【建议收藏】超滤膜包在生物制药领域中的工艺表征研究（上）

工艺表征（Process Characterization，PC）主要是研究工艺输入对工艺输出的影响，通过研究确定工艺参数的控制范围，提高工艺稳定性，减少批次间

工艺表征（Process Characterization，PC）主要是研究工艺输入对工艺输出的影响，通过研究确定工艺参数的控制范围，提高工艺稳定性，减少批次间差异，降低失败的风险，保证工艺性能确认批次（PPQ）及商业化生产批次可以始终如一的生产出符合质量标准的产品。

具体目标

‌1.识别影响产品质量和产量的工艺参数‌：通过工艺表征，可以确定哪些工艺参数对产品的关键质量属性（CQA）有显著影响。

‌2.确定生产运作参数范围和可接受标准‌：这包括确定工艺参数的控制范围，确保生产出的产品符合预定质量标准。

3‌.确定工艺参数和关键质量参数之间的影响关系‌：通过分析工艺参数与关键质量参数之间的关系，可以优化工艺流程，提高产品质量。

随着越来越多的生物制药进入关键临床/注册性临床研究阶段，工艺表征、工艺验证（Process Validation，PV）的工作逐渐提上议程。基于QbD理念的工艺表征&工艺验证是药品上市前药学研究最重要的工作之一。

超滤工艺已经成为生物制药生产工艺中不可或缺的工艺步骤，而平板膜包也因此成为生物制药中一个关键耗材。研究超滤膜包在生物制药应用领域中的工艺表征无疑，至关重要，它关乎到产品的核心利益和长期发展。超滤膜包工艺表征研究的目的是研究超滤工艺操作参数对工艺性能/产品质量的影响，以确定关键工艺参数及其设定点和可接受范围。超滤膜包是切向流超滤系统的一个重要膜组件，切向流超滤的生产工艺由许多参数决定，其中关键的工艺参数有：膜材质选择、膜孔径选择、切向流量控制、有效跨膜压（TMP）控制、载量验证、膜面积选择、系统清洁、膜寿命验证、透析优化等。这些参数既相互影响又相互制约，要同时达到提高工艺稳定性和生产效率的目的，就必须首先对这些参数进行优化。下面我们简单介绍几个关键工艺参数的优化思路。

膜材质选择

超滤膜包的材质有聚醚砜（PES）、再生纤维素（RC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。

聚醚砜（PES）

PES是目前应用最为广泛的超滤膜。PES疏水性或亲油性较强，故水通量低和抗污染能力差。因此，市面上的PES膜多是改性亲水聚醚砜（PESU）。PESU膜的显著特点是高通量、耐酸碱、耐压、耐热、耐氧化。主要应用于高浓度的蛋白溶液（如单抗、HSA、IgG、重组蛋白等）、细胞收获、疫苗、抗生素、造影剂、传统中药、合成药物等。

再生纤维素（RC）

对比其他材质，RC最大的优点是极低的蛋白吸附。此外，纤维素对于有机溶剂的兼容性优于聚醚砜，但是不能用高浓度的NaOH进行清洗和保存。RC膜主要应用于低浓度蛋白溶液，对蛋白收率有较高要求和溶液中含有有机溶剂的情况，但不是所有有机溶剂都可以用纤维素膜进行超滤，需要对照膜的兼容性进行选择。

聚偏二氟乙烯（PVDF）

PVDF是一种特殊的聚合物材料，具有优异的化学稳定性、热稳定性和耐候性，具有良好的机械强度和抗压能力。这种膜具有较高的通透率和较低的阻拦能力，能有效地将小分子物质和水分传递，同时阻挡大分子物质和固体颗粒。在生物医药领域，PVDF膜可以用于制备纯化蛋白质、细胞培养、血液分离等。PVDF超滤膜虽然性能良好，但往往应用于微滤工艺。

膜孔径选择

超滤孔径是超滤膜重要的性能指标之一,它直接影响到膜的分离效率和通量。孔径过大会导致过滤效果不佳，无法有效去除杂质；而孔径过小则会降低过滤速度，甚至导致堵塞，影响超滤膜的使用寿命。‌

膜孔径的选择一般为目标物质分子量的3-6倍，优选5倍，在确保高回收率的同时，实现高流速。下表是部分应用场景中膜包的常用孔径。

切向流量控制

切向流量（Tangential Flow）‌是指通过并平行于膜表面的流体速度，通常以每分钟升数（L/min）或每平方米每小时升数（L/m²/h）来表示‌。切向流量在切向流超滤中起着关键作用，它决定了流体在膜表面的流动方式，从而影响过滤效率和膜的使用寿命。切向流量对滤膜表面有“清洗”作用，适当提高切向流量，有助于缓解浓差极化，提高透过流量（Flux）。但是，过高的切向流量也会使产品所受到的剪切力增加，从而可能导致产品活性的下降。因此，选择合适的切向流量需要综合考虑样品的耐受性和过滤工艺的要求‌。

切向流速很大程度上取决于所选用的膜包结构和筛网类型，不同供应商根据自家膜包的特点会推荐不同的切向流速，Guidling超滤膜建议的切向流速为4-6L/m²/min，但对于一些敏感样品，可根据实际情况适当低于推荐范围。

有效跨膜压（TMP）控制

TMP是切向流超滤过程中的关键参数‌。有效跨膜压（TMP，单位：bar或psi）指膜两侧的平均压力差。透过通量（Flux，单位：升/平米/小时，L/m²/h，LMH）是指单位时间单位膜面积透过膜的流体量。在切向流超滤工艺中，TMP与Flux密切相关。

在恒定流量的切向流超滤工艺中，Flux与TMP之间的关系可以分为两个阶段。

TMP=（Pin+Pout）/2-Pp（Pin=进料压力，Pout=回流压力，Pp=透过压力）。

压力相关区：最初时，影响Flux的仅仅是滤膜的阻力，所以当TMP增加时Flux会呈线性增加。

压力不相关区或凝胶层控制区：随着TMP的不断增加，滤膜逐渐被浓差极化，部分增加的TMP被浓差极化层的阻力所抵消，因此Flux的增加逐渐变缓。直至最后，滤膜被完全浓差极化，所增加的TMP被浓差极化层的阻力完全抵消，此时，Flux不再升高。

在切向流TMP的优化过程中，利用透过通量Flux和TMP作图，找到TMP拐点（随着TMP的增加Flux不变），一般取TMP拐点值的70-80%作为最佳TMP点。此时，滤膜还未被完全浓差极化，通量值也相对较高。

载量验证

载量（L/m²或g/m²）指单位平米膜面积可过滤料液的体积或质量。这是衡量过滤性能较为重要指标之一。不同料液的载量千差万别，即使采用相同料液（如疫苗），由于各个厂家的工艺不同，其滤器选型及载量等性能指标也不尽相同。以下是Guidling超滤膜包不同膜面积推荐的处理量。

在工艺确定前，需要进行研发实验，研发阶段一般使用0.11m²或0.5m²膜包。以初步试验使用10kd 0.11m²膜包处理2L料液用时45min为例，为确定10kd 0.11m²膜包的载量，首先确定工艺时间，以TMP＜1.0bar的测试压力，分别记录处理4L、5L、6L用时，直至用时达到确定的工艺时间，此时对应的处理量就是10kd 0.11m²膜包在预估工艺时间的最大载量。在实际生产中，等比放大即可。

想要更细致地了解Guidling超滤膜包的载量，可以与我们联系，做进一步的深入探讨。

关于九龄

九龄科技是一家专注于生物制药与细胞培养、纯化、分离的开发生产公司；产品广泛用于生物医药、诊断、工业流体的过滤、检测、澄清、纯化与浓缩过程；九龄成功开发出超滤离心管、超滤/微滤膜包、除病毒过滤器、除菌过滤器、切向流过滤装置、深层膜堆、中空纤维等，完全满足生物制药、细胞培养等应用场景。我们的膜与膜过滤器广泛应用于预过滤、微滤、超滤、纳滤的浓缩、提取及分离；我们众多产品生产线，从小型一次性实验室过滤到生产型过滤系统、无菌检测、发酵、细胞培养等，能够满足试验与生产的各项需求。九龄科技期待与您的合作！