通過中空纖維洗濾純化納米顆粒

簡(jiǎn)介

相較于傳統(tǒng)的納米顆粒純化方法，如超速離心、攪拌室過濾、透析或者層析方法，中空纖維洗濾（中空纖維切向流過濾）是一種更加高效、快速的替代方法。中空纖維洗濾可以用于純化多種納米顆粒，包括脂質(zhì)體、膠乳顆粒、磁珠以及納米管^1,2。

中空纖維洗濾是一種基于膜分離的技術(shù)，膜孔徑的大小決定了大分子或顆粒是被截留還是通過。這是一種流動(dòng)的過程，樣品溫和循環(huán)通過管狀膜。通過緩沖液的置換，可以獲得純化的納米顆粒。中空纖維膜洗濾可以從研發(fā)體積直接線性放大到生產(chǎn)規(guī)模。通過增加膜纖維數(shù)量并維持關(guān)鍵操作參數(shù)，大體積樣品可在和小規(guī)模研發(fā)體積一致的條件下完成。

材料和方法

考慮到未反應(yīng)副產(chǎn)物分子量（< 50kD）以及聚合物納米顆粒（250 kD）的大小，選擇使用100 kD 聚砜中空纖維膜。由于管的收縮效應(yīng)，中空纖維的管狀幾何結(jié)構(gòu)有利于顆粒匯聚到中空纖維的中心，因?yàn)榇颂幜魉僮罡?SUP>3。

試驗(yàn)規(guī)模洗濾使用1200 mL 8%的聚合物納米顆粒溶液。鑒于500 cps的較高粘度，選擇進(jìn)行非連續(xù)洗濾。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行起始稀釋，可達(dá)到最佳的濾液流率和工藝壓力，并有助于洗濾緩沖液與聚合物溶液的混合。工藝過程使用帶數(shù)據(jù)采集軟件和壓力顯示器的研發(fā)用切向流過濾系統(tǒng)（仕必純 KrosFlo 研發(fā)用IIi TFF系統(tǒng)，產(chǎn)品編號(hào)：SYR2-U20-A）。

KrosFlo Research 2i [KR2i] 切向流過濾系統(tǒng)

結(jié)果

1200 mL 溶液灌入4L TFF料液容器（產(chǎn)品編號(hào)：ACBT-4TC），并用去離子水稀釋到2400 mL。設(shè)置初始進(jìn)樣泵進(jìn)樣流速為950 mL/min，在此進(jìn)樣流率下，中空纖維膜內(nèi)可形成穩(wěn)定的層流，剪切為4000s^-1，圖1顯示流率/纖維與剪切力的關(guān)系。通過壓縮軟管直徑方法，提高背壓，使跨膜壓達(dá)到20 psig，膜組件入口/出口壓力降為7 psig。

在刻度量筒內(nèi)開始濾液收集，以監(jiān)測(cè)工藝體積和濾液流量。當(dāng)收集的濾液體積與起始體積相等時(shí)（1200 mL），對(duì)工藝樣品進(jìn)行分析，產(chǎn)物再稀釋兩倍到4%。稀釋的體積作為一次洗濾的體積。該步驟重復(fù)9次。在整個(gè)工藝過程中，數(shù)據(jù)采集軟件收集壓力和流率數(shù)據(jù)，得到一個(gè)實(shí)時(shí)的工藝圖表，這對(duì)于直接放大到大容量處理十分重要（圖2 & 3）。

討論

正如預(yù)期，處理壓力隨每次稀釋/濃縮操作而周期性變化，當(dāng)濃度從4% 到達(dá)8% 時(shí)，壓力上升，每次稀釋之后，又回到起始值。壓力的增加是由于在濃縮過程中粘度的增加以及膜表面顆粒濃度的增加所造成的，是切向流過濾過程的典型現(xiàn)象。單位膜面積的濾液流率，亦即過濾流率，隨聚合物納米顆粒的濃度在15-20 L/M2/hr范圍內(nèi)變化。樣品分析顯示，取決于轉(zhuǎn)入的濃縮因子（基于工藝原料的粘度），副產(chǎn)物的清除效率（截留率）高于50%，從而影響溶質(zhì)清除的滲透性，如下所示：

Y=%清除的濾液溶質(zhì)                  

VO/VR=體積變化比率

n=塔板數(shù)

R=截留率

洗濾的清除效率有賴于小分子量副產(chǎn)物通過膜的難易程度。TFF（切向流過濾處理）過程中，膜表面截留物質(zhì)的濃度對(duì)小分子的傳輸有顯著的影響。濾液中副產(chǎn)物的濃度除以截留液中副產(chǎn)物的濃度即可計(jì)算得到透過的效率。

通過HPLC和功能分析顯示，實(shí)驗(yàn)中副產(chǎn)物的起始透過率為59%，隨著每次洗濾完成降低到43%。在一些起始溶液粘度較低的洗濾操作中，透過率可達(dá)到90-100%，只需要4-5 次洗濾即可將小分子量分子降低到極低水平。

數(shù)次研發(fā)規(guī)模切向流過濾洗濾試驗(yàn)保證了快速工藝放大到12 L的中試規(guī)模批處理量。為確定工藝放大所需的膜面積，如果兩種規(guī)模使用相同的產(chǎn)品濃度，按恒定工藝體積/膜面積比例進(jìn)行線性放大。

計(jì)算得到，對(duì)于12 L中試規(guī)模體積，應(yīng)選擇膜面積為0.57 M2 的100 kD 聚砜中空纖維組件（仕必純MiniKros Sampler組件，纖維數(shù)約為1800，纖維長度為20 cm），在5.2 LPM進(jìn)樣流率條件下，剪切為4000sec^-1。

12L工藝處理的濾液流量、處理時(shí)間和收率重復(fù)性良好。唯一的差別是，由于纖維長度較長（中試規(guī)模20 cm vs 研發(fā)規(guī)模12 cm），進(jìn)樣-截留壓力降更高。下表為詳細(xì)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] A.G. Rinzler et.al “Large-scale Purification ofsingle-wall carbon nanotubes, process, product, and characterization”Appl.Phy.A 67,29-37 (1988)

[2] Scott Sweeney at. Al. “Rapid Purification and sizeseparation of gold nanoparticles via diafiltration” J.Am.Chem Soc. 128,3190-3197 (2006).

[3] Mark C. Porter, Handbook of Industrial MembraneTechnology, Noyes Publications. Pp 186-187. (1990).

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