連續(xù)生物制造憑借更低的設(shè)備投資與運(yùn)維成本、更穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量可控性，已然成為生物制藥產(chǎn)業(yè)升級的核心趨勢。但在高細(xì)胞密度灌流培養(yǎng)工藝中，生物反應(yīng)器澄清工段的膜污染問題，始終是限制切向流過濾（TFF）技術(shù)規(guī)模化、常態(tài)化應(yīng)用的核心痛點(diǎn)。

針對這一行業(yè)難題，美國阿肯色大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)聯(lián)合百健公司的科研團(tuán)隊(duì)，在《Membranes》發(fā)表重磅研究，首次系統(tǒng)性探究了水力旋流器初級澄清+TFF二級過濾的集成工藝體系，驗(yàn)證了該組合方案改善膜污染、提升澄清穩(wěn)定性的可行性，為連續(xù)生物制造澄清工藝優(yōu)化提供了低成本、可放大的全新技術(shù)思路。

行業(yè)痛點(diǎn)：TFF 的優(yōu)勢與膜污染的桎梏

TFF技術(shù)憑借獨(dú)特的過濾優(yōu)勢，是當(dāng)前生物反應(yīng)器澄清的核心優(yōu)選技術(shù)之一。其核心應(yīng)用優(yōu)勢在于，過濾后的透過液潔凈度高，可直接對接下游蛋白A親和層析捕獲工序，無需額外預(yù)處理，能夠靈活適配批次生產(chǎn)與連續(xù)灌流生產(chǎn)兩種主流模式。但隨著現(xiàn)代生物反應(yīng)器細(xì)胞密度突破25×10? cells/mL，高負(fù)荷物料體系極易引發(fā)嚴(yán)重的膜污染：完整細(xì)胞、細(xì)胞碎片、細(xì)胞裂解雜質(zhì)會(huì)持續(xù)堵塞膜孔，直接造成過濾通量大幅衰減、目標(biāo)產(chǎn)物截留損耗升高，同時(shí)大幅增加膜組件更換頻次，嚴(yán)重破壞連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，推高整體生產(chǎn)成本。

目前行業(yè)內(nèi)主流的膜污染防控方案主要分為三類，但均存在明顯局限性：

反向不對稱膜技術(shù)：采用開放支撐層朝向進(jìn)料側(cè)的特殊結(jié)構(gòu)，可在膜表面形成高滲透性的穩(wěn)定濾餅層，有效保護(hù)致密篩分皮層，能夠顯著提升批次過濾處理量，是目前性能較優(yōu)的抗污染膜解決方案；

交替切向流過濾（ATF）：通過周期性切換進(jìn)料流向，利用流體剪切力沖刷膜面雜質(zhì)、緩解污染，但該技術(shù)穩(wěn)態(tài)通量普遍低于3 L·m?2·h?1，通量效率極低，規(guī)模化生產(chǎn)需配置超大面積膜組件，設(shè)備成本與占地優(yōu)勢較差；

傳統(tǒng)初級預(yù)澄清技術(shù)：常用的深層過濾工藝無法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞循環(huán)回用，與連續(xù)灌流生產(chǎn)的核心需求不匹配，無法應(yīng)用于長效連續(xù)生物制造場景。

基于現(xiàn)有技術(shù)的諸多短板，該研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出集成化工藝方案：將無運(yùn)動(dòng)部件、適配連續(xù)生產(chǎn)、易于工藝放大、運(yùn)行成本低廉的水力旋流器作為前置初級澄清單元，預(yù)先去除物料中絕大部分大粒徑細(xì)胞顆粒，有效降低進(jìn)入TFF膜組件的物料污染負(fù)荷，從源頭緩解膜污染，構(gòu)建適配批次與連續(xù)生產(chǎn)的高效、穩(wěn)定生物反應(yīng)器澄清體系。

研究設(shè)計(jì)：兩種膜 + 兩種旋流器的系統(tǒng)對比

本研究以生物制藥主流的中國倉鼠卵巢（CHO）細(xì)胞培養(yǎng)液為模擬物料，精準(zhǔn)貼合工業(yè)化生產(chǎn)場景，系統(tǒng)探究了不同細(xì)胞密度（0.9–10×10? cells/mL）、不同細(xì)胞活力（0%–96%）條件下，各工藝體系的澄清性能與抗污染表現(xiàn)，核心實(shí)驗(yàn)材料與裝置設(shè)計(jì)如下：

1. 核心材料與設(shè)備

• 兩種商用中空纖維微濾膜：

  傳統(tǒng)對稱膜（UJP）：聚偏氟乙烯（PVDF）材質(zhì)，采用常規(guī)篩分結(jié)構(gòu)，致密皮層朝向進(jìn)料側(cè)，標(biāo)稱孔徑0.65 μm，是工業(yè)常用的傳統(tǒng)微濾膜；

  反向不對稱膜（BioOptimal MF-SL）：聚砜（PS）材質(zhì)，采用差異化反向結(jié)構(gòu)，進(jìn)料側(cè)為40 μm大孔徑開放支撐層，透過側(cè)為0.4 μm致密篩分皮層，專為抗污染場景優(yōu)化設(shè)計(jì)。

• 兩種3D打印水力旋流器：參照行業(yè)經(jīng)典研究構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別復(fù)刻He等人、Syed等人的成熟參數(shù)體系，通過3D打印一體化制備，結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)、可復(fù)制性強(qiáng)，核心幾何參數(shù)見圖1、圖2。

圖1 水力旋流器示意圖：(a) 內(nèi)部流型；(b) 關(guān)鍵部件命名

圖2 兩種水力旋流器的 SolidWorks CAD 設(shè)計(jì)圖

研究搭建三套獨(dú)立對照實(shí)驗(yàn)平臺，分別開展單獨(dú)TFF過濾、單獨(dú)水力旋流器澄清、水力旋流器+TFF集成澄清實(shí)驗(yàn)，通過平行對照試驗(yàn)，全方位對比三種工藝的運(yùn)行性能，整套實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖：(a) 單獨(dú) TFF；(b) 單獨(dú)水力旋流器；(c) 集成水力旋流器 - TFF

核心結(jié)果：集成工藝的差異化優(yōu)勢1.膜結(jié)構(gòu)是抗污染性能的決定性因素

兩種膜材料的微觀結(jié)構(gòu)存在顯著差異，直接決定了其抗污染性能層級（圖4）。UJP對稱膜整體孔結(jié)構(gòu)均勻規(guī)整，無明顯分層；而BioOptimal反向不對稱膜具備典型的差異化結(jié)構(gòu)，進(jìn)料側(cè)內(nèi)壁為大孔徑疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可容納、截留大顆粒雜質(zhì)，保護(hù)外側(cè)致密篩分皮層不被快速污染堵塞。

圖4 兩種膜的 SEM 表征：(a) UJP 膜橫截面；(b–e) BioOptimal 膜橫截面及內(nèi)外表面

在初始通量統(tǒng)一為1110 L·m?2·h?1的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)條件下，BioOptimal反向不對稱膜的抗污染與處理能力遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)UJP對稱膜。當(dāng)細(xì)胞活力維持在96%的高活性狀態(tài)時(shí)，前者的有效處理量是后者的5倍以上。但實(shí)驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了該膜的應(yīng)用短板：物料細(xì)胞活力降至0%（完全細(xì)胞裂解液）時(shí)，處理量僅為高活力工況的1/3。這表明，即便為高性能反向不對稱膜，仍無法徹底規(guī)避大量細(xì)胞碎片帶來的重度膜污染問題，在裂解液澄清場景中存在明顯性能瓶頸。

圖5 不同細(xì)胞活力下兩種膜的通量 - 處理量曲線

2. 水力旋流器的分離性能與細(xì)胞活力平衡

兩款自研水力旋流器的顆粒分離效率與文獻(xiàn)報(bào)道的經(jīng)典設(shè)備性能高度契合，工藝穩(wěn)定性良好（圖7）。基于He構(gòu)型的設(shè)計(jì)I，在入口流速4 m/s條件下分離效率可達(dá)65%；基于Syed構(gòu)型的設(shè)計(jì)II，在8 m/s入口流速下可實(shí)現(xiàn)同等分離效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，入口流速對旋流器底流分流比影響極小，設(shè)計(jì)II的底流分流比穩(wěn)定維持在80%左右；而設(shè)計(jì)I的壓降對流速變化更為敏感，流速提升會(huì)引發(fā)壓降顯著升高（圖6）。

圖6 水力旋流器的底流分流比與壓降隨入口速度的變化

圖7 兩種水力旋流器的分離效率與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對比

實(shí)驗(yàn)同時(shí)證實(shí)，過高的入口流速會(huì)產(chǎn)生較大流體剪切力與壓降，導(dǎo)致細(xì)胞活力大幅下降至90%以下，無法滿足生物活細(xì)胞澄清的工藝要求。因此，工業(yè)化應(yīng)用需平衡分離效率與細(xì)胞活性。本研究采用低流速優(yōu)化工況，可保證2小時(shí)連續(xù)運(yùn)行后物料細(xì)胞活力穩(wěn)定維持在97%以上，兼顧分離效果與物料品質(zhì)。

3. ATF 模式下的長期穩(wěn)定性驗(yàn)證

為驗(yàn)證反向不對稱膜在長效連續(xù)生產(chǎn)中的適配性，研究團(tuán)隊(duì)將BioOptimal膜搭載于ATF灌流系統(tǒng)，開展14天長期連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)（圖8）。長效運(yùn)行數(shù)據(jù)表明：體系最高活細(xì)胞密度可達(dá)32×10? cells/mL，全程細(xì)胞活力穩(wěn)定在90%以上；跨膜壓（TMP）始終低于2.5 kPa，無明顯膜污染、膜堵塞現(xiàn)象；系統(tǒng)平均通量達(dá)229 L·m?2·h?1，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)ATF過濾體系的通量水平，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期運(yùn)行穩(wěn)定性與高效過濾能力。

圖8 BioOptimal 膜在 ATF 模式下 14 天灌流的細(xì)胞密度與活力變化

4. 集成工藝的性能差異：傳統(tǒng)膜獲益顯著

本研究最核心的創(chuàng)新結(jié)論為：前置水力旋流器的集成工藝，對不同結(jié)構(gòu)TFF膜的性能增益存在顯著差異化效果，兩種膜的適配性表現(xiàn)截然不同（圖9）。

針對傳統(tǒng)UJP對稱膜，前置水力旋流器可實(shí)現(xiàn)顯著的抗污染增效效果，大幅緩解通量衰減問題。連續(xù)運(yùn)行40分鐘時(shí)，集成工藝的通量保留率從單獨(dú)TFF工藝的25%提升至39%；且運(yùn)行30分鐘后，集成體系的過濾通量已全面超越單獨(dú)TFF體系。核心原理為：水力旋流器可預(yù)先截留去除物料中絕大部分大粒徑細(xì)胞顆粒，從源頭減少沉積在UJP膜篩分皮層的污染物，極大降低膜孔堵塞速率。

針對BioOptimal反向不對稱膜，2小時(shí)短期對照實(shí)驗(yàn)中，前置水力旋流器未體現(xiàn)明顯性能增益。原因在于，該膜自身的大孔徑進(jìn)料支撐層可自主吸附、截留大顆粒雜質(zhì)，在膜表面形成穩(wěn)定濾餅層，天然具備優(yōu)異的抗污染能力，能夠有效保護(hù)內(nèi)部篩分皮層，因此短期工況下初級澄清的增效空間有限。

圖9 集成水力旋流器對兩種膜通量衰減的影響：(a) BioOptimal 膜；(b) UJP 膜

結(jié)論與展望

該研究首次全方位、系統(tǒng)性驗(yàn)證了水力旋流器+TFF集成澄清工藝在生物反應(yīng)器處理中的應(yīng)用價(jià)值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與工藝適配性分析，得出三大核心結(jié)論，可為工業(yè)化工藝優(yōu)化提供直接參考：

1.膜結(jié)構(gòu)是決定澄清體系抗污染能力的核心因素。反向不對稱膜綜合性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)對稱膜，但在病毒載體生產(chǎn)、細(xì)胞裂解液處理等低細(xì)胞活力、高碎片含量場景中，仍存在明顯的污染短板，無法完全滿足生產(chǎn)需求；

2.水力旋流器前置集成工藝對傳統(tǒng)對稱TFF膜適配性極佳，可有效抑制通量快速衰減、延長膜組件有效運(yùn)行時(shí)長，無需更換核心設(shè)備，是現(xiàn)有傳統(tǒng)澄清生產(chǎn)線低成本升級、提效降耗的最優(yōu)方案之一；

3.針對高性能反向不對稱膜，短期常規(guī)工況下集成工藝增益有限，但在2個(gè)月以上超長周期連續(xù)灌流生產(chǎn)、高細(xì)胞碎片物料處理等嚴(yán)苛工業(yè)場景中，前置水力旋流器可進(jìn)一步降低膜負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)長效穩(wěn)通量運(yùn)行，具備極高的工業(yè)化落地潛力。

未來研究將聚焦工業(yè)化落地關(guān)鍵問題，開展無菌環(huán)境下的長期中試試驗(yàn)，優(yōu)化水力旋流器幾何參數(shù)與TFF運(yùn)行參數(shù)的匹配邏輯，完善工藝放大模型，驗(yàn)證大規(guī)模生產(chǎn)的穩(wěn)定性與可靠性。該集成化澄清工藝突破了傳統(tǒng)TFF技術(shù)的污染瓶頸，為連續(xù)生物制造的產(chǎn)業(yè)化落地提供了高效、經(jīng)濟(jì)、可放大的新路徑，將有效推動(dòng)生物制藥行業(yè)從傳統(tǒng)批次生產(chǎn)向高效連續(xù)生產(chǎn)模式的全面轉(zhuǎn)型。

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