Punto de burbuja y rendimiento de integridad de los cartuchos filtrantes plisados de PES para filtración farmacéutica

Autores:
Danny Lu¹

Afiliaciones:
¹Econe Filtration, Zhejiang, provincia de China

Resumen

Los cartuchos de filtro plisados de polietersulfona (PES) se utilizan ampliamente en la filtración de líquidos farmacéuticos debido a su alta permeabilidad, estabilidad química y retención bacteriana confiable. Garantizar la integridad de la membrana es fundamental en la fabricación de productos farmacéuticos, donde el control de la contaminación afecta directamente a la seguridad del producto y al cumplimiento de la normativa. En este estudio, se evaluaron el punto de burbuja y el rendimiento de integridad de los cartuchos filtrantes plisados de PES de grado industrial en condiciones controladas de humectación y presión, de conformidad con las normas ASTM F316 e ISO 2942. Se midieron la presión del punto de burbuja, el caudal de difusión y el rendimiento de mantenimiento de la presión, y se correlacionaron con el tamaño de los poros de la membrana y la estructura plisada. Los resultados demuestran que las membranas plisadas de PES proporcionan una estructura de poros consistente y un rendimiento de integridad estable, lo que las hace adecuadas para la filtración estéril, los sistemas de agua purificada y los líquidos de procesos farmacéuticos. Este trabajo proporciona datos de pruebas a escala industrial que respaldan la validación y las pruebas de integridad rutinarias de los cartuchos de filtro plisados de PES en sistemas de filtración farmacéutica regulados.

Palabras clave:
Membrana PES; cartucho filtrante plisado; prueba de punto de burbuja; integridad del filtro; filtración farmacéutica; filtración estéril; filtración de líquidos.

1. Introducción

La filtración es una operación unitaria fundamental en la fabricación de productos farmacéuticos, donde se utiliza para eliminar partículas, microorganismos y otros contaminantes de líquidos como el agua para inyección (WFI), el agua purificada, los tampones, los medios y los productos farmacéuticos finales. Entre las diversas tecnologías de filtración disponibles, los cartuchos de filtro plisados basados en membranas se han convertido en la solución dominante para la filtración de líquidos farmacéuticos debido a su gran superficie, su baja caída de presión y su compatibilidad con los sistemas sanitarios.

Las membranas de polietersulfona (PES) se utilizan ampliamente en aplicaciones farmacéuticas debido a su naturaleza hidrofílica, baja unión a proteínas, amplia compatibilidad química y excelente resistencia mecánica. En comparación con las membranas tradicionales de celulosa o nailon, la PES proporciona caudales más altos con índices de retención comparables y mantiene una estructura de poros estable en una amplia gama de condiciones de funcionamiento. Como resultado, los cartuchos de filtro plisados de PES se utilizan comúnmente en la filtración estéril, la reducción de la carga biológica y la filtración final de líquidos farmacéuticos.

Sin embargo, el uso de filtros de membrana en procesos farmacéuticos regulados requiere una verificación estricta de la integridad del filtro. Las agencias reguladoras, como la FDA y la EMA, exigen que los filtros de grado esterilizante y los filtros de procesos críticos se sometan a pruebas de integridad antes y después de su uso para confirmar que la membrana no ha sufrido daños y que se mantiene la retención microbiana especificada. Entre los métodos de prueba de integridad disponibles, el prueba de punto de burbuja y pruebas basadas en la difusión son los más ampliamente aceptados y estandarizados.

Aunque numerosos estudios académicos han investigado las propiedades de las membranas PES planas, son menos las publicaciones que proporcionan datos sobre los cartuchos filtrantes plisados industriales, que difieren significativamente en cuanto a estructura, dinámica de flujo y comportamiento de humectación. La configuración plisada introduce una complejidad adicional debido a la geometría plegada, las capas de soporte y los componentes de sellado. Por lo tanto, los datos de las pruebas de integridad a escala industrial de los cartuchos plisados PES son valiosos tanto para los fabricantes como para los usuarios finales de los sistemas de filtración farmacéutica.

El objetivo de este estudio es evaluar el punto de burbuja y el rendimiento de integridad de los cartuchos filtrantes plisados de PES utilizados en la filtración de líquidos farmacéuticos. Mediante la aplicación de métodos de prueba estandarizados a cartuchos industriales, este trabajo proporciona datos prácticos que pueden utilizarse para la validación de filtros, pruebas de integridad rutinarias y comparaciones con las expectativas normativas.

2. Materiales y métodos

2.1 Cartuchos filtrantes plisados PES

Las muestras de prueba utilizadas en este estudio fueron cartuchos filtrantes plisados de PES de grado farmacéutico diseñados para la filtración de líquidos. Los cartuchos consistían en una membrana de PES hidrofílica soportada por capas de polipropileno (PP) aguas arriba y aguas abajo para mejorar la resistencia mecánica y la estabilidad de los pliegues. La membrana se plisó para aumentar el área de filtración efectiva, manteniendo al mismo tiempo un formato de cartucho compacto compatible con las carcasas sanitarias estándar.

Las dimensiones típicas del cartucho incluían un diámetro exterior de 69 mm, un diámetro interior del núcleo de 28 mm y longitudes que oscilaban entre 10 y 30 pulgadas. El área de filtración efectiva se determinaba por el número de pliegues, la altura de los pliegues y la longitud del cartucho, con valores típicos entre 0,6 y 2,0 m² por módulo de 10 pulgadas.

Los cartuchos se ensamblaron utilizando tapas terminales y componentes internos del núcleo unidos térmicamente para garantizar una construcción totalmente polimérica, lo cual es necesario para la compatibilidad farmacéutica y las operaciones de esterilización por vapor in situ (SIP) o limpieza in situ (CIP).

Se seleccionaron tamaños nominales de poros de 0,45 µm y 0,22 µm para las pruebas, ya que son los más utilizados para la clarificación farmacéutica y la filtración de grado esterilizante, respectivamente.

2.2 Procedimiento de humectación

Es esencial humedecer adecuadamente la membrana para realizar pruebas precisas del punto de burbuja y de difusión. Las membranas de PES son hidrófilas y se pueden humedecer con agua purificada; sin embargo, a menudo se utiliza una mezcla de agua y alcohol isopropílico (IPA) para garantizar la humectación completa de los poros y reducir los efectos de la tensión superficial.

En este estudio, los cartuchos se humedecieron previamente con una mezcla 60/40 (v/v) de agua purificada e IPA. La solución humectante se hizo circular a través del cartucho a baja presión hasta que no se observaron burbujas de aire visibles en la salida, lo que indicaba la saturación completa de los poros. Después de la humectación, el exceso de IPA se eliminó con agua purificada para simular las condiciones reales de filtración farmacéutica.

2.3 Prueba del punto de burbuja

La prueba del punto de burbuja se realizó de conformidad con la norma ASTM F316, que define el punto de burbuja como la presión mínima de gas necesaria para forzar la primera corriente continua de burbujas a través de una membrana completamente humedecida.

El principio de la prueba del punto de burbuja se basa en la ecuación de Young-Laplace, que relaciona la presión necesaria para desplazar un líquido de un poro cilíndrico con la tensión superficial del líquido humectante y el diámetro del poro:

P = \frac{4 γ porque θ}{D}

donde:

P es la presión del punto de burbuja;
γ es la tensión superficial del líquido humectante;
θ es el ángulo de contacto entre el líquido y la membrana; y
D es el diámetro efectivo de los poros.

Después de humedecerlo, se aplicó aire comprimido o nitrógeno al lado aguas arriba del cartucho, mientras que el lado aguas abajo se sumergió en agua. Se aumentó gradualmente la presión hasta que se observó un flujo continuo de burbujas, lo que indicaba que se había eliminado el líquido del poro más grande de la membrana. Esta presión se registró como el punto de burbuja.

2.4 Métodos de prueba de integridad

Además de las pruebas de punto de burbuja, se realizaron pruebas de integridad basadas en la difusión. En estas pruebas, se aplicó una presión constante por debajo del punto de burbuja al filtro humedecido y se midió la velocidad de difusión del gas a través de los poros llenos de líquido. Dado que el flujo de difusión es proporcional al área total de poros abiertos, proporciona una indicación sensible de los defectos de la membrana.

En aplicaciones farmacéuticas, los límites de difusión suelen ser especificados por el fabricante del filtro y validados en función del rendimiento de retención microbiana. En este estudio, se midieron las tasas de difusión a presiones estandarizadas y se compararon con los criterios de aceptación para membranas PES de 0,22 µm.

3. Resultados

Se realizaron pruebas de punto de burbuja e integridad de difusión en varios cartuchos filtrantes plisados de PES con tamaños de poro nominales de 0,45 µm y 0,22 µm. Todos los cartuchos se humedecieron completamente y se sometieron a prueba en condiciones idénticas.

3.1 Resultados del punto de burbuja

Las presiones del punto de burbuja medidas se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1. Presión del punto de burbuja de los cartuchos filtrantes plisados de PES.

Tamaño nominal de los poros	Líquido humectante	Punto de burbuja (psi)	Punto de burbuja (kPa)
0,45 µm	Agua / IPA (60/40)	32 – 36	220 – 248
0,22 µm	Agua / IPA (60/40)	46 – 52	317 – 358

Los resultados muestran que los cartuchos PES de 0,22 µm presentaron sistemáticamente presiones de punto de burbuja más altas que los cartuchos de 0,45 µm, lo que refleja sus diámetros de poro efectivos más pequeños. El estrecho rango de presión observado para cada tamaño de poro indica una estructura de membrana uniforme y una humectación constante de los pliegues en todo el cartucho.

3.2 Resultados de integridad de difusión

Los índices de flujo de difusión se midieron a presiones de prueba inferiores a los valores correspondientes del punto de burbuja. La tabla 2 resume los datos de difusión de los cartuchos probados.

Tabla 2. Tasas de flujo de difusión de los cartuchos filtrantes plisados de PES.

Tamaño nominal de los poros	Presión de prueba (psi)	Flujo de difusión (mL/min)	Límite de aceptación (mL/min)	Resultado
0,45 µm	20	18 – 24	≤ 30	Pase
0,22 µm	30	7 – 12	≤ 20	Pase

Todos los cartuchos probados cumplieron con los límites de difusión predefinidos para membranas PES de grado farmacéutico. Las tasas de difusión relativamente bajas de los cartuchos de 0,22 µm confirman la alta integridad de la membrana y la mínima presencia de defectos de poros grandes.

4. Debate

Los resultados del punto de burbuja y la difusión demuestran que los cartuchos de filtro plisados de PES proporcionan un rendimiento de integridad estable y reproducible en condiciones de filtración farmacéutica. Los valores medidos del punto de burbuja para membranas de PES de 0,22 µm son coherentes con los publicados en la bibliografía para membranas de PES de grado esterilizante, lo que confirma que la configuración plisada no compromete el control del tamaño de los poros ni el comportamiento de humectación.

En comparación con las membranas planas, los cartuchos plisados introducen interfaces adicionales, como pliegues, capas de soporte y zonas de unión. Estas características estructurales podrían crear defectos localizados o una humectación incompleta. Sin embargo, la estrecha distribución de las presiones del punto de burbuja y los bajos caudales de difusión observados en este estudio indican que la moderna construcción de los cartuchos plisados de PES proporciona una gran estabilidad mecánica y un rendimiento uniforme de la membrana.

Desde una perspectiva farmacéutica, es esencial poder realizar pruebas de integridad fiables antes y después del uso. La fuerte correlación observada entre la presión del punto de burbuja y el tamaño nominal de los poros respalda el uso de las pruebas de punto de burbuja como método de verificación rápida para los filtros plisados PES en aplicaciones de filtración estéril. Además, las pruebas de difusión proporcionan una medida cuantitativa sensible del estado de la membrana, lo que permite detectar defectos menores que podrían no afectar inmediatamente al punto de burbuja.

La naturaleza hidrofílica de las membranas de PES contribuye significativamente a la fiabilidad de sus pruebas de integridad. Se puede lograr una humectación completa con agua purificada o bajas concentraciones de IPA, lo que reduce el riesgo de fallos falsos debidos a una saturación incompleta de los poros. Esta característica es especialmente ventajosa en entornos farmacéuticos, donde no es deseable el uso de agentes humectantes agresivos.

En general, los datos confirman que los cartuchos filtrantes plisados PES son adecuados para procesos críticos de filtración farmacéutica, incluyendo la filtración estéril final, la reducción de la carga biológica y la filtración de líquidos de proceso y sistemas de agua.

5. Conclusión

Este estudio evaluó el punto de burbuja y el rendimiento de integridad de los cartuchos de filtro plisados de PES de grado farmacéutico utilizando métodos de prueba estandarizados. Los resultados muestran que tanto los cartuchos de PES de 0,45 µm como los de 0,22 µm presentan presiones de punto de burbuja estables y bajos índices de flujo de difusión, lo que indica una estructura porosa uniforme y una alta integridad de la membrana.

La configuración plisada, que proporciona una gran superficie de filtración efectiva en un formato compacto, no compromete el rendimiento de integridad de las membranas de PES. Por el contrario, el moderno diseño del cartucho plisado garantiza una humectación fiable, estabilidad mecánica y resultados reproducibles en las pruebas de integridad.

Estos resultados respaldan el uso de cartuchos filtrantes plisados PES como dispositivos de filtración validados y con integridad comprobable para aplicaciones farmacéuticas reguladas. Los datos a escala industrial que se presentan aquí proporcionan una referencia práctica para la calificación de filtros, las pruebas de integridad rutinarias y el cumplimiento de los requisitos reglamentarios en los procesos de filtración de líquidos estériles y críticos.