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(dòng)，減少大分子/大顆粒物質(zhì)在膜表面的堆積，從而實(shí)現(xiàn)比直流過濾更高的處理通量，在抗體、疫苗、基因和細(xì)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(xí)慣將切向流過濾稱為超濾，實(shí)際上這是兩個(gè)概念。切向流過濾是相對(duì)于直流過濾（死端過濾）的一個(gè)概念，因其料液流動(dòng)方向和膜成切向而得名。而超濾是一個(gè)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(biāo)識(shí)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(xí)慣將切向流過濾技術(shù)稱為超濾。其實(shí)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(jī)，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)。

    料液的濃度、粘度、pH、電導(dǎo)、分子穩(wěn)定性等皆可能對(duì)切向流工藝產(chǎn)生影響。對(duì)不同的目標(biāo)產(chǎn)品首先要了解其性質(zhì)，再進(jìn)行工藝優(yōu)化。比如對(duì)于對(duì)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(duì)于穩(wěn)定的產(chǎn)品則可以優(yōu)化濾速為主要目標(biāo)，以提高工藝效率；對(duì)于濃度敏感的產(chǎn)品，則需要考慮在合適的濃度進(jìn)行透析，以減少其處于高濃度的時(shí)間。料液溫度、緩沖體系等會(huì)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(dá)到高倍濃縮的目的。

（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(duì)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(diǎn)是在同樣的工況下，篩網(wǎng)提高了對(duì)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(diǎn)是篩網(wǎng)在增加湍流的同時(shí)，可能對(duì)敏感物質(zhì)產(chǎn)生剪切力，同時(shí)對(duì)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(diǎn)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(shí)在一些對(duì)剪切力敏感的料液中可能有更好的效果，比如一些對(duì)剪切力敏感的病毒類產(chǎn)品。缺點(diǎn)是達(dá)到對(duì)膜表面同樣的沖刷效果，需要更大的泵速，在設(shè)備選型時(shí)需要更大的進(jìn)液泵，同時(shí)泵速提高也會(huì)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(yàn)、測(cè)試數(shù)據(jù)來選擇，同時(shí)也要考慮生產(chǎn)放大對(duì)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(duì)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(shí)要考慮到日后放大對(duì)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(biāo)稱其截留能力，需要注意的是截留能力的標(biāo)定并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)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(huì)影響截留效率），對(duì)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(cè)試，其截留率通�？梢赃_(dá)到95%以上。

    超濾的目的是要截留目標(biāo)分子（濃縮或透析）時(shí)，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(jìn)行濃縮。而要透過目標(biāo)物質(zhì)時(shí)（澄清或分離不同大小的分子），則需要選擇目標(biāo)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(shí)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(biāo)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(duì)部分有機(jī)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(cè)試對(duì)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）

    本文主要從優(yōu)化工藝速度的角度列舉相關(guān)參數(shù)，對(duì)于實(shí)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

    可見，在切向流過濾工藝中，主要的控制是通過進(jìn)液泵和PCV來實(shí)現(xiàn)的（有濾出PCV閥或?yàn)V出泵的還會(huì)有濾出端控制），在自動(dòng)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(jìn)液泵和PCV來實(shí)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(jìn)液端控制（Ffeed、Pfeed、ΔP）、回流端控制（PCV、Pretentate、TMP），通常在進(jìn)液端和回流端需各選擇一個(gè)參數(shù)實(shí)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(jìn)行選擇。采用自動(dòng)化設(shè)備可實(shí)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(shí)需明確工藝目標(biāo)，并從料液、膜組件、工藝參數(shù)等多方面進(jìn)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(jìn)液流速、TMP、分批透析vs等體積透析、最佳透析點(diǎn)的選擇等知識(shí)。