche ausmachen. Sie schränken somit die Leistung der Filterkerze entsprechend ein und erschweren zudem die Skalierbarkeit von Filtrationsprozessen nachhaltig.

Dieser Vergleich belegt eindrucksvoll, welchen starken Einfluss die Faltung einer Membran auf die Filtrationsleistung haben kann. Die Twinpleat-Technologie führt aufgrund ihrer Flächenvergrößerung zu Bestwerten bei den Leistungsdaten. Bei einem Vergleich von Standzeiten der Sartopore Platinum mit anderen Produkten sind teilweise gravierende Unterschiede festzustellen. Verwendet wurde ein etabliertes Standardmedium, um die Ergebnisse direkt zu vergleichen.

Alle Möglichkeiten der thermischen Sterilisation

Filterkerzen mit einer PVDF-Membran zeigen im Vergleich zur PES-Variante eine etwa 70 % geringere Standzeit auf, was für die Auslegung eines Filtrationsprozesses eine entsprechend höhere Anzahl von Filterkerzen bedeutet. Aber auch innerhalb der Gruppen von Filterkerzen mit einer PES Membran existieren zum Teil deutliche Unterschiede: Verglichen mit Sartopore Platinum weist der beste Wettbewerber eine 20 % geringere Standzeit auf. Natürlich sind die Standzeiten abhängig von der spezifischen Produktlösung und sollte jeweils individuell im Rahmen von Filtrationsversuchen bestimmt werden.

Die zweite technische Neuerung ist die spezielle Oberflächenmodifizierung der PES-Membran. Bei diesem neuartigen Verfahren wird ein sehr hydrophiles, thermisch extrem stabiles Polymer so auf die PES-Membran aufgebracht, dass es eine stabile chemische Verbindung eingeht. Die Eigenschaften dieser Oberflächenveredelung führen zu signifikanten Verbesserungen der Membraneigenschaften, beispielsweise in Hinblick auf Proteinbindung, Benetzbarkeit und Bedampfbarkeit. Dank der thermisch sehr stabilen Oberflächenveredelung stehen alle Möglichkeiten der thermischen Sterilisation offen: Ob im benetzten (nassen) oder trockenen Zustand, ob Bedampfung in oder entgegen Filtrationsrichtung – die neuen Produkteigenschaften erlauben größtmögliche Flexibilität und führen auch hier zu Kosteneinsparungen.

Benetzbarkeit der Membran

Eine zuverlässige Benetzung der Membran ist Grundvoraussetzung für die Durchführung von Integritätstests, wie etwa dem Bubble-Point- oder Diffusionstest. Zumeist wird Wasser in Pharmaqualität (WFI) für die Benetzung verwendet. Folgt man den Benetzungsempfehlungen der Hersteller (z.B. fünf Minuten bei 300 mbar), so werden etwa 100 l WFI für die Benetzung einer einzelnen 10‘‘-Filterkerze benötigt.

Die Kosten für WFI variieren sehr stark, können aber im Schnitt mit drei bis fünf Euro pro Liter kalkuliert werden. Durch die neuartige Oberflächenveredelung der Sartopore Platinum-Membran lässt sich Wasserverbrauch auf weniger als fünf Liter pro 10‘‘-Filterkerze reduzieren, wodurch bereits ein Kostenvorteil von mehreren hundert Euro pro Filterkerze zu erzielen ist.

Darüber hinaus trägt die exzellente Benetzbarkeit der Membran zu einer deutlich zuverlässigeren Integritätstestung des Filters bei. Nicht bestandene Tests aufgrund von Benetzungsproblemen und damit verbundene Aufwände (Dokumentation der Abweichung usw.) gehören somit der Vergangenheit an. Die Vorteile der exzellenten Benetzbarkeit kommen insbesondere bei so genannten „Single-Use“-Applikationen zu tragen: Ist ein Sterilfilter an einem Beutelsystem angeschlossen, spielen das nötige Benetzungsvolumen und die zuverlässige Integritätstestung eine besondere Rolle. Sartopore Platinum erlaubt eine sehr ökonomische Auslegung der Beutel, die zum Auffangen der Benetzungsflüssigkeit notwendig sind.

Eine Testwiederholung bei einem zunächst nicht bestandenen Integritätstest ist ebenfalls kritisch, weil dann eine erneute Benetzung erforderlich wird. Hier zeigt sich die Bedeutung des sehr guten Benetzungsverhaltens und zuverlässigen Integritätstestung durch die neuartige Oberflächenveredelung.

Höhere Produktausbeute

Je nach Applikation ist der Grad einer unspezifischen Proteinbindung kritisch zu sehen. Das Zielprotein kann einen sehr hohen Wert besitzen. Jedes Gramm Protein, das von der Membran gebunden ist, verringert die Produktausbeute und damit die Prozesseffizienz.

Die Oberflächenmodifizierung der PES-Membran führt auch hier zu einer deutlichen Verbesserung. Um die Proteinbindung besser zu beurteilen, wurden unterschiedliche Proteine getestet. Dabei wurde die Bindung von monoklonalen Antikörpern (mAb) an verschiedenen Filterkerzen verglichen. Im Vergleich zeigt Sartopore Platinum eine um mehr als 50 % geringere Proteinbindung, was letztlich eine höhere Produktausbeute von mehr als 0,2 Gramm pro Quadratmeter Filterfläche bedeutet.

Obwohl das genaue Ausmaß der Proteinbindung natürlich abhängig vom spezifischen Produkt und den Prozessbedingungen ist, zeigt das Beispiel, welche Optimierungen und hiermit verbundene Kostenvorteile zu realisieren sind. Es zeigt ebenfalls, dass sich Filterkerzen sehr unterschiedlich verhalten können, obwohl das Membranmaterial jeweils PES ist. Insofern können individuelle, prozessspezifische Untersuchungen nur empfohlen werden, um die beste Lösung für die jeweilige Applikation zu erarbeiten.

Resümee

Technische Neuerungen im Bereich Sterilfiltration zeigen deutliche Effekte bei den Leistungsdaten wie Standzeit und Durchflussverhalten. Hinzu kommen aber auch Sekundäreffekte wie der notwendige Wasserverbrauch für die Benetzung, Proteinbindung und die Zuverlässigkeit bei der Integritätstestung, die für einen Filtrationsprozess wichtig sind und von einem modernen Filter deutlich optimiert werden können. Mit der Kombination aus neuartiger Plissiertechnologie und oberflächenveredelter PES-Membran nimmt der neue Sterilfilter Sartopore Platinum eine marktführende Stellung in Hinblick auf Kosteneffizienz und Prozessoptimierung ein.

* Der Autor ist Produktmanager bei Sartorius Stedim Biotech. E-Mail-Kontakt: jens.meyer@sartorius-stedim.com

(ID:39687760)