一次性使用切向流过滤技术
本文节选自《New developments in membranes for bioprocessing – A review》。详细内容，请查看原文。更多本文相关内容，请查看“连续生物工艺：灌流生物反应器”和“新型生物治疗药物中的膜技术：质粒DNA”。
在几乎所有生物药产品的制剂中，都会使用超滤/洗滤(UFDF)进行最终的浓缩和缓冲液置换。这些单元采用孔径在1到5nm之间的膜，可实现生物药的高截留以及低分子量杂质相对自由的通过。膜通常由聚砜、聚醚砜或纤维素制成。在大多数应用中，纤维素膜更亲水，蛋白质吸附和污染的水平更低，但纤维素对于严苛的化学清洗剂来说较不稳定。当然，对于一次性使用系统来说无需考虑这一点。
超滤组件的操作方式为切向流过滤(TFF)，有时也称为错流过滤，进料液流平行于膜表面，垂直于过滤方向。切向液流扫过膜表面，增强反向传质，降低污染，相比直流过滤，可获得更高的滤液通量。传统的超滤系统一般采用不锈钢材质构建，料液从大型不锈钢罐进入膜组件。van Reis和Zydney曾提供过Genentech公司250m2 膜面积的典型系统的照片。相比之下，一次性使用系统通常从可抛弃型料液袋进样，后者体积可高达2,000L，并配置由合适的塑料管路和无菌接头组成的完全可抛弃型流路。此类系统通常还包含用于压力、流量和温度监测的一次性使用传感器，有些情况下还可能配置电导和UV检测器。
Magarian等人证实，UFDF也可用于清除在生物制造过程中使用的一次性使用料液袋和其它系统可能产生的各种溶出物/析出物。用乙腈、苯甲醇、叔丁醇、丁内酯、己内酰胺、己酸和三甲基硅烷醇获得的数据显示，这些模式溶出物/析出物的浓度可在9个洗滤体积（ND）内降低1000倍，与洗滤过程中溶质清除的标准模型一致：
其中，ND为恒体积洗滤工艺中，累积滤液体积与进样(或回流)体积之比，So观察到的筛分系数，等于滤液中溶质浓度与回流液中溶质浓度之比；对于极小的溶出物和析出物，So几乎等于1。Magarian等人观察到了一种反弹现象，在UFDF工艺结束时使用的蛋白质回收步骤中，溶质浓度增加。这个回收步骤通过反向流动(从回流出口到进样入口)，以重悬任何可能粘附在膜上和/或在靠近膜表面的浓缩边界层内的产物。
一次性使用和重复使用UFDF工艺典型工艺时间比较
上图所示为以UFDF进行重组蛋白产物最终制剂时，典型一次性使用和重复使用系统的处理时间的比较。一次性使用系统伽马辐照预消毒，所以无需初始消毒步骤即可使用(包括随后冲洗去除用于消毒的化学品的步骤)。一次性使用系统不需要大量的使用后清洗循环来再生膜；残留的产物可以简单地通过缓冲液冲洗回收。这也意味着，在UFDF处理后，不需要检测标准水通量，后者通常作为清洗循环的一部分，以验证膜成功再生。最终结果是总处理时间减少了30%以上。
市面上已经开发了许多针对生物工艺应用的预灭菌 (通常伽马辐照)的一次性使用TFF组件：包括AllegroTM一次性使用系统(原为Pall，现由Sartorius销售)、Mobius® FlexReady切向流过滤解决方案(MilliporeSigma)以及TangenXTM SIUSTM一次性使用膜包(原为Novasep，现由Repligen销售)。最近，MilliporeSigma开发了Pellicon® Capsule，这是一种一次性使用的TFF设备，采用伽马辐照，包括无菌接头，以无防腐剂的RO水保存，极大地促进了其在生物工艺应用中“即插即用”技术的使用。[此外，Repligen的TangenXTM SIUSTM Gamma亦为经伽马辐照、与管路和无菌接头预组装的即用型膜包产品]。Cytiva [和Repligen]提供一次性使用的中空纤维组件。这些组件被设计用来模拟相应的可重复使用系统，具有相似的进料侧压降(δP)和传质系数(km)，但包括了无菌接头，以便于它们在一次性使用系统中的应用。这是通过使用等效的流体几何结构(如长度和流道高度或纤维半径)来实现的，包括膜包内相似的间隔元件(筛网)(图7)。这确保在给定的进样条件下，组件具有基本相同的滤液通量(Jv)：
其中，Cw和Cb为直接位于膜表面(“壁”)上游和原液中的蛋白质浓度。
TFF膜包和中空纤维组件的示意图。
除了适应于一次性使用的传统TFF组件外，还可以开发专门针对一次性应用的超滤组件。例如，Yehl和Zydney探索了使用高通量聚砜中空纤维血透组件，在非常低的滤液流速(低于0.3 μm/s或1 LMH)下操作，以单通过TFF模式，进行蛋白质浓缩；极低的通量显著降低了膜污染程度，使膜在不进行任何物理或化学清洗的情况下，可连续5天进行蛋白质浓缩，且保持稳定运行。这对于连续生物工艺来说特别有吸引力。这些血透组件的成本仅为15美元/m2(或更低)，比用于生物工艺的传统UF组件低了一个数量级。此外，这些组件以预先消毒的形式提供，带有无菌接头和管路装置，最初设计用于直接应用于体外血液回路。因此，该系统可以提供单通过TFF性能，但价格与可抛弃型(一次性使用)技术兼容。
这些组件的通量-压力趋势图看起来非常类似于传统的UF组件，最初的通量随跨膜压(TMP)增加而增加，然后在高TMP条件下，接近非压力依赖性的值，此时，通量受限于浓差极化边界层(方程1)。实线是Yehl和Zydney开发的一个模型计算，考虑了在高IgG浓度下，浓度依赖性粘度的影响：
qp和qfeed为滤液和进样流速，Lp为膜渗透性，ko为在无限稀释溶液中的传质系数，x = q/qfeed为局部回流流速与入口进样流速的比例，[ƞ]为固有粘度，S为形状系数或Simha参数，K是群集因子。图8中的实线采用[ƞ] = 0.0086 L/g、K/S = 0.19、Cw = 400 g/L绘制。
对于以qfeed=25mL/min（对应进样通量0.8 LMH）和Cfeed=15g/L操作的中空纤维组件，滤液通量与跨膜压的关系。实线为方程(3)所示的模型计算；虚线表示膜限制性通量。
原文：A.L.Zydney, New developments in membranes for bioprocessing – A review. Journal of Membrane Science, 2020, https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118804.
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