切向流过滤在制药工艺中的应用.pdf

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 bingpeng.fusartorius- 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 切向流切向流 压力压力 滤过液滤过液 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 Flow with Re 2.000 10.000 过渡流 Flow with Re 10.000 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 层流层流 透过液透过液 透过液透过液 湍流层湍流层 层流层 透过液透过液 透过液透过液 层流层 湍流过滤湍流过滤 层流过滤层流过滤 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 透过液透过液 浓缩液浓缩液 循环循环 泵泵 过滤器过滤器 P1P1 P3P3 P2P2 LCLC 料液料液罐罐 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 浓缩因子浓缩因子 V1/V0V1/V0 小分子残留（小分子残留（%）2 50%3 33%4 25%5 20%10 10%20 5%30 3.3%40 2.5%100%permeable 收膜上大分子收膜上大分子浓缩浓缩/去除小分子去除小分子 收膜下小分子收膜下小分子去除大分子去除大分子/澄清澄清 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 补液速度补液速度=滤出速度滤出速度 浓缩端体积恒定浓缩端体积恒定 切向流过滤工艺 连续洗滤和不连续洗滤效率对比 DiafiltrationDiafiltration VolumesVolumes ContinuousContinuous （100%permeable100%permeable）Discontinuous 2xDiscontinuous 2x （100%permeable100%permeable）1 63.2%50.0%2 86.5%75.0%3 95.0%87.5%4 98.2%93.8%5 99.3%96.9%6 99.7%98.4%7 99.9%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 Membrane modules 1.平板膜（Flat membrane modules in Cassettes，膜包）2.中空纤维（血液透析）3.卷式膜（Spiral Wound Module）4.管式（内径大，如陶瓷膜）膜组件类型 中空纤维（Hollow Fiber Module）中空纤维横切面 中空纤维柱 内径1.2um 膜组件类型 卷式膜（Spiral Wound Module）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(PESU 0.1m)Cross section Skin“view Bottom view 超滤膜结构(稳定化再生纤维素)Cross section Skin“view Bottom view 切向流过滤膜 切向流过滤膜的截留率（Rejection Coefficient）1.1.对已知分子量蛋白对已知分子量蛋白markermarker的截留率的截留率 2.2.对特定对特定dextran dextran 标准物质标准物质的截留率的截留率 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（Rejection Coefficient）微滤膜包的截留率微滤膜包的截留率：细菌 动物细胞 支原体 切向流过滤膜的截留率（Rejection Coefficient）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1M NaOH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-Ultrasil 130 表面活性剂 SDS、吐温、Triton X-100 常规清洗推荐 清洁剂清洁剂 浓度浓度 pHpH TimeTime 温度（温度（）NaOH 0.05-1N 14 60 50 H3PO4 2%1.3 30 50 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 清洗程序清洗程序 高流速：Pin=2.0bar，Pout=0bar 微滤微滤：先关闭透过端，循环30-60min，再打开透过端重复循环；超滤超滤：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（短期保存（4 week4 week）1-3天可用水或生理盐水浸泡 20%乙醇 0.050.1N NaOH 23%甲醛 膜包清洗循环冲洗系统5min后，关闭入口、回流和透过口。长期保存长期保存 20%乙醇 0.050.1N NaOH 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 定义和术语定义和术语 过滤参数过滤参数 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 TMPTMP=过膜压力 压差（P）=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/mh)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，速度快孔径大，速度快 孔径小，截留率高孔径小，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 物理性质物理性质 料液粘度 浓度 浊度 温度 化学性质化学性质 料液成分 pH 有机溶剂 选择宽流道？选择宽流道？是否需要稀释？是否需要稀释？是否需要预过滤？是否需要预过滤？选择化学兼容的膜材质选择化学兼容的膜材质 切向流过滤操作参数 压差 P=Pin-Pout P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TMP TMPTMP P P P P in in outout 2 2 P P TMPTMP P P P P in in outout PerPer 2 2 TMP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 高流速高流速 低流速低流速 凝胶层凝胶层 TMP对凝胶层影响 切向流过滤工艺 低低TMPTMP 高高 TMPTMP 注意系统适用性、工艺时间要求 凝胶层凝胶层 透过液流速(l/h m 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/h m)跨膜压力 TMP(bar)全回流T,v,c=常数.v2v2（v1v1）v1v1 膜控制区膜控制区 边界层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,Factor VIII,CHO-Cells 参数:低入口压力，0.8 bar 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P，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P 尤其是小孔径滤膜，仅靠增加P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 孔径孔径 0.1um 0.2m 0.45m 超滤膜包孔径 截