切向流过滤在制药工艺中的应用

切向流过滤技术在制药工艺中的应用付丙鹏纯化与过滤产品应用专家[e-mail]主要内容•切向流过滤原理•切向流过滤的应用•切向流过滤膜的选型•膜包的使用方法和清洗•切向流过滤工艺优化•应用举例膜过滤技术按孔径大小分类：死端过滤压力过滤方向和滤膜垂直通量时间滤饼层厚度滤膜切向流压力滤过液压力是驱动力；剪切力抑制了溶质的沉积；切向流过滤是以多孔膜做为过滤介质的分离过程截留颗粒或分子从液体中分离出来切向流过滤原理切向流过滤原理滤过进液滤饼层厚度时间通量回流滤膜层流和湍流（紊流）层流和湍流（紊流）雷诺系数R管子半径v平均流速d浓度h黏度FlowwithRe2.000层流FlowwithRe2.000–10.000过渡流FlowwithRe10.000湍流•通常在两层膜之间加入筛网，进行支撑，并具有扰流作用，增强对膜的冲刷效果筛网层流和湍流层流透过液透过液湍流层层流层透过液透过液层流层湍流过滤层流过滤进料回流液滤过液浓差极化模型凝胶层由于膜对溶质的截留，使得越接近膜界面的区域浓度越高。切向流过滤装置透过液浓缩液循环泵过滤器P1P3P2LC料液罐主要内容•切向流过滤原理•切向流过滤的应用•切向流过滤膜的选型•膜包的使用方法和清洗•切向流过滤工艺优化•应用举例切向流过滤的应用切向流过滤的应用澄清（Clarification）——分离细胞、E.coli、酵母、细胞碎片浓缩（Concentration）——提高浓度，缩小体积透析（Diafiltration）——缓冲液的置换/脱盐纯化（Purification）——去除杂质（内毒素、杂蛋白等）切向流过滤工艺浓缩浓缩因子V1/V0小分子残留（%）250%333%425%520%1010%205%303.3%402.5%•100%permeable•收膜上大分子——————浓缩/去除小分子•收膜下小分子——————去除大分子/澄清切向流过滤工艺洗滤/透析——进一步去除料液中的小分子，或回收小分子物质加入buffer浓缩•向料液中加入水或缓冲液，再浓缩————不连续洗滤循环切向流过滤工艺连续洗滤示意图边浓缩边加入水或缓冲液，维持体积不变————连续洗滤•补液速度=滤出速度•浓缩端体积恒定切向流过滤工艺连续洗滤和不连续洗滤效率对比DiafiltrationVolumesContinuous（100%permeable）Discontinuous2x（100%permeable）163.2%50.0%286.5%75.0%395.0%87.5%498.2%93.8%599.3%96.9%699.7%98.4%799.9%99.2%主要内容•切向流过滤原理•切向流过滤的应用•切向流过滤膜的选型•膜包的使用方法和清洗•切向流过滤工艺优化•应用举例切向流过滤的核心组件——膜膜组件类型Membranemodules1.平板膜（FlatmembranemodulesinCassettes，膜包）2.中空纤维（血液透析）3.卷式膜（SpiralWoundModule）4.管式（内径大，如陶瓷膜）膜组件类型中空纤维（HollowFiberModule）中空纤维横切面中空纤维柱内径1.2um膜组件类型卷式膜（SpiralWoundModule）膜组件类型平板膜包透过进液端筛网----湍流回流膜组件类型平板膜包切向流过滤膜微滤膜结构(PESU0.1µm)Crosssection„Skin“viewBottomview超滤膜结构(稳定化再生纤维素)Crosssection„Skin“viewBottomview切向流过滤膜切向流过滤膜的截留率（RejectionCoefficient）1.对已知分子量蛋白marker的截留率2.对特定dextran标准物质的截留率通过凝胶渗透色谱（GPC）检测Dextran分子量和含量，判断超滤膜的截留率切向流过滤膜的截留率（RejectionCoefficient）微滤膜包的截留率：细菌动物细胞支原体切向流过滤膜的截留率（RejectionCoefficient）切向流过滤膜包常用膜材质及其特点膜材优点&缺点PESU（聚醚砜）1.杰出的pH兼容性，可用酸碱清洗；2.孔径范围广；3.水流速较快；4.疏水性质易导致流速衰减快；5.对有机溶剂兼容性差；6.对消泡剂敏感（易堵塞）；Cellulosetriacetate(再生纤维素）1.亲水性好，蛋白吸附低，收率高；2.不易污染，流速衰减慢；3.pH2-11，不耐碱，限制清洗和消毒Hydrosart（稳定化再生纤维素）1.优点与再生纤维素相同；2.经稳定化改良的纤维素；3.pH2-14，耐碱，可用1MNaOH清洗主要内容•切向流过滤原理•切向流过滤的应用•切向流过滤膜的选型•膜包的使用方法和清洗•切向流过滤工艺优化•应用举例膜包一般使用流程1打开包装2水冲洗表面3安装4水冲洗膜包5完整性测试一般新膜包采用20%乙醇或甘油保存，打开包装先用水冲洗掉表面的保存液；按照夹具上的导轨安装，使用合适的扭力均匀拧紧；冲洗膜内保护剂；采用合适压力保证膜上下游均被冲洗到；手动法自动法膜包一般使用流程——膜包的完整性测试——扩散流手动法膜包一般使用流程——膜包的完整性测试——扩散流自动法（完整性测试仪）膜包一般使用流程6水通量检测7缓冲液润洗8超滤/微滤9排空/缓冲液顶洗10清洗固定某一测试条件，使用前和使用后采用同样的测试条件进行通量对比。优化工艺参数选择合适的清洗方法，恢复膜性能避免水稀释样品，或改变pH、电导等12保存11检测水通量膜包清洗膜污染是造成膜通量持续下降的原因！目的：去除膜污染物，保持膜性能；防止批间交叉污染；污染物：微生物、颗粒、胶体离子、蛋白、色素……选择合适的清洁剂：1.根据污染物选择相应清洁剂2.膜包材质与清洁剂的兼容性3.清洁剂与生产工艺的兼容性酸硝酸、磷酸、柠檬酸、乙酸碱NaOH、NaOCl、P3-Ultrasil130表面活性剂SDS、吐温、TritonX-100常规清洗推荐清洁剂浓度pHTime温度（℃）NaOH0.05-1N146050H3PO42%1.33050对于酸碱耐受性差的膜，可适当降低清洁剂浓度、温度和处理时间清洗程序高流速：Pin=2.0bar，Pout=0bar微滤：先关闭透过端，循环30-60min，再打开透过端重复循环；超滤：打开透过端，循环30-60min。清洗效果差时，可重复清洗，或提高温度，多种清洁剂交替使用。•如果新膜包水通量恢复低于70%，或•每次使用后膜包水通量都下降应优化清洗方法清洗效果的判断水通量测试每次清洗后，应按照与使用前相同的条件进行水通量测试（CWF），考察恢复率膜包的保存短期保存（＜4week）1-3天可用水或生理盐水浸泡20%乙醇0.05~0.1NNaOH2~3%甲醛膜包清洗循环冲洗系统5min后，关闭入口、回流和透过口。长期保存20%乙醇0.05~0.1NNaOH膜包清洗循环冲洗系统5min后，拆下膜包，用上述溶剂浸泡保存液应定期更换膜包不可干燥防止冷冻结冰主要内容•切向流过滤原理•切向流过滤的应用•切向流过滤膜的选型•膜包的使用方法和清洗•切向流过滤工艺优化•应用举例切向流过滤工艺优化切向流过滤工艺影响因素料液性质操作参数滤膜性能操作设备定义和术语过滤参数压力（压差、过膜压力）切向流流速浓缩倍数洗滤倍数进料液=需要过滤的产品溶液透过液=滤液回流液=浓缩液透过率=con.perm./con.ret.回收率=截留率=1-(con.perm./con.ret.)体积浓缩因子CF=初始体积Vo/终末体积VrTMP=过膜压力压差（ΔP）=进口压力-回流压力通量=单位时间内单位膜面积上过滤的体积(L/m²h)切向流过滤工艺参数切向流过滤工艺优化切向流过滤工艺影响因素——料液性质•目标物质性质过滤目的分子大小稳定性选择合适的膜孔径（截留分子量）浓缩：目标物质分子量的1/2-1/5透过：目标物质分子量的5倍左右孔径大，速度快孔径小，截留率高切向流过滤工艺优化切向流过滤工艺影响因素——料液性质•物理性质料液粘度浓度浊度温度•化学性质料液成分pH有机溶剂选择宽流道？是否需要稀释？是否需要预过滤？选择化学兼容的膜材质切向流过滤操作参数压差ΔP=Pin-PoutΔP与切向流速呈正比过膜压力示意图切向流过滤操作参数过膜压力TMPTMPPPinout2PTMPPPinoutPer2TMP计算公式切向流过滤操作参数（透过端压力为0时）切向流流速（△P）对凝胶层的影响流速越高，对泵速要求也越高剪切力越大，而且可能对目标物质造成损害切向流过滤工艺注意系统和目标成分耐受性高流速低流速凝胶层TMP对凝胶层影响切向流过滤工艺低TMP高TMP注意系统适用性、工艺时间要求凝胶层透过液流速(l/hm²跨膜压力TMP（bar）最佳TMP最优TMP选择切向流过滤工艺膜控制区凝胶层控制区•在凝胶层控制区，TMP增加，滤速不会增加•最佳TMP在膜控制区和凝胶层控制区（边界控制区）之间切向流过滤工艺透过液流速与切向流流速有关透过流速(l/hm²)跨膜压力TMP(bar)全回流T,v,c=常数.v2（v1）v1膜控制区边界层控制区•增加切向流流速可以扩大膜控制区，从而提高TMP最大值、达到更大的过滤速度。•在凝胶层控制区，增加切向流速度同样可以提高过滤速度。△P和TMP易过滤:特性:较恒定的流速举例:葡萄糖溶液,除热源参数:高TMP,低P难过滤:特性:流速急剧降低举例:胶质,细胞培养基参数:高P，低TMP对剪切敏感的产品:举例:ATIII,FactorVIII,CHO-Cells参数:低入口压力，0.8bar微滤与超滤工艺参数差异微滤•料液中含颗粒杂质、菌体、细胞碎片等•高TMP会获得较高的初始滤速，但容易形成凝胶层，切颗粒可能堵塞膜孔，造成流速衰减•一般采用高ΔP，低TMP，有时会在滤出端施加一定压力，控制TMP和滤出端速度超滤•超滤前一般进行料液澄清，所以一般不易堵塞•滤速可能随料液浓度升高而衰减，也与滤膜吸附性质有关•一般采用最优TMP，兼顾高ΔP•尤其是小孔径滤膜，仅靠增加ΔP难以获得最优速度。孔径（收率、速度）材质（吸附、兼容性、清洗）放大性操作便利性成本效率切向流过滤工艺优化切向流工艺的核心——合适的膜包切向流过滤工艺优化膜包孔径微滤膜包孔径孔径0.1um0.2m0.45m超滤膜包孔径截流分子量(MWCO)1kDa2kDa5kDa10kDa30kDa50kDa100kDa300kDa500kDa1000kDa切向流膜包材质选择——蛋白吸附膜材IgG吸附量（ug/cm2）PESU（聚醚砜）4.7Cellulosetriacetate(再生纤维素）2.7Hydrosart（稳定化再生纤维素）2.6不同膜材质蛋白吸附性能比较（以IgG为例）聚醚砜（PES）材质膜包性能0,000,100,200,300,4001020304050TMP(psi)Flux(mL/min/cm2)0.9%Saline,5L/min0.9%Saline,15L/min0.2%BSA,5L/min0.2%BSA,15L/min盐溶液与蛋白溶液流速对比Hydrosart（稳定化再生纤维素）膜包性能0,000,050,100,150,2001020304050TMP(psi)Flux(mL/min/cm2)0.9%Saline,5L/min0.9%Saline,15L/min0.2%BSA,5L/min0.2%BSA,15L/min盐溶液与蛋白溶液流速对比Hydrosart膜包清洗性能清洗后水通量恢复率实验样品：脱脂牛奶（in0.9%NaCl）0.9%NaCl切向流膜包性能——化学兼容性Hydrosart®对很多有机溶剂兼容性好于PES详情需参考相关产品验证指南有机溶剂乙醇甲醇异丙醇苯酚乙腈甲醛……pHHydrosart：pH2-14PESU：1-14碱清洗(如1MNaOH）是膜包再