Introduction to Tangential Flow Filtration

Die Tangentialflußfiltration (TFF) ist eine schnelle und effiziente Methode zum Trennen und Aufreinigen von Biomolekülen. Sie kann in vielen verschiedenen biologischen Bereichen, z. B. Immunologie, Proteinchemie, Molekularbiologie, Biochemie und Mikrobiologie angewendet werden. TFF kann zum Konzentrieren und Entsalzen von Lösungen mit einem Volumen von 10 ml bis hin zu tausenden von Litern eingesetzt werden. Sie kann verwendet werden um große von kleinen Biomolekülen zu fraktionieren, zur Ernte von Zelllösungen und zur Klarfiltration von Fermentationsbouillons und Zelllysaten. Dieser Bericht beschreibt die Grundprinzipien, die bei TFF zur Anwendung kommen, sowie die Verwendung von TFF-Kapsulen und -Kassetten in Laboranwendungen und der Verfahrensentwicklung.

Tangentialflussfiltration: Überblick

Die Membranfiltration ist als Separationstechnik im Biolaborbereich weit verbreitet. Je nach Durchlässigkeit der Membran spricht man von Mikro- oder von Ultrafiltration. Mikrofiltrationsmembranen mit typischen Porengrößen zwischen 0,1 µm und 10 µm werden im Allgemeinen zur Klärfiltration, Sterilisation, Entfernung von Mikropartikeln sowie zur Zellernte verwendet. Ultrafiltration membranes,
 







with much smaller pore sizes between 0.001 and 0.1 µm, are used for concentrating and desalting dissolved molecules (proteins, peptides, nucleic acids, carbohydrates, and other biomolecules), exchanging buffers, and gross fractionation. Ultrafiltrationsmembranen werden in der Regel nach der molekularen Ausschlussgrenze (MWCO) statt nach der Porengröße klassifiziert.

Es gibt zwei Hauptmembranfiltrationmodi, bei denen entweder Mikrofiltrations- oder Ultrafiltrationsmembranen verwendet werden können. 1) Bei der Direktflussfiltration (DFF), ebenfalls als Dead-End-Filtration bezeichnet, wird der Feedstream lotrecht zur Membranoberfläche gehalten und es wird versucht, 100 % der Flüssigkeit die Membran passieren zu lassen 2) Bei der Tangentialflussfiltration (TFF) oder Querstrom-Filtration läuft der Feedstream parallel zur Membranoberfläche; ein Teil passiert die Membran (Permeat), während der Rest (Retentat) in den Feed-Reservoirbehälter zurückgeleitet wird.

Analog zum Prinzip des TFF könnte man die Trennung von Sand und Kieselsteinen mit einem Sieb betrachten. Die Löcher im Sieb stellen die Poren der Membran dar, während Sand und Kieselsteine die zu separierenden Moleküle darstellen. Bei DFF wird das Sand-Kieselstein-Gemisch gegen die Löcher des Siebs gedrückt. Die kleineren Sandkörner fallen durch die Poren, aber die größeren Kieselsteine bilden eine Schicht auf der Oberfläche des Siebs. This prevents sand grains at the top of the mixture from moving to and through the holes (Figure 1A). Bei der DFF kommt es durch eine Druckerhöhung nur zu einer Kompression des Gemisches ohne dass die Separation gesteigert wird. Im Gegensatz hierzu vermeidet ein Betrieb im TFF-Modus die Bildung einer sperrenden Schicht, da das Gemisch rezirkuliert wird. The process acts like a shaking sifter to remove the pebbles that block the holes in the screen, allowing the sand grains at the top of the mixture to fall toward and through the holes in the screen (Figure 1B).

Abbildung 1

Separation von Sand und Kieselsteinen mit einem Sieb

TFF: Separation von Sand und Kieselsteinen mit einem Sieb
(A) Bei direktem Druck auf das Gemisch können die unteren Sandkörner das Sieb passieren. A layer of pebbles builds up at the screen surface preventing sand grains at the top from moving to and through the screen.
(B) Shaking the screen breaks up the aggregated pebble layer at the bottom of the mixture and allows for complete fractionation. Die Querstromdynamik des Feedstream bei der Tangentialflussfiltration ist analog zu dem Rütteln in diesem Beispiel.

In einer Lösung besteht derselbe Effekt bei DFF (Abbildung 2) und bei TFF (Abbildung 3). Der Fluss von Probenlösung entlang der Membran entfernt aggregierende Moleküle, die ein membranverstopfendes Gel (Gel-Polarisierung) bilden und es so Molekülen, die kleiner sind als die Membranporen, ermöglichen, die Membran zu passieren. Dementsprechend kann TFF im Vergleich zu DFF bei einer Separation nach Größe eine höhere Geschwindigkeit und Effizienz aufweisen. 

Abbildung 2

Direktfluss-Filtrationsprozess

TFF: Direktfluss-Filtrationsprozess
(A) Der Feed wird in die Membran geleitet. Molecules larger than the pores accumulate at the membrane surface to form a gel, which fouls the surface, blocking the flow of liquid through the membrane.
(B) As the volume filtered increases, fouling increases and the flux rate decreases rapidly.

Abbildung 3

Tangentialfluss-Filtrationsprozesse

Tangentialfluss-Filtrationsprozesse
(A) Die Probe fließt durch den Feed Kanal (Einlaß) und entlang der Membranoberfläche ebenso wie durch die Membran hindurch. The crossflow prevents build up of molecules at the surface that can cause fouling.
(B) The TFF process prevents the rapid decline in flux rate seen in direct flow filtration allowing a greater volume to be processed per unit area of membrane surface.