La filtración de flujo tangencial (TFF, Tangential Flow Filtration) permite separar componentes de un líquido mediante una membrana mientras la alimentación circula paralela a su superficie. En la industria farmacéutica y biotecnológica se utiliza, entre otras operaciones, para concentrar productos biológicos y cambiar el tampón en el que se encuentran.
Entender TFF exige seguir dos recorridos a la vez: el del líquido que atraviesa la membrana y el del producto que permanece en el circuito. La relación entre ambos explica cómo disminuye el volumen de un lote, cómo se eliminan determinadas sustancias y por qué el equipo puede influir en el resultado tanto como la propia membrana.
Qué significa que el flujo sea tangencial
En un módulo TFF, la alimentación avanza por un canal situado junto a la membrana. Una parte del líquido la atraviesa por efecto de una diferencia de presión, mientras el resto continúa por el canal. Por eso también se habla de filtración tangencial o filtración de flujo cruzado.
El movimiento paralelo favorece el transporte de material desde la proximidad de la membrana hacia el líquido en circulación. Esto ayuda a limitar su acumulación superficial, pero no elimina por completo la polarización de concentración ni el ensuciamiento. TFF requiere encontrar unas condiciones de trabajo adecuadas para la alimentación, la membrana y el objetivo de la separación.
Alimentación, permeado y retenido
La alimentación es la corriente que entra en el módulo. El permeado es la fracción que atraviesa la membrana. El retenido es la corriente que sale por el lado de alimentación sin haberla atravesado; en documentación internacional se denomina retentate.
En una etapa de concentración de proteínas, se busca normalmente que la proteína permanezca en el retenido y que parte del agua y de los componentes permeables salga con el permeado. Sin embargo, estas denominaciones describen corrientes, no su valor: en otras separaciones, el producto de interés puede encontrarse en el permeado.
Esta guía se centra en las operaciones de concentración e intercambio de tampón en las que se desea conservar el producto en el retenido. En bioprocesos, la combinación de ultrafiltración (UF) para concentrar y diafiltración (DF) para intercambiar el tampón se conoce como UF/DF. TFF describe el modo de circulación tangencial; UF/DF describe estas operaciones de separación.
Cómo funciona un circuito TFF
En un circuito recirculante, una bomba toma líquido de un depósito y lo impulsa hacia el módulo de filtración. El permeado se recoge por separado y el retenido vuelve al depósito. El producto puede recorrer varias veces ese mismo trayecto durante la operación.
La presión transmembrana (TMP, Transmembrane Pressure) representa la diferencia de presión media entre el lado de alimentación y el lado de permeado. Es una de las variables que impulsan la filtración. Las válvulas y el sistema de control permiten regular las condiciones del circuito, mientras los sensores muestran cómo responde realmente el proceso.
Para interpretar la operación conviene distinguir el caudal que circula por el módulo del caudal que atraviesa la membrana. Un circuito puede recircular un volumen importante y producir un caudal de permeado mucho menor. El primero contribuye a establecer las condiciones de circulación; el segundo determina la rapidez con la que se extrae líquido.
Un ejemplo para seguir las corrientes
Supongamos un módulo al que entran 1,00 L/min y del que salen 0,05 L/min como permeado. Si no hay acumulación apreciable dentro del módulo, el caudal de retenido será 0,95 L/min. En ese paso ha atravesado la membrana el 5 % del caudal de entrada.
Ese porcentaje no significa que se haya recuperado el 5 % del producto ni que el lote esté cinco veces más concentrado. Describe únicamente cómo se reparte el caudal en el módulo. La evolución del lote dependerá del tiempo, de la retención del producto y de si se añade líquido al depósito. Las relaciones y cálculos se desarrollan en la guía de parámetros y membranas TFF.
Concentración: reducir volumen conservando el producto
Durante una concentración, se extrae permeado sin reponer todo ese volumen. Si la membrana retiene el producto, su cantidad permanece aproximadamente constante mientras disminuye el volumen de líquido que lo contiene. La concentración aumenta.
Por ejemplo, un lote de 2 L a 5 g/L contiene 10 g de producto. Si se reduce a 0,5 L sin pérdidas, la concentración final será 20 g/L. El volumen se ha reducido cuatro veces y la concentración ha aumentado en la misma proporción. Es un balance ideal, útil para entender la operación, no una previsión de recuperación de un equipo.
En la práctica hay que medir la cantidad recuperada. Puede quedar producto en el circuito, pasar una fracción al permeado, adsorberse sobre superficies o cambiar alguno de sus atributos. Alcanzar el volumen final previsto no demuestra por sí solo que el balance de producto sea satisfactorio.
Diafiltración: intercambio de tampón
La diafiltración (DF, Diafiltration) utiliza la membrana para retirar sustancias permeables mientras se incorpora un líquido de sustitución. Una aplicación habitual es intercambiar un tampón por otro, manteniendo el producto en el retenido.
En diafiltración a volumen constante se añade tampón aproximadamente al mismo ritmo al que sale permeado. El volumen del retenido se mantiene, pero su composición cambia progresivamente. Si el producto está completamente retenido y no se pierde, su concentración también permanece aproximadamente constante durante esta etapa.
Por qué el cambio de tampón es progresivo
El tampón nuevo se mezcla con el líquido que ya está en el circuito. Por tanto, no basta con añadir un volumen equivalente al del lote para haber sustituido todo el tampón inicial. La eliminación depende del número de diavolúmenes y de la facilidad con la que cada sustancia atraviesa la membrana.
Un diavolumen corresponde a un volumen de tampón igual al volumen de retenido que se mantiene durante el intercambio. Así, si se diafiltran 0,5 L a volumen constante, cada 0,5 L de tampón añadido y permeado extraído representa un diavolumen.
También puede hacerse diafiltración mediante ciclos de dilución y concentración. La estrategia debe elegirse según el producto, el consumo de tampón y las posibilidades de control. La explicación cuantitativa de la diafiltración permite entender sus diferencias.
Ultrafiltración y diafiltración (UF/DF) en bioprocesos
Una secuencia frecuente consiste en concentrar el lote, intercambiar el tampón y ajustar después la concentración final. El orden y las condiciones no son iguales en todos los procesos.
Concentrar antes del intercambio reduce el volumen sobre el que se realiza la diafiltración. Sin embargo, si el producto se vuelve más viscoso o el flujo de permeado disminuye demasiado, esa decisión puede alargar la etapa. El objetivo es encontrar un equilibrio entre consumo de tampón, duración y conservación del producto.
La ultrafiltración (UF, Ultrafiltration) describe una separación mediante membranas adecuadas para retener determinadas macromoléculas. UF y DF aparecen a menudo juntas como UF/DF. TFF, en cambio, describe la disposición del flujo: también existen aplicaciones tangenciales con membranas de microfiltración.
TFF y filtración frontal: qué cambia
En filtración frontal, también denominada normal o dead-end, la alimentación se dirige hacia el medio filtrante y el material retenido se acumula en él. En TFF existe además una corriente que circula paralela a la superficie y sale del módulo como retenido.
| Aspecto | Filtración frontal | Filtración tangencial |
|---|---|---|
| Recorrido | La corriente se dirige a través del medio filtrante | La alimentación circula por un canal y se divide en permeado y retenido |
| Operaciones habituales | Clarificación, protección de etapas y filtración esterilizante con medios adecuados | Concentración, intercambio de tampón y otras separaciones por membrana |
| Material retenido | Se acumula en el medio filtrante | Puede permanecer en una corriente recuperable |
| Condiciones de diseño | Carga, capacidad del filtro y pérdida de carga | Separación, circulación, presión y gestión de ambas corrientes |
Las dos tecnologías pueden formar parte del mismo proceso. Una etapa TFF de concentración no sustituye automáticamente una filtración esterilizante. La elección depende de qué se necesita separar, dónde debe quedar el producto y qué requisitos debe cumplir la corriente obtenida.
Qué componentes forman un sistema TFF
El módulo contiene la membrana y los canales por los que circulan las corrientes. Puede adoptar formato de cassette o de fibra hueca. Su material, geometría y características de retención condicionan el comportamiento de la separación.
La bomba establece la circulación. El depósito recibe el retenido y permite gestionar el lote. Las válvulas modifican las resistencias del circuito y ayudan a controlar las presiones. La instrumentación aporta las medidas necesarias para regular la operación y comprobar su evolución.
Los tubos, conexiones y elementos de recogida completan el recorrido. Aunque puedan parecer accesorios, contribuyen al volumen interno, a las pérdidas de carga y a la facilidad de recuperación. La selección del sistema debe considerar cómo trabajan juntos estos componentes.
Aplicaciones farmacéuticas y biotecnológicas
En proteínas terapéuticas y anticuerpos, TFF se utiliza para ajustar concentración y composición entre etapas o al preparar el producto para operaciones posteriores. La selección debe tener en cuenta la estabilidad de la molécula en las condiciones de concentración y tampón previstas.
En vectores virales, importa conservar tanto la cantidad de material como los atributos que determinan su función. Los diferentes vectores no responden igual a las condiciones del circuito: la presencia de una envoltura lipídica, por ejemplo, cambia las estructuras que deben protegerse.
En nanopartículas lipídicas (LNP, Lipid Nanoparticles), incluidas formulaciones que transportan ARN mensajero, el cambio de tampón y la concentración deben evaluarse junto con la distribución de tamaño y la encapsulación. Para vacunas y partículas similares a virus, la integridad de la partícula también puede ser determinante.
Hay asimismo aplicaciones de filtración tangencial para lavado o concentración de células, con módulos y condiciones específicos. Que una tecnología sea aplicable a una modalidad no significa que cualquier equipo o membrana resulte adecuado para ella.
Por qué hay que estudiar el sistema completo
Una membrana puede retener bien el producto y, aun así, el proceso presentar una recuperación insuficiente. También puede obtenerse una concentración correcta sin haber conservado todos los atributos de calidad deseados.
Por eso la evaluación debe relacionar separación, condiciones de circulación, tiempo de proceso y recuperación final. La misma atención que se dedica a elegir la membrana debe aplicarse a definir qué se medirá antes, durante y después del ensayo.
Para llevar este enfoque a decisiones concretas, puede consultarse nuestra guía sobre bombas, control de presión y recuperación en el circuito TFF.
Evaluar una aplicación TFF con Tecno Products
Como ejemplo de equipo integrado, el sistema TFFi combina bombeo, regulación e instrumentación para operaciones de concentración y diafiltración con circuito single use.
Para una primera consulta, resulta útil conocer el producto, el volumen inicial y final, la concentración objetivo y el intercambio de tampón previsto. Con esos datos puede plantearse la selección del equipo y determinar qué condiciones necesitan evaluación experimental.
TFFi es un producto de Alphinity.