引言：切向流過濾是生物制藥工藝中關鍵的分離純化技術之一。通過液體在膜表面的切向流動，減少大分子/大顆粒物質在膜表面的堆積，從而實現比直流過濾更高的處理通量，在抗體、疫苗、基因和細胞治療、核酸藥物等生物制藥領域應用廣泛，是藥物分子濃縮和緩沖液置換的主要手段。優化切向流過濾工藝可以提高生產效率，降低生產設備和耗材成本，提高產品質量。 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和工藝優化。

1.切向流過濾和超濾

    在生物制藥中，很多人習慣將切向流過濾稱為超濾，實際上這是兩個概念。切向流過濾是相對于直流過濾（死端過濾）的一個概念，因其料液流動方向和膜成切向而得名。而超濾是一個根據截留孔徑命名的過濾技術，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）來標識膜的截留能力，因切向流形式的超濾在生物制藥中應用較多，大家習慣將切向流過濾技術稱為超濾。其實在生物制藥中切向流微濾技術（截留能力在0.1μm-0.65μm）也是應用很普遍的，在一些工藝中可以替代直流過濾或離心機，用于菌體收集或料液澄清。二者的工藝控制模式略有不同，本文內容主要從超濾的角度出發。
 

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、過濾膜性質、工藝參數。

    料液的濃度、粘度、pH、電導、分子穩定性等皆可能對切向流工藝產生影響。對不同的目標產品首先要了解其性質，再進行工藝優化。比如對于對剪切力敏感的產品，就需要采用溫和的條件（較低的壓力、較低的切向流速等）；而對于穩定的產品則可以優化濾速為主要目標，以提高工藝效率；對于濃度敏感的產品，則需要考慮在合適的濃度進行透析，以減少其處于高濃度的時間。料液溫度、緩沖體系等會影響料液的粘度和分子穩定性，從而影響工藝效率，在高濃度蛋白濃縮中還可能通過優化這些參數，以達到高倍濃縮的目的。

（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用相對較少，而平板膜和中空纖維在生物制藥領域都有廣泛的應用。

    平板膜通常在兩層膜之間加有篩網，起到支撐和增加湍流的作用。其優點是在同樣的工況下，篩網提高了對膜表面沖刷效果，效率更高，在重組蛋白、抗體、多糖、疫苗等領域應用廣泛。缺點是篩網在增加湍流的同時，可能對敏感物質產生剪切力，同時對于固含量較高的料液，容易發生堵塞或產生較大的壓力。

    中空纖維因內部為中空的結構，其優點是可以用于固含量更高的料液，比如菌體收集、料液澄清等，同時在一些對剪切力敏感的料液中可能有更好的效果，比如一些對剪切力敏感的病毒類產品。缺點是達到對膜表面同樣的沖刷效果，需要更大的泵速，在設備選型時需要更大的進液泵，同時泵速提高也會產生較大的剪切力。

    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，應用上既有重疊，也有一些側重。可以結合行業經驗、測試數據來選擇，同時也要考慮生產放大對設備的要求。

    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徑的選擇。寬流道（或大內徑）適用于高粘度或高固含量的產品，窄流道（小內徑）適用于相對低粘度的料液。相同面積的膜組件，寬流道（大內徑）需要更大的泵速，在前期選型時要考慮到日后放大對設備的需求。

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）來標稱其截留能力，需要注意的是截留能力的標定并無統一標準，膜的微觀結構通常是海綿樣的結構，其孔徑并不均一，不同廠家同樣MWCO的膜對同一物質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（分子的形狀也會影響截留效率），對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試，其截留率通常可以達到95%以上。

    超濾的目的是要截留目標分子（濃縮或透析）時，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進行濃縮。而要透過目標物質時（澄清或分離不同大小的分子），則需要選擇目標分子量的10倍或更大孔徑的濾膜才能獲得較高的透過率，同時考慮要截留物質的分子量，在能截留大分子雜質的基礎上盡量選擇大孔徑的濾膜，以提高目標物質的透過率。

（3）膜材質的選擇

    目前市面上超濾膜主要材質有聚醚砜（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，且對部分有機溶劑的耐受性更好。在具體應用中，可根據廠家提供的兼容性信息和測試對比（工藝效率、截留能力、易清洗性等）來選擇。

切向流過濾膜的結構（圖源：PDA TR15）

    本文主要從優化工藝速度的角度列舉相關參數，對于實際應用，還需從所處理的料液需求方面考慮濃度倍數、透析倍數、透析Buffer的選擇等。

表1 切向流過濾參數及其影響

    可見，在切向流過濾工藝中，主要的控制是通過進液泵和PCV來實現的（有濾出PCV閥或濾出泵的還會有濾出端控制），在自動化設備中，則可以通過設定相應的壓力，同過PID反饋調節進液泵和PCV來實現恒壓模式的過濾。

    需要注意的是上述參數相互關聯，在邏輯上可以分為進液端控制（Ffeed、Pfeed、ΔP）、回流端控制（PCV、Pretentate、TMP），通常在進液端和回流端需各選擇一個參數實現工藝控制，具體控制模式需結合產品特性、工藝需求、設備功能等進行選擇。采用自動化設備可實現更多的控制模式。

比如：

▪ Ffeed + PCV

▪ Ffeed + TMP

▪ ΔP + TMP

▪ Pfeed + Pretentate 

    綜上所述，在開發切向流過濾工藝時需明確工藝目標，并從料液、膜組件、工藝參數等多方面進行優化，以提高工藝效率，降低成本。下期我們將介紹如何優化進液流速、TMP、分批透析vs等體積透析、最佳透析點的選擇等知識。