淺析切向流過濾工藝影響因素

    引言：切向流過濾是生物制藥工藝中關(guān)鍵的分離純化技術(shù)之一。通過液體在膜表面的切向流動，減少大分子/大顆粒物質(zhì)在膜表面的堆積，從而實現(xiàn)比直流過濾更高的處理通量，在抗體、疫苗、基因和細胞治療、核酸藥物等生物制藥領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是藥物分子濃縮和緩沖液置換的主要手段。優(yōu)化切向流過濾工藝可以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)設(shè)備和耗材成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 本文將從切向流過濾工藝的影響因素入手，介紹切向流過濾的工藝開發(fā)和工藝優(yōu)化。

1.切向流過濾和超濾

    在生物制藥中，很多人習慣將切向流過濾稱為超濾，實際上這是兩個概念。切向流過濾是相對于直流過濾（死端過濾）的一個概念，因其料液流動方向和膜成切向而得名。而超濾是一個根據(jù)截留孔徑命名的過濾技術(shù)，通常是指截留能力在1000Da到1000kDa之間的過濾，通常是以截留分子量（MWCO）來標識膜的截留能力，因切向流形式的超濾在生物制藥中應(yīng)用較多，大家習慣將切向流過濾技術(shù)稱為超濾。其實在生物制藥中切向流微濾技術(shù)（截留能力在0.1μm-0.65μm）也是應(yīng)用很普遍的，在一些工藝中可以替代直流過濾或離心機，用于菌體收集或料液澄清。二者的工藝控制模式略有不同，本文內(nèi)容主要從超濾的角度出發(fā)。
 

2.切向流過濾的影響因素

    切向流過濾工藝主要受三大方面的影響：料液性質(zhì)、過濾膜性質(zhì)、工藝參數(shù)。

·料液性質(zhì)：

    料液的濃度、粘度、pH、電導、分子穩(wěn)定性等皆可能對切向流工藝產(chǎn)生影響。對不同的目標產(chǎn)品首先要了解其性質(zhì)，再進行工藝優(yōu)化。比如對于對剪切力敏感的產(chǎn)品，就需要采用溫和的條件（較低的壓力、較低的切向流速等）；而對于穩(wěn)定的產(chǎn)品則可以優(yōu)化濾速為主要目標，以提高工藝效率；對于濃度敏感的產(chǎn)品，則需要考慮在合適的濃度進行透析，以減少其處于高濃度的時間。料液溫度、緩沖體系等會影響料液的粘度和分子穩(wěn)定性，從而影響工藝效率，在高濃度蛋白濃縮中還可能通過優(yōu)化這些參數(shù)，以達到高倍濃縮的目的。

·過濾膜：

（1）膜組件的選擇

    切向流過濾膜組件形式主要有平板膜、中空纖維膜、卷式膜等，卷式膜目前在生物制藥中應(yīng)用相對較少，而平板膜和中空纖維在生物制藥領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

    平板膜通常在兩層膜之間加有篩網(wǎng)，起到支撐和增加湍流的作用。其優(yōu)點是在同樣的工況下，篩網(wǎng)提高了對膜表面沖刷效果，效率更高，在重組蛋白、抗體、多糖、疫苗等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。缺點是篩網(wǎng)在增加湍流的同時，可能對敏感物質(zhì)產(chǎn)生剪切力，同時對于固含量較高的料液，容易發(fā)生堵塞或產(chǎn)生較大的壓力。

    中空纖維因內(nèi)部為中空的結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是可以用于固含量更高的料液，比如菌體收集、料液澄清等，同時在一些對剪切力敏感的料液中可能有更好的效果，比如一些對剪切力敏感的病毒類產(chǎn)品。缺點是達到對膜表面同樣的沖刷效果，需要更大的泵速，在設(shè)備選型時需要更大的進液泵，同時泵速提高也會產(chǎn)生較大的剪切力。

    總之，平板膜包和中空纖維膜二者皆有不同尺寸、孔徑的選擇，應(yīng)用上既有重疊，也有一些側(cè)重�？梢越Y(jié)合行業(yè)經(jīng)驗、測試數(shù)據(jù)來選擇，同時也要考慮生產(chǎn)放大對設(shè)備的要求。

    另外，平板膜包有不同流道的選擇，中空纖維亦有不同纖維內(nèi)徑的選擇。寬流道（或大內(nèi)徑）適用于高粘度或高固含量的產(chǎn)品，窄流道（小內(nèi)徑）適用于相對低粘度的料液。相同面積的膜組件，寬流道（大內(nèi)徑）需要更大的泵速，在前期選型時要考慮到日后放大對設(shè)備的需求。

切向流過濾組件形式（圖片來源：PDA TR15）

（2）截留孔徑的選擇

    超濾膜通常以MWCO（Molecular Weight Cut Off）來標稱其截留能力，需要注意的是截留能力的標定并無統(tǒng)一標準，膜的微觀結(jié)構(gòu)通常是海綿樣的結(jié)構(gòu)，其孔徑并不均一，不同廠家同樣MWCO的膜對同一物質(zhì)的截留率不一定是一樣的。比如100kD的膜包并非是可以100%截留100kD的分子（分子的形狀也會影響截留效率），對100kD以下的分子也無法100%透過，通常是以γ球蛋白（169kD）或類似大小的葡聚糖來測試，其截留率通�？梢赃_到95%以上。

    超濾的目的是要截留目標分子（濃縮或透析）時，通常推薦選擇其分子量1/3-1/5的膜，比如單抗的分子量約150kD，通常采用30kD進行濃縮。而要透過目標物質(zhì)時（澄清或分離不同大小的分子），則需要選擇目標分子量的10倍或更大孔徑的濾膜才能獲得較高的透過率，同時考慮要截留物質(zhì)的分子量，在能截留大分子雜質(zhì)的基礎(chǔ)上盡量選擇大孔徑的濾膜，以提高目標物質(zhì)的透過率。

（3）膜材質(zhì)的選擇

    目前市面上超濾膜主要材質(zhì)有聚醚砜（PES）、聚砜（PS）和再生纖維素等幾類，其選擇主要考慮材質(zhì)的兼容性、清洗性能等。通常聚醚砜具有更好的耐酸堿性和通過性。而纖維素類具有更好的親水性，更易清洗，且對部分有機溶劑的耐受性更好。在具體應(yīng)用中，可根據(jù)廠家提供的兼容性信息和測試對比（工藝效率、截留能力、易清洗性等）來選擇。

切向流過濾膜的結(jié)構(gòu)（圖源：PDA TR15）

 

·工藝參數(shù)：

 

    本文主要從優(yōu)化工藝速度的角度列舉相關(guān)參數(shù)，對于實際應(yīng)用，還需從所處理的料液需求方面考慮濃度倍數(shù)、透析倍數(shù)、透析Buffer的選擇等。

表1 切向流過濾參數(shù)及其影響

參數(shù)	簡寫	影響
進液流速	Ffeed	▪ 切向流過濾的主動力，工藝優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)。切向流大小決定了對膜表面的沖刷效果越好，膜越不容易堵塞。 ▪ 增大切向流有利于提高效率。但要考慮料液的耐受性和系統(tǒng)耐壓 ▪ 大的切向流速要求更大的系統(tǒng)泵，工藝放大時要特別注意 ▪ 進液流速直接影響進口壓力Pfeed和壓差ΔP，由于一般膜組件和系統(tǒng)都有最大耐壓，ΔP過大會限制回流壓力可調(diào)節(jié)的范圍，從而限制TMP的可調(diào)范圍。所以并非越大越好，需結(jié)合TMP進行優(yōu)化
回流比例閥開度	PCV	▪ 工藝優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù) ▪ 直接影響回流壓力Pretentate和TMP ▪ PCV開度減小，Pretentate升高，TMP升高，可提高濾出速度，TMP升高也會促進凝膠層的形成，導致過濾阻力提高，所以TMP提高有上限，是需要優(yōu)化的參數(shù)
進口壓力	Pfeed	▪ 受進液流速和PCV的影響 ▪ 自動化系統(tǒng)可通過Pfeed反饋控制進液泵
回流壓力	Pretentate	▪ 通過PCV調(diào)節(jié)，PCV開度減小，Pretentate升高 ▪ Pretentate升高，TMP升高
透過壓力	Ppermeate	▪ Ppermeate影響TMP ▪ 對于超濾工藝，濾出壓力通常不做控制，即為0 ▪ 對于微濾工藝，可通過濾出閥門PID控制恒定濾出速度，或者通過濾出泵控制恒定的濾速
過膜壓力	TMP	▪ TMP=(Pfeed - Pretentate)/2-Pretentate
壓差	ΔP	▪ ΔP=Pfeed - Pretentate ▪ 主要受進液流速影響

    可見，在切向流過濾工藝中，主要的控制是通過進液泵和PCV來實現(xiàn)的（有濾出PCV閥或濾出泵的還會有濾出端控制），在自動化設(shè)備中，則可以通過設(shè)定相應(yīng)的壓力，同過PID反饋調(diào)節(jié)進液泵和PCV來實現(xiàn)恒壓模式的過濾。

    需要注意的是上述參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，在邏輯上可以分為進液端控制（Ffeed、Pfeed、ΔP）、回流端控制（PCV、Pretentate、TMP），通常在進液端和回流端需各選擇一個參數(shù)實現(xiàn)工藝控制，具體控制模式需結(jié)合產(chǎn)品特性、工藝需求、設(shè)備功能等進行選擇。采用自動化設(shè)備可實現(xiàn)更多的控制模式。

比如：

▪ Ffeed + PCV

▪ Ffeed + TMP

▪ ΔP + TMP

▪ Pfeed + Pretentate 

    綜上所述，在開發(fā)切向流過濾工藝時需明確工藝目標，并從料液、膜組件、工藝參數(shù)等多方面進行優(yōu)化，以提高工藝效率，降低成本。下期我們將介紹如何優(yōu)化進液流速、TMP、分批透析vs等體積透析、最佳透析點的選擇等知識。