振动辅助单程切向流过滤技术在单克隆抗体连续流浓缩中的创新应用与性能提升研究

本文系统探讨了振动辅助单程切向流过滤（SPTFF）技术在蛋白质连续浓缩中的突破性进展。研究通过对比振动与非振动条件下的临界通量和浓缩倍数，证明振动技术可将单程浓缩倍数提升至20倍（17.2 L/m2/h），显著优于传统筛网式滤器。该技术有效缓解膜污染，实现8小时稳定运行（100 g/L浓缩液），为单克隆抗体（mAb）连续生物工艺强化提供了新方案。

　　

引言

单程切向流过滤（SPTFF）作为生物工艺中的重要单元操作，近十年发展迅速。与传统批次超滤不同，SPTFF在稳态下运行，物料仅单次通过膜模块，通过降低进料流速和采用多级膜包串联实现高转化率。该技术主要用于单克隆抗体（mAb）处理，全球市场规模超2000亿美元/年，在癌症和自身免疫疾病治疗中具有重要应用。SPTFF可用于Protein A色谱柱洗脱液的在线浓缩，减少罐体积，提高后续色谱步骤的生产效率，甚至实现缓冲液置换和脱盐。但传统SPTFF模块在低进料通量下运行，需要大量膜面积和复杂内部分级，限制了其应用。

材料与方法

研究采用人血清免疫球蛋白G（hIgG）作为模型蛋白，使用Vibro-Lab 35P振动膜过滤系统开展实验。该系统配备30 kDa聚醚砜（PES）膜，有效面积35 cm²，通过气压活塞产生振动（频率26 Hz，振幅3.5 mm）。对比实验采用Pellicon XL50筛网式滤器（30 kDa Biomax PES膜）。通过通量阶梯实验测定临界通量，定义跨膜压差（TMP）不稳定前后的滤液通量平均值。长期过滤实验采用800 mL的10或20 g/L hIgG溶液，进料通量17.2 L/m²/h。蛋白浓度通过紫外吸收测定，粘度采用坎农-芬斯克粘度计评估，聚集体通过动态光散射（DLS）分析。

结果与讨论

通量阶梯实验

无振动条件下，10 g/L hIgG溶液在进料通量17.2和51.5 L/m²/h时，TMP在转化率20%（浓缩因子1.25倍）时稳定，但升至40%转化率时TMP急剧上升。临界通量分别介于3.4–6.9 L/m²/h和10.3–20.6 L/m²/h，最大转化率仅20%–40%（浓缩因子<2倍）。振动条件下，进料通量17.2 L/m²/h时，滤液通量可达16.3 L/m²/h，转化率>95%，浓缩因子>20倍；进料通量51.5 L/m²/h时，临界通量≥25.8 L/m²/h，稳定转化率50%（浓缩因子2倍）。质量平衡分析表明膜表面hIgG沉积可忽略。

膜清洁与可逆性

新膜通透性0.73 LMH/kPa，使用后清洁膜通透性下降10%–15%，但经0.5 N NaOH（40°C）清洗后可恢复。振动可逆转TMP升高：无振动时TMP从<10 kPa升至>100 kPa（滤液通量6.9 L/m²/h），开启振动后TMP降至6 kPa并稳定。阻力分析显示振动可完全逆转低污染条件下的污染，但重度污染后振动效果有限。

临界通量与转化率

临界通量随进料通量增加而增加，无振动时转化率稳定在30%±5%，有振动时转化率随进料通量增加而降低。振动产生的剪切率（约3000 s^-1）远高于无振动时的层流剪切率（1 s^-1），但临界通量增加主要归因于 retentate出口区域hIgG浓度降低带来的驱动力增强。

开放通道与筛网式滤器性能对比

振动开放通道滤器（Vibro-Lab 35P）在10 g/L hIgG进料时，阻力仅为筛网式滤器（Pellicon XL50）的一半，浓缩因子达20倍（筛网式仅2.5倍）；20 g/L进料时，浓缩因子从1.67倍（筛网式）提升至近10倍。

长期SPTFF性能

10 g/L hIgG进料、90%转化率下，无振动时TMP在20分钟内从42 kPa升至>150 kPa；有振动时，88%转化率下TMP稳定运行>9小时，95%转化率下2小时后TMP急剧上升。20 g/L进料、80%转化率下，振动系统TMP稳定在32–45 kPa超过8小时，retentate浓度102±3 g/L（5倍浓缩）。DLS分析显示振动SPTFF未引起hIgG聚集或碎片。

性能对比总结

振动单级滤器在10 g/L hIgG处理中通量和浓缩因子（16 L/m²/h，8–20倍）均优于多级Pall Cadence模块（16 L/m²/h，11倍）和双级Pellicon胶囊（<1 L/m²/h，7.5倍）。20 g/L处理时，振动系统（14 L/m²/h，5倍）与7级Cadence模块（15 L/m²/h，4.5倍）相当，但显著优于双级筛网系统（15 L/m²/h，1.8倍）。

结论

振动辅助SPTFF可高效实现蛋白质在线浓缩，较无振动系统临界通量提高5倍以上，浓缩因子提高8倍。振动可有效清洁轻度污染膜，性能优于筛网式滤器及复杂多级模块。长期运行稳定（8小时，100 g/L），无蛋白聚集。该系统具备多尺度商业化潜力（0.0035–80 m²），为单克隆抗体连续流工艺强化提供了新途径。