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标题: 超滤在生物医药领域的应用 [打印本页]
作者: nanopuretech1 时间: 2021-7-15 08:15
标题: 超滤在生物医药领域的应用
本帖最后由 nanopuretech1 于 2021-7-15 08:25 编辑
2021-07-15 环球过滤分离技术网 nanopuretech1
摘要：切向流过滤（Tangential Flow Filtration，TFF），即超滤，是一种已经被广泛采用的过滤操作方式，它的应用包括澄清过滤、产物浓缩、除热原、除小分子杂质、脱盐和缓冲液置换等等。本文将以超滤为切入点，详细介绍其在生物制药领域的广泛应用。
背景介绍
超滤或切向流过滤是一种介于微滤与纳滤之间的能将溶液进行分离、浓缩、透析的膜分离技术。切向流过滤的概念是相对于常规过滤（Normal Flow Filtration，NFF ）而言的，如下图1 所示。常规过滤是指在压力的作用下，液体直接穿过滤膜进入下游，而大的颗粒或分子则被截留在膜的上游或内部，小的颗粒或分子透过膜进入下游。在这种操作方式下，液体的流动方向是垂直于膜表面进入下游的，所以也有人称之为“死端过滤”（Dead End Filtration）。常规过滤的应用包括澄清过滤、除菌过滤和除病毒过滤等等，不是本文讨论的重点。而切向流过滤则是指溶液沿着与膜平行的方向流动，在压力的推动下，小于膜孔的分子透水膜，成为透过液，比膜孔大的分子被截留，成为浓缩液,这种操作方式也有人称之为“错流过滤”（Cross Flow Filtration）。由于切向流在过滤过程中对膜包的表面进行不停的“冲刷”，所以在这种操作模式下有效的缓解了大的颗粒和分子在膜上的堆积，这就使得这种操作模式在很多应用中具有独特的优势。
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图 1 常规过滤与切向流过滤示意图
超滤在生物制药有广泛的应用，如在澄清过滤、产物浓缩、脱盐和缓冲液置换等等（图2）。
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图2 超滤的应用
下图3为典型切向流过滤系统的示意图，通常包括泵、膜包和夹具、贮罐、连接管件以及阀门和压力表等。
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图3 超滤系统示意图
超滤
膜材质的选择
常用的膜材质包括聚醚砜和再生纤维素（表1），这两款膜材质都具有高截留率、高通量、易清洗。
• 聚醚砜具有杰出的PH兼容性，耐酸碱的清洗。
• 再生纤维素亲水性高，蛋白吸附性低，不耐强碱，对清洁和消毒有一定的限制。
表1 膜材特性（PES、RC）
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膜孔选择
• 希望目标物质透过膜孔，一般选择膜截留分子量为目标物质分子量的5-10倍或以上。
• 希望目标物质充分截留，一般选择膜截留分子量为目标物质分子量的1/3- 1/5
表2 生物制品膜孔径的选择
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超滤清洗
膜包清洗主要是为了去除膜污染物、保持膜性能、减少批间污染。污染物包含微生物、颗粒、蛋白、色素等。所以清洁需要根据污染物的性质、膜材质的耐受性来选择。常见的清洁剂有酸（柠檬酸、乙酸、磷酸等）、碱（氢氧化钠、次氯酸钠）和表面活性剂（SDS、吐温、Triton X100）。表3 为常用的清洁剂和清洁条件，根据膜的耐受性可以调控清洁剂的溶液浓度、处理时间。
表3 常用清洁条件
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保存方法
• 短期保存（＜1个月）：可将将膜包保持在夹具。小于3天的存放使用0.2μm过滤过的超纯水、20%乙醇、0.05N-0.1N的NaOH；小于1个月的存放使用0.1N的NaOH
• 长期存放（＞1个月）：从夹具中取出膜包，并将其密封到塑料袋中。将约50-100mL的0.05N-0.1N的NaOH储存溶液加入塑料袋中并密封，确保存储溶液完全覆盖膜包，并将密封袋存放在4°C的环境中。
表4 保存条件
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图 4 膜包及夹具和超滤系统
超滤应用点：
1、生化制品的分离提纯、浓缩、脱盐、脱醇（胸腺肽、肝素钠、细胞色素C等）2、基因工程产品的分离提纯、浓缩、脱盐（干扰素、EPO、TPO、G-CSF等）3、血浆蛋白的分离、浓缩、脱醇（白蛋白、球蛋白、凝血因子等）4、细胞培养产品的分离、浓缩（病毒、抗体等）5、蛋白产品层析前后或冻干前的缓冲液置换6、细胞、菌体及病毒的收集7、发酵液或培养液的澄清，去除菌体和细胞碎片8、小分子产品除热原（如：葡萄糖、抗生素、小肽等）
案例分享
一个切向流过滤的生产工艺由许多参数决定，其中关键的工艺参数有：切向流流量、跨膜压（TMP）、透出液控制、膜面积、透析条件等。这些参数既相互影响又相互制约，要同时达到提高生产效率和节约成本的目的，就必须首先对这些参数进行优化。这些参数通常需要由经验、实验以及具体工艺的需要和各种限制因素结合起来才能确定，因此切向流过滤是一个相当复杂的过程。下面即是根据产品的性质进行相应优化的案例。
慢病毒超滤浓缩
膜包：Consieve®UET 300kDa，0.11m2
结果：浓缩通量56LMH，透析通量42LMH；病毒滴度106→107TU/ml。明显提高了后续的感染PBMC试验效果。
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图5 慢病毒超滤浓缩优化
膜包：Consieve®UET 10kDa，0.11m2
结果：1.浓缩通量23.6LMH，透析通量23.3LMH；2.透过液有效物质未检出，说明完全截留；3.与透析袋比较：2day→2h
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图6 糖苷超滤浓缩优化
膜包：Conseive® UET膜包，0.11㎡ 10kD
结果：选择进液流量5.3 L/min/m2，根据TMP& flux曲线，最优的TMP 为0.4～0.65bar （图7），target0.5bar。在进液流量5.3 L/min/m2、进液压力1.0bar、TMP 0.5bar的条件下超滤实验，随着浓缩的进行，浓缩倍数升高，膜通量逐步降低，实验的膜包平均通量为35.5LMH （图8）。
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破伤风类毒素发酵液超滤浓缩
膜包：Consieve® UET 30kD膜包（0.11m2）。
结果：设置进液流量5.5 L/min/m2，最佳TMP在0.9bar左右（图9）。在进液压力1.4bar，回流压力0.5bar，TMP为0.95bar，进液流量为5.5 L/min/m2，进行超滤浓缩实验（10倍浓缩，图10）， 超滤浓缩过程中，随着料液浓缩，膜包通量呈下降趋势，通量从最初的46.4LMH下降到31.2LMH，膜包平均通量为38.4LMH，收率为107%（包含检测误差）。
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膜包：Conseive® UET膜包，0.11㎡ 30kD
结果：该工艺是优化高浓度的单抗溶液。根据VCF vs VCF*Flux曲线计算，料液最合适的洗滤点是浓缩倍数为3.39倍的时候，即浓缩到3.39倍时再进行洗滤的效率是最高的。在超滤渗滤的过程中（6DV），随着洗滤倍数的增加，流速略有衰减。
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经过工艺优化后的参数如下表5，放大到500L规模，推荐的浓缩倍数、换液倍数以及再浓缩倍数如下表6。在该优化后的工艺参数下操作，可以在较短的时间内完成超滤渗滤工艺。
表5 优化后的工艺参数表
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表6 工艺放大配置表
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结束语
以上分析可知，虽然超滤的应用范围非常广，但一定要结合实际情况和处理范围进行相应的优化。另外，可以看出超滤技术在不断满足生物制药领域的众多需求的基础上，也接受各种挑战，例如在获得高通量的条件下，简化处理过程，缩短工艺时间。
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