切向流过滤系统的优点及应用

【打印页面】发布时间：2023-09-18 文章来源：洛肯

内容大纲
膜过滤技术与切向流过滤
切向流过滤与传统过滤方式之比较
切向流过滤滤膜形式
使用切向流过滤进行渗滤
切向流过滤应用领域
附录：如何选择切向流过滤滤膜

膜过滤技术 (membrane filtration) 为广泛使用的分离与纯化技术，其作用机制是利用滤膜孔径来筛选不同大小的分子及粒子。膜过滤技术可根据过滤分子的大小，从小分子至大分子依序分为逆渗透 (reverse osmosis, RO)、奈米过滤 (nanofiltration, NF)、超过滤 (ultrafiltration, UF)、微过滤 (microfiltration, MF)、澄清 (clarification)。
微过滤 (MF) 与超过滤 (UF) 是运用zui广泛的膜过滤技术。微过滤技术可过滤 0.1 ~ 10 um 的分子，如细菌等；而超过滤技术则可用以分离 0.001 ~ 0.1 um 的生物分子，如蛋白质、病毒等。其中，超过滤技术属于较为「温和」的处理方式，不易造成生物分子变性 (denature) 或失活 (inactive)，使得超过滤技术在生物分子应用上更具有优势。而切向流过滤 (Tangential Flow Filtration, TFF) 即为超过滤中最常使用的技术，常应用于如分子生物学、生物化学、免疫学、蛋白质化学、微生物学等生物学领域。

切向流过滤与传统过滤方式之比较

一般传统过滤法为直流式过滤 (Direct Flow Filtration, DFF; dead-end filtration)，其样品流垂直流动于膜表面，使小分子得以通过滤膜。然而，大分子却容易堆积于膜表面，形成滤饼层，而随着过滤时间增加，滤饼层厚度会随之变厚，使得滤膜堵塞，导致流速、分子分离效果下降，并且缩短滤膜使用寿命。
而于切向流过滤中，样品流则是水平流动于膜表面，并以垂直于膜表面的方向进行过滤 (即以正切角度进行过滤)，使得样品可以随着流速循环、同时也对膜表面进行冲洗，避免大分子堆积在膜表面并防止浓度极化降低流速，从而维持稳定的流速，可有效地进行过滤及延长滤膜寿命。
功能方面，切向流过滤可同时进行浓缩(concentration) 及渗滤(diafiltration)，且试验等级与量产等级的切向流设备共享参数，可轻松放大生产规模。
综合上述多项优势，在生科、生技及生医相关领域场所如医院、药厂等，已逐渐以切向流过滤取代传统过滤法。

切向流过滤滤膜形式

TFF 适用多种型式的滤膜，如平板过滤膜 (flat plate)，又称为卡匣 (cassette; capsule)；中空纤维膜 (hollow fiber; cartridge) 及螺旋状过滤膜 (spiral wound)。目前实验室多以使用平板过滤膜及中空纤维膜为主。

	平板过滤膜(flat plate)	中空纤维膜(hollow fiber)	螺旋状过滤膜(spiral wound)
每单位过滤体积的表面积	低	高	次高
可直接放大规模	可	可	不可
可减少浓度极化现象	可	不可	可
适用样品量	多	最多	少
适用样品	• 一般微小生物分子样品 • 含高污染物或/与高黏度的污水	• 对剪切力敏感 (shear-sensitive) 物质，如部分酵素、蛋白质等 • 具高浓度悬浮固形物(TSS) 的污水	需大面积过滤样品，如食品、饮料等
清洁方式	• 利用适当溶液循环冲洗 • 抽吸大气，排净溶液	• 利用适当溶液循环冲洗 • 抽吸大气，排净溶液 • 利用适当溶液逆向冲洗 (backwashing)	• 利用适当溶液循环冲洗 • 定位洗净 (clean-in-place, CIP)

使用切向流过滤系统进行渗滤

渗滤 (diafiltration)的定义为，将样品中可以通过滤膜的小分子，如：盐、小分子蛋白质、溶剂等，在样品流流经滤膜时，透过滤膜，自样品流中分离，并将大分子持续循环进行浓缩的过程。渗滤常见应用包含透析、去盐、缓冲液置换等，而其过程又分为不连续渗滤与连续渗滤两种。

不连续渗滤(discontinuous diafiltration)是以手动方式将水/新鲜缓冲液/稀释液以一定体积加入样品中，待浓缩至一定体积后再次加入缓冲液后浓缩，不断重复上述过程至渗滤完成。
不连续渗滤时，样品浓度持续变化、易变性，且渗透量 (流量) 会随着样品浓度的增加而降低。

连续渗滤(continuous diafiltration)，又称为定容渗滤 (constant volume diafiltration) ，其过程以「与产生滤液的相同速度」来添加水/新鲜缓冲液/稀释液等，来过滤掉原本溶液中的盐类或其它小分子，因此进行连续渗滤的过程中，系统中总溶液体积不会改变，因此生物分子不容易被破坏结构、产生变性。此外，经实验发现，相较于不连续渗滤，连续渗滤添加较少的缓冲液就可以达到 99 % 的分离效果。

以去盐为例，过滤过程中是透过添加渗滤体积 (diafiltration volume, DV) 降低盐浓度。进行连续渗滤时，直接以 5 个 DV ，即可移除达约99%的盐分子；而在不连续渗滤时，在以手动方式每次添加1个 DV的状况下，则必须在添加7个 DV 后，才可移除99%的盐分子。
综观以上，连续渗滤被认为相较于不连续渗滤而言，是相对「温和」的生物分子处理过程，在生科领域应用中更具有优势。

	不连续渗滤 (Discontinuous Diafiltration)	连续渗滤 (Continuous Diafiltration)
进样方法	手动	自动化
需要添加溶液体积	较多	较少
样品回收率	较低	较高
维持生物分子结构	差	优
同一系统中进行浓缩	否	是

切向流过滤应用领域

· 浓缩、去盐：如蛋白质、胜肽、核酸 (DNA, RNA) 等

· 分离、纯化：如酵素、抗体、重组蛋白、病毒、疫苗等

· 缓冲液置换：如去除溶剂、透析等

· 澄清；如细胞裂解物、组织均质物等

· 去热原：如水、缓冲液、培养液等 – 须以管柱层析分析 (column chromatography) 的样品前处理

· 细胞收集

· 浓缩病毒：浓缩溶瘤麻疹病毒 (oncolytic measles virus) 以治疗末期癌症

· 临床医疗：血液透析 (hemodialysis)、血红素 (hemoglobin) 纯化

附录：如何选择切向流过滤滤膜

切向流过滤系统中所使用的滤膜相较于直流过滤所使用的滤膜构造十分不同，在挑选时，建议可考虑以下几个重点：

欲保留或移除目标分子

厘清实验的目的是保留或是移除目标分子：浓缩为保留目标分子，渗滤、去盐、溶液置换为移除目标分子。

目标分子的分子量

依照目标分子的大小，评估适用的滤膜孔径大小，一般以截留分子量 (MWCO, NMWL)或分子直径表示。滤膜的选择，通常依厂家不同会选择目标分子分子量1/3 ~ 1/6的 MWCO，即低于目标分子量的3~6倍，并留意欲分离的分子之间，大小至少应相差10倍以上，以确保混合物有效分离；若以分子直径选择滤膜，则选用滤膜孔径 (um)小于目标分子直径即可。
然而，分子量及分子直径并无直接关系，无法进行换算，因此在选用滤膜时，应多加留意其标示。

回收率的要求高/低

回收率的需求与MWCO的选择有关：
回收率要求不高(低)：可选用 MWCO 低于目标分子 3 倍的滤膜，其孔径大、处理速度快。
回收率要求高：可选用 MWCO 低于目标分子 6 倍的滤膜，其孔径小，但处理速度较慢。
此外，滤材的选择也会影响回收率，一般分为 PES (polyethersulfone) 及纤维素材质，PES具有较高的样品结合率，导致回收率较低；纤维素跟样品结合率低，因此具有高回收率，针对较为珍贵的样品，即可选用纤维素制成的滤膜。