Трубки для биопроцессов

Трубка — самый недооценённый полимерный контакт в биопроцессе. С жидкостью соприкасается всё её содержимое, а через стенку пересекается изрядное: кислород и углекислый газ проходят насквозь, пары воды уходят наружу, гидрофобные молекулы перераспределяются в материал, и сам материал осыпается в продукт. Физика каждого направления хорошо известна; инженерия состоит в выборе того, какое направление терпеть.

Проницаемость — структурное свойство

Силикон — каучукоподобный полимер с очень подвижной основной цепью и большим свободным объёмом между цепями, и мелкие неполярные молекулы диффундируют сквозь эту сеть безо всяких пор. Кислород и углекислый газ проходят легко — этим намеренно пользуются там, где нужен газообмен через стенку, — и столь же постепенно уходит водяной пар, отчего жидкость, простоявшая в силиконовых магистралях недели, слегка концентрируется. Летучие растворённые вещества уходят вместе с водой. Распространённые термопластичные альтернативы проницаемы на порядки меньше, так что выбор материала трубки — это буквально выбор проницаемости: силикон там, где стенка обязана дышать, термопластичный эластомер там, где она обязана молчать. Материала, который делает и то и другое, не существует.

Сорбция: потеря, которой не видно

Та же каучуковая гидрофобная сеть растворяет в себе гидрофобные растворённые вещества. Неионогенные поверхностно-активные вещества — полисорбаты, защищающие белки и клетки от межфазного стресса, — распределяются в стенку трубки на протяжении всего прогона, и их концентрация падает без всяких видимых перемен. Гидрофобные витамины, отдушки и действующие вещества идут тем же путём. Трафик идёт и в обратную сторону: олигомеры силоксана выходят из силикона в жидкость и оседают на продукте или на расположенных ниже по потоку поверхностях. Сорбция хуже всего при низких концентрациях, долгом контакте и тёплой температуре — ровно в условиях медленной подпитки или долгого выдерживания. Последствие — уровня процесса: то, что покинуло ёмкость для смешивания, не то, что пришло в биореактор, и разница — это химия, которую никто не планировал.

Ограничение перистальтики

Предел выбора материала ставит обычно не химия, а насос. Перистальтический насос работает, раз за разом прижимая трубку к треку, и за кампанию трубная линия принимает миллионы таких циклов. Материал обязан пережить их тремя конкретными способами: гнуться без растрескивания; восстанавливать просвет после каждого сжатия, потому что трубка, получившая остаточную деформацию, сплющивается, и подача ползёт вниз при неизменной скорости насоса; и не осыпаться частицами, потому что каждое сжатие трёт внутренние поверхности друг о друга, и любой оторвавшийся фрагмент летит прямиком в стерильную жидкость. Платиново-вулканизованный силикон — традиционный компромисс; некоторые термопластичные эластомеры спроектированы на больший ресурс изгиба и меньшее пыление ценой проницаемости, о которой сказано выше. Заявленная точность насоса на деле — заявка трубки на восстановление: калибровка перистальтической подачи — свойство конкретной партии трубки и её усталостной истории, оттого расходы перепроверяют на той трубке, что реально установлена.

В статье об одноразовых узлах миграция названа центральной полимерной проблемой расходников; трубка — та же проблема, усугублённая механической службой: материал старит одновременно и химия, и механика, и двое этих часов не согласованы.