四柱塞隔膜泵的秘密

作者:本网编辑 文章来源:PHT《制药业》 点击数:50 发布时间:2019-02-20
四柱塞隔膜泵是生物制药产品生产中的最佳选择——生物制药生产过程中有许多基本操作,例如在色谱、病毒过滤和正切向流动过滤等有着特殊要求的操作中都要选用四柱塞隔膜泵。因为上述所有的操作过程都有一个共同点:无脉动、无剪应力地输送液体介质。这是四柱塞隔膜泵大显身手的好时机。
四柱塞隔膜泵的秘密

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文/ Glenn Hiroyasu

生物制药过程中的三大基本操作是色谱操作、病毒过滤和正切向流动过滤(TFF)。而且这三大基本操作都有着自己特殊的工作条件。例如,在色谱操作中,要求在整个过程中有着恒定的流量;而泵则能够用不同的压力来输送这些液体。反过来,病毒过滤中最重要的是恒定的压力;但当过滤器变脏或者阻塞时,输送的体积流量是可以变化的。在正切向流动过滤中,最重要的是要保证整个过程中的压力和流量都恒定不变。所有这些基本操作都有一个共同点:被输送的液体介质有着很高的敏感性,在许多情况下也是价值不菲的液体介质。因此,这些液体介质的输送必须无脉动、无剪应力,避免破坏被输送的液体介质。

本文将以色谱操作为例介绍输送泵的任务,其最重要的部分以及与通常情况下使用的旋转柱塞泵和软管泵相比较四柱塞隔膜泵的优点。

色谱操作

典型的玻璃色谱柱,钢质或者塑料色谱柱内部都注有层析分离树脂。液体介质流过色谱柱,色谱柱中的固定相(层析树脂)通过选择性吸附来纯化流过的液体介质。固定相的价格非常昂贵。例如琼脂糖蛋白A的层析树脂的价格就高达每升8 000欧元。因此层析树脂的适量是非常重要的。

在某些色谱系统中需要有缓冲梯度来实现蛋白质的纯化,而许多情况下需要使用多个缓冲器。这也就要求使用两个或者更多的输送泵了。在这种使用情况下,例如高盐和低盐缓冲液要连续地,按照不同的比例混合起来,以便对目标分子在层析树脂中的吸附施加影响。因此,这就需要非常精确的液体介质输送,以实现特定酸碱度pH值/电导率条件下的吸附和高解析度的纯化。

这对输送泵提出的技术要求是:在整个洗脱过程很大的流量范围内有着非常精确的流量,能够可靠地完成大流量和小流量的液体介质输送。

随着样本介质的注入,色谱系统中的背压逐步增加的情况并不罕见。在这种情况下,没有转差率的输送泵有着流量恒定和线速度稳定的优点。简单来说就是,转差率最小的泵具有更好的流量调节性能,只需调节泵的转速就可以调节其输送流量了(以每分钟一转为测量单位)。

多年来,在这样的工作条件下试用了不同类型的输送泵。其中有两种类型的输送泵是生物制药制造商最愿意使用的:回转泵和软管泵。

回转泵

由于许多生物制药原材料是低粘度的水溶液,在工作期间会因系统背压而引起10%~100%的转差率。因此回转泵不一定是好的选择。转差率的出现标志着被输送液体的流动出现了“滑移”,存在着剪应力,对被输送的液体介质产生剪切破坏并增加了能源消耗。当液体介质长时间地在这样的回路中流动时,会出现明显的发热,从而需要强力冷却,防止产品过热。

回转泵的密封方式是滑动密封,而滑动密封提供的密封性能有限。如果不采用特殊的(而且常常是价格昂贵的)密封件是不能保证严格密封的,也就不能全面地保证产品安全性。而生物制药过程中要求的无菌性也意味着不得有异物从外部进入到纯化过程中来;采用滑动密封的泵不能可靠地保证无菌性。

另外,回转泵内部的零件之间必定有能够导致磨损和出现磨损微粒的相互接触,这就导致了被输送的产品可能受到污染。像未溶解的结晶盐之类的固体微粒会导致回转泵回转体的严重损毁;这反过来又会导致整批产品报废。最后,回转泵的使用运行的价格也是较贵的,因为它消耗更多的能源来克服泵的转差率。

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Quattroflow公司开发的适用于生物制药领域的全系列不锈钢材料四柱塞隔膜泵

软管泵

软管泵的缺点也是非常明显的:软管泵的工作原理决定了软管泵的输出必定是脉动式的输出。另外,软管泵的输出功率和耐压性有限。当要求的输送压力较高时(例如:4 bar),软管泵不能可靠地运行。

另外,众所周知,软管泵的软管会向被输送介质释放少量的软管材料——从软管中“分裂下来”的材料,从而影响了产品的纯度。过滤产品中分裂下来的软管材料会导致产品污染。另外,泵送过程中的软管变形也会导致不均匀的容积流量。

四柱塞隔膜泵

四柱塞隔膜泵是回转泵和软管泵很好的替代解决方案。四柱塞隔膜泵的工作原理与人类心脏的工作原理十分相似。四柱塞隔膜泵凭借类似“心跳”的输送方式实现了柔和的泵送。四个柱塞输送过程的有序重叠有效地减少了输出流量的脉动。隔膜的每一个泵送过程都是由电动机驱动的偏心轴产生的。

这一工作原理能够非常柔和,安全地输送对剪应力和脉动非常敏感的低粘度液体介质和生物制药原材料。四柱塞结构设计既没有机械性的滑动密封,也没有与被输送介质相互接触的旋转零件,因此就不会有磨损,不会出现磨蚀微粒,可靠地保证了被输送产品的安全性。四柱塞隔膜泵的工作原理还保证了在很宽的工作运行范围内,有着很高可靠性的无风险干运行和自吸性能。很宽的工作运行范围反过来也允许四柱塞隔膜泵有着很大的功率范围。这就使得四柱塞隔膜泵可以在更多的流程工艺过程中使用了。

一次性应用

另外,四柱塞隔膜泵也是日益盛行的一次性生产设备的首选设备。原则上,可以在一次性流程泵上配用一个允许在生物制药领域中使用的,卫生清洁也非常经济的,以及有使用许可认证的泵头。其结果就是更加快捷的生产过程,同时也提供了生物制药产品生产所需的高纯度和无菌生产过程;因为不同的生产批次和产品之间绝不会出现交叉污染的情况。

当然,不是每一种泵技术都满足所有应用场合的要求。四柱塞隔膜泵也是一样:它的结构设计和工作原理决定了它最适合在动力粘度最大至1 000 cP,最大微粒直径至0.1 mm时使用。

总结

很长时间以来,回转泵和软管泵一直都是生物制药生产过程中的首选泵。但四柱塞隔膜泵以其特殊的工作原理也引起了人们的高度关注。从减少脉动和剪应力的角度出发,它是一种更好的选择。