振动辅助单程切向流过滤技术在沉淀蛋白处理中的应用与性能提升研究

本研究针对单程切向流过滤（SPTFF）处理沉淀蛋白时因浓差极化和膜污染导致的低转化率问题，创新性引入振动辅助系统。以人血清免疫球蛋白G（hIgG）为模型，实验证明振动使临界通量提升2倍以上，浓度因子达6倍（非振动仅2倍），且可连续运行24小时（通量>70 LMH），为低成本连续化抗体纯化提供了新方案。

　　

在生物制药领域，单克隆抗体（mAbs）作为“生物导弹”已成为癌症和自身免疫疾病治疗的主力军。然而，其下游纯化过程却面临巨大挑战——传统Protein A亲和层析不仅成本高昂（占生产总成本的90%），且难以满足连续化生产需求。更棘手的是，当采用沉淀法这种低成本替代方案时，后续的切向流过滤（TFF）常因浓差极化和膜污染“卡脖子”，导致浓度因子（concentration factor）难以突破2倍瓶颈。

针对这一行业痛点，美国FDA资助的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表突破性成果。研究人员以人血清免疫球蛋白G（hIgG）为模型，首次将振动辅助系统与单程切向流过滤（SPTFF）联用。通过精密设计的振动装置（频率未公开）扰动边界层，成功将沉淀蛋白处理的性能提升至工业可用水平。

关键技术方法
研究采用锌离子（ZnCl₂）和聚乙二醇（PEG 3350）共沉淀法制备hIgG沉淀物（浓度5-60 g/L），通过flux-stepping实验测定临界通量。对比分析振动/非振动条件下0.2 μm PES膜的过滤性能，关键参数包括转化率（permeate/feed flow rate ratio）、浓度因子及24小时长期稳定性测试。

研究结果

Flux-Stepping实验
• 振动使5 g/L hIgG沉淀的临界通量提升2倍，浓度因子从<2倍跃升至10倍
• 处理60 g/L高浓度沉淀时仍保持高滤液通量，突破传统SPTFF处理极限

长期运行表现
• 连续24小时运行中维持>70 LMH（升/平方米/小时）通量
• 浓度因子稳定在6倍以上，远超OptiSep?系统1.1倍的行业记录

作用机制
高频振动产生局部剪切力，有效破坏浓差极化层，使膜表面沉积蛋白重新悬浮。相较于传统Dean涡流增强技术，该方案能耗更低且更易集成到连续生产线。

结论与意义
这项研究为抗体连续纯化提供了颠覆性解决方案：

1. 成本革命：振动辅助SPTFF可替代昂贵的Protein A层析，使沉淀法真正具备工业化价值
2. 技术突破：首次实现沉淀蛋白的单程高倍浓缩（6-10倍），为连续生物制造扫清关键障碍
3. 普适性：所用PES膜为工业常用材质，方案易规模化推广

特别值得注意的是，该技术对高浓度（60 g/L）沉淀的处理能力，恰好匹配现代生物反应器的高滴度趋势。正如通讯作者Andrew L. Zydney强调，这项源自FDA合作的研究，不仅适用于hIgG，更为mAbs等高价生物制剂提供了“降本增效”的新范式。未来通过优化振动频率与振幅参数组合，性能还有进一步提升空间。