x

图片

作为生物制药工艺中的关键分离纯化技术,切向流过滤凭借其独特的分离机制——液体在膜表面切向流动,能有效减少大分子/颗粒物质的堆积,从而实现了远超直流过滤的处理通量。该技术广泛应用于抗体、疫苗、基因与细胞治疗及核酸药物等领域,是药物分子浓缩与缓冲液置换的主流手段。因此,对切向流过滤工艺进行开发与优化,对于提升生产效率、降低设备与耗材成本、保障产品质量至关重要。然而,工艺开发与放大过程中,时常被高压降的问题困扰。本文将深入探讨高压降的形成机理,并提供系统性的解决方案,助您实现稳定、高效的纯化工艺。

关键词


定义

在切向流过滤中,压降特指物料从膜组件进口流到出口所产生的压力损失。


计算公式:ΔP=Pin﹣Pret


●Pin:进料压力,即物料进入膜组件时的压力。

●Pret:回流压力,即物料流出膜组件时的压力。

●ΔP:压降,即进口与出口的压力差值。

图片

关键词


压降过高的影响

●膜流道堵塞风险:高压降直接表明流道内存在严重的物质积聚,可能导致流道完全堵塞,使工艺中断。


●膜组件物理损伤:超过膜组件制造商规定的最大允许压降,可能导致流道隔网变形或粘接处开裂,造成组件永久性损坏。


●工艺效率低下:高阻力意味着需要更高的进料泵压力来维持流速,增加了能耗和设备负担,同时浓缩或洗滤时间会显著延长。


●清洗困难与寿命缩短:形成的严重堵塞往往难以通过常规清洗程序彻底恢复,显著缩短了膜包的使用寿命。

关键词


压降过高的原因

导致压降过高的原因可以归纳为四大类:操作条件、物料特性、膜污染与堵塞、以及硬件与设计。这些因素往往相互关联,共同作用。

01

操作条件不当

操作条件不当,这是最常见且最直接的原因。


切向流速过高:流速是影响压降的最主要操作参数。根据流体力学原理,流道内的压力损失与流速的平方近似成正比(取决于流态)。因此,简单地提高进料/回流流速,会直接导致压降的显著升高。


初始进料压力设置过高:在恒定流速模式下,为了达到一个很高的初始流速,进料泵需要输出很高的压力,这直接会导致Pin的飙升,从而使得压降变得很大。

02

物料特性变化

物料特性变化,这是浓缩过程中压降升高的正常且预期的原因。


物料浓度与粘度增加:这是TFF浓缩模式的核心特征。随着溶剂和小分子被滤出,料液中的大分子(如蛋白质、多糖、细胞)浓度不断升高,导致料液的粘度显著增加。高粘度流体在流经狭窄的膜流道时,内摩擦阻力急剧增大,从而造成压降的持续、平稳上升。在浓缩过程中,观察到压降随着体积浓缩因子的增大而平稳升高,这是一个正常的物理过程,而非异常故障。


物料本身具有高粘度或非牛顿流体特性:即使是在初始浓度下,某些料液(如含有高分子量聚合物、高细胞密度发酵液、某些多糖溶液)本身就非常粘稠,其基础压降远高于水或缓冲液。

03

膜污染与流道堵塞

膜污染与流道堵塞,这是压降异常、急剧升高的最主要原因,属于需要警惕和处理的故障模式。


凝胶层/滤饼层的形成:被膜截留的物质(如蛋白质、细胞碎片、胶体)在膜表面堆积,形成一层致密的污染层。这层物质不仅阻碍渗透,更会显著侵占膜流道的物理空间,使得流道有效高度减小,流动阻力倍增。


流道物理堵塞:料液中的不溶性颗粒、纤维、聚集物等,其尺寸与膜流道(特别是进口端)的尺寸相当或更大时,会直接卡在流道内,造成严重的局部堵塞。这种堵塞通常是不均匀的,可能导致膜组件内部分流道完全失效,并引发极高的、非线性的压降飙升。这是最危险的情况之一,可能永久性损坏膜组件。


浓差极化:虽然浓差极化层是可逆的,但在高TMP或高通量下,形成的极化层非常浓稠,其表现类似于凝胶层,会增加局部粘度并减小流道空间,贡献于压降的升高。

04

硬件与系统设计限制

不合适的膜组件选择:流道越长,流体与流道壁的摩擦路程越长,基础压降越高。流道越狭窄,流体受到的几何约束越大,流动阻力越大,压降越高。


系统管路与阀门堵塞:问题可能不完全出在膜组件上。进料管路、传感器接口、特别是回流管路及其阀门可能被污染物或结晶堵塞,也会在整个系统中产生额外的压力损失,并被误判为膜组件的压降。


温度效应:料液温度低于工艺设计值。温度降低通常会导致液体粘度增加,从而引起压降升高。




图片


系统性排查原因及针对措施


关键词


压降过高的解决方案

压降过高的解决方案分为三大类:即时操作调整、清洗与复苏、以及长期预防与优化。

01

即时操作调整

调整切向流速:适当降低切向流速。降低流速是减少压降最直接、最有效的方法。但需注意流速过低会削弱膜面剪切力,可能加剧膜污染。需找到平衡点。


稀释料液:向进料罐中加入适量的缓冲液或纯水,降低料液的整体浓度。


暂停渗透,全循环:关闭渗透端阀门,让料液在“进料罐→泵→膜组件→进料罐”之间循环,但不产生滤液。


检查并优化阀门开度:确保回流阀门处于合适的开度。如果阀门误操作导致开度太小,会造成人为的高压降。

02

清洗与膜复苏

当操作调整无效时,说明污染或堵塞已形成,需要进行清洗。


在位清洗:使用化学清洗剂溶解或松动污染物。

详情可见:

https://mp.weixin.qq.com/s/dqS8hh7rn1QBm35K32HFOQ


反向冲洗:从膜的渗透侧反向施加一个高于进料侧的压力(使用洁净的缓冲液或水),迫使液体反向穿过膜,将堵塞在膜孔和流道入口的污染物推出。此法对于恢复通量和降低压降效果显著。但必须确认您使用的膜类型和组件能够承受反向压力。


浸泡:将清洗剂充满系统,并停止循环,浸泡数小时或过夜,给予化学清洗剂足够的时间与顽固污染物反应。

03

长期预防与根本性优化

为防止问题反复出现,需要从系统和工艺层面进行优化。


优化料液前处理:这是最根本的预防措施。在料液进入TFF系统前,通过离心、深层过滤等方法,尽可能去除其中的颗粒、细胞碎片、聚集体和其他不溶性杂质。一个干净的进料是流程顺畅的保证。


重新优化工艺参数:寻找临界通量,通过实验确定一个“临界渗透通量”,在低于此通量的条件下运行,可以极大程度地减轻浓差极化和凝胶层的形成,从而从源头上防止压降的异常升高。优化切向流速与TMP的组合,不要盲目使用高流速和高TMP。找到既能保证一定过滤效率,又能将压降控制在合理范围内的最佳操作点。


检查与维护硬件系统:定期检查管路、接头、传感器隔膜等部位是否有堵塞或结垢。校准压力传感器,确保读数准确。


重新评估膜组件选择:如果当前膜组件的流道过于狭窄,无法处理高粘度或含少量微粒的料液,应考虑更换为流道更宽、抗污染性更好的膜组件。评估不同膜材质(如PES、RC、PVDF)对特定料液的兼容性。


关于九龄

九龄科技是一家专注于生物制药下游澄清、分离、纯化的生产型国家高新技术企业;产品广泛用于单抗、疫苗、诊断、血液制品、血清、内毒素等生物制品的过滤过程;九龄科技有“平板膜包与切向流过滤装置”、“中空纤维柱”、“除病毒过滤器”、“深层膜堆”、“除菌过滤器”、“超滤离心管”等产品,并拥有众多产品生产线,从小型一次性实验室过滤到生产型过滤系统,完全满足试验与生产的各项需求。九龄科技期待与您的合作!

图片