干货速递 | 浅析切向流过滤工艺影响因素

引言：切向流过滤是生物制药工艺中关键的分离纯化技术之一。通过液体在膜表面的切向流动，减少大分子/大颗粒物质在膜表面的堆积，从而实现比直流过滤更高的处理通量，在抗体、疫苗、基因和细胞治疗、核酸药物等生物制药领域应用广泛，是药物分子浓缩和缓冲液置换的主要手段。优化切向流过滤工艺可以提高生产效率，降低生产设备和耗材成本，提高产品质量。 本文将从切向流过滤工艺的影响因素入手，介绍切向流过滤的工艺开发和工艺优化。

1.切向流过滤和超滤

在生物制药中，很多人习惯将切向流过滤称为超滤，实际上这是两个概念。切向流过滤是相对于直流过滤（死端过滤）的一个概念，因其料液流动方向和膜成切向而得名。而超滤是一个根据截留孔径命名的过滤技术，通常是指截留能力在1000Da到1000kDa之间的过滤，通常是以截留分子量（MWCO）来标识膜的截留能力，因切向流形式的超滤在生物制药中应用较多，大家习惯将切向流过滤技术称为超滤。其实在生物制药中切向流微滤技术（截留能力在0.1μm-0.65μm）也是应用很普遍的，在一些工艺中可以替代直流过滤或离心机，用于菌体收集或料液澄清。二者的工艺控制模式略有不同，本文内容主要从超滤的角度出发。

2.切向流过滤的影响因素

切向流过滤工艺主要受三大方面的影响：料液性质、过滤膜性质、工艺参数。

·料液性质：

料液的浓度、粘度、pH、电导、分子稳定性等皆可能对切向流工艺产生影响。对不同的目标产品首先要了解其性质，再进行工艺优化。比如对于对剪切力敏感的产品，就需要采用温和的条件（较低的压力、较低的切向流速等）；而对于稳定的产品则可以优化滤速为主要目标，以提高工艺效率；对于浓度敏感的产品，则需要考虑在合适的浓度进行透析，以减少其处于高浓度的时间。料液温度、缓冲体系等会影响料液的粘度和分子稳定性，从而影响工艺效率，在高浓度蛋白浓缩中还可能通过优化这些参数，以达到高倍浓缩的目的。

·过滤膜：

（1）膜组件的选择

切向流过滤膜组件形式主要有平板膜、中空纤维膜、卷式膜等，卷式膜目前在生物制药中应用相对较少，而平板膜和中空纤维在生物制药领域都有广泛的应用。

平板膜通常在两层膜之间加有筛网，起到支撑和增加湍流的作用。其优点是在同样的工况下，筛网提高了对膜表面冲刷效果，效率更高，在重组蛋白、抗体、多糖、疫苗等领域应用广泛。缺点是筛网在增加湍流的同时，可能对敏感物质产生剪切力，同时对于固含量较高的料液，容易发生堵塞或产生较大的压力。

中空纤维因内部为中空的结构，其优点是可以用于固含量更高的料液，比如菌体收集、料液澄清等，同时在一些对剪切力敏感的料液中可能有更好的效果，比如一些对剪切力敏感的病毒类产品。缺点是达到对膜表面同样的冲刷效果，需要更大的泵速，在设备选型时需要更大的进液泵，同时泵速提高也会产生较大的剪切力。

总之，平板膜包和中空纤维膜二者皆有不同尺寸、孔径的选择，应用上既有重叠，也有一些侧重。可以结合行业经验、测试数据来选择，同时也要考虑生产放大对设备的要求。

另外，平板膜包有不同流道的选择，中空纤维亦有不同纤维内径的选择。宽流道（或大内径）适用于高粘度或高固含量的产品，窄流道（小内径）适用于相对低粘度的料液。相同面积的膜组件，宽流道（大内径）需要更大的泵速，在前期选型时要考虑到日后放大对设备的需求。

切向流过滤组件形式（图片来源：PDA TR15）

（2）截留孔径的选择

超滤膜通常以MWCO（Molecular Weight Cut Off）来标称其截留能力，需要注意的是截留能力的标定并无统一标准，膜的微观结构通常是海绵样的结构，其孔径并不均一，不同厂家同样MWCO的膜对同一物质的截留率不一定是一样的。比如100kD的膜包并非是可以100%截留100kD的分子（分子的形状也会影响截留效率），对100kD以下的分子也无法100%透过，通常是以γ球蛋白（169kD）或类似大小的葡聚糖来测试，其截留率通常可以达到95%以上。

超滤的目的是要截留目标分子（浓缩或透析）时，通常推荐选择其分子量1/3-1/5的膜，比如单抗的分子量约150kD，通常采用30kD进行浓缩。而要透过目标物质时（澄清或分离不同大小的分子），则需要选择目标分子量的10倍或更大孔径的滤膜才能获得较高的透过率，同时考虑要截留物质的分子量，在能截留大分子杂质的基础上尽量选择大孔径的滤膜，以提高目标物质的透过率。

（3）膜材质的选择

目前市面上超滤膜主要材质有聚醚砜（PES）、聚砜（PS）和再生纤维素等几类，其选择主要考虑材质的兼容性、清洗性能等。通常聚醚砜具有更好的耐酸碱性和通过性。而纤维素类具有更好的亲水性，更易清洗，且对部分有机溶剂的耐受性更好。在具体应用中，可根据厂家提供的兼容性信息和测试对比（工艺效率、截留能力、易清洗性等）来选择。

切向流过滤膜的结构（图源：PDA TR15）

·工艺参数：

本文主要从优化工艺速度的角度列举相关参数，对于实际应用，还需从所处理的料液需求方面考虑浓度倍数、透析倍数、透析Buffer的选择等。

表1 切向流过滤参数及其影响

可见，在切向流过滤工艺中，主要的控制是通过进液泵和PCV来实现的（有滤出PCV阀或滤出泵的还会有滤出端控制），在自动化设备中，则可以通过设定相应的压力，同过PID反馈调节进液泵和PCV来实现恒压模式的过滤。

需要注意的是上述参数相互关联，在逻辑上可以分为进液端控制（F_feed、P_feed、ΔP）、回流端控制（PCV、P_retentate、TMP），通常在进液端和回流端需各选择一个参数实现工艺控制，具体控制模式需结合产品特性、工艺需求、设备功能等进行选择。采用自动化设备可实现更多的控制模式。

比如：

▪ F_feed + PCV

▪ F_feed + TMP

▪ ΔP + TMP

▪ P_feed + P_retentate 

综上所述，在开发切向流过滤工艺时需明确工艺目标，并从料液、膜组件、工艺参数等多方面进行优化，以提高工艺效率，降低成本。下期我们将介绍如何优化进液流速、TMP、分批透析vs等体积透析、最佳透析点的选择等知识。