蛋白质超滤浓缩和换液
1. 简介
超滤是下游工艺常用的压力驱动型膜处理技术，可进行蛋白质纯化、浓缩、换液、脱盐以及病毒清除等。超滤主要根据溶质的大小差异进行分离，即较大的物质被膜截留，而溶剂和较小的成分穿过膜孔，进入滤液。
超滤膜可使用多种不同的聚合物制造，但其结构形式主要为平面膜和中空纤维。膜具有不对称的结构，且非常薄（厚度约为0.5μm），以使其具有良好的选择性，而亚结构层的构造可保证一定的机械强度和结构完整性。超滤膜平均孔径范围为10-500Å，但一般以截留分子量来对膜进行分级，其数值为具有特定截留系数（R）的溶质的分子量：R=1-CP/CF，其中CP和CF分别为滤液和进样料液中该溶质的浓度。数据一般以不同的模型蛋白或分散性葡聚糖测试获得。但是不同的生产商对截留分子量有不同的定义方法，包括溶质、缓冲液、流动状态以及截留率的取值。
尽管小规模的超滤工艺可使用死端过滤，但大规模的超滤工艺往往以切向流过滤模式进行，在这种操作模式中，料液平行于膜表面流动。在跨膜压的作用下，料液中的特定成分会穿过膜孔成为滤液（或透过液），而被膜截留的部分成为回流液。切向流动的料液会在膜表面形成“扫掠”，降低膜污染，增加滤液通量（单位膜表面积的滤液流速）。常规的超滤滤液流速范围为25-250L/m2h（LMH），跨膜压范围为0.2-4bar。
在超滤过程中，被截留的生物分子会积聚在膜表面，形成浓差极化层。极化层会降低有效驱动压力，增加流动阻力，从而导致通量降低。在较高TMP条件下，当溶质浓度达到临界值时，通量（J）的变化将不受跨膜压的影响。该临界浓度（Cw）与蛋白的溶解度及渗透压效应有关。可通过简单的滞留模式估算在此条件下的通量：J=k ln（Cw/Cb），其中Cw和Cb分别为膜表面和原溶液中的蛋白质浓度，质量传输系数（k）为膜表面溶质的反向传输速率。这是设备流体力学（如剪切）、溶液特性（粘度和扩散系数）以及组件几何学特性等相结合的功能效果。当通量与压力变化无关时，增加k值（如增加切向流速）或降低截留物质的总浓度可增加通量。
超滤常以批量模式进行。总的进样料液包含于循环罐内。通过膜处理去除滤液即可完成蛋白质的浓缩。批量操作的硬件要求较低，可进行简单的手动或自动控制，同时得到最高的滤液通量。但在一般情况下，通过体积降低方法，很难得到很高的浓缩系数，而且在整个过程中，很难维持充分的混合搅拌。补料分批模式使用一个额外的储罐，向循环罐中补加料液。补料分批工艺相比批处理系统，可得到更高的浓缩因子，并提供更好的混合，提高多步工艺操作的灵活性。但是补料分批模式需要更长的处理时间，且与批处理模式相比，料液通过泵/阀的次数更高，增加了蛋白质变性和聚集的可能性。通过洗滤进行换液和脱盐操作时，小分子量成分被漂洗掉，同时向料液中补加新的缓冲液（或溶剂）。洗滤常以批处理模式进行，且洗滤缓冲液的补加常以恒定的速率进行，以维持恒定的回流液体积。
2. 材料
超滤系统的常规组成包括料液罐、泵、膜组件、阀以及相关设备。系统一般成套销售，也可购买必要部件后，现场组装，但由于各厂家仪器兼容性的问题，一般不推荐做此处理。
2.1. 膜
超滤膜可采用不同的材质生产，其具有不同的表面化学和形态特性。纤维素（包括再生纤维素和纤维素酯）和聚砜（包括聚醚砜及改性聚醚砜）最常用于生物工艺。许多膜在浇铸过程中或浇筑后会使用**性化学处理进行修饰，所以实际的表面化学特性和表面电荷可能与原始膜有很大的差异。
进行膜选择时，一般建议选择高质量的供应商，因为稳定性和可靠性是生物工艺处理首要目标。最需要考虑的工程参数包括产物截留、工艺通量以及化学相容性。产物截留和工艺通量需要通过使用小规模设备处理实际进样料液来进行确定。但从经验上讲，膜的截留分子量需至少比待截留蛋白质分子量低2-3倍，以确保较高的回收率。膜的吸附特性对于工艺通量的确定也有一定的影响，但考虑到相对降低的结合常数（1-10mg/m2）以及生物工艺所需相对较小的膜表面积（0.01m2/g蛋白质）而导致的实际产物损失，这可能不是首要的因素。
化学相容性既是进样料液的考虑因素，也是膜再生或清洗的考虑因素。通过评估储存一定时候后膜的产物截留及工艺通量特性，可确定膜组件在特定抑菌储存液中的长