一次性使用深层过滤系统的试验案例

guolvfenlitech6

2022-08-16      环球过滤分离技术网    guolvfenlitech6

一次性使用的过滤系统受到越来越多的生物制品公司推崇，本文旨在介绍3M 净化事业部的新产品EZP™(Encapsulated Zetaplus™)一次性使用深层过滤系统，该系统专门针对大批量细胞收获液的澄清过滤而设计开发。同时，本文通过3个试验案例，阐述了EZP™的优越性。

图1 哺乳动物细胞收获液澄清工艺

细胞收获液的澄清是生物制药工艺中下游纯化的第一步，通常使用离心机、深层过滤或切向流技术(Tangential Flow Filtration，以下简称TFF)，对适用于“大批量”、一次性使用的深层过滤技术，因其可以提高产品品质、简化操作，而越来越受到业内推崇。本文旨在介绍3M一次性深层过滤系统EZP™，应用于大批量细胞收获液的澄清过滤。

细胞收获液的澄清

澄清目的是有效分离收获液中的细胞、细胞碎片和其他胶状物质，为下游纯化(例如Protein A层析柱)提供无杂质的料液。该工艺有很多应用技术，如图1所示，离心、切向流(TFF)、絮凝以及深层过滤，通常采用多种技术组合的方式。如果只采用深层过滤技术，通常使用两级过滤：第一级使用孔径较大的过滤介质，去除细胞或者细胞碎片;第二级使用孔径紧密的过滤介质，去除胶体杂质。对于高密度细胞收获液，投加聚合树脂或壳聚糖的絮凝法[1]，再配合深层过滤是业内普遍采用的有效澄清工艺。

为降低生物负载，避免下游层析纯化柱过早堵塞，澄清工艺最后会配合0.45um、0.2um的终端除菌过滤。

工艺开发工程师会根据收获液的性质、分离的需要、有效性的验证以及操作性等因素进行澄清技术的选择。

离心机用于澄清工艺已经比较成熟，但用于生物制药工艺则面临巨大挑战。细胞收获液的杂质粒径大小分布很广，均质后的收获液中，杂质粒径会更小而且含水量高，这些杂质与收获液几乎没有密度区别。而且，由于剪切力、存在无活性的细胞，以及细胞内组分(例如：核酸)等因素会导致收获液粘度的明显增加[2]。这些都影响离心机对收获液的澄清效果。

因此，根据工艺开发工程师的经验，离心机适用于批量高于2000L的上游收获液的初步澄清[3]，对于下游浓缩纯化并不适用。另外，对于高细胞密度的上游收获液，例如细胞密度高于1.5×108细胞/ml，单抗浓度高于25g/L，离心技术也面临挑战[1]。所以，通常在离心之后配合使用深层过滤。

切向流(TFF)配合微滤膜过滤是目前生物制药领域被广泛采用的澄清工艺。切向流(TFF)最大的优势在于，滤出液体积小、无杂质，可达到Protein A层析柱的上柱要求。切向流通常具有较高的初始通量，但是如果反向膜的压力没有控制好，就会很快形成滤饼，导致初始条件下流速大大降低，并且随着过滤浓缩的进行，这种现象不可避免。TFF配备的流道的直径和泵的处理粘度决定了可以处理的料液中悬浮固体的量。料液的高细胞密度会影响TFF的浓缩比和渗透液的收率。另外，因膜上游的料液一直处于循环状态，剪切力会造成细胞破裂。因此TFF并不是澄清过滤工艺的首选【3】。

图2 深层过滤介质

深层过滤系统用于细胞收获液的澄清

因其相对于离心机和切向流(TFF)的低成本和易验证的优势，深层过滤系统被广泛用于细胞收获液的澄清【4】。深层过滤系统可以非常有效的滤除收杂质，避免终端除菌膜过滤器过早堵塞，从而延长使用寿命。

多数深层过滤介质都是由纤维素、助滤剂以及带电树脂制成，具有一定的润湿拉伸强度并且表面带有正电核。深层过滤介质的原料是纸浆，工艺类似造纸，首先做成纸板，然后根据生物制药的工艺要求，制成滤囊或者滤芯，安装在支架或滤筒中。

纤维素组成了滤芯中的网状结构，纤维之间的空隙用于捕捉料液中的颗粒，随着过滤的进行，颗粒堆积在表面形成滤饼，会提高过滤的效率。同时随着滤饼越来越厚，也会降低过滤速度。在纤维中加入硅藻土，可以提高在形成滤饼后的过滤速度。肉眼观察硅藻土是非常细小的颗粒，在放大电镜下，可以看到它表明有很多亚微米的空隙，可以拦截细小颗粒。

深层过滤介质的第三个组分是树脂，它有2方面作用，一是粘结纤维，二是提供过滤介质表面的正电荷。这些正电荷可以吸附带负电、比过滤孔径小很多的细胞碎片等杂质。深层过滤滤芯通常做成模堆，放置在不锈钢滤筒中，见图2所示。这种过滤系统的容污量大大高于折叠膜和线绕滤芯【6】，可拦截、吸附大量细胞和细胞碎片。

图3 传统深层过滤系统

传统深层过滤系统

大批量细胞培养是生物制药的发展趋势，如图3所示，对于批量15000L的收获液，需要多个传统深层过滤系统。在过滤前，需先采用水或者缓冲液冲洗过滤系统，去除模堆表面的污染物;过滤结束后，需要用冲洗的方法将滤筒中残留的收获液冲洗出来，提高收率。使用这种操作方式，可以最高达到95%的收率【7】。

随着生物反应罐的体积不断增加，使用这种传统的过滤方式变的复杂和繁琐。滤筒多，滤芯数量大，更换滤芯时，需要停机，打开滤筒，取出湿漉漉的滤芯，装入新的滤芯，还要确保滤筒密封良好。而且，停机才能进行CIP清洗，进行清洗验证。停机次数会大大影响工厂的生产效率。

一次性使用的深层过滤系统EZP

一次性使用的深层过滤系统EZP，是3M过滤净化事业部针对生物制药工艺开发的新产品。该系统包含一个带有进口和出口的顶板，及可以放置多个滤囊的支架。这个支架采用人体工学设计，可以将多个滤囊在支架水平位置放入，然后通过摇柄将支架竖立，进行垂直过滤，见图4所示。各个滤囊之间采用CAM密封锁装置，确保密封。滤囊内部的过滤介质与传统深层过滤系统中的过滤介质一样，精度和型号有多种选择。另外，EZP占地面积小，节省了洁净室的空间。相比传统的深层过滤系统，EZP不需要固定资产投资，安装位置灵活操作简单，适合工艺开发。

图5 600L收获液澄清过滤工艺

图6 案例一的试验结果

案

例

分

析

案例一

对比现有“半厚度”双层过滤介质与EZP的“全厚度”双层过滤介质。“全厚度”是指一个滤囊中，有上下2个不同过滤精度的过滤纸板。通常上游的纸板孔径较大，用于拦截大颗粒杂质;下游纸板孔小，用于小颗粒和细胞碎片捕集。这种设计提高了过滤器的通量，延长了使用寿命。

如图5所示，现有工艺为CHO细胞收获液600L，采用“半厚度”双层过滤介质Zetaplus 10M02配合60M05组成的2级过滤，传统的不锈钢滤筒。试验采用“全厚度”过滤介质Zetaplus 10SP02A配合 60SP05A。考虑过滤介质带电量的影响，同时对比，Zetaplus 10SP02A配合带有更高电量的Zetaplus 60ZA05做第二级过滤。

测试采用3M生产的47mm膜片和不锈钢夹套进行，过滤面积13.5cm2，按照面积进行等比例缩小。

测试结果见图6所示。采用10M02配合60M05的过滤组合，换算得，通量为135L/m2;采用“全厚度”双层EXT过滤介质，10SP02A配合60SP05A的过滤组合，通量也是135L/m2左右;但是从图中可以看到，“全厚度”双层过滤介质的压差比较大，过滤后料液的浊度低为3NTU，而“半厚度”双层介质的过滤后浊度为5NTU。采用10SP02A配合60ZA05A，过滤过程中的压差明显比较低，并且澄清度更高，浊度仅为1.5NTU。基于以上测试结果，将过滤系统放大到生产规模。

在生产中，进口压力5.6~6.0Psi，流速150L/m2。使用传统不锈钢滤筒系统完成过滤耗时9~10h，而采用EZP系统，过滤完成时间缩短到3h。

其他优势：

·可见的观测：EZP的滤囊外壳是半透明的塑料，可以观察到过滤过程中，滤囊内部的流动情况

·操作简易：操作人员不需要像打开滤筒一样，拧开螺栓或者卡箍。不需要安装O型圈，滤囊两端都有固定的O型圈和CAM密封锁，可以确保安装位置和密封性。滤囊上有排气孔，可以打开放气，避免形成“气锁”

·EZP的占地面积小，支架采用人体工学设计：过滤系统占地小，节省了洁净室的空间;人体工学设计的支架，可以在腰部位置进行安装和拆卸，有效提高了效率，节省劳动力，提高安全性。

图8 不同过滤介质的通量、压差和过滤后浊度

案例二

该试验的目的是评估EZP对延长终端0.2um除菌膜使用寿命的影响。

目前大多数生物制药生产中，对于10000LCHO收获液，通常采用离心、深层过滤和终端0.2um除菌过滤的组合方式进行澄清过滤。通常情况下全部过滤10000L，浊度140NTU，细胞密度5.4×106的CHO收获液，过滤到一半，0.2um的终端滤芯就因为堵塞而需要更换了。同时，因为搅拌器作用，会将收获液的细胞密度升高，浊度也从140NTU上升到170NTU，这对离心和深层过滤都是挑战。试验在于，选择合适的深层过滤介质，全部过滤完10000L收获液，不更换0.2um终端除菌滤芯。

第一次测试，选用高精度、单层的深层过滤介质Zetaplus90ZA。按照实际批量缩小，采用47mm 90ZA膜片(面积13.5cm2)，流速为2ml/min，再配合47mm的3M LifeASSURE PDA PES 0.2um终端滤膜进行过滤，10000L的批量缩小为364ml。在过滤到相当于5000L料液时，即182ml，90ZA都是没有明显压差上升的;在全部过滤结束后，90ZA的滤出液浊度29.7NTU。0.2um终端膜在深层过滤的滤出液浊度达到10NTU时，开始堵塞。见图8所示。

第二次测试，分别选用双层全厚度、深层过滤介质Zetaplus 90ZA08(上层60ZA和下层90ZA)和120ZA10A(上层90ZA和下层120ZA)，采用47mm的膜片，流速4ml/min(0.2L/min/ft2)，再配合47mm的LifeASSURE PDA PES 0.2um膜片。与第一次测试相同，过滤通量为364ml。在过滤结束时，90ZA08和120ZA10A深层过滤的压差，最大达到了22Psid;90ZA08过滤后料液的浊度是32NTU与第一次采用60ZA过滤后的结果相似。这说明90ZA没有拦截住小颗粒，从而没有起到保护下游0.2um终端过滤膜的作用。120ZA10A的滤出液浊度为7NTU，是理想的保护0.2um终端过滤膜的深层过滤介质。

考虑到120ZA10A在第二次试验中的压差高，第三次试验选用Zetaplus60ZA05A(上层30ZA和下层60Z)和Zetaplus90ZA08A(上层60ZA和下层90ZA)串联。测试条件与前两次相同。结果显示，使用一级90ZA08A双层介质，其滤出液浊度9.0NTU，过滤结束后0.2um终端除菌膜的压差为15Psid;使用60ZA05A和90ZA08A两级深层过滤介质串联，滤出液的浊度为4.5NTU，终端0.2um除菌膜的压差只有6psid。

所以，根据测试结果，实际工艺过滤10000LCHO收获液，只需要1个EZP系统，在支架上放置2级不同精度的滤囊(60ZA05A和90ZA08A)，就可以达到过滤效果，并且至过滤结束，无需更换0.2um终端除菌滤芯。

图9 EZP替换离心机工艺图

案例三

本案例评估采用EZP替换离心机的可行性。

见图9所示。现有工艺为连续式离心机，60SP深层过滤系统和0.2um终端除菌过滤的组合方式。新的工艺，采用“全厚度”双层过滤介质60SP02A替代离心机，再配合0.2um终端除菌过滤。按照面积缩小，采用47mm膜片进行过滤小试，过滤相当于1000L料液的量，结果显示，0.2um终端除菌过滤器的压差没有明显上升，深层过滤系统很好的保护了终端过滤系统。

在生产中，过滤收获液1000L，采用EZP配7个“全厚度”双层过滤介质60SP02A滤囊，每个滤囊的过滤面积1.6m2，至过滤结束，0.2um除菌滤芯的压差并未见明显上升。试验证实，EZP可以完全替代离心机。同时操作人员反馈：

·EZP比传统的不锈钢滤筒方式，残留量少;

·EZP安装、操作简易;

·EZP无需CIP和清洗验证，减少了成本;

·EZP大大缩小了过滤时间，提高了生产效率。

以上三个案例表明，一次性深层过滤系统不仅完全适用于大批量的生物制药工艺，而且比传统工艺更具优势。

小结

深层过滤因其有效性和灵活性，在生物制药领域广受推崇，而“一次性”技术是新的趋势。本文论证了“一次性”深层过滤技术的高效性，并且这项技术已经被广泛采用。

3M净化事业部成功研发了EZP一次性深层过滤产品，该产品拥有多项创新设计。首先，滤囊外壳采用半透明塑料，可直观的看到料液在滤囊内的残留和空体积;外壳承受50psi的压力;对需要NaOH清洗的场合，提供抗碱性的滤囊;考虑“无泄漏”而专门设计的CAM密封锁装置。同时，工程师们也考虑了多种方式优化滤囊支架，最终确定了水平安装和垂直过滤的方式，人体工学设计的“摇柄”控制方位转换。

EZP不仅可以用于细胞收获液的澄清过滤，因过滤介质表面带有正电荷，还可以吸附去除比孔径小的杂质。根据近期的研究，Zetaplus可用于吸附去除宿主细胞蛋白，120ZA10A可以将宿主蛋白DNA含量从55968n/mg蛋白降低至183ng/mg蛋白。深层过滤介质也可以用于去除病毒，最高可达到降低4个Log。研究还发现带电的深层过滤介质可以去除非包膜的RNA病毒(鼠细小病毒)，工艺流速320L/m2，病毒含量2%。

一次性深层过滤系统EZP具有明显的操作优势，不仅可以应用于收获液澄清过滤，同时因其带有正电荷，可以有效的去除病毒、宿主蛋白和DNA。

参考文献

1. Schirmer, E.B. et al., Primary Clarification of Very High-Density Cell Culture Harvests By Enhanced Cell Settling. BioProcess International, January 2010, 34-39.

2. Russell E., Wang A., and Rathore A.S., Harvest of a Therapeutic Protein Product from High Cell Density Fermentation Broths: Principles and Case Study, in Process Scale Bioseparations for the Biopharmaceutical Industry, Ed. by A. A.Shukla, M. Etzel, and S. Gadam, CRC Press, 2006, 1-58

3. Shukla, A.A. and Kandula, J.R. Harvest and Recovery of Monoclonal Antibodies: Cell Removal and Clarification. Chapter 3. Process Scale Purification of Antibodies, Edited by Uwe Gottschalk. 2009 John Wiley & Sons, Inc. 53-78.

4. Singhvi, R. et al. Clarification of Animal Cell Culture Process Fluids Using Depth Microfiltration. Biopharm Vol 9, No. 4, April 1996. 35-41.

5. Quigley, G.T.., Prefiltration in Biopharmaceutical Processes. Chapter 1. Filtration and Purification in the Biopharmaceutical Industry, Second Edition Ed. By M.A. Jornitz and T.H. Meltzer. Informa Healthcare, NY. 2008. 1-22.

6. Prashad M. and Tarrach K. Depth Filtration: Cell clarification of bioreactor offloads. Filtration+Separation September 2006. 28-30.

7. Hill P. and Bender J. Cell Harvesting. Chapter 16. Medicines from Animal Cell Culture Edited by G. Stacey and J. Davis 2007 John Wiley &Sons, Ltd. 305-330.

8. Sinclair A. and Monge M. Disposables Cost Contributions: A Sensitivity Analysis. BioPharm International. April 2009 Volume 22, Issue 4.

9. Yigzaw et al. Exploitation of the Adsorptive Properties of Depth Filters for Host Cell Protein Removal during Monoclonal Antibody Purification. Biotechnology. Progress 2006, 22, 288-296

10. Wesner J., Reduction of Host Cell DNA in Mammalian Cell Culture Using Charged Filters at Protein-A Capture for Monoclonal Antibodies BPI Korea 2008.

11. Zhou J.X. Orthogonal Virus Clearance Applications in Monoclonal Antibody Production. Chapter 8. Process Scale Purification of Antibodies, Edited by Uwe Gottschalk. John Wiley & Sons, Inc. 169-189.

12. Zhou J.X. et al. Viral clearance using disposable system in mAb commercial downstream process. Biotechnology and Bioengineering 100 (3). 2008. 488-496.

作者：卢晓旭 张长宝 供职于3M公司,来源：《制药业》侵权告删 www.guolvfenlitech.com

中药高温瞬时灭菌设备的智能化设计与性能确认


【HVAC】共同创建未来丨东芝空调与开利集团业务合并顺利完成

暖通空调
透明聚酰亚胺混合物及透明聚酰亚胺膜的制造方法

薄膜材料前沿