切向流中膜包的特點及選型

一、膜包的核心作用

膜包是切向流過濾（TFF）系統(tǒng)的核心組件，直接決定分離效率、通量和使用壽命。其設(shè)計需兼顧截留性能、抗污染性、化學(xué)兼容性及機(jī)械強(qiáng)度。

二、膜材料類型及特性

膜材料的選擇直接影響分離效果和操作穩(wěn)定性。以下是主流膜材料及其特點：

1. ?聚醚砜（PES）?

   • ?特點：
     • 高機(jī)械強(qiáng)度，耐高溫（可達(dá)125℃）。
     • 親水性適中，蛋白吸附較低，適合生物制品處理。
     • 耐酸堿性較好（pH 1-13），但長期強(qiáng)堿易降解。
   • ?典型應(yīng)用：單克隆抗體濃縮、病毒載體純化、疫苗生產(chǎn)。

2. ?聚偏氟乙烯（PVDF）?

   • ?特點：
     • 極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性（耐強(qiáng)酸、堿、有機(jī)溶劑）。
     • 疏水性強(qiáng)，需表面改性（如親水涂層）以減少蛋白吸附。
     • 耐高溫（<140℃），適合苛刻清洗條件（如NaOH+NaClO）。
   • ?典型應(yīng)用：高污染料液（如細(xì)胞裂解液）、含有機(jī)溶劑的納米顆粒純化。

3. ?再生纖維素（RC）?

   • ?特點：
     • 天然親水性，蛋白吸附極低，適合敏感生物分子。
     • 耐有機(jī)溶劑差（丙酮、DMSO等易溶脹），pH范圍較窄（2-12）。
     • 機(jī)械強(qiáng)度較弱，易被高壓損壞。
   • ?典型應(yīng)用：胰島素、酶制劑等易失活蛋白的精細(xì)純化。

4. ?陶瓷膜（如Al?O?、ZrO?）?

   • ?特點：
     • 極端耐化學(xué)腐蝕（pH 0-14）、耐高溫（>300℃），可蒸汽滅菌。
     • 剛性結(jié)構(gòu)，抗污染性強(qiáng)，但脆性高，需防機(jī)械沖擊。
     • 成本高，多用于工業(yè)規(guī)模。
   • ?典型應(yīng)用：食品工業(yè)（乳清蛋白分離）、高固含量廢水處理。

5. ?混合纖維素酯（CA/CN）?

   • ?特點：
     • 低成本，親水性好，但易被有機(jī)溶劑溶解。
     • 耐溫性差（<50℃），適合實驗室小規(guī)模預(yù)過濾。
   • ?典型應(yīng)用：緩沖液換液、低濃度蛋白的初步濃縮。

三、膜包結(jié)構(gòu)設(shè)計及影響

膜包的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響流體動力學(xué)和操作效率：

1. ?流道設(shè)計

   • ?開放式流道：適用于高粘度或含大顆粒料液（如細(xì)胞培養(yǎng)液），減少堵塞風(fēng)險。
   • ?窄流道：增強(qiáng)剪切力，適合高純度需求（如病毒顆粒與宿主蛋白分離）。

2. ?膜構(gòu)型

   • ?平板膜包：多層膜片堆疊，易放大生產(chǎn)（如Millipore Pellicon®系列）。
   • ?中空纖維膜：高裝填密度，適合連續(xù)灌流培養(yǎng)（如Repligen的XCell ATF）。
   • ?卷式膜：成本低，但抗污染性差，多用于水處理。

3. ?截留分子量（MWCO）選擇

   • ?超濾膜：
     • 1-10 kDa：小蛋白、多肽濃縮（如胰島素）。
     • 30-100 kDa：抗體（~150 kDa）的緩沖液置換。
     • 300-1000 kDa：病毒（如AAV，~20-25 nm）的純化。
   • ?微濾膜?（0.1-0.65 μm）：細(xì)胞收獲、脂質(zhì)體濃縮。

四、選擇膜包的關(guān)鍵因素

1. ?分離目標(biāo)：

   • 大分子（如病毒）選低剪切力設(shè)計的開放式流道膜包。
   • 小分子需高M(jìn)WCO膜（如10 kDa）以提高通量。

2. ?料液性質(zhì)：

   • 高粘度或顆粒含量高：優(yōu)先選PES或PVDF材質(zhì)的開放式流道。
   • 含有機(jī)溶劑：PVDF或陶瓷膜。

3. ?工藝規(guī)模：

   • 實驗室研發(fā)：小面積膜包（0.1-0.5 m²）降低成本。
   • 工業(yè)生產(chǎn)：模塊化設(shè)計的膜包（如Sartocon® Slice）便于線性放大。

4. ?清洗與壽命：

   • 頻繁CIP（清潔在位）：選耐強(qiáng)堿的PVDF或陶瓷膜。
   • 一次性使用：低成本CA膜或預(yù)滅菌PES膜包。

五、市場主流膜包選項

1. ?Millipore（默克）Pellicon®系列

   • 材料：PES或Biopharma（低吸附改性PES）。
   • 特點：流道高度可選（30-145 mil），適合從實驗室到生產(chǎn)的無縫放大。

2. ?Sartorius（賽多利斯）Hydrosart®

   • 材料：親水化再生纖維素。
   • 特點：極低蛋白吸附，適合疫苗和基因治療產(chǎn)品。

3. ?Pall（頗爾）Omega™系列

   • 材料：改性PVDF（Ultracel®）。
   • 特點：耐頻繁酸堿清洗，適用于單抗生產(chǎn)的長期循環(huán)使用。

4. ?Repligen（頗爾分拆）XCell ATF

   • 構(gòu)型：中空纖維，專為灌流培養(yǎng)設(shè)計。
   • 特點：實時細(xì)胞截留，提高產(chǎn)物滴度。

六、未來趨勢

1. ?復(fù)合膜技術(shù)：如PES基底+陶瓷涂層，兼顧機(jī)械強(qiáng)度與耐化學(xué)性。
2. ?智能化膜包：集成傳感器實時監(jiān)測膜污染程度，優(yōu)化清洗周期。
3. ?綠色材料：可降解纖維素膜，減少一次性工藝的環(huán)境負(fù)擔(dān)。