¿Qué es la filtración de flujo tangencial?
La filtración de flujo tangencial (TFF), también conocida como filtración de flujo cruzado, es un método de filtración en el que el líquido de alimentación fluye de forma paralela (tangencial) a la superficie de la membrana en lugar de atravesarla directamente.
En un sistema TFF, una bomba recircula continuamente la solución de alimentación a lo largo de la membrana. Una parte del líquido (que contiene moléculas más pequeñas y disolvente) atraviesa la membrana como permeado, mientras que las moléculas más grandes son retenidas y devueltas como retenido. El movimiento tangencial (lateral) del fluido genera un efecto de arrastre que ayuda a evitar la acumulación de partículas en la superficie de la membrana. Esto contrasta con la filtración convencional de “flujo frontal” o “dead-end”, donde el flujo es perpendicular y los sólidos se acumulan rápidamente formando una capa sobre el filtro.
¿Cómo funciona un sistema TFF?
Una diferencia de presión a través de la membrana (conocida como presión transmembrana o TMP) impulsa el paso del disolvente y los solutos pequeños a través de los poros de la membrana. Al mismo tiempo, el flujo tangencial de la solución de alimentación limpia continuamente la superficie de la membrana, lo que minimiza la obstrucción.
Las moléculas retenidas permanecen en el flujo y pueden recircularse para una filtración adicional. Este diseño mantiene un rendimiento de filtración más constante a lo largo del tiempo y permite continuar el proceso hasta alcanzar la concentración o separación deseada. En términos prácticos, la TFF puede manejar volúmenes mayores o soluciones más concentradas que un filtro de flujo normal comparable, ya que el movimiento tangencial reduce la obstrucción y mantiene el flujo (velocidad de paso a través de la membrana) durante más tiempo.
¿Cuál es la diferencia entre la filtración de flujo tangencial y la filtración de flujo normal?
La filtración de flujo normal (NFF), también llamada filtración directa o de flujo frontal, es el método tradicional en el que el fluido se empuja directamente a través de una membrana de filtración (de forma perpendicular). Todo el flujo se dirige hacia el interior de la membrana, por lo que cualquier partícula mayor que el tamaño de poro se acumula en la superficie del filtro, formando una capa de residuos (llamada "cake"). Con el tiempo, esta capa obstruye el filtro, reduciendo el flujo y la eficiencia. En otras palabras, la filtración de flujo normal es como verter un líquido directamente sobre un colador: el colador retiene los residuos, que pueden bloquear el paso rápidamente.
La filtración de flujo tangencial (TFF), en cambio, hace que el fluido se desplace a lo largo de la superficie de la membrana (de forma paralela), en lugar de atravesarla directamente. Solo una parte del fluido pasa a través de la membrana en cada momento; el resto fluye por encima de ella, arrastrando las partículas retenidas. Esta acción de flujo cruzado evita la formación de una capa gruesa de residuos y reduce significativamente la obstrucción. Como resultado, la TFF puede mantener una tasa de filtración más estable y prolongar la vida útil de la membrana. Además, permite un procesamiento continuo: se puede recircular el retenido e incluso realizar concentración y diafiltración en el mismo proceso (más adelante hablaremos sobre la diafiltración). En cambio, los filtros de flujo normal suelen necesitar ser reemplazados o limpiados cuando se obstruyen.
En resumen, la diferencia clave está en cómo se orienta el fluido con respecto a la membrana: la NFF (flujo frontal) empuja el fluido directamente a través de la membrana, siendo un sistema sencillo pero propenso a obstrucciones; mientras que la TFF (flujo cruzado) hace que el fluido fluya de forma paralela a la membrana, lo que reduce la obstrucción y permite una filtración más eficiente de biomoléculas. La TFF requiere generalmente un equipo más complejo (bomba, circuito de recirculación) que un filtro de un solo uso de flujo normal, pero ofrece un mejor rendimiento en muchas aplicaciones de bioprocesos.
Filtración de flujo normal
Filtración de flujo tangencial
¿Cuáles son los componentes principales de un sistema TFF?
Un sistema de filtración de flujo tangencial suele configurarse en unde circulación en bucle. Los componentes principales de un sistema TFF incluyen:
Depósito de alimentación: contiene la solución que se va a filtrar (por ejemplo, una cosecha de cultivo celular o una solución proteica). En laboratorios pequeños, puede ser un vaso o una bolsa; en sistemas más grandes, se utiliza un depósito de alimentación.
Bomba: impulsa la circulación de la solución de alimentación a través del sistema. Generalmente se utiliza una bomba peristáltica o de diafragma para mover el líquido a un caudal controlado a lo largo del módulo de membrana.
Módulo de membrana TFF: es la unidad de filtración donde se produce la separación. Puede ser una casete (con membranas planas montadas en un soporte) o un cartucho de fibra hueca (formado por un conjunto de pequeñas membranas tubulares), que explicaremos en detalle más adelante. El módulo cuenta con una entrada para la alimentación, una salida para el retenido (la parte que no atraviesa la membrana) y una salida para el permeado (para el fluido filtrado que sí pasa a través de la membrana).
Control y monitorización de presión: se instalan manómetros o sensores en la entrada y salida del módulo de membrana para supervisar la caída de presión y la presión transmembrana (TMP). Suele colocarse una válvula en la línea del retenido para regular la contrapresión, lo que a su vez permite controlar la TMP. Mantener una presión adecuada es fundamental: si es demasiado baja, la filtración será lenta; si es demasiado alta, puede dañar la membrana o el producto.
Circuito de retenido: el retenido (fluido concentrado que sale del módulo de membrana sin atravesarlo) se recircula al depósito de alimentación para continuar con la filtración o se desecha si el proceso es continuo. En un proceso TFF discontinuo de circuito cerrado, el retenido vuelve continuamente al depósito de alimentación, aumentando progresivamente su concentración con cada ciclo.
Recogida del permeado: el permeado (el líquido filtrado que ha atravesado la membrana) se recoge en un recipiente aparte. Esta fracción contiene las moléculas pequeñas o disolventes que han pasado a través de la membrana. En muchos casos, el permeado se considera un residuo (por ejemplo, agua o sales eliminadas durante una concentración), pero en algunas aplicaciones, el permeado es el producto deseado (como ocurre al filtrar células para recoger un virus o una proteína lo suficientemente pequeña como para atravesar la membrana).
Caudal: la bomba extrae la solución del depósito y la impulsa hacia el módulo de membrana TFF. Dentro del módulo, la alimentación fluye a lo largo de la superficie de la membrana. Gracias a la presión, una parte del líquido atraviesa la membrana como permeado. El resto (el retenido) arrastra las moléculas más grandes que han sido retenidas y sale del módulo. Este retenido se recircula de nuevo al depósito para otro ciclo o se desecha si el proceso es continuo. Ajustando el caudal y la contrapresión del retenido, los operadores controlan la velocidad de filtración y el grado de concentración. El proceso continúa hasta que se filtra el volumen deseado o se alcanza la concentración objetivo. Durante todo el proceso, el flujo cruzado minimiza la obstrucción de la membrana al enjuagar continuamente su superficie.
¿Cuáles son los principales tipos de equipos TFF?
Los sistemas TFF están disponibles en varias configuraciones de hardware, diferenciándose principalmente por el tipo de módulo de membrana que utilizan. Los dos formatos más comunes de módulos TFF son las casetes de membrana plana y los módulos de fibra hueca. Cada tipo tiene un diseño propio y está pensado para cubrir distintas necesidades.
¿Qué es un filtro de casete TFF?
Un filtro de casete TFF (también llamada casete de lámina plana) es un módulo que contiene hojas de membrana planas apiladas dentro de un soporte (estructura). Cada hoja está separada por mallas espaciadoras que crean canales de flujo paralelos. Una vez ensamblada, la casete dispone de una entrada y una salida para el flujo de alimentación/retenido a lo largo de la superficie de la membrana, así como de puertos para la recogida del permeado. Su diseño obliga al fluido a pasar por canales estrechos, generando un flujo turbulento sobre la membrana. Esta turbulencia mejora la mezcla en la superficie y ayuda a prevenir la polarización y la obstrucción de la membrana.
Los filtros casete TFF suelen ofrecer un alto flujo de filtración (flujo por unidad de área) y permiten disponer de una gran superficie de membrana al apilar varias hojas. Se utilizan con frecuencia en procesos que requieren un alto rendimiento. Sin embargo, los sistemas con casetes planos pueden someter al fluido a mayores fuerzas de cizalla (debido a la turbulencia y al bombeo) en comparación con otros formatos. Funcionan bien con proteínas robustas o partículas víricas que toleran bien la cizalla; por ejemplo, los virus no envueltos como el virus adenoasociado (AAV) se benefician del alto flujo de las casetes planas y no son especialmente sensibles al estrés mecánico. Los módulos de casete suelen requerir una carcasa o soporte que mantenga la casete en su lugar y garantice la estanqueidad de los canales de flujo, lo que añade complejidad a la instalación del equipo.
¿Qué es un filtro TFF de fibra hueca?
Un módulo de fibra hueca contiene decenas o cientos de capilares de fibra hueca (pueden imaginarse como pajitas muy finas) agrupados en un solo cartucho. El interior de cada fibra actúa como una membrana tubular. La solución de alimentación se bombea a través del interior de estas fibras (el lumen). Las paredes de la membrana permiten que el permeado pase hacia el exterior de las fibras, mientras que el retenido continúa por el lumen y sale por los extremos de las fibras. Los módulos TFF de fibra hueca tienen un formato de cartucho autónomo, que suele presentarse como un cilindro con conexiones para la alimentación/retenido y el permeado. El flujo en las fibras huecas tiende a ser más laminar (suave), ya que los canales son estrechos y no hay mallas espaciadoras que generen turbulencia. Esto hace que los sistemas de fibra hueca trabajen con menor esfuerzo de cizalla, lo que los convierte en una opción más suave para productos sensibles, como proteínas frágiles, células o virus envueltos (por ejemplo, lentivirus).
Los módulos TFF de fibra hueca suelen tener una alta relación superficie-volumen, lo que significa que pueden ofrecer una gran área de membrana en un formato compacto. Están disponibles en una amplia variedad de tamaños, desde cartuchos para laboratorio hasta módulos industriales de gran capacidad, y no requieren una carcasa adicional: basta con conectar el cartucho. Suelen ser más fáciles de instalar y reemplazar. Otra ventaja es que muchos módulos de fibra hueca pueden limpiarse mediante retrolavado o backflush para eliminar obstrucciones, ya que las fibras actúan como una estructura autoportante. Como inconveniente, estos módulos generan una menor turbulencia en el flujo, lo que puede provocar cierta polarización por concentración (acumulación de solutos en la superficie de la membrana) si no se controla, reduciendo con el tiempo el flujo. Además, pueden ser menos tolerantes a presiones de alimentación muy elevadas. Aun así, para aplicaciones que requieren un tratamiento suave —como el procesamiento de moléculas sensibles a la cizalla o células—, la TFF con fibra hueca es una opción ideal.
Tanto los sistemas de casete como los de fibra hueca se utilizan ampliamente. De hecho, las casetes de lámina plana y las fibras huecas son los formatos de TFF preferidos en la mayoría de entornos de laboratorio y producción. Algunas aplicaciones muy específicas (como ciertas filtraciones a gran escala de agua o plasma) emplean membranas enrolladas en espiral o membranas cerámicas, aunque estas son mucho menos comunes en los procesos de TFF del sector biofarmacéutico. Para la mayoría de los usuarios, la elección se reduce a casete o fibra hueca, una decisión que abordaremos en una sección posterior.
¿Qué es una membrana TFF y cómo funciona?
La membrana TFF es el componente central de cualquier sistema de filtración de flujo tangencial. Se trata de una barrera delgada y semipermeable que permite el paso de determinadas moléculas mientras bloquea otras en función de su tamaño (y, en algunos casos, también de su carga u otras propiedades). En la práctica, las membranas TFF se clasifican principalmente por su tamaño de poro o por su umbral de corte de peso molecular (MWCO, por sus siglas en inglés). Por ejemplo, una membrana puede tener una clasificación de 0,2 µm para microfiltración o de 30 kDa para ultrafiltración. Esta clasificación indica el tamaño de las partículas o moléculas que serán retenidas: las moléculas más pequeñas que ese umbral pasarán al permeado, mientras que las más grandes quedarán retenidas en el retenido.
En un sistema TFF, la función de la membrana es realizar la separación:
Las membranas de microfiltración (con tamaños de poro de aproximadamente 0,1 a 0,45 µm) se utilizan para separar células o residuos grandes de los líquidos, por ejemplo, en la recolección de células o la clarificación de lisados. Permiten el paso de fluidos y partículas muy pequeñas, pero retienen células enteras, agregados celulares y la mayoría de bacterias.
Las membranas de ultrafiltración (con un MWCO en el rango de 1 a 1000 kDa, lo que equivale aproximadamente a poros a escala nanométrica) se utilizan para separar o concentrar proteínas, virus, ADN y otras macromoléculas. Son especialmente útiles para concentrar proteínas terapéuticas o virus, ya que retienen esas biomoléculas grandes mientras que el agua, las sales y las impurezas más pequeñas atraviesan la membrana.
Las membranas de nanofiltración tienen un MWCO que suele oscilar entre 200 y 1000 Da, situándose entre la ultrafiltración y la ósmosis inversa en términos de selectividad. Estas membranas se utilizan para eliminar pequeñas moléculas orgánicas, sales divalentes y disolventes residuales, permitiendo al mismo tiempo el paso de la mayoría de sales monovalentes y del agua. En biotecnología, la nanofiltración se emplea con frecuencia para el intercambio de tampones, la concentración de pequeños péptidos o la eliminación de endotoxinas y antibióticos de las corrientes de proceso, en situaciones donde la ultrafiltración no ofrece la selectividad suficiente.
Cuando el sistema TFF está en marcha, la membrana permite que el disolvente (por ejemplo, agua) y cualquier sal disuelta o molécula pequeña se filtren hacia el lado del permeado. Mientras tanto, el producto valioso (como una proteína o un vector vírico, si es mayor que el corte de la membrana) se retiene y circula continuamente por el lado de alimentación/retorno. Con el tiempo, el producto se concentra más en el bucle de retentado a medida que se elimina el permeado. Si el objetivo es la purificación, la membrana garantiza la separación de los contaminantes de un tamaño determinado.
Las membranas están fabricadas con diversos materiales como polisulfona (PES), celulosa regenerada o PVDF, seleccionados por su compatibilidad con el producto y con los agentes de limpieza. Normalmente se presentan en los formatos ya descritos: casete o fibra hueca. Una membrana bien seleccionada ofrece un alto rendimiento del producto (minimizando la adsorción o el paso no deseado del compuesto objetivo) y baja propensión a la obstrucción. La integridad de la membrana y la uniformidad del tamaño de poro son aspectos críticos; por ello, los operadores suelen realizar una prueba de integridad antes de su uso para asegurarse de que no haya fugas.
En resumen, una membrana TFF actúa como un tamiz selectivo: permite el paso del disolvente y de los componentes más pequeños, mientras retiene las biomoléculas de mayor tamaño. Al hacer circular el fluido de forma tangencial y controlar la presión, los sistemas TFF utilizan estas membranas para lograr una separación eficiente sin obstrucciones. La correcta elección de la membrana (en cuanto a tamaño de poro y material) es fundamental para el éxito del proceso de filtración.
| Tipo de membrana | MWCO / tamaño de poro típico | Aplicaciones clave | Características principales |
|---|---|---|---|
| Microfiltración | ~0,1-0,45 µm | Recogida de células, clarificación de lisados, eliminación de bacterias | Retiene células y residuos de gran tamaño; permite el paso de fluidos y partículas pequeñas |
| Ultrafiltración | 1-1000 kDa (poros a escala nanométrica) | Concentración de proteínas, purificación de virus, separación de ADN | Retiene grandes biomoléculas (proteínas, virus); elimina sales, agua y pequeños solutos |
| Ultrafiltración | ~200-1000 Da | Intercambio de tampones, concentración de péptidos pequeños, eliminación de endotoxinas o disolventes | Elimina pequeños orgánicos y sales divalentes; permite el paso de agua y sales monovalentes |
¿Cuáles son las principales ventajas de la filtración de flujo tangencial?
Reducción de la obstrucción: gracias al diseño de flujo tangencial, la TFF reduce significativamente la obstrucción de los filtros. La acción continua de arrastre del fluido sobre la superficie de la membrana evita la formación de una capa gruesa de residuos, lo que prolonga la vida útil de la membrana y mantiene tasas de flujo más elevadas.
Versatilidad del proceso (concentración y diafiltración): la TFF permite concentrar un producto y, además, realizar diafiltración (intercambio de tampón) en el mismo sistema, incluso de forma simultánea si se desea. Esto resulta muy útil en los flujos de trabajo biofarmacéuticos, por ejemplo, para concentrar una proteína y luego eliminar impurezas mediante un tampón en un único proceso integrado.
Alto rendimiento del producto: la TFF es una técnica suave para muchas biomoléculas. La posibilidad de recircular el retenido evita la pérdida de producto en una “torta” de filtración desechada; en su lugar, las moléculas valiosas permanecen en solución. Tanto el retenido como el permeado pueden recuperarse según convenga, y en muchos casos las membranas pueden enjuagarse para recuperar producto adicional. Todo ello se traduce en un rendimiento elevado y una recuperación eficiente del producto.
Escalabilidad: los parámetros de la TFF (como la velocidad de flujo cruzado y la presión transmembrana) pueden mantenerse constantes desde la escala de laboratorio hasta la de producción, lo que facilita el escalado del proceso. Los sistemas TFF pequeños (de unos pocos mililitros) funcionan con los mismos principios que los sistemas industriales (de cientos de litros), por lo que los procesos desarrollados en banco pueden escalarse a volúmenes industriales con un rendimiento predecible.
Reutilización y eficiencia de costes: muchas membranas TFF pueden limpiarse in situ (CIP) y reutilizarse en múltiples lotes. Aunque el coste inicial de un sistema TFF es más alto que el de los filtros de un solo uso, la posibilidad de reutilizar las membranas y procesar grandes volúmenes reduce el coste por volumen tratado a largo plazo. Además, los sistemas TFF modernos suelen estar automatizados, lo que mejora la consistencia del proceso y reduce la necesidad de intervención manual.
¿Cuáles son los inconvenientes de la filtración tangencial?
Mayor complejidad del equipo: un sistema TFF es más complejo que una unidad de filtración simple. Requiere bombas, controles de presión y, a menudo, un depósito de recirculación. Esto implica una mayor cantidad de instrumentación y mantenimiento. Para necesidades a muy pequeña escala, puede resultar más práctico utilizar un filtro de jeringa o un filtro de flujo normal.
Estrés por cizalla sobre el producto: el flujo cruzado y el bombeo pueden exponer el producto a fuerzas de cizalla. Los materiales sensibles, como algunas enzimas, terapias celulares o virus con envolturas frágiles, podrían dañarse si el sistema TFF no se configura con suavidad. Aunque los módulos de fibra hueca reducen este efecto, las casetes de lámina plana pueden ser menos delicadas con el producto. Un control cuidadoso de las velocidades de flujo suele ser suficiente para evitarlo, pero es un factor a tener en cuenta.
Necesidad de prefiltración para partículas: si el flujo de alimentación contiene muchas partículas grandes o es muy viscosa, la TFF puede seguir presentando problemas de obstrucción o caídas de presión. Por ejemplo, una cosecha de cultivo celular puede requerir un prefiltro (como un filtro de profundidad) para eliminar agrupaciones celulares antes de la ultrafiltración TFF. Las membranas TFF tienen una baja tolerancia a cargas elevadas de sólidos: pueden manejar cierta cantidad de sólidos en suspensión, pero un exceso de residuos acabará obstruyendo los canales de flujo.
Volumen de retención del producto: el bucle de recirculación en la TFF requiere un volumen mínimo para mantener el sistema en funcionamiento (especialmente en los módulos de fibra hueca, que tienen un volumen interno propio). Esto puede hacer que una pequeña parte del producto quede atrapada en el sistema al final del proceso (volumen retenido). En productos de muy alto valor y a pequeña escala, esta pérdida puede ser significativa, por lo que podrían considerarse métodos alternativos.
Optimización operativa: la TFF implica varios parámetros que deben ajustarse, como el caudal, la presión o la elección de la membrana. Determinar las condiciones óptimas puede requerir un cierto trabajo de desarrollo. En cambio, un filtro de flujo normal de un solo uso funciona o se obstruye, por lo que es más sencillo de diagnosticar. Con la TFF, si el rendimiento no es el esperado, los operadores pueden necesitar ajustar condiciones (por ejemplo, aumentar la velocidad de flujo cruzado o reducir la TMP) para mejorar el flujo o el rendimiento. Esta curva de aprendizaje representa una pequeña desventaja del uso de la tecnología TFF.
¿Cuáles son las aplicaciones típicas de la TFF?
La filtración de flujo tangencial se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones en los sectores biofarmacéutico, biotecnológico e incluso en las industrias alimentaria y medioambiental. En los bioprocesos, la TFF es una técnica habitual en cualquier etapa que implique concentrar un producto, intercambiar tampones o clarificar soluciones en función del tamaño. Algunas aplicaciones típicas son:
Purificación y concentración de virus: la TFF se utiliza habitualmente para concentrar partículas virales (destinadas a vacunas o vectores para terapias génicas) y separar los virus de impurezas más pequeñas. Por ejemplo, un cultivo que contiene virus puede filtrarse tangencialmente usando una membrana de ultrafiltración que retiene el virus (que puede tener un tamaño de unos 100 nm), mientras permite el paso del medio, restos celulares y otros contaminantes pequeños. La filtración de virus mediante TFF es más suave que la centrifugación a alta velocidad y puede aplicarse a gran escala para obtener un título viral elevado.
Aislamiento de exosomas: los exosomas son vesículas de tamaño nanométrico que se purifican habitualmente a partir de medios de cultivo celular o fluidos biológicos, tanto para investigación como para uso terapéutico. La TFF (normalmente con un módulo de fibra hueca) es una forma eficaz de aislar y concentrar exosomas. El flujo tangencial permite separar los exosomas (que suelen medir entre 50 y 150 nm) tanto de vesículas o células más grandes (que quedan retenidas) como de proteínas pequeñas o disolventes (que atraviesan la membrana).
Concentración de proteínas e intercambio de tampón: probablemente el uso más clásico de la TFF sea la ultrafiltración/diafiltración (UF/DF) de proteínas como anticuerpos monoclonales, enzimas u otros medicamentos biológicos. Tras las etapas iniciales de purificación, las proteínas suelen encontrarse en un gran volumen de solución diluida. La TFF permite concentrar la proteína hasta el nivel deseado (ultrafiltración) y, de forma simultánea o posterior, realizar el intercambio de tampón (diafiltración) para introducir la proteína en la solución final requerida. Este proceso se realiza habitualmente en la fabricación de anticuerpos, por ejemplo, para concentrar la sustancia activa y eliminar disolventes o sales.
Recolección y clarificación de células: la TFF con membranas de microfiltración se utiliza para recolectar células o clarificar lisados celulares. En una cosecha celular, un sistema TFF de microfiltración puede separar las células del medio de cultivo: las células quedan retenidas en el retenido, mientras que el medio clarificado (permeado) atraviesa la membrana. Esto es especialmente útil en biorreactores de perfusión y procesos de fermentación donde las células deben eliminarse o recuperarse de forma continua. Del mismo modo, tras la lisis celular (ruptura de las células para liberar proteínas), la TFF puede separar los restos celulares de la solución que contiene la proteína de interés, en un proceso conocido como clarificación de lisado.
Fraccionamiento de biomoléculas: la TFF puede utilizarse para fraccionar mezclas por tamaño. Por ejemplo, se puede realizar una TFF en el que el corte de la membrana esté entre el tamaño de dos proteínas, una proteína pasa al permeado y la más grande se retiene. Este tipo de separación por tamaño (la ultrafiltración como alternativa a la cromatografía de exclusión por tamaño en algunos casos) es una aplicación para determinados procesos.
Otros usos: los sistemas de flujo tangencial también se utilizan en terapias génicas (procesamiento de ADN plasmídico y vectores virales), terapias celulares (lavado y concentración de células en condiciones suaves), vacunas (concentración de antígenos o partículas similares a virus), procesamiento de plasma sanguíneo e incluso en industrias como la alimentaria y de bebidas (por ejemplo, para clarificar zumos o en procesos de elaboración de cerveza). En particular, la industria farmacéutica depende de la TFF en muchas etapas de purificación downstream para una amplia variedad de productos.
En resumen, siempre que un proceso requiera separar o concentrar material biológico según su tamaño, manteniendo su funcionalidad, la filtración de flujo tangencial es una de las opciones preferidas. Desde la escala de laboratorio (con unos pocos mililitros de solución enzimática) hasta la escala industrial (con cientos de litros de caldo vacunal), los sistemas TFF se emplean para alcanzar estos objetivos de forma eficiente.
¿Cuál es la diferencia entre la TFF y la filtración de flujo cruzado?
No hay ninguna diferencia fundamental, la filtración de flujo tangencial es lo mismo que la filtración de flujo cruzado. Ambos términos se utilizan de forma intercambiable en la industria. “Tangencial” y “cruzado” describen el mismo principio: el flujo del líquido circula en paralelo a la superficie de la membrana. De hecho, la TFF suele definirse como “filtración de flujo tangencial, también conocida como flujo cruzado”. Ambos conceptos se refieren exactamente al mismo método de filtración.
Para evitar confusiones:
La filtración de flujo tangencial (TFF) es el término más utilizado en los procesos biofarmacéuticos y en la literatura.
La filtración de flujo cruzado (CFF) es un término más amplio que puede utilizarse en varios contextos (incluido el tratamiento del agua, etc.), pero significa el mismo concepto.
Si te encuentras con el término “ultrafiltración de flujo cruzado” en un texto, se está haciendo referencia a un proceso de ultrafiltración mediante TFF. En muchas publicaciones (e incluso en nombres de productos), verás que se usan ambos términos juntos, como por ejemplo “sistema TFF de flujo cruzado”. Por tanto, la “diferencia” es únicamente terminológica. Ambos conceptos describen el mismo principio: hacer fluir el líquido de forma tangencial a lo largo de la membrana para evitar la obstrucción, a diferencia de la filtración de flujo normal (dead-end).
En resumen: TFF = filtración de flujo cruzado. No hay ninguna diferencia operativa; si entiendes cómo funciona la TFF, entiendes la filtración de flujo cruzado. (Por completar: también puede aparecer el término “TFF de flujo cruzado” para recalcar el enfoque tangencial, pero, una vez más, se trata exactamente del mismo proceso).
¿Cuál es la diferencia entre la ultrafiltración y la diafiltración?
La filtración de flujo tangencial puede funcionar principalmente en dos modos: ultrafiltración (UF) y diafiltración (DF). A menudo, un mismo proceso de TFF incluye ambas etapas de forma secuencial. A continuación, se explica en qué se diferencian:
Ultrafiltración (concentración): la ultrafiltración consiste en utilizar la TFF para concentrar una solución. En este modo, el sistema TFF elimina una parte del disolvente (permeado), mientras se retiene el soluto de interés en el retenido. El volumen del retenido disminuye con el tiempo y el producto objetivo se va concentrando. Por ejemplo, si se parte de 10 litros de una proteína a 1 g/L, la ultrafiltración podría concentrarla a 1 litro a 10 g/L eliminando 9 litros de agua a través de la membrana. Durante la UF, normalmente no se añade nuevo tampón a la alimentación; simplemente se deja que el volumen se reduzca. La ultrafiltración se basa en retener las moléculas grandes y eliminar agua e impurezas pequeñas para lograr una mayor concentración del producto.
Diafiltración (intercambio de tampón): la diafiltración es un proceso en el que se eliminan moléculas pequeñas (como sales o disolventes) y se sustituye el tampón de la solución, manteniendo el volumen (y la concentración del producto) relativamente constante. En la diafiltración, se añade tampón o agua al retenido a la misma velocidad a la que se elimina el permeado. De este modo, aunque se sigan filtrando solutos pequeños, el volumen en el depósito del retenido no disminuye drásticamente, ya que se repone continuamente. La diafiltración suele realizarse después de una etapa de ultrafiltración; por ejemplo, una vez concentrada la proteína, se puede añadir un nuevo tampón y continuar filtrando para eliminar las sales o cambiar el medio (por ejemplo, si la proteína estaba en un medio de cultivo y se quiere pasar a un tampón de formulación). Lo esencial de la diafiltración es el intercambio, no la concentración. A lo largo del proceso, las moléculas pequeñas no deseadas se eliminan por el permeado y son reemplazadas por el nuevo tampón añadido. Al final de la diafiltración, el producto conserva aproximadamente la misma concentración, pero el medio en el que se encuentra ha cambiado (por ejemplo, ha sido desalinizado o transferido a otro tampón).
En la práctica, la ultrafiltración y la diafiltración suelen ir de la mano. Los protocolos suelen utilizar sistemas “UF/DF”, es decir, primero se realiza una ultrafiltración (UF) para concentrar, y luego una diafiltración (DF) para intercambiar el tampón o purificar aún más. Algunos sistemas modernos incluso permiten realizar diafiltración en una sola pasada, en la que se añade continuamente tampón para que la concentración y la diafiltración se produzcan simultáneamente en una sola pasada. Pero a nivel conceptual, conviene recordar la diferencia:
ultrafiltración = concentración (reducción de volumen),
diafiltración = intercambio de tampón (lavado manteniendo el volumen).
¿Cómo elegir el equipo de filtración de flujo tangencial adecuado?
Seleccionar el sistema TFF y la membrana adecuados para su aplicación es muy importante si quieres obtener buenos resultados. A continuación, se presentan algunas consideraciones y recomendaciones que pueden ayudarte en la selección:
1.Define tu objetivo de filtración: comienza identificando qué necesitas lograr. ¿Es concentrar un producto, realizar diafiltración para un intercambio de tampón o clarificar una corriente de alimentación? Tu objetivo determinará el tipo de membrana (porosidad o MWCO) y el formato adecuado. Por ejemplo, para concentrar una proteína de aproximadamente 50 kDa, podrías elegir una membrana de ultrafiltración de 30 kDa. Para clarificar un cultivo celular, necesitarías una membrana de microfiltración de 0,2 µm.
2. Conoce tu producto y su sensibilidad: ten en cuenta la naturaleza del producto que vas a filtrar. Las moléculas delicadas o sensibles a la cizalla (como ciertas enzimas, vectores virales o células vivas) se benefician de una configuración de TFF más suave; en estos casos, un módulo de fibra hueca suele ser la mejor opción por su menor estrés mecánico. Si tu producto es más robusto (por ejemplo, un anticuerpo estable o un virus resistente), una casete de lámina plana con mayor flujo puede ser una excelente elección. Además, si el producto tiende a obstruir la membrana (por ser pegajoso o propenso a agregarse), conviene elegir materiales como la celulosa regenerada, que presentan menor adsorción no específica.
3. Considere el volumen de alimentación y la escala: El volumen de material que necesita procesar es un factor importante. Para volúmenes pequeños (de unos pocos mililitros a litros), puede utilizar pequeñas cápsulas TFF o cartuchos que integren una membrana (algunos fabricantes ofrecen diminutos casetes de lámina plana o unidades de fibra hueca del tamaño de una jeringa). Para grandes volúmenes (de decenas a miles de litros), existen pilas de casetes más grandes o patines industriales de fibra hueca. En general, los casetes de láminas planas destacan en el procesamiento a gran escala pueden apilarse para aumentar fácilmente la superficie de la membrana. Las fibras huecas también son escalables (se pueden agrupar varios cartuchos en paralelo), pero los procesos farmacéuticos a gran escala suelen utilizar casetes. Asegúrese de que el sistema que elija pueda ampliarse: los sistemas TFF a escala de laboratorio de los principales proveedores suelen tener una geometría similar a la de sus homólogos a escala de producción, lo que facilita la ampliación. Si prevé que necesitará ampliar la escala, elija una tecnología que exista en el rango de tamaño que necesitará más adelante (por ejemplo, no utilice un formato de membrana especializado que no esté disponible en tamaño de producción GMP)
4. Características del alimento – sólidos y viscosidad: si tu muestra es viscosa o contiene muchas partículas, es importante elegir bien la configuración. Las fibras huecas suelen tolerar mejor cierta cantidad de partículas, ya que permiten retrolavado y tienen canales de flujo algo más amplios, aunque también pueden obstruirse si se sobrecargan. Los casete de lámina planas tienen canales más estrechos y tienden a ensuciarse más rápido con altos niveles de sólidos. En casos extremos (como soluciones muy cargadas o con pH muy agresivo), podrían considerarse membranas cerámicas por su alta resistencia, aunque se usan sobre todo en aplicaciones muy específicas. Para la mayoría de usos en biotecnología, si la alimentación contiene muchas impurezas, se recomienda un paso de prefiltración, independientemente del tipo de TFF. Si la solución es muy viscosa, necesitarás una bomba potente y puede convenirte un formato que tolere presiones más altas (las casetes suelen soportar más presión que las fibras huecas de pequeño diámetro, aunque esto puede variar según el modelo).
5. Tamaño de poro de la membrana (MWCO): elige un umbral de corte de peso molecular (MWCO) que retenga tu producto objetivo y permita el paso de los componentes no deseados. Como regla general, se recomienda seleccionar un MWCO que sea de 2 a 3 veces menor que el tamaño molecular de tu producto para asegurar una alta retención. Por ejemplo, para retener una proteína de 100 kDa, podría utilizarse una membrana de 50 kDa para evitar pérdidas. Si vas a realizar diafiltración, asegúrate de que el corte también permita eliminar las moléculas pequeñas que deseas eliminar (como las sales, que tienen solo unos pocos Daltons, por lo que cualquier membrana de ultrafiltración las retira). En trabajos con virus (que son mucho más grandes que las proteínas), se suelen utilizar membranas clasificadas por tamaño en micras, por ejemplo, de 0,05 µm.
6. Compatibilidad de materiales y reutilización: ten en cuenta qué tipo de limpieza o esterilización vas a necesitar. Si planeas reutilizar las membranas, asegúrate de que sean compatibles con los agentes de limpieza que vayas a usar (por ejemplo, hidróxido de sodio o ácidos) y que puedan ser higienizadas. Algunas membranas, como ciertas casetes de polisulfona (PES), pueden reutilizarse muchas veces si se mantienen correctamente, mientras que algunos módulos de fibra hueca están diseñados para un solo uso. Si necesitas una solución TFF de un solo uso (para evitar validaciones de limpieza), existen módulos tipo cápsula en el mercado; su capacidad puede ser más limitada, pero resultan muy prácticos.
7. Controles del sistema e instrumentación: para necesidades sencillas (pequeña escala o procesos no críticos), puede bastar con un sistema TFF básico de laboratorio, con válvulas manuales y una bomba. En aplicaciones más avanzadas (especialmente en entornos de producción), se suelen requerir sistemas TFF automatizados con sensores de presión, básculas para recoger el permeado, monitores UV para medir la concentración del producto, entre otros. Al elegir el equipo, asegúrate de que incluya las funciones de control que necesitas. Por ejemplo, si necesitas controlar con precisión el volumen de diafiltración, es muy útil disponer de un sistema con bomba automatizada para añadir tampón y una célula de carga para monitorizar el volumen.
8. Consultar datos de aplicación: A menudo resulta útil consultar las notas de aplicación del proveedor o los estudios de casos de procesos similares. Por ejemplo, si está filtrando exosomas, es posible que descubra que muchos grupos utilizan con éxito un determinado tipo de módulo de fibra hueca para ese fin, lo que es un buen indicio de lo que debe elegir. Los proveedores suelen ofrecer orientación sobre el uso de casetes o de fibra hueca para determinadas aplicaciones.
9. Consideraciones económicas y prácticas: ten en cuenta el coste y la infraestructura disponible. Las casetes requieren soportes (lo que supone un coste adicional) y suelen tener un precio inicial más alto, aunque pueden durar más y adaptarse mejor a procesos a gran escala. Los cartuchos de fibra hueca pueden ser más económicos por unidad y más fáciles de instalar y reemplazar. Si necesitas cambiar las membranas con frecuencia o buscas una solución desechable, las fibras huecas o las casetes tipo cápsula de pequeño formato pueden ser más prácticas. También es importante considerar los plazos de entrega: algunos tipos de membrana, especialmente los más específicos, pueden tener tiempos de suministro más largos.
En resumen, elegir un sistema de TFF consiste en adaptar el tipo de módulo (casete o fibra hueca) y las propiedades de la membrana a las necesidades de tu producto y a la escala del proceso. Si necesitas un tratamiento suave y comodidad, la TFF con fibra hueca puede ser la opción más adecuada. Si buscas un alto rendimiento y trabajas con biomoléculas robustas, un sistema TFF basado en casete podría ser lo más conveniente. Ten siempre en cuenta el tamaño y la sensibilidad de tu producto, el volumen que vas a procesar y cómo piensas integrar la etapa de TFF en tu flujo de trabajo general. En caso de duda, realiza ensayos a pequeña escala con distintos tipos de membrana; esto te ayudará a tomar una decisión informada antes de comprometerte con el sistema a escala completa.
Conclusión
La filtración de flujo tangencial (TFF) es mucho más que un método para separar fluidos: es una tecnología clave en biotecnología, biofarma y ciencias de la vida. Su capacidad para procesar biomoléculas delicadas de forma eficiente, concentrar productos valiosos e intercambiar tampones la convierte en una herramienta indispensable, desde los laboratorios de investigación hasta la fabricación a escala industrial.
Ya sea que estés purificando exosomas, concentrando proteínas terapéuticas, cosechando células o preparando vectores virales para terapia génica, comprender cómo funcionan los sistemas de TFF y elegir correctamente la membrana y el módulo puede mejorar significativamente el rendimiento, la reproducibilidad y la calidad del producto.
En comparación con la filtración tradicional de flujo normal, la TFF ofrece menor obstrucción, mayor capacidad de procesamiento y mejor escalabilidad. Elegir entre casetes de lámina plana o módulos de fibra hueca, seleccionar el tamaño de poro adecuado de la membrana y configurar el sistema según la sensibilidad y la escala de tu proceso son pasos clave para una implementación exitosa.
A medida que crece la demanda de biológicos y terapias basadas en células, dominar la filtración de flujo tangencial se vuelve esencial para quienes trabajan en biotecnología o biofarma. Esta guía ha buscado responder a las preguntas más relevantes y ofrecer un punto de partida claro para explorar, seleccionar y optimizar sistemas de TFF según tus necesidades específicas.
Preguntas Frecuentes (FAQ)
La TFF es un método de filtración con membrana en el que el líquido fluye de forma tangencial sobre la membrana, permitiendo el paso de moléculas más pequeñas mientras retiene las más grandes.
La filtración normal fuerza el líquido a pasar directamente a través de la membrana, lo que suele obstruirla, mientras que la TFF fluye en paralelo a la membrana, reduciendo la obstrucción y permitiendo una filtración continua.
Un sistema TFF utiliza una bomba para hacer circular el fluido a través de una membrana; las partículas más pequeñas pasan (permeado) y las moléculas grandes se retienen (retenido) y se recirculan.
La TFF se utiliza para la concentración de proteínas, purificación de virus, aislamiento de exosomas, intercambio de tampones y recolección de células en procesos biotecnológicos y farmacéuticos.
La ultrafiltración concentra el producto eliminando el disolvente; la diafiltración elimina moléculas pequeñas añadiendo tampón mientras se mantiene el volumen.
Referencias
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