蛋白質超濾濃縮和換液
1. 簡介
超濾是下游工藝常用的壓力驅動型膜處理技術，可進行蛋白質純化、濃縮、換液、脫鹽以及病毒清除等。超濾主要根據溶質的大小差異進行分離，即較大的物質被膜截留，而溶劑和較小的成分穿過膜孔，進入濾液。
超濾膜可使用多種不同的聚合物制造，但其結構形式主要為平面膜和中空纖維。膜具有不對稱的結構，且非常薄（厚度約為0.5μm），以使其具有良好的選擇性，而亞結構層的構造可保證一定的機械強度和結構完整性。超濾膜平均孔徑范圍為10-500?，但一般以截留分子量來對膜進行分級，其數值為具有特定截留系數（R）的溶質的分子量：R=1-CP/CF，其中CP和CF分別為濾液和進樣料液中該溶質的濃度。數據一般以不同的模型蛋白或分散性葡聚糖測試獲得。但是不同的生產商對截留分子量有不同的定義方法，包括溶質、緩沖液、流動狀態以及截留率的取值。
盡管小規模的超濾工藝可使用死端過濾，但大規模的超濾工藝往往以切向流過濾模式進行，在這種操作模式中，料液平行于膜表面流動。在跨膜壓的作用下，料液中的特定成分會穿過膜孔成為濾液（或透過液），而被膜截留的部分成為回流液。切向流動的料液會在膜表面形成“掃掠”，降低膜污染，增加濾液通量（單位膜表面積的濾液流速）。常規的超濾濾液流速范圍為25-250L/m2h（LMH），跨膜壓范圍為0.2-4bar。
在超濾過程中，被截留的生物分子會積聚在膜表面，形成濃差極化層。極化層會降低有效驅動壓力，增加流動阻力，從而導致通量降低。在較高TMP條件下，當溶質濃度達到臨界值時，通量（J）的變化將不受跨膜壓的影響。該臨界濃度（Cw）與蛋白的溶解度及滲透壓效應有關。可通過簡單的滯留模式估算在此條件下的通量：J=k ln（Cw/Cb），其中Cw和Cb分別為膜表面和原溶液中的蛋白質濃度，質量傳輸系數（k）為膜表面溶質的反向傳輸速率。這是設備流體力學（如剪切）、溶液特性（粘度和擴散系數）以及組件幾何學特性等相結合的功能效果。當通量與壓力變化無關時，增加k值（如增加切向流速）或降低截留物質的總濃度可增加通量。
超濾常以批量模式進行。總的進樣料液包含于循環罐內。通過膜處理去除濾液即可完成蛋白質的濃縮。批量操作的硬件要求較低，可進行簡單的手動或自動控制，同時得到最高的濾液通量。但在一般情況下，通過體積降低方法，很難得到很高的濃縮系數，而且在整個過程中，很難維持充分的混合攪拌。補料分批模式使用一個額外的儲罐，向循環罐中補加料液。補料分批工藝相比批處理系統，可得到更高的濃縮因子，并提供更好的混合，提高多步工藝操作的靈活性。但是補料分批模式需要更長的處理時間，且與批處理模式相比，料液通過泵/閥的次數更高，增加了蛋白質變性和聚集的可能性。通過洗濾進行換液和脫鹽操作時，小分子量成分被漂洗掉，同時向料液中補加新的緩沖液（或溶劑）。洗濾常以批處理模式進行，且洗濾緩沖液的補加常以恒定的速率進行，以維持恒定的回流液體積。
2. 材料
超濾系統的常規組成包括料液罐、泵、膜組件、閥以及相關設備。系統一般成套銷售，也可購買必要部件后，現場組裝，但由于各廠家儀器兼容性的問題，一般不推薦做此處理。
2.1. 膜
超濾膜可采用不同的材質生產，其具有不同的表面化學和形態特性。纖維素（包括再生纖維素和纖維素酯）和聚砜（包括聚醚砜及改性聚醚砜）最常用于生物工藝。許多膜在澆鑄過程中或澆筑后會使用**性化學處理進行修飾，所以實際的表面化學特性和表面電荷可能與原始膜有很大的差異。
進行膜選擇時，一般建議選擇高質量的供應商，因為穩定性和可靠性是生物工藝處理首要目標。最需要考慮的工程參數包括產物截留、工藝通量以及化學相容性。產物截留和工藝通量需要通過使用小規模設備處理實際進樣料液來進行確定。但從經驗上講，膜的截留分子量需至少比待截留蛋白質分子量低2-3倍，以確保較高的回收率。膜的吸附特性對于工藝通量的確定也有一定的影響，但考慮到相對降低的結合常數（1-10mg/m2）以及生物工藝所需相對較小的膜表面積（0.01m2/g蛋白質）而導致的實際產物損失，這可能不是首要的因素。
化學相容性既是進樣料液的考慮因素，也是膜再生或清洗的考慮因素。通過評估儲存一定時候后膜的產物截留及工藝通量特性，可確定膜組件在特定抑菌儲存液中的長