切向流过滤的概念
切向流过滤(Tangential Flow Filtration,简称TFF),又称为错流过滤,是一种利用膜分离原理进行液体组分分离、浓缩与纯化的技术。与传统的死端过滤(Dead-end Filtration)不同,TFF的进料液体沿膜表面平行流动(切向流动),只有一部分液体透过膜形成滤液(透过液),而未透过的液体则继续在膜表面循环。这种方式能够显著减少膜污染和堵塞,延长膜的使用寿命,提高过滤效率。
TFF广泛应用于生物制药领域,尤其在细胞培养液澄清、蛋白纯化、缓冲液置换(洗滤)、浓缩与去除杂质等工艺步骤中,起着至关重要的作用。
切向流过滤的形式
TFF系统主要由泵、膜组件、管路、压力监测装置和储液罐等组成。根据膜组件的不同,TFF可分为以下几种主要形式:
1.平板膜包:平板膜包是一种将膜材料封装在塑料外壳中的构型,常用于小试或中试规模,具有装卸方便、结构紧凑的优点。
2.中空纤维膜:中空纤维膜由多根细小的中空纤维组成,液体从纤维内或外流入,适用于细胞收获、细胞清除或细胞截留等工艺。其操作简便,耐压性较强,特别适合于上游工艺中对细胞或病毒的分离。
3.卷式膜:此类膜以往被广泛应用于工业规模生产中,由于其高表面积密度、良好的机械强度和较高的通量,被广泛用于蛋白浓缩与除盐。
切向流过滤在生物制药中的应用
TFF在生物制药工艺链中起着连接上下游的关键作用,其主要应用包括:
细胞培养上清液澄清:在细胞破碎或培养后,通过TFF实现细胞与大分子产物的分离,去除细胞碎片与杂质。
蛋白质浓缩与缓冲液置换:用于重组蛋白、抗体等大分子产物的浓缩,同时实现缓冲液的置换,便于后续纯化工艺。
病毒浓缩或去除:某些病毒疫苗或基因治疗产品需使用TFF系统进行病毒浓缩或杂质病毒清除。
超滤/洗滤:通过选择合适截留分子量(MWCO)的膜,实现目标蛋白与低分子杂质(如盐、缓冲盐离子、细胞代谢产物)的有效分离。
TFF的一般操作流程
TFF的操作大致可分为以下几个阶段:
1.系统准备与清洗
组装TFF系统,包括膜组件、泵、压力传感器等;
使用适当的清洗液(如0.1 N NaOH或清洁剂)对系统进行在线清洗(CIP);
用纯化水冲洗至无泡沫、无残留。
2.系统预润湿与完整性测试
使用预润湿液(一般为水或含表面活性剂的缓冲液)预润膜组件;
进行膜完整性测试,确保无泄漏或损坏(例如,气泡点测试或水流量测试)。
3.上样与过滤
将待处理液体导入系统,设定进料压力、透过液流速和循环流速;
实时监控跨膜压(TMP)与流速,避免膜污染和压力过高;
目标是达到设定的体积浓缩因子(VCF)或洗滤终点。
4.缓冲液置换(洗滤)
添加新缓冲液,进行多次稀释与浓缩,达到目的缓冲液条件;
常以电导率或pH值变化为指标,判断置换是否完成。
5.回收产品与系统清洗
将浓缩后的目标产物回收;
系统进行最终CIP清洗、膜储存液置换(如含0.1 N NaOH或20% 乙醇),便于长期保存。
工艺规模放大注意事项
从实验室到工业生产,TFF系统的放大需谨慎实施:
1.放大原则
保持相似的跨膜压(TMP)、剪切速率与膜流速是放大的关键;
推荐使用恒定剪切放大法,确保膜表面流动状态与剪切条件的一致性。
2.放大挑战
膜污染速率变化:规模放大后,料液不均匀、膜通量下降等问题可能加剧;
系统死角与液体滞留:大系统更容易形成清洗不彻底的“死区”;
流体动力学差异:泵种类、管径、管长差异会影响剪切速率与回流压力;
一次性系统使用:需在放大前进行膜材料、生物相容性与溶出物/析出物(Extractables/Leachables)评估。
工艺验证与GMP要求
1.工艺验证
在GMP体系中,TFF工艺需经过详尽的验证,包括但不限于:
膜选择验证:选择合适MWCO的膜,确保产品截留与杂质去除效率;
工艺参数确认:验证关键工艺参数如TMP、流速、pH、温度对产品质量的影响;
清洁验证:系统清洗方法需验证能有效去除残留蛋白、微生物与清洁剂;
微生物控制:包括无菌工艺或低生物负荷工艺的无菌保持与控制。
2.文件记录与批次可追溯性
所有操作过程需形成SOP;
批次记录中应详尽记录TFF操作参数、滤膜批次、操作人员、操作时间等信息;
关键参数应实现电子记录与报警系统,满足数据完整性要求(如ALCOA+原则)。
在GMP环境下实施TFF系统时,还需注意以下关键点:
设备验证(IQ/OQ/PQ):TFF系统及膜组件应完成安装确认、运行确认和性能确认。
一次性组件验证:若使用一次性TFF系统,应评估与验证接触材质的相容性、灭菌方式和包装完整性。
交叉污染控制:明确TFF系统使用范围,必要时进行专机专用或彻底清洗验证。
在线监测与自动化:GMP生产中推荐使用PLC控制系统,集成流速、压力、pH、电导等在线监测模块,实现参数控制与数据记录。
员工培训与SOP标准化:所有操作人员应接受专门TFF系统操作与GMP规范培训,并遵守统一的标准操作规程。
总结
切向流过滤作为生物制药中不可或缺的分离与纯化技术,其高效、温和、可规模放大的特点,使其在疫苗、单抗、基因治疗和合成生物学等领域都发挥着巨大作用。随着一次性使用系统与自动化技术的发展,TFF的实施效率与合规性也不断提升。在设计与验证TFF工艺时,必须兼顾产品质量、安全性与生产连续性,确保其在GMP环境中稳定运行、受控实施。