Protein Solution Viscosity Control in Ultrafiltration

在生物制药生产中，控制蛋白质溶液的粘度对于优化超滤浓缩工艺至关重要。蛋白质溶液粘度升高——尤其是在高蛋白浓度下——会直接影响超滤浓缩应用中的膜性能、工艺效率和经济效益。由于抗体聚集和静电相互作用，溶液粘度会随着蛋白质含量的增加而升高，从而增加流动阻力和超滤膜的压降。这会导致渗透通量降低和运行时间延长，尤其是在横向流过滤 (TFF) 工艺中。

跨膜压力（TMP）是超滤的驱动力，与粘度密切相关。在正常跨膜压力范围之外运行会加速膜污染并加剧浓差极化——即膜附近蛋白质的积累持续增加局部粘度。浓差极化和膜污染都会导致超滤膜性能下降，如果不加以控制，还会缩短膜的使用寿命。实验表明，在高TMP值和高粘度进料条件下，超滤过程中的膜污染和浓差极化更为显著，因此实时控制TMP对于最大限度地提高处理量和减少清洗频率至关重要。

优化超滤浓缩需要综合策略：

蛋白质溶液粘度测量：定期粘度评估——使用在线粘度计—帮助预测过滤速率和预测工艺瓶颈，支持快速工艺改进。
饲料调理调节pH值、离子强度和温度可以降低粘度并减少结垢。例如，添加钠离子会增强蛋白质之间的水合排斥力，从而减轻聚集和结垢；而钙离子则倾向于促进蛋白质桥接和结垢。
辅料的使用在高浓度蛋白质溶液中加入降低粘度的赋形剂，可以改善膜渗透性，降低超滤过程中的跨膜压力，从而提高整体效率。
高级流动状态提高错流速度、采用交替错流或使用空气喷射可以破坏污垢层。这些技术有助于维持渗透通量，并通过最大限度地减少沉积物的形成来降低膜更换频率。
膜的选择和清洗选择化学耐受性强的膜（例如，SiC 或热渗流混合物）并采用合适的方案（例如，次氯酸钠清洗）优化膜清洗频率，对于延长膜的使用寿命和降低运营成本至关重要。

总体而言，有效的粘度控制和TMP管理是超滤浓缩阶段成功性能的基石，直接影响产品产量、膜清洗频率以及昂贵膜设备的寿命。

了解超滤过程中蛋白质溶液的粘度

1.1. 蛋白质溶液的粘度是多少？

粘度描述流体流动阻力；在蛋白质溶液中，它表示分子间摩擦对分子运动的阻碍程度。粘度的国际单位制单位是帕斯卡秒 (Pa·s)，但生物流体通常使用厘泊 (cP)。粘度直接影响蛋白质溶液在生产过程中泵送或过滤的难易程度，并影响药物递送，尤其对于高浓度生物治疗药物而言。

蛋白质浓度是影响溶液黏度的主要因素。随着蛋白质浓度的升高，分子间相互作用和拥挤效应增强，导致黏度升高，且通常呈非线性变化。超过一定阈值后，蛋白质间的相互作用会进一步抑制溶液内的扩散。例如，制药行业使用的浓缩单克隆抗体溶液的黏度通常很高，这会影响皮下注射或限制加工速度。

目前，预测浓缩蛋白溶液粘度的模型已将分子几何结构和聚集倾向纳入考量。蛋白质的形态——无论是细长型、球状还是易聚集型——都会显著影响高浓度下的粘度。微流控技术的最新进展使得仅需极少量样品即可精确测量粘度，从而有助于快速筛选新的蛋白质配方。

1.2 超滤过程中粘度的变化

在超滤过程中，浓差极化作用会导致蛋白质迅速聚集在膜-溶液界面。这会在膜附近形成陡峭的局部浓度梯度，并提高膜附近的黏度。该区域黏度的升高会阻碍传质，降低渗透通量。

浓差极化与膜污染截然不同。极化是动态且可逆的，在过滤过程中几分钟内即可发生。相比之下，膜污染则需要时间才能形成，并且通常涉及膜表面的不可逆沉积或化学转化。精确的诊断技术能够实时追踪浓差极化层，揭示其对错流速度和跨膜压力的敏感性。例如，提高流速或降低跨膜压力（TMP）有助于破坏粘性边界层，从而恢复通量。

操作参数直接影响粘度行为：

跨膜压力（TMP）较高的TMP会加剧极化，提高局部粘度并降低通量。
横流速度速度的提高限制了物质的积累，从而降低了膜附近的粘度。
膜清洗频率经常清洗可以减少长期积垢，减轻粘度引起的性能下降。

超滤浓缩阶段必须优化这些参数，以最大限度地减少不利粘度影响并维持吞吐量。

1.3.影响粘度的蛋白质溶液性质

分子量和作品主要因素决定粘度。较大、较复杂的蛋白质或聚集体由于运动受阻和分子间作用力更强，导致粘度更高。蛋白质的形状也会进一步调节流动性——细长或易聚集的链状蛋白质比紧密的球状蛋白质产生更大的阻力。

pH溶液pH值对蛋白质的电荷和溶解度有显著影响。将溶液pH值调节至接近蛋白质的等电点，可以最大限度地降低净电荷，减少蛋白质间的排斥力，并暂时降低溶液粘度，从而有利于过滤。例如，在接近牛血清白蛋白（BSA）或免疫球蛋白G（IgG）的等电点进行超滤，可以显著提高渗透通量和分离选择性。

离子强度离子强度通过改变蛋白质周围的双电层来影响溶液黏度。离子强度的增加会屏蔽静电相互作用，促进蛋白质穿过膜，但也增加了蛋白质聚集和黏度峰值的风险。传输效率和选择性之间的权衡通常取决于对盐浓度和缓冲液组成的精细调节。

小分子添加剂，例如盐酸精氨酸或胍，可用于降低粘度。这些添加剂能够破坏疏水或静电吸引力，减少聚集，并改善溶液的流动性。温度是另一个可控因素；较低的温度会增加粘度，而较高的温度通常会降低粘度。

蛋白质溶液粘度测量应考虑以下因素：

分子量分布
溶液组成（盐、赋形剂、添加剂）
pH值和缓冲体系的选择
离子强度设置

这些因素对于优化超滤膜性能和确保浓缩阶段及TFF工艺的一致性至关重要。

超滤蛋白质浓缩的基本原理

超滤浓缩阶段原理

超滤浓缩蛋白质的原理是利用跨膜压力（TMP）作用于半透膜两侧，使溶剂和小分子溶质通过，而蛋白质和大分子则被截留。该过程利用了基于分子大小的选择性渗透，膜的分子量截留值（MWCO）决定了可通过该膜的分子的最大尺寸。分子量超过MWCO的蛋白质会在截留侧积聚，随着渗透液的排出，其浓度不断增加。

超滤浓缩阶段的目标是减少蛋白质溶液的体积并提高其浓度。随着过滤的进行，蛋白质溶液的粘度通常会升高，从而影响通量和跨膜压差（TMP）的要求。截留的蛋白质之间以及蛋白质与膜之间可能发生相互作用，使得实际过程比简单的尺寸排阻更为复杂。静电相互作用、蛋白质聚集以及溶液特性（例如pH值和离子强度）都会影响截留和分离结果。在某些情况下，对流传输会超过扩散，尤其是在孔径较大的膜中，这使得仅基于截留分子量（MWCO）的选择难以做出预期[参见研究总结]。

横向流动过滤（TFF）原理详解

横向流过滤，也称为切向流过滤 (TFF)，使蛋白质溶液沿切线方向流过膜表面。这种方法与死端过滤不同，死端过滤中流体垂直于膜，将颗粒直接推到过滤器上并进入过滤器内部。

主要区别和影响：

污垢控制：TFF（切向流过滤）通过持续清除膜上的潜在污染物，减少蛋白质和颗粒层（即滤饼）的形成。这使得渗透通量更加稳定，维护也更加便捷。
蛋白质保留率：TFF有助于更好地控制浓差极化——即膜附近截留的一层分子——如果控制不当，会降低分离选择性并加剧膜污染。TFF中的动态流动可以减轻这种影响，有助于维持较高的蛋白质截留率和分离效率。
通量稳定性：切向流过滤 (TFF) 能够在稳定的通量下实现更长的运行时间，从而提高高蛋白或富含颗粒原料的处理效率。相比之下，死端过滤容易发生结垢，导致处理量下降，并且需要频繁清洗。

先进的切向流过滤 (TFF) 技术，例如交替切向流 (ATF)，通过周期性地改变或反转切向流速，进一步抑制膜污染和滤饼形成，从而延长滤膜寿命并提高蛋白质处理量 [参见研究综述]。无论是传统 TFF 还是先进的 TFF 装置，操作参数（例如跨膜压差 (TMP)、错流速度和清洗频率）都必须根据特定的蛋白质体系、膜类型和目标浓度进行调整，以优化性能并最大限度地减少膜污染。

超滤中的跨膜压力 (TMP)

3.1. 什么是跨膜压？

跨膜压力（TMP）是指过滤膜两侧的压力差，它驱动溶剂从进料侧流向渗透侧。TMP是超滤分离过程的主要驱动力，它允许溶剂通过膜，同时截留蛋白质和其他大分子。

TMP 配方：

简单区别：TMP = P_feed − P_permeate
工程方法：TMP = [(P_feed + P_retentate)/2] − P_permeate
此处，P_feed 为进料压力，P_retentate 为浓缩液侧的出口压力，P_permeate 为渗透液侧的压力。包含浓缩液（或浓缩液）压力可以更准确地反映膜表面的压力变化，从而考虑流动阻力和膜污染引起的压力梯度。
进料压力和流量
滞留压力（如适用）
渗透压力（通常为大气压）
膜阻力
TMP 因膜类型、系统设计和工艺条件而异。

控制变量：

3.2. TMP 和超滤过程

跨膜压差 (TMP) 在超滤浓缩蛋白质过程中起着核心作用，它驱动蛋白质溶液通过膜。压力必须足够高，以克服膜的阻力和任何积聚物质的阻力，但又不能过高，以免加速膜污染。

溶液粘度和蛋白质浓度的影响

蛋白质溶液的粘度：粘度升高会增加流动阻力，因此需要更高的跨膜压差 (TMP) 才能维持相同的渗透通量。例如，在进料中添加甘油或使用浓缩蛋白质会提高粘度，从而增加所需的操作跨膜压差。
蛋白质浓度：在超滤浓缩阶段，随着浓度的增加，溶液粘度上升，跨膜压差增大，膜污染或浓差极化的风险也随之增加。
达西定律：跨膜压差 (TMP)、渗透通量 (J) 和粘度 (μ) 之间的关系为：TMP = J × μ × R_m（膜阻力）。对于高粘度蛋白质溶液，精确调节 TMP 对于高效超滤至关重要。

例如：

高浓度抗体溶液的超滤需要仔细控制跨膜电位，以抵消粘度的上升。
PEG化或其他蛋白质修饰会改变与膜的相互作用，从而影响所需通量所需的跨膜电位。

3.3. 监测和优化TMP

维持TMP在正常跨膜压范围这对于超滤膜的稳定性能和产品质量至关重要。随着时间的推移，超滤过程的进行中，浓差极化和膜污染会导致跨膜压差（TMP）升高，有时甚至会迅速升高。

监测措施：

实时监控：通过入口、截留液和渗透液追踪跨膜压差 (TMP)。压力变送器.
拉曼光谱：用于无创监测蛋白质和赋形剂浓度，有助于在超滤和透析过程中实现自适应 TMP 控制。
高级控制：扩展卡尔曼滤波器（EKF）可以处理传感器数据，自动调节TMP以避免过度结垢。
将初始TMP设定在正常范围内：既不能太低以免降低通量，也不能太高以避免快速结垢。
随着粘度的增加，调整跨膜压力：在超滤浓缩阶段，仅根据需要逐步提高 TMP。
控制进料流量和pH值：增加进料通量或降低跨膜压差可减轻浓差极化和结垢。
膜清洗和更换：较高的跨膜压力会导致更频繁的清洗和更短的膜寿命。

优化策略：

例如：

蛋白质加工生产线中的腐蚀污染会导致跨膜压差增大和通量降低，需要清洗或更换膜才能恢复正常运行。
酶预处理（例如添加果胶酶）可以降低高粘度菜籽蛋白超滤过程中的跨膜压差，延长膜的使用寿命。

3.4. TFF 系统中的 TMP

切向（横向）流过滤 (TFF) 的工作原理是引导进料溶液穿过膜而不是直接穿过膜，从而显著影响 TMP 动态。

TMP的调节与平衡

TFF跨膜压力（TFF TMP）：通过控制进料流量和泵压来避免过大的跨膜压差，同时最大限度地提高渗透通量。
优化参数：增加进料流量可减少蛋白质的局部沉积，稳定跨膜压力，并减少膜污染。
计算建模：CFD 模型预测和优化 TFF TMP，以实现最大的产品回收率、纯度和产量——这对于 mRNA 或细胞外囊泡分离等过程尤为重要。

例如：

在生物加工中，最佳 TFF TMP 可实现 70% 以上的 mRNA 回收率且不发生降解，优于超速离心方法。
通过数学模型和传感器反馈进行自适应 TMP 控制，可减少膜更换频率，并通过减少污染来延长膜的使用寿命。

要点总结：

在切向流过滤 (TFF) 中，必须积极管理跨膜压力 (TMP)，以维持工艺效率、通量和膜健康。
系统性的 TMP 优化可降低运营成本，支持高纯度产品回收，并延长蛋白质超滤及相关工艺中的膜寿命。

结垢机理及其与粘度的关系

蛋白质超滤中的主要污染途径

蛋白质超滤受多种不同污染途径的影响：

腐蚀结垢：当腐蚀产物（通常是氧化铁）在膜表面积聚时，就会发生腐蚀污染。这些腐蚀产物会降低膜通量，且难以用标准化学清洗剂去除。腐蚀污染会导致膜性能持续下降，并随着时间的推移增加膜的更换频率。对于用于水处理和蛋白质加工的PVDF和PES膜，腐蚀污染的影响尤为严重。

有机污垢：膜污染主要由牛血清白蛋白 (BSA) 等蛋白质引起，并可能因多糖（例如海藻酸钠）等其他有机物的存在而加剧。其机制包括吸附到膜孔、堵塞孔隙以及形成滤饼层。当多种有机成分同时存在时，会产生协同效应，混合污染体系比单一蛋白质进料体系更容易发生严重的膜污染。

浓度极化：随着超滤过程的进行，截留的蛋白质会在膜表面附近积聚，导致局部浓度和黏度增加。这会形成极化层，从而增强膜污染倾向并降低通量。随着超滤浓缩阶段的推进，这一过程会加速，并直接受到跨膜压力和流动动力学的影响。

胶体和混合污染物污染：胶体物质（例如二氧化硅、无机矿物质）可能与蛋白质相互作用，形成复杂的聚集层，从而加剧膜污染。例如，胶体二氧化硅的存在会显著降低膜通量，尤其是在与有机物混合或在非最佳pH条件下。

溶液粘度对结垢发展的影响

蛋白质溶液的粘度对膜污染动力学和膜压实有显著影响：

加速结垢：蛋白质溶液黏度越高，对截留溶质逆向输送的阻力越大，从而促进滤饼层快速形成。这会增大跨膜压力（TMP），加速膜的压实和污染。

溶液组成的影响：蛋白质类型会影响黏度；球状蛋白（例如牛血清白蛋白）和延伸蛋白在流动和极化方面表现出不同的特性。添加多糖或甘油等化合物会显著提高黏度，从而促进膜污染。高浓度的添加剂和蛋白质聚集会进一步加速膜堵塞，直接降低膜通量和膜寿命。

运营后果：在横向流过滤过程中，较高的粘度需要更高的跨膜压差（TMP）才能维持过滤速率。长时间暴露在高TMP下会加剧不可逆污染，通常需要更频繁地清洗膜或提前更换膜。

饲料特性的作用

饲料特性（即蛋白质特性和水化学性质）决定了污垢的严重程度：

蛋白质大小和分布：较大的蛋白质或聚集的蛋白质更容易造成孔隙堵塞和滤饼堆积，从而在超滤浓缩蛋白质过程中增加粘度和压实趋势。

pH值：较高的pH值会增强静电斥力，防止蛋白质在膜附近聚集，从而减少膜污染。相反，酸性条件会减弱斥力，尤其是对于胶体二氧化硅而言，这会加剧膜污染并降低通量。

温度：较低的工艺温度通常会降低动能，这虽然可以减缓结垢速率，但也会增加溶液粘度。高温会加速结垢，但也可能提高清洗效果。

胶体/无机物：胶体二氧化硅或金属的存在会加剧膜污染，尤其是在酸性条件下。二氧化硅颗粒会增加溶液的总粘度并物理性地堵塞孔隙，从而降低超滤浓缩效率，并缩短膜的使用寿命和降低膜的整体性能。

离子组成：添加某些离子（如Na⁺、Zn²⁺、K⁺）可通过改变蛋白质与膜之间的静电作用力和水合作用力来减少膜污染。然而，像Ca²⁺这样的离子通常会促进聚集，从而增加膜污染的可能性。

例如：

在横向流动过滤过程中，富含高分子量蛋白质和高粘度的进料会经历快速的通量下降，从而增加清洗和更换程序。
当进水中含有胶体二氧化硅并酸化时，二氧化硅的聚集和沉积会加剧，从而大大增加污染速率并降低膜的性能。

总之，了解溶液粘度、污染类型和进料特性之间的相互作用，对于优化超滤浓度、减少膜污染和最大限度地延长膜寿命至关重要。

浓度极化及其管理

什么是浓度极化？

浓度极化是指超滤过程中，截留溶质（例如蛋白质）在膜/溶液界面处局部聚集的现象。以蛋白质溶液为例，当液体流过半透膜时，被膜截留的蛋白质会在膜表面附近形成一层薄薄的边界层。这种聚集会导致陡峭的浓度梯度：膜附近蛋白质浓度高，而本体溶液中的蛋白质浓度则低得多。该现象是可逆的，并受流体动力学作用控制。它与膜污染不同，膜污染是指物质在膜内部或膜表面发生更持久的沉积或吸附。

浓度极化如何加剧粘度和结垢

在细胞膜表面，蛋白质的持续积累形成边界层，从而增加局部溶质浓度。这会产生两个显著影响：

局部粘度增加：随着膜附近蛋白质浓度的升高，该微区内蛋白质溶液的黏度也随之增加。黏度升高会阻碍溶质从膜的逆向运输，进一步加剧浓度梯度，形成增加流动阻力的反馈回路。这会导致渗透通量降低，并增加持续过滤所需的能量。

促进膜污染：膜附近高浓度的蛋白质会增加蛋白质聚集的可能性，在某些系统中还会形成凝胶层。该凝胶层会阻塞膜孔，进一步增大流动阻力。这种情况极易导致不可逆污染的发生，即蛋白质聚集体和杂质与膜基质发生物理或化学结合。

实验成像（例如电子显微镜）证实了纳米级蛋白质簇在膜上的快速聚集，如果操作设置管理不当，这些聚集物可能会发展成大量的沉积物。

减少浓度极化的策略

超滤蛋白质浓缩或横向流动过滤中的浓度极化管理需要双重方法：调整流体动力学和调整操作参数。

横流速度优化：
提高横向流速会增加跨膜切向流速，从而促进剪切并减薄浓度边界层。更强的剪切力会将积累的蛋白质从膜表面清除，降低极化程度和膜污染风险。例如，使用静态混合器或引入气体鼓泡会破坏溶质层，显著提高横向流动过滤过程中的渗透通量和效率。

修改操作参数：

跨膜压力（TMP）：跨膜压差（TMP）是指膜两侧的压力差，也是超滤的驱动力。然而，为了加速过滤而提高TMP反而会加剧浓差极化，从而产生反作用。将跨膜压差控制在正常的范围内——即不超过蛋白质超滤设定的限值——有助于防止溶质过度积累以及由此导致的局部粘度增加。

剪切速率：剪切速率是横向流速和通道设计的函数，在溶质传输动力学中起着核心作用。高剪切速率使极化层保持薄而易移动，从而使膜附近溶质耗竭区域能够频繁更新。增加剪切速率可以减少蛋白质的积累时间，并最大限度地降低界面处的粘度升高。

饲料特性：调整进料蛋白溶液的性质——例如降低蛋白溶液的粘度、减少聚集体含量或控制pH值和离子强度——有助于降低浓差极化的程度和影响。进料预处理和配方调整可通过减少膜清洗频率来提高超滤膜的性能并延长膜的使用寿命。

应用示例：
一家采用切向流过滤 (TFF) 浓缩单克隆抗体的工厂，通过精心优化错流速度，并将跨膜压差 (TMP) 维持在严格的范围内。这样一来，操作人员可以最大限度地减少浓差极化和膜污染，从而降低膜更换频率和清洗周期，直接降低运营成本并提高产品收率。

对这些变量进行适当调整和监测（包括实时蛋白质溶液粘度测量）是优化超滤浓缩性能和减轻蛋白质加工中浓度极化相关不利影响的基础。

优化超滤工艺以处理高粘度蛋白质溶液

6.1. 运营最佳实践

对于高粘度蛋白质溶液，维持最佳超滤性能需要跨膜压力 (TMP)、蛋白质浓度和溶液粘度之间的微妙平衡。TMP（即膜两侧的压力差）直接影响超滤蛋白质浓缩速率和膜污染程度。处理单克隆抗体或高浓度血清蛋白等高粘度溶液时，TMP 的过度升高虽然最初可能提高通量，但也会迅速加速膜污染和蛋白质在膜表面的积累。这会导致过滤过程受损且不稳定，成像研究证实，在 TMP 升高且蛋白质浓度高于 200 mg/mL 时，会形成致密的蛋白质层。

最佳方法是在接近但不超过临界跨膜压差 (TMP) 的条件下运行系统。此时，生产率最大化，而不可逆污染的风险降至最低。对于极高粘度的物料，最新研究表明，降低 TMP 并同时增加进料流量（横向流动过滤）有助于减轻浓度极化和蛋白质沉积。例如，Fc 融合蛋白浓缩研究表明，较低的 TMP 设置有助于维持稳定的通量，同时减少产品损失。

在超滤过程中，蛋白质浓度的逐步且有条不紊地增加至关重要。浓度骤升会导致溶液粘度过快地进入高粘度状态，从而增加聚集风险和污染程度。相反，逐步提高蛋白质浓度可以同步调节跨膜压差（TMP）、错流速度和pH值等工艺参数，有助于维持系统稳定性。酶超滤案例研究证实，在这些阶段保持较低的操作压力可以确保浓度的可控增加，最大限度地减少通量下降，同时保护产品完整性。

6.2 膜更换频率和维护

超滤膜的更换频率与膜污染指标和通量下降密切相关。监测比污染阻力（一种代表累积物质阻力的定量指标）比单纯依赖相对通量下降作为膜寿命终止指标更为可靠，尤其是在混合蛋白或蛋白-多糖进料中，因为这些进料的膜污染发生得更快更严重。

监测其他污染指标也至关重要。表面沉积物、渗透液流量不均匀或跨膜压差 (TMP) 持续升高（即使清洗后）等可见迹象都是膜严重污染的预警信号，预示着膜的失效。诸如追踪改进污染指数 (MFI-UF) 并将其与膜性能关联起来等技术，能够实现预测性更换计划，而非被动应对，从而最大限度地减少停机时间并控制维护成本。

膜的完整性不仅会受到有机污染物的积累影响，还会受到腐蚀的影响，尤其是在极端pH值或高盐浓度条件下运行的工艺中。应建立定期检查和化学清洗程序，以控制腐蚀和污染物沉积。当发现与腐蚀相关的污染时，必须调整膜的清洗频率和更换周期，以确保膜的使用寿命和超滤膜性能的稳定性。彻底的、定期的维护对于减轻这些问题的影响和延长膜的有效运行至关重要。

6.3 过程控制和在线粘度测量

在超滤过程中，尤其是在浓度和粘度增加的情况下，准确、实时地测量蛋白质溶液的粘度对于过程控制至关重要。在线粘度测量系统可提供连续监测，从而实现即时反馈并动态调整系统参数。

新兴技术改变了蛋白质溶液粘度测量的格局：

拉曼光谱与卡尔曼滤波实时拉曼分析结合扩展卡尔曼滤波器，能够可靠地追踪蛋白质浓度和缓冲液成分。这种方法提高了灵敏度和准确度，支持超滤浓缩和渗滤过程的自动化。

自动运动毛细管粘度测定法该技术利用计算机视觉自动测量溶液粘度，克服了人工误差，并可对多个工艺流程进行可重复的多路复用监测。它已针对标准和复杂的蛋白质配方进行了验证，并减少了超滤浓缩阶段的人工干预。

微流控流变器件微流控系统能够提供详细、连续的流变学曲线，即使对于非牛顿流体、高粘度蛋白质溶液也是如此。这在制药生产中尤为重要，能够支持过程分析技术 (PAT) 策略并与反馈回路集成。

利用这些工具进行过程控制，可以实现反馈回路，从而根据粘度变化实时调节跨膜压差 (TMP)、进料速率或错流速度。例如，如果在线传感检测到粘度突然升高（由于浓度增加或聚集），则可以自动降低 TMP 或提高错流速度，以限制超滤过程中浓差极化的发生。这种方法不仅可以延长膜的使用寿命，还可以通过动态管理影响蛋白质溶液粘度的因素来保证产品质量的稳定性。

选择最合适的粘度监测技术取决于超滤应用的具体要求，包括预期粘度范围、蛋白质配方复杂性、集成需求和成本。实时监测和动态过程控制技术的进步显著提高了高粘度蛋白质溶液超滤工艺的优化能力，从而确保了操作稳定性和高产品收率。

蛋白质超滤的故障排除和常见问题

7.1. 症状、病因和治疗方法

跨膜压力升高

超滤过程中跨膜压 (TMP) 的升高表明膜阻力增大。跨膜压对超滤的影响是直接的：正常的跨膜压范围通常取决于工艺条件，但持续升高值得研究。以下两个常见原因尤为突出：

蛋白质溶液粘度较高：随着蛋白质溶液黏度的增加（通常在高超滤蛋白质浓度下），流动所需的压力也会升高。在溶液黏度最高的最终浓缩和渗滤步骤中，这种现象尤为明显。
膜污染：蛋白质聚集体或多糖-蛋白质混合物等污染物会粘附或堵塞膜孔，导致跨膜压迅速升高。

补救措施：

降低跨膜压力并增加进料通量降低 TMP 并提高进料速度可减少浓差极化和凝胶层形成，从而促进稳定通量。
定期膜清洁确定最佳膜清洗频率以去除累积的污染物。清洗后通过测量蛋白质溶液粘度来监测清洗效果。
更换老化膜如果清洗不彻底或膜的使用寿命已达到，则可能需要增加膜的更换频率。

通量下降率：诊断树

超滤浓缩阶段通量持续下降表明生产率可能存在问题。请按以下诊断方法进行操作：

监测跨膜压力和粘度：如果两者都增加了，检查是否存在污垢或凝胶层。
检查饲料成分和pH值：此处的变化会改变蛋白质溶液的粘度，并促进结垢。
评估膜性能：尽管进行了清洗，但渗透通量仍然降低，这表明膜可能受损或发生了不可逆的污染。

解决方案：

优化进料温度、pH值和离子强度，以减轻超滤过程中的结垢和浓差极化。
使用表面改性或旋转膜组件来破坏凝胶层并恢复通量。
进行常规蛋白质溶液粘度测量，以预测影响流动性的变化。

快速结垢或凝胶层形成

快速凝胶层的形成是由于膜表面过度浓差极化所致。在高粘度或高蛋白进料条件下，横向流过滤（TFF）的跨膜压力尤其容易受到影响。

缓解策略：

采用亲水性、带负电荷的膜表面（例如聚偏二氟乙烯[PVDF]膜）来最大限度地减少蛋白质的结合和附着。
在超滤之前，使用混凝或电混凝对进料进行预处理，以去除高污染物质。
在横向流动过滤过程中集成旋转模块等机械装置，以减少滤饼层厚度并延缓凝胶层的形成。

7.2. 适应饲料变化

蛋白质超滤系统必须适应饲料蛋白质性质或组成的变化。影响蛋白质溶液粘度的因素——例如缓冲液组成、蛋白质浓度和聚集倾向——都会改变系统性能。

应对策略

实时粘度和成分监测：部署在线分析传感器（拉曼光谱+卡尔曼滤波）以快速检测进料变化，优于传统的紫外或红外方法。
自适应过程控制：调整参数设置（流速（例如，跨膜压差、膜选择）会响应检测到的变化。例如，蛋白质溶液粘度增加可能需要较低的跨膜压差和较高的剪切速率。
膜选择：使用孔径和表面化学性质针对当前进料特性进行优化的膜，以平衡蛋白质保留率和通量。
饲料预处理：如果进料性质的突然变化导致结垢，则在超滤之前引入混凝或过滤步骤。

例如：

在生物加工过程中，缓冲液切换或抗体聚集体的变化应通过控制系统触发TMP和流速调整。
对于色谱联用超滤，自适应混合整数优化算法可以最大限度地减少变异性并降低运营成本，同时保持超滤膜的性能。

定期跟踪蛋白质溶液粘度测量并立即调整工艺条件有助于优化超滤浓度、保持吞吐量并最大限度地减少膜污染和浓差极化。

常见问题解答

8.1. 蛋白质溶液超滤过程中跨膜压力的正常范围是多少？

超滤蛋白质浓缩系统中的正常跨膜压力 (TMP) 范围取决于膜类型、组件设计和进料特性。对于大多数蛋白质超滤工艺，TMP 通常维持在 1 至 3 bar (15–45 psi) 之间。TMP 值高于 0.2 MPa (约 29 psi) 会导致膜损伤、快速污染和膜寿命缩短。在生物医学和生物加工应用中，为避免膜破裂，建议 TMP 通常不应超过 0.8 bar (约 12 psi)。对于横向流过滤等工艺，将 TMP 维持在该范围内可确保产量和蛋白质完整性。

8.2. 蛋白质溶液的粘度如何影响超滤性能？

蛋白质溶液的黏度直接影响超滤浓缩的性能。高黏度会增加流动阻力并升高跨膜压差（TMP），导致渗透通量降低和膜快速污染。这种影响在高浓度单克隆抗体或Fc融合蛋白中尤为显著，因为蛋白质间的相互作用和电荷效应会导致黏度增加。通过添加赋形剂或酶处理来控制和优化黏度可以提高通量、减少污染，并允许在超滤浓缩阶段达到更高的浓度。监测蛋白质溶液的黏度对于维持高效的超滤浓缩工艺至关重要。

8.3. 什么是浓度极化？为什么它在切向流过滤中很重要？

超滤中的浓差极化是指蛋白质在膜表面的积累，导致本体溶液与膜界面之间形成浓度梯度。在横向流动过滤中，这会导致局部粘度增加，并可能造成可逆的通量下降。如果不加以控制，浓差极化会促进膜污染，降低系统效率。解决超滤中的浓差极化问题需要优化错流速率、跨膜压差（TMP）和膜的选择，以维持较薄的极化层。精确控制可以保持高通量并降低膜污染风险。