Tangential flow filtration (TFF) is een membraanfiltratiemethode waarbij de vloeistof evenwijdig langs het membraan wordt gepompt in plaats van er loodrecht doorheen. In het Nederlands spreekt men ook van tangentiële stroomfiltratie, kruisstroomfiltratie of cross-flow filtratie. Door die langsstroming wordt het membraanoppervlak voortdurend schoongespoeld, zodat de filtratie niet binnen korte tijd dichtslibt zoals bij een klassiek filter. TFF is daardoor de standaardtechniek voor het concentreren, ontzouten en zuiveren van grotere volumes biomoleculen: eiwitten, antilichamen, virale vectoren, vaccins, plasmide-DNA, lipide-nanodeeltjes en exosomen.
Dit artikel behandelt TFF als proces: hoe een TFF-systeem is opgebouwd, welke parameters u instelt (cross-flow, transmembraandruk en flux), welke membraanformaten er zijn, hoe een complete TFF-run verloopt en waar de techniek wordt toegepast. Voor de membraanklassen zelf (microfiltratie, ultrafiltratie, nanofiltratie en omgekeerde osmose), de keuze van de MWCO en de rekenregels voor diafiltratievolumes verwijzen we naar het artikel over membraanscheidingstechnieken.
TFF staat voor Tangential Flow Filtration. Het woord tangentieel betekent 'rakend' of 'evenwijdig aan een oppervlak': de voedingsvloeistof stroomt langs het membraan, en slechts een klein deel ervan wordt per passage door het membraan gedrukt. Het overgrote deel van de stroom verlaat de module aan de andere kant en wordt teruggevoerd naar het voedingsreservoir. Die recirculatie wordt herhaald tot het gewenste eindvolume of de gewenste buffersamenstelling is bereikt.
De TFF-methode onderscheidt zich daarmee van normal flow filtration (NFF), ook wel dead-end filtratie genoemd. Bij dead-end filtratie gaat alle vloeistof loodrecht door het filter en blijven alle tegengehouden deeltjes op het filteroppervlak achter. Dat werkt uitstekend voor een spuitfilter, een vacuümfiltratie of een sterilisatiefilter, maar bij geconcentreerde eiwit- of celsuspensies raakt zo'n filter snel verstopt. Een overzicht van de klassieke filtratiemethoden in het lab vindt u in het artikel laboratorium filtratie.
Met tangentiële stroming wordt de component van de vloeistofstroom bedoeld die parallel aan het membraanoppervlak loopt: de cross-flow. Die stroming veroorzaakt schuifkrachten aan het membraanoppervlak die tegengehouden moleculen en deeltjes terugvoeren naar de hoofdstroom. Daardoor blijft de laag met verhoogde concentratie aan het membraan (de concentratiepolarisatielaag) dun en stabiel. Loodrecht op het membraan werkt tegelijk de transmembraandruk, die het permeaat door de poriën drijft. TFF is dus altijd een evenwicht tussen twee stromen: de stroom langs het membraan en de stroom door het membraan.
Een TFF-circuit bestaat uit drie vloeistofstromen:
Een regelventiel in de retentaatleiding knijpt de uitstroom iets af. Daardoor loopt de druk in de module op en ontstaat de drijvende kracht voor de permeaatstroom. Doordat permeaat voortdurend wordt afgevoerd en retentaat wordt teruggevoerd, daalt het volume in het reservoir en stijgt de concentratie van het doelmolecuul. Wordt tegelijk verse buffer toegevoegd in hetzelfde tempo als het permeaat wordt afgevoerd, dan blijft het volume gelijk en wordt de buffer uitgewisseld: dat is diafiltratie.
Het retentaat is de fractie die het membraan niet passeert en die de moleculen bevat die groter zijn dan de nominale poriegrootte of de MWCO (molecular weight cut-off). Het permeaat is de fractie die wel door het membraan gaat. Welke van de twee uw product bevat, hangt af van het doel. Bij het concentreren van een eiwit met een 30 kDa-ultrafiltratiemembraan zit het product in het retentaat en is het permeaat afval. Bij het klaren van een celkweek met een microfiltratiemembraan van 0,2 tot 0,65 µm zit het product (bijvoorbeeld een uitgescheiden eiwit) juist in het permeaat en blijven de cellen in het retentaat.
Beide filtratiemodi gebruiken membranen, maar ze zijn ontworpen voor andere situaties. De tabel zet de verschillen die in de praktijk de doorslag geven naast elkaar.
In veel zuiveringsprocessen worden beide modi na elkaar ingezet: TFF om te concentreren en de buffer te wisselen, gevolgd door een dead-end sterilisatiefiltratie (0,2 µm) van het eindproduct. Welke filteropstelling bij welk volume en welke deeltjesgrootte past, leest u in de filtratie-keuzewijzer.
Het antwoord hangt af van de indeling. Naar drijvende kracht onderscheidt men zwaartekrachtfiltratie (trechter met filtreerpapier), vacuümfiltratie (Büchner-trechter, filtratieapparaat), drukfiltratie (spuitfilter, drukfilterhouder, TFF) en centrifugale filtratie (centrifugaalfilterunits). Naar membraanklasse gaat het om microfiltratie, ultrafiltratie, nanofiltratie en omgekeerde osmose. TFF is geen vijfde klasse maar een stromingswijze: het kan met microfiltratie-, ultrafiltratie- en nanofiltratiemembranen worden uitgevoerd.
Een TFF-proces wordt gestuurd met een beperkt aantal grootheden. Wie deze begrijpt, kan een proces opzetten, vergelijken en opschalen.
TMP staat voor transmembraandruk: het gemiddelde drukverschil over het membraan. In een TFF-systeem wordt de druk op drie punten gemeten: aan de voedingsinlaat (Pfeed), aan de retentaatuitlaat (Pret) en aan de permeaatzijde (Pperm). Omdat de druk langs het membraan afneemt, wordt het gemiddelde van inlaat en uitlaat genomen:
TMP = (Pfeed + Pret) / 2 − Pperm
Bij een open permeaatafvoer is Pperm ongeveer nul. Voorbeeld: bij een inlaatdruk van 2,0 bar, een retentaatdruk van 1,0 bar en een drukloze permeaatzijde is de TMP 1,5 bar. De TMP stelt u in met het retentaatventiel: verder dichtdraaien verhoogt de TMP. De achtergrond van de kritische TMP, waarboven extra druk vooral fouling oplevert en nauwelijks extra flux, staat beschreven in het artikel over superkritische CO₂-extractie en membraanscheiding.
De cross-flow rate (kruisstroomsnelheid) is het debiet waarmee de voeding langs het membraan stroomt. Om processen van verschillende omvang vergelijkbaar te maken, wordt dit debiet genormaliseerd op het membraanoppervlak, in liter per minuut per vierkante meter (L/min/m², ook LMM). Voor ultrafiltratiecassettes ligt de aanbevolen voedingsstroom doorgaans in de orde van 4 tot 8 L/min/m²; de exacte waarde staat in de specificaties van de fabrikant en hangt af van het kanaaltype. Bij holle vezels wordt de cross-flow vaak uitgedrukt als afschuifsnelheid (shear rate, in s−1), omdat die direct samenhangt met de mechanische belasting van cellen en eiwitten.
Een hogere cross-flow houdt het membraan beter schoon en verhoogt de haalbare flux, maar vraagt meer pompcapaciteit, geeft een grotere drukval over de module en verhoogt het aantal pompdoorgangen van het product. Voor schuifgevoelige producten, zoals levende cellen, virale vectoren en aggregatiegevoelige eiwitten, is een gematigde cross-flow daarom vaak de betere keuze. Meer over het ontstaan van eiwitaggregaten leest u in het artikel over aggregatie van eiwitten en biomoleculen.
De flux (J) is het permeaatdebiet per eenheid membraanoppervlak, meestal uitgedrukt in liter per vierkante meter per uur (LMH, L/m²/h):
J = Qperm / A
Hierin is Qperm het permeaatdebiet (L/h) en A het membraanoppervlak (m²). De flux bepaalt de procestijd en het benodigde membraanoppervlak. Bij ultrafiltratie van eiwitoplossingen liggen gangbare procesfluxen grofweg tussen enkele tientallen en ongeveer honderd LMH, afhankelijk van eiwitconcentratie, viscositeit, temperatuur en membraantype. De flux daalt naarmate het retentaat geconcentreerder en viskeuzer wordt; zie ook viscosimetrie en reologie.
Het verschil tussen inlaat- en retentaatdruk (ΔP = Pfeed − Pret) is een maat voor de stromingsweerstand in de voedingskanalen. Bij een gegeven cross-flow is de ΔP kenmerkend voor een schone module. Een geleidelijk oplopende ΔP bij gelijke cross-flow wijst op verstopping van de voedingskanalen of op een sterk stijgende viscositeit van het retentaat.
Het optimale werkpunt bepaalt u met een TMP-excursie: bij een vaste cross-flow wordt de TMP stapsgewijs verhoogd en telkens de stabiele flux gemeten. In het lage drukgebied stijgt de flux ongeveer lineair met de TMP (drukgestuurd regime). Bij hogere TMP buigt de curve af naar een plateau, omdat de concentratiepolarisatielaag de doorlaatbaarheid gaat beperken (massatransport-gestuurd regime). Het werkpunt wordt gewoonlijk gekozen rond de knik van de curve: hogere TMP levert daar weinig extra flux op en vergroot vooral de kans op fouling. Herhaal de excursie bij twee of drie cross-flow-waarden en bij de begin- en eindconcentratie van het proces, want de ligging van de knik verschuift met de eiwitconcentratie.
De volumetrische concentratiefactor (VCF) is de verhouding tussen startvolume en eindvolume. Een VCF van 10 betekent dat 10 liter wordt teruggebracht tot 1 liter. De membraanbelasting geeft aan hoeveel voeding (in L/m²) of hoeveel product (in g/m²) per vierkante meter membraan wordt verwerkt; deze waarde wordt bij opschaling constant gehouden. Een eenvoudige schatting van de procestijd voor de concentratiestap:
procestijd (h) = permeaatvolume (L) / (flux (LMH) × membraanoppervlak (m²))
Rekenvoorbeeld: 10 liter voeding wordt geconcentreerd tot 1 liter met een gemiddelde flux van 40 LMH op 0,1 m² membraan. Er moet 9 liter permeaat worden afgevoerd; de procestijd bedraagt 9 / (40 × 0,1) = 2,25 uur. Wilt u dezelfde stap in circa een uur afronden, dan hebt u bij dezelfde flux ongeveer 0,25 m² membraanoppervlak nodig. Voor de rekenregels voor het aantal diafiltratievolumes verwijzen we naar het artikel over membraanscheidingstechnieken.
Het membraan in een TFF-systeem is ingebouwd in een module. De drie gangbare formaten verschillen in kanaalgeometrie, schuifkrachten en schaalbaarheid.
Membraanmaterialen voor TFF zijn onder meer polyethersulfon (PES), geregenereerde cellulose, gemodificeerd PES en PVDF. Geregenereerde cellulose bindt weinig eiwit; PES is chemisch robuust en goed reinigbaar met natronloog. De materiaaleigenschappen per type zijn uitgewerkt in het artikel over membraanscheidingstechnieken.
Een TFF-instrument of TFF-systeem is de opstelling die de membraanmodule van vloeistof voorziet en het proces bewaakt. Van eenvoudige handmatige labopstellingen tot geautomatiseerde procesinstallaties bestaat een TFF-systeem uit dezelfde bouwstenen:
Geautomatiseerde systemen regelen TMP of flux automatisch, registreren alle procesgegevens en zijn geschikt voor gedocumenteerde productie onder GMP. Voor slangen en verbindingen in een labopstelling geldt dat ze drukbestendig, chemisch compatibel met reinigingsmiddelen en zo kort mogelijk moeten zijn: elke centimeter slang vergroot het dode volume (hold-up) waarin product achterblijft.
Een complete TFF-procedure omvat meer dan alleen het concentreren. De volgende volgorde is gangbaar bij ultrafiltratie en diafiltratie (UF/DF) van een eiwitoplossing:
Controleer vóór en na het proces de eiwitconcentratie van voeding, retentaat en permeaat, bijvoorbeeld met een A280-, Bradford- of BCA-bepaling. Zo stelt u de opbrengst vast en ziet u direct of er product door het membraan is gelekt.
Het basisprincipe is eenvoudig, en een kleine labopstelling met peristaltische pomp, cassette en drie manometers is snel operationeel. De uitdaging zit in de procesontwikkeling: het kiezen van de MWCO, het bepalen van cross-flow en TMP, het beheersen van hold-up-volume en productverlies, en het valideren van reiniging en hergebruik. Geautomatiseerde systemen en single-use modules verlagen de drempel aanzienlijk, omdat drukregeling, dataregistratie en reinigingsvalidatie dan grotendeels vervallen of geautomatiseerd zijn. Voor volumes onder circa 15 tot 50 ml zijn centrifugaalfilters vaak praktischer dan een TFF-opstelling.
TFF wordt in onderzoek, biotechnologie, farmacie en levensmiddelentechnologie ingezet. De belangrijkste toepassingen zijn:
Exosomen zijn extracellulaire vesikels van ongeveer 30 tot 150 nm die cellen in het kweekmedium uitscheiden. Omdat de concentratie in celkweeksupernatant laag is, moeten vaak honderden milliliters tot liters medium worden verwerkt. Een gangbare werkwijze is: eerst cellen en grote deeltjes verwijderen met laagtoerige centrifugatie en een dead-end filtratie (bijvoorbeeld 0,22 µm), daarna het supernatant concentreren met TFF over een membraan van ongeveer 100 tot 500 kDa of 0,05 µm, waarbij vrije eiwitten deels in het permeaat verdwijnen. Een diafiltratiestap verwijdert medium en serumcomponenten. Het geconcentreerde retentaat wordt vaak verder gezuiverd met size-exclusion-chromatografie of gekarakteriseerd met veld-vloeistoffractionering (AF4). Ten opzichte van ultracentrifugatie is TFF beter schaalbaar, sneller bij grote volumes en mechanisch milder voor de vesikels. Meer over het kweken van de bronculturen staat in het artikel over celkweektechnieken.
Bij alternating tangential flow filtration (ATF) wordt de vloeistof niet in één richting rondgepompt, maar met een membraanpomp afwisselend heen en weer door een holle-vezelmodule bewogen. Die wisselende stroming spoelt het membraan in beide richtingen schoon en belast de cellen weinig. ATF wordt vooral toegepast bij perfusiekweek: de module zit direct aan de bioreactor gekoppeld, houdt de cellen in de reactor en voert verbruikt medium en (bij een open membraan) product continu af, terwijl vers medium wordt toegevoegd. Zo kunnen zeer hoge celdichtheden gedurende weken worden gehandhaafd.
Bij single-pass TFF passeert de voeding de module slechts één keer, zonder terugvoer naar een reservoir. Door meerdere cassettes in serie te schakelen wordt de verblijftijd langs het membraan zo verlengd dat de gewenste concentratie in één doorgang wordt bereikt. SPTFF wordt ingezet voor inline concentratie tussen twee processtappen en in continue bioprocessen, omdat er geen recirculatietank nodig is en het product minder pompdoorgangen ondergaat.
Nee. Ultrafiltratie (UF) is een membraanklasse, gedefinieerd door de poriegrootte of MWCO. TFF is een stromingswijze. Ultrafiltratie kan dead-end worden uitgevoerd, bijvoorbeeld in een centrifugaalfilter of roercel, en TFF kan ook met microfiltratie- of nanofiltratiemembranen worden uitgevoerd. In de bioprocestechniek worden de termen vaak door elkaar gebruikt omdat de meeste ultrafiltratie op procesniveau in TFF-modus plaatsvindt.
UF/DF staat voor ultrafiltratie/diafiltratie: de combinatie van concentreren en bufferwisselen. Het is een processtap, terwijl TFF de techniek is waarmee die stap meestal wordt uitgevoerd. Elke UF/DF-stap in een productieproces is dus vrijwel altijd een TFF-proces, maar niet elk TFF-proces is UF/DF: celoogst met microfiltratie of perfusie met ATF valt er bijvoorbeeld niet onder.
Diafiltratie is het uitwassen van kleine moleculen, zoals zouten, imidazool, ethanol of overmaat reagens, door verse buffer aan het retentaat toe te voegen terwijl permeaat wordt afgevoerd. Het doelmolecuul blijft in het retentaat en komt in de nieuwe buffer terecht. Het verschil tussen continue en discontinue diafiltratie en de berekening van diafiltratievolumes zijn uitgewerkt in het artikel over membraanscheidingstechnieken.
Ultrafiltratiemembranen hebben poriën van ongeveer 0,001 tot 0,1 µm (1 tot 100 nm). Omdat poriën in dat bereik moeilijk direct te meten zijn, worden ze gespecificeerd met de MWCO, meestal tussen 1 en 1000 kDa. Microfiltratie begint bij ongeveer 0,1 µm. Als vuistregel voor TFF kiest u een MWCO die 3 tot 6 keer lager ligt dan het molecuulgewicht van het doelmolecuul: voor een antilichaam van circa 150 kDa is 30 kDa gebruikelijk.
Geen van beide is beter; ze hebben een ander doel. Microfiltratie houdt cellen, bacteriën en deeltjes tegen en laat opgeloste eiwitten door. Dat maakt MF geschikt voor celoogst, clarificatie en sterilisatiefiltratie. Ultrafiltratie houdt opgeloste macromoleculen tegen en laat water, zouten en kleine moleculen door, en is daarmee de keuze voor het concentreren en ontzouten van eiwitten, DNA en virussen. In een zuiveringsproces worden ze vaak na elkaar gebruikt: eerst MF-TFF om de cellen te verwijderen, daarna UF-TFF om het product te concentreren.
Ook hier bepaalt het doel de keuze. Ultrafiltratie laat opgeloste zouten door en houdt macromoleculen, bacteriën en endotoxinen tegen. Omgekeerde osmose houdt vrijwel alle opgeloste ionen tegen en werkt bij veel hogere druk. Voor het concentreren van eiwitten is RO niet geschikt, omdat ook de bufferzouten zouden worden geconcentreerd. In laboratoriumwatersystemen vullen ze elkaar aan: RO verwijdert de ionen, ultrafiltratie dient als eindstap om endotoxinen en nucleasen te verwijderen. Dat RO-water door het ontbreken van mineralen minder geschikt zou zijn als drinkwater, is voor laboratoriumtoepassingen niet relevant; daar is juist een laag ionengehalte gewenst. Zie ook de waterbehandeling-keuzewijzer.
De voordelen van TFF ten opzichte van dead-end filtratie zijn samen te vatten als: verwerking van grote volumes met relatief weinig membraanoppervlak, een stabiele flux door beperkte koekvorming, de mogelijkheid om te concentreren en de buffer te wisselen in één opstelling, een lineaire schaalbaarheid van laboratorium naar productie, en herbruikbaarheid van de membranen.
De kosten van ultrafiltratie en TFF lopen sterk uiteen en worden bepaald door een aantal factoren: het benodigde membraanoppervlak (afgeleid van volume, flux en gewenste procestijd), de keuze tussen herbruikbare en single-use modules, de mate van automatisering van het systeem, het verbruik van buffer, water en reinigingsmiddelen, en de tijd voor reiniging en validatie. Bij herbruikbare membranen wegen de aanschaf en de reinigingsinspanning af tegen het aantal cycli dat het membraan meegaat; bij single-use modules vervalt de reinigingsvalidatie maar zijn de kosten per batch hoger. Een realistische vergelijking maakt u daarom altijd per proces.
Een belangrijk voordeel van TFF is dat een proces dat op kleine schaal is ontwikkeld, lineair kan worden opgeschaald. Daarvoor houdt u de volgende grootheden gelijk: hetzelfde membraanmateriaal en dezelfde MWCO, dezelfde kanaalgeometrie en padlengte, dezelfde cross-flow per m² membraan, dezelfde TMP, dezelfde membraanbelasting (L/m² of g/m²) en hetzelfde aantal diafiltratievolumes. Het membraanoppervlak en de pompcapaciteit schalen dan evenredig met het batchvolume. Het hold-up-volume schaalt niet altijd evenredig mee; controleer daarom bij elke schaalstap de haalbare eindconcentratie en de opbrengst.
Bij productie van geneesmiddelen maken TFF-stappen deel uit van het gevalideerde proces. Relevante kaders zijn de EMA-richtlijnen voor Good Manufacturing Practice en de ICH-kwaliteitsrichtlijnen, onder meer voor procesontwikkeling en de virale veiligheid van biotechnologische producten.
TFF staat voor Tangential Flow Filtration, in het Nederlands tangentiële stroomfiltratie of kruisstroomfiltratie. De Engelse term cross-flow filtration betekent hetzelfde. Het is een membraanfiltratie waarbij de vloeistof evenwijdig langs het membraan stroomt en het retentaat wordt gerecirculeerd.
Bij normal flow filtration (dead-end) stroomt alle vloeistof loodrecht door het filter en hopen tegengehouden deeltjes zich op als filterkoek, waardoor de flux continu daalt. Bij tangential flow filtration stroomt de vloeistof langs het membraan, wordt de tegengehouden stof teruggevoerd naar het reservoir en blijft de flux stabiel. Dead-end filtratie is geschikt voor kleine volumes en lage deeltjeslast; TFF voor grote volumes, hoge concentraties en voor concentreren en bufferwisselen.
Een drietrapsfiltratie is een opeenvolging van drie filtratiestappen van grof naar fijn, zodat elk filter wordt beschermd door het voorgaande. In waterbehandeling is dat bijvoorbeeld een sedimentfilter, een actief-koolfilter en een fijn membraanfilter. In een bioproces is een vergelijkbare volgorde: clarificatie (centrifugatie, dieptefiltratie of MF-TFF), concentratie en bufferwissel met UF-TFF, en tot slot een sterilisatiefiltratie van 0,2 µm.
Voorbeelden van filtratie in en buiten het laboratorium zijn: filtratie met filtreerpapier in een trechter, vacuümfiltratie over een Büchner-trechter, sterilisatiefiltratie van media met een 0,2 µm-membraan, spuitfiltratie van HPLC-monsters, centrifugaalfiltratie van eiwitten, tangentiële stroomfiltratie van een celkweek, HEPA-filtratie van lucht in een veiligheidskabinet, zuivering van laboratoriumwater met omgekeerde osmose, koffiezetten met een papieren filter en de nieren, die bloed filtreren.
Filters kunnen verstoppen, product adsorberen, extraheerbare stoffen afgeven en bij verkeerde poriegrootte te veel of te weinig tegenhouden. Filtratie scheidt uitsluitend op grootte (en bij sommige membranen op lading), niet op chemische eigenschappen. TFF lost het verstoppingsprobleem grotendeels op, maar introduceert schuifkrachten, hold-up-volume en meer apparatuur.
Ja, de meeste cassettes en holle-vezelmodules van PES en geregenereerde cellulose zijn ontworpen voor hergebruik. Voorwaarde is dat het membraan na elke run volgens de specificaties van de fabrikant wordt gereinigd, dat de genormaliseerde waterpermeabiliteit voldoende terugkomt en dat het membraan correct wordt opgeslagen. In GMP-productie moet hergebruik bovendien worden gevalideerd; daar wordt vaak per product een vaste membraanset gebruikt of voor single-use modules gekozen.
Bent u op zoek naar onderdelen of verbruiksmaterialen voor een filtratie-opstelling? Bekijk ons aanbod van membraanfilters, spuitfilters, laboratoriumpompen en slangen en toebehoren.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als technische achtergrond en vervangt niet de specifieke gebruiksaanwijzingen van fabrikanten, de geldende veiligheidsvoorschriften en vakpublicaties. Procesparameters zoals cross-flow, transmembraandruk, reinigingscondities en opslagoplossingen verschillen per membraan en module; raadpleeg altijd de fabrikantdocumentatie en, bij farmaceutische toepassingen, de van toepassing zijnde GMP-richtlijnen.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
