新一代的膜过滤技术--中空纤维过滤产品简介

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2023-08-23            环球过滤分离技术网          guolvfenlitech6





新一代的膜过滤技术--中空纤维过滤产品简介



摘要:中空纤维以其独特的开放式流路结构，温和的剪切力，可以很好的满足对剪切力敏感的生物大分子以及成分较复杂的生物样品不同规模的浓缩和过滤需要，广泛用于天然蛋白、重组蛋白、抗体、生长因子、病毒、多糖、核酸、天然产物和乳品饮料等生物技术领域。1.基本概念超滤：主要利用超滤膜作为过滤介质，膜两侧不同的压力差为驱动力，在一定的压力作用下，只允许原液中某些特定溶液和分子通过，而原液中粒径较大，无法穿过膜孔径的物质被截留在膜的另一侧，从而使原液得到分离、浓缩、透析的膜分离技术。其按照部件类型分为板框式、卷式、管式以及中空纤维等（图1），根据应用场景适用于不同的工业产品，各有利弊（表1）。中空纤维与其他膜相比具有自支撑结构，可大大简化组装的复杂性，具有较高的填装密度，可以提供比较大的表面积，广泛应用于水处理和生物医药行业。






图1 超滤膜类型

2.分离原理





中空纤维超滤利用压力、流量和不对称的微孔结构将目标产品截留或者透过。



图2 中空纤维原理图3.中空纤维结构组成膜是分离的核心，其化学性质和结构对分离性质起决定性作用，良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸碱和耐氧化性是优质膜的重要指标。3.1.中空纤维化学组成








表1 中空纤维化学结构

3.2.中空纤维物理结构









中空纤维外径0.5-2.0mm,内径0.3-1.4mm,纤维壁上布满微孔，物质的分离主要通过孔径的差异。






图3 中空纤维物理结构


3.3.膜孔选择理论上讲，大小相差10 倍以上的两种物质可以通过选择合适的膜孔径实现完全分离。•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

图4 生物分子粒径大小分布表




2 生物制品中空纤维膜孔径的选择


4.应用
   作为生物制药切向流过滤技术的新起之秀，中空纤维以其独特的结构在大规模生产中发挥不可替代的作用。随着国际供应链的供货紧张以及不确定性，国产化的中空纤维备受关注。杭州科百特潜心研究多年，不断改良和完善自己的中空纤维产品，为客户提供先进的解决方案，并与其一起探索、研发和生产生物制品。

4.1.细胞培养
   动物细胞培养包括贴壁培养和悬浮培养。培养悬浮细胞的方法主要为静止悬浮培养法或使用搅拌、旋转搅拌等。然而，这些方法的缺点在于：(1)需要大型设备，因为细胞难以高密度生长和增殖；
(2)将细胞与营养物质、代谢产物、废物等分离时比较困难；
(3)难以连续更换培养基；(4)被其他微生物污染的可能性大。中空纤维生物反应器对动物细胞进行悬浮培养也是细胞规模化生产常见的培养方式。在细胞培养单元中，该单元包括外壳和封闭在外壳中的开口中空纤维，位于外壳和中空纤维之间的空间中，通过使培养基流过外壳内部中空纤维，悬浮的细胞就可以高密度生长和增殖。中空纤维组件可以提供分子截留5KD-0.1um。在细胞灌流培养工艺中，营养物质被不断泵入到生物反应器中，同时，细胞代谢的副产物通过外部截留装置被移除，保证细胞一直处于最佳的生长环境中，从而获得极高的细胞密度。




图5 图中空纤维生物反应器物料交换示意图

4.2.E.coli细菌收集
   传统工艺操作常采用离心的方式来收集菌体细胞，但离心操作在工业生产过程中难以线性放大，且存在设备投资高、清洗时间过长、操作复杂等问题。由于开放式和较长的流路设计，中空纤维也非常适用于菌体的收集。采用750kD截留分子量的科百特中空纤维产品，处理时间更短、操作更简单、产品收率更高。过滤结束后中空纤维使用0.5M NaOH清洗30min，水通量恢复70%；收率100%。

4.3.脂质体收集
   纳米药物作为制药行业新星，在延长药物半衰期、药物靶向、提高药物稳定性和作用效率等方面具有极大的优势。但是，由于纳米药物较为复杂，使用传统方法生产通常具有一定的挑战性，且成本较高。科百特研究人员采用中空纤维测试了以脂质体为例纳米药物的微流生产，剪切力控制在2000-4000S-1。整体表现为：脂质体产品回收率高，颗粒粒径未发生明显变化，且超滤过程通量稳定。

4.4病毒载体的浓缩换液
   病毒载体广泛应用于细胞治疗、基因治疗、病毒疫苗三大领域，用于将目的基因携带进入靶细胞从而实现对基因的修饰作用，表达目的蛋白，以治愈疾病。虽然国内还未对病毒载体的质量标准进行统一的规定，但是提高产品质量已经在大家心中达成了共识。传统的超滤膜包筛网的剪切力易造成病毒颗粒聚集和表面蛋白的脱落，从而影响病毒的活性，因此，对操作要求特别高。而中空纤维有更友好的操作性。科百特采用Cobetter-Process-30中空纤维（100kD-2.45m2，纤维内径0.5mm）对腺相关病毒（AAV2）进行浓缩过滤，剪切速率为2000 S-1。经高效的浓缩过程，最终产品回收率大于90%。





对于AAV这类对剪切力较为敏感的产品，建议采用中空纤维膜进行超滤换液，剪切力控制在1000-3000S-1。在进行大批量处理时，可做两级浓缩，以满足滴度需求。

4.5病毒疫苗的浓缩
   在人类与各种病毒的长期斗争中，没有任何一项措施能像疫苗一样对人类的健康产生重大的影响，并且以较低的代价把疾病消灭。尤其在当前的疫情之下，谁解决了病毒颗粒浓缩时易堵膜和剪切力敏感的两大难题，谁就掌握了财富的密码、生产的主动权。中空纤维过滤技术具有温和和低剪切力、高容量、操作灵活、成本低、易于放大等优点，成为疫苗生产的利刃。科百特分别采用Cobetter-Lab-30中空纤维（500kD/750KD-236cm2，纤维内径0.5mm）对流感病毒澄清液进行浓缩洗滤，剪切速率为6000 S-1。实验检测结果显示，经过中空纤维产品浓缩洗滤后的病毒收获液，杂质去除效果良好，病毒回收率均大于70%。

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5.结束语
   膜技术在生物制药领域应用前景广泛，使用中空纤维处理对剪切敏感的料液，在提高收率、保持产品质量的基础上，能大大的降低生产成本和能耗。面对国外市场的垄断，高昂的价格以及较长的供货周期，国产的中空纤维不仅在质量上足以媲美进口产品，且供货周期更短，可以满足市场的长期需求。

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