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Optimisation de l'efficacité de la purification en aval dans la fabrication de produits biopharmaceutiques

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L'utilisation des capteurs de débit à ultrasons dans les systèmes de filtration à flux tangentiel (TFF)

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Avec l'expansion rapide de l'industrie biopharmaceutique, les procédés de fabrication des produits biologiques à forte valeur ajoutée — tels que les protéines recombinantes, les anticorps monoclonaux (mAbs) et les vaccins — ont atteint des niveaux de précision sans précédent. Dans les opérations de traitement en aval, la filtration à flux tangentiel (TFF), également appelée filtration à flux croisé (CFF), s’est imposée comme une technologie clé indispensable.

Le fonctionnement stable et efficace d’un système TFF a un impact direct sur le rendement, la pureté et la qualité globale du produit. Au sein de cette opération unitaire critique, la surveillance et le contrôle précis et en temps réel du débit de liquide constituent le pilier de l’ensemble du processus.

1. Systèmes TFF : le moteur de précision de la purification en aval

La filtration à flux tangentiel est une technique de séparation membranaire hautement efficace. Contrairement à la filtration en cul-de-sac classique, où le flux d’alimentation traverse le filtre perpendiculairement, le fluide dans un système TFF s’écoule parallèlement (tangentiellement) à la surface de la membrane à une vitesse contrôlée. Ce mouvement transversal génère une force de cisaillement balayante à travers la membrane, minimisant ainsi efficacement l’accumulation de gâteaux de filtration et la polarisation de concentration causées par les macromolécules de forte densité.

Sous l’effet de la pression appliquée, le flux d’alimentation pénètre dans la cassette TFF ou le module à fibres creuses. Le solvant et les petites molécules de soluté dont le poids moléculaire est inférieur au seuil de coupure moléculaire (MWCO) traversent les pores de la membrane pour former le perméat (ou filtrat). Parallèlement, les macromolécules biologiques cibles sont retenues et entraînées le long de la surface de la membrane, avant de retourner dans la cuve d’alimentation sous forme de rétentat.

En contrôlant avec précision le débit du perméat et la recirculation du rétentat, les systèmes TFF assurent efficacement la concentration, la diafiltration et l’échange tampon.

Dans la purification des anticorps monoclonaux et l’isolation des protéines, le maintien d’un débit stable est une condition préalable fondamentale pour contrôler la pression transmembranaire (TMP). Un contrôle adéquat du débit garantit que le procédé fonctionne dans son espace de conception optimal, ce qui évite des dommages irréversibles dus au cisaillement sur les biomolécules sensibles tout en maximisant la récupération du produit.

2. Les défis rencontrés par l’industrie avec la surveillance traditionnelle du débit
Dans les environnements de biotransformation où la stérilité, la stabilité et la biocompatibilité sont primordiales, les technologies traditionnelles de mesure du débit se heurtent à de sérieuses limites :

→ Risques de contamination et de contamination croisée :
Les débitmètres traditionnels en contact avec le fluide (tels que les turbines en ligne) nécessitent un contact direct avec le fluide de procédé. Cela introduit des risques potentiels de contamination microbienne et complique la validation des procédures de nettoyage en place (CIP) et de stérilisation à la vapeur en place (SIP). Tout résidu de matière entre deux lots présente un risque de contamination croisée.
→ Dégradation des biomolécules induite par le cisaillement :
Les débitmètres mécaniques comportent des pièces mobiles internes (par exemple, des roues) qui soumettent les protéines fragiles à des contraintes de cisaillement élevées et localisées, entraînant l’agrégation, la dénaturation et la perte d’activité des protéines.
→ Chute de pression et perturbation du champ d’écoulement :
Les capteurs invasifs perturbent le profil fluidique à l’intérieur de la tuyauterie, introduisant des chutes de pression indésirables qui interfèrent avec la régulation précise de la pression trans-mémbrane (TMP) et réduisent le flux de filtration.
→ Limites de mesure à faible débit :
Les systèmes de R&D de laboratoire ou les montages analytiques fonctionnent souvent à des débits infimes (de l’ordre du mL/min). À ces faibles volumes, les capteurs conventionnels peinent à maintenir des mesures stables et précises en raison de l’interférence liée à l’épaisseur des parois des tubes et de l’atténuation du signal.

3. Capteurs de débit à ultrasons à fixation par serrage : la solution idéale pour la filtration à flux traversant (TFF)
Les capteurs de débit à ultrasons éliminent ces goulots d’étranglement opérationnels. Fonctionnant selon le principe ultrasonique du temps de transit, une paire de transducteurs est montée à l’extérieur de la tubulure pour émettre et recevoir alternativement des signaux acoustiques. En mesurant la différence de temps infime entre les ondes ultrasonores se propageant en amont et en aval, le capteur calcule avec précision la vitesse du fluide et le débit volumétrique.

En tant qu’expert en technologie de détection ultrasonique des fluides, XY-TEK propose deux solutions techniques complémentaires adaptées à différentes échelles de bioprocédés :

→ Capteur de débit ultrasonique à fixation par serrage de la série CG
Optimisé pour les tubes souples (par exemple, silicone, TPE, PVC, PTFE) couramment utilisés avec les pompes péristaltiques dans les systèmes TFF. Doté d’une conception compacte à fixation par clip, il permet une installation rapide sans avoir à couper le circuit de fluide.
Il intègre l’électronique de traitement directement à l’intérieur du corps du capteur, ce qui élimine le recours à des convertisseurs externes. Il offre une mesure non invasive, des sorties de signaux industriels standard (RS485 Modbus, 4-20 mA, impulsions) et une détection intégrée des bulles d’air pour protéger les systèmes contre les perturbations du signal.

→ Capteur de débit ultrasonique à faible débit de la série TGU
Pour les unités de filtration à l’échelle du laboratoire où les débits sont trop faibles pour que les capteurs à fixation par serrage puissent les détecter de manière fiable, la série TGU offre une alternative ultraprécise.
La série TGU se caractérise par une conception interne spécialisée en « U » qui optimise l’efficacité de la transmission du signal ultrasonique, permettant ainsi des mesures stables et précises jusqu’à 1 ml/min. Le tube de fluide est fabriqué en PEEK, un matériau biocompatible et chimiquement inerte, garantissant la pureté et la résistance au liquide.

Dans la quête d’une efficacité exceptionnelle et d’une sécurité optimale dans le secteur biopharmaceutique, des données de débit précises constituent la base de l’optimisation. XY-TEK s’engage à aider ses clients du monde entier à assurer une transition fluide tout au long du processus, de la recherche et développement à la production, grâce à une gamme variée de solutions de détection à ultrasons.