生物药制造先进分离介质与集成装备

原文发表于《科技导报》2025 年第23 期 《 生物药制造先进分离介质与集成装备 》

生物药体系种类多且组成复杂、目标物含量低且结构多变，分离纯化是生物药制造的核心步骤和关键组成。《科技导报》邀请中国科学院院士马光辉团队撰文，文章阐述了生物药分离纯化领域的主要方法和现阶段面临的挑战；论述了已上市分离介质和装备种类有限且国产化程度低等具体问题；介绍了新一代生物分离介质和高效生物分离装备取得的重点进展以及相关质量标准的建立情况。最后，针对先进分离介质与集成装备的未来发展提出建议。

生物药制造产业是21世纪最具发展潜力的战略性新兴产业之一，已成为世界各国新的经济增长点，产业规模持续增长，在重大疾病如癌症、心血管疾病、糖尿病等药物治疗和疫苗预防等发挥着关键作用。分离纯化是生物药制造的重点部分和关键组成，其水平直接关系产品质量、收率、产能和成本等核心竞争力。生物药体系种类广泛、来源复杂，目标生物分子含量普遍较低，分子结构多变且易失活等，这些特点导致其纯化难度大。高效生物分离纯化是推动生物药制造产业革新的必然要求和核心工作。

1 现代生物分离的主要方法和挑战

生物分离是根据目标分子的尺寸、电荷性质、疏水性质、特殊结构等性质，将其从复杂生物体系中纯化出来的过程。与小分子和传统生物制品相比，生物药分子复杂多变，其分离纯化难度更大，成本占据生物药制造总成本的70%以上。因此，生物药的复杂性和多样性推动了分离过程的个性化设计，需要根据目标生物药的自身性质和体系特点，明确纯化过程中每个单元操作的不同目的，选择适宜的分离介质、装备和纯化路线并进行优化，提高纯化效率、降低生产成本，最终获得理想的分离纯化效果。

层析和膜分离是迄今为止最主要的2类生物分离纯化技术。

层析技术具有选择性好、纯化效率高、分离过程温和、适用场合广泛、操作简便且易于放大、自动化和程序化水平高等诸多优势，广泛应用于疫苗、抗体、重组蛋白、多肽、核酸和血液制品等生物药分离纯化领域。层析介质是层析技术的核心材料，也是评价生物药纯化能力的重要依据。

膜分离技术是利用溶液中分子或颗粒透过膜的能力差异进行分离的一种非热力学过程，广泛应用于生物药制造的浓缩、换液、精制和去除微生物污染等环节。其中，压力驱动的超滤与微滤膜分离技术因其孔径范围几乎涵盖了生物医药制备过程所涉及各类颗粒的尺寸，从而在生物药分离纯化过程中应用最为广泛（图1）。目前，微滤技术已成为《中国药典》规定用于药品、生物制品、医疗器械和原料等生产以及性状检测的除菌工艺之一。

图1 生物制造体系中的分离膜技术与分离对象

与此同时，作为生物药制造的核心材料和主要组成，中国分离介质和装备早期基本依赖进口，国产分离介质和装备起步晚，相应的检测规范和产品标准匮乏，不仅不利于国民健康安全，也不利于这些关键耗材和设备的国产化和持续创新。

2 新一代生物分离介质

琼脂糖和葡聚糖等天然高分子，以及聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚醚砜、再生纤维素等合成聚合物是常见的层析介质和膜介质材料，也是目前各种生物药制造主流分离纯化材料。随着生物上游技术的飞速发展，不同种类的复杂生物药源源不断涌入下游分离纯化领域，对分离纯化技术提出严峻挑战。已上市介质种类有限、结构单一，常常难以满足这些上游新产品的高效分离纯化要求：

（1）粒径。粒径过大，导致分辨率低或者活性受损；粒径过小，无法满足工业化制备。粒径不均一也会造成操作过程反压大且分辨率低。

（2）孔结构。孔径越大，表面积则越小，介质对生物分子的载量会相应降低。孔径均一度低会造成分子传质过程的差异从而影响分离精度。

（3）表面性质。表面性质太弱，易造成结合力不够，导致载量低；表面性质过强，生物分子与介质之间则因过度结合而导致失活。

因此，自主创新是中国生物药制造分离纯化介质必由之路。其中最为关键的是突破已上市介质的种类和结构限制，按需设计高效分离介质。

2.1 粒径均一介质

粒径均一介质能够实现高分辨率纯化，对于提高目标产物纯度具有重要意义。粒径均一介质不仅能够显著降低溶质分子在层析柱截面上载液速度的不一致，进而抑制谱带展宽，提高塔板数，还能显著改善层析柱渗透性，降低柱压，提高操作效率。其中，平均粒径分别为10、30μm的2类均一小粒径琼脂糖介质，在数百道尔顿至数十万道尔顿分离范围均能实现基线分离，在多肽、单抗、疫苗等生物药高分辨率分析和制备等领域极具应用潜力（图2）。

图2 膜乳化技术制备均一层析介质

2.2 超大孔介质

超大孔介质在提高生物大分子传质效率方面有独特的优势，其内部不仅含有数十纳米的扩散孔，还含有数百纳米的贯穿孔，确保生物大分子在介质内部同时通过对流和扩散进行流动，从而使传质效率大大提高。其分离速度较传统层析介质快数十倍甚至百倍，且分离度和载量基本不受影响，十分有利于纯化结构复杂且易失活的超大生物分子。更为重要的是，与传统介质相比，超大孔介质大大减少了类病毒颗粒与介质之间的多位点结合作用，能够避免其发生解聚或者形成聚集体，从而获得更高的活性回收率（图3）。

图3 超大孔介质

2.3 高载量介质

向介质引入葡聚糖等大分子是一种能显著提高介质载量的方法，其机理是键合了这一类线性大分子后，生物分子吸附空间由二维平面向三维立体进行延伸，从而大大增加了二者之间的可接触空间，介质的结合容量和传质效率等都有明显改善。为了帮助目标生物分子更好地与介质发生结合作用，引入的葡聚糖等这一类分子既需要能够进入介质内部，又不能堵塞孔道，同时避免过度结合导致生物分子结构发生变化而损失活性。这一类层析介质在重组蛋白药物、抗体、疫苗、类病毒颗粒等体系都表现出更高的纯化效率（图4）。

图4 葡聚糖接枝型Protein A介质

2.4 表面性质可控介质

通过调控介质的配基种类和密度、在基质和配基之间引入一定长度的间隔臂以及定点偶联等方法，优化介质表面性质，提高介质对复杂生物大分子的纯化效率。以类病毒颗粒疫苗为例，通过调控离子交换介质和疏水介质的配基密度，以及配基与基质之间的间隔臂长度等，能够有效抑制多聚亚基疫苗在吸附−解吸附过程中的聚集和解聚，疫苗活性回收率和纯化倍数均有明显提升（图5）。

图5 疏水介质表面性质对VLP结构的影响示意

2.5 混合模式介质

生物药组成和结构十分复杂，单一纯化机理的层析介质难以满足纯化要求，集多种分离机制于一身的混合模式介质是重要发展方向之一。混合模式介质是一类具有复合分离机制的介质总称，一般由具有复合性质的基球和配基组成。其中，以核壳介质和混合模式配基为最重要的2种形式。

• 前者包括惰性外壳和偶联了功能基团的内核2部分，这种纯化形式对疫苗、质粒、病毒和病毒载体等复杂超大分子尤其有利，因此纯化效率大大提高。

• 后者是兼具多种作用机制的复合配基，无需再对含盐样品进行脱盐，大大简化了操作过程，具有更高的结合容量、选择性和灵敏性。

2.6 亲和介质

亲和层析具有高选择性、结合力强、作用温和、快速分离目标生物分子的特点，是生物药纯化制造的发展重点和未来方向。针对抗体或者腺相关病毒等适于平台化制备的生物药，亲和介质具有明显优势。为实现高效亲和层析，高水平亲和配基的理性设计与制备极为重要。

2.7 多孔膜介质

多孔膜介质按照孔径大小一般分为微滤膜和超滤膜2大类。生物医药生产过程中微滤膜材料主要包括纤维素、聚醚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯等聚合物，以及陶瓷等无机材料。超滤膜材料包括陶瓷、再生纤维素和亲水改性后的偏四氟乙烯和聚醚砜。

随着膜材料制备技术的迅猛发展，中国在多种新型膜材料上取得显著成果，并通过多种改性策略持续提升关键性能。超滤膜孔径的选择对于生物分离尤为重要。

目前，国产有机微滤膜产品的市场占有率约为50%，但终端除菌过滤等高端应用领域依然被进口膜产品垄断。同样，用于高端生物医药产品精细分离的有机超滤膜，由于对产品的安全性和一致性要求很高，因此市场基本被进口膜产品垄断。国内陶瓷膜行业虽起步较晚，但近年来发展势头迅猛，其中以溶胶凝胶法制备的高精度陶瓷膜不仅实现国产替代，还填补了国际陶瓷纳滤膜领域的空白。

3 生物分离装备

针对复杂生物体系目标物浓度低、组成复杂和结构易变等特点，除了选用合适的层析介质和膜材料外，还要采取适宜的纯化工艺和装备系统。

3.1 连续流层析

连续流层析是多个层析柱通过若干切换阀门相连接，能够实现多柱同时运行的技术，具有连续、自动化和模拟固定相逆流运动等特点，以及经济性、稳定性、环保性等诸多优势，在生物药制造领域受到广泛关注，已用于多肽、抗体、细胞和基因治疗药物、类病毒颗粒和腺相关病毒等多种生物药制造场合。根据实际纯化需要，连续流层析在不同柱上可以使用不同机理的层析技术，如亲和层析和离子交换层析等。连续流层析运行过程较为复杂，操作参数较多，且参数之间存在交互作用，各个柱的上样、洗脱和再生等步骤需要布局和互相匹配，确定最佳连续层析模式和操作条件，从而找到产量、载量利用率和生产效率之间的平衡。

3.2 抗污染膜组件

膜分离是截留细胞等大颗粒物质以及溶质浓缩的有效手段。澄清浓缩液能够有效降低后续处理操作的规模，从而降低成本。由于与主体溶液产生了浓度梯度，浓差极化区域的溶质通过扩散作用返回主体溶液，这种反向传质过程提高了流体跨膜的阻力。现代膜过程更多采用的错流技术是通过料液循环驱动其沿膜面平行流动，由此产生的剪切作用降低膜面的流体停滞边界层，因此可以有效缓解膜面污染物的累积，从而获得更高且更为稳定的通量。由此可见，降低浓差极化是提高过滤效率的关键手段。这种通过流体剪切控制膜污染时空发展的过滤方式在生物分离工程中常被称为切向流过滤技术（TFF），该技术常用于融合蛋白、mRNA等药物分子的浓缩和换液过程。

膜面的流体剪切在降低浓差极化、缓解膜污染的同时也可能造成蛋白变构失活和细胞机械损伤。因此，如何实现低剪切条件下的抗污染性能是切向流过滤技术的核心挑战。基于鱼群阵列仿生设计的扰流装置能够在有效降低流动阻力的同时增进流体对流，从而显著降低膜面的浓差极化现象。基于这一原理设计的平板膜组件能够在较低流速下实现更好的抗污染性能。碟式旋转膜通过膜片的转动产生剪切与离心场的协同作用，不仅能够降低浓差极化提高通量，还能进一步提升膜的分离选择性，为膜分离过程和生物反应过程的耦合提供便利。

3.3 反应与分离耦合系统

生物分子的异质性是生物医药产品制造过程中对于有效性与安全性这2个核心指标的关键挑战。生物制药企业在产品浓度、纯度和性状产生重要变化的步骤进行化验检测以识别生物药产品的关键质量属性，从而降低终端产品的异质性，这些步骤又被称为生物药制备的关键质量检查点。为有效提高生产效率，降低生产成本，连续化生产工艺（CM）正在成为生物制药行业的发展趋势。这一过程中物料的输入、转化和产品的持续输出同时进行，不仅能够减小设备尺寸、提高单位体积产率和降低生产成本，还可以克服传统批次式产品的批间差异。

以灌流细胞培养为代表的连续化细胞培养技术是生物反应与分离过程耦合的代表。灌流技术为细胞生长提供了更为适宜且稳定的生长微环境，因此能有效提高细胞密度和产物滴度。基于交变切向流过滤（ATF）的膜分离技术是目前应用最为广泛的细胞截留技术。细胞截留系统的设计本着易于安装、操作和维护的原则以达到长周期培养的稳定性。

目前，基于膜分离的细胞灌流系统核心技术在于高效抗污染膜材料和组件的设计与料液流动系统的精准调控。美国瑞普利金公司率先开发的ATF系统利用隔膜泵驱动细胞培养液在中空纤维膜组件内往复运动并完成细胞与产物料液的分离。广泛应用于实验室和工业级别的细胞培养过程，占据全球灌流设备的龙头地位。中国在灌流细胞培养系统的开发和应用领域起步较晚，艾力特采用一次性柱塞泵技术构建的连续切变流过滤系统（CTF）不仅突破了国外的专利技术壁垒，还降低了灌流系统内的换液死区，从而更为有效地降低长周期培养过程中的细胞活性损失。

3.4 分离与检测耦合系统

生物体系的复杂性和多样性使得在对其进行分析鉴定前往往需要经历繁琐的分离步骤，这对于含量低且结构复杂多变的生物大分子来说极为不利。因此，分离与检测耦合系统可以成为一体化连续生物工艺中下游操作过程改进的驱动因素，具有过程连续、灵敏度高、抗干扰和样品需求量少等优势。以表面等离子共振技术（SPR）为例，其能够精准分析分子间相互作用，是生物药制造的核心工具。采取非均匀纳米3D镀层技术以突破传统增敏瓶颈，与此同时，融合SPR高敏和探针抗干扰优势，灵敏度和稳定性全面超越传统技术。这种可在线测量生物反应和分离纯化过程的光纤SPR共振生物传感器，具有高灵敏度与抗干扰能力，特别适合复杂样本制备过程自动检测与分析，为推动生物药产业升级和产品创新提供大力支撑。

4 总结与展望

4.1 总结

生物药制造产业是融合生物学、工程学、计算机科学等多学科的前沿领域，发展速度惊人，市场价值和潜力巨大。高效分离纯化是生物药制造健康发展之路的根本保障，先进分离介质与集成装备是实现这一保障的坚固基石。发展面向高水平生物药分离纯化的先进介质和装备刻不容缓。

• 在分离介质层面，主要根据生物药体系特点和自身性质，按需设计和调控分离介质的关键结构和性能参数，设计和开发粒径均一介质、超大孔介质、高载量介质、表面性质可控介质、混合模式介质、亲和介质和多孔膜介质等高效分离纯化介质，以获得理想的分辨率、结合力、选择性、活性回收率和分离速度。

• 在分离装备层面，发展连续流层析和计算机辅助过程设计与控制技术、抗污染膜组件、反应与分离耦合系统以及分离与检测耦合系统等，不断促进分离材料、纯化工艺和装备之间的高效协同作用，形成高度集成的连续化制造模式，从而减小用地面积和设备尺寸、提高单位产能和降低制造成本。

通过分离介质、装备和工艺的持续创新，努力保障和推动生物药产业升级（图6）。在产品标准层面，应重视建立和推广高水平质量标准，由中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室联合中国标准化研究院、中科森辉微球技术（苏州）有限公司共同制定了中国首批琼脂糖微球分离介质国家标准，为中国分离介质行业的创新产品研发、规模化生产和高效应用推广提供了统一且规范的检测方法，起到保障产品质量的重要作用。

图6 生物药制造先进分离介质与集成装备

4.2 展望

未来，随着生物药制造产业的深度发展和持续优化，发展高效、精准、智能的“生物药工厂”是重中之重，而先进分离介质与集成装备作为核心环节，机遇与挑战并存。

在基础研究层面，通过先进算法解析生物分子与分离介质间的复杂相互作用从而拓展分离机制，利用人工智能（AI）辅助开发新型高效分离介质和装备，发展相关方法学减低传统实验大量试错的周期和成本，指导有序划分材料和装备的微结构和功能空间；发挥分离介质和装备的高选择性相互作用和界面稳定性等关键性质，满足目标活性生物大分子在复杂环境中的高效分离纯化；研究分离介质和装备与疫苗、细胞和基因治疗载体和颗粒等重大、前沿生物药之间的多重协同作用规律；发展智能和响应性分离介质和装备，实现目标大分子的快速高效富集和纯化；研究分离介质和装备的循环利用，实现节能减排。

在产业化发展层面，国产化、绿色化和智能化是未来生物药分离纯化制造的主要发展方向。

（1）国产化。生物药分离纯化制造国产化，需要不断提升原始创新能力，凝练核心技术，设计和开发结构可控、性能稳定的新型生物分离介质和高水平分离装备，解决医药产业对于精准性和稳定性的核心诉求，建立从实验室到产业化的完整周期，建立和完善高水平质量管理和标准体系，提高产品质量，提升国有品牌认知度，在国家政策和相关法律法规的支持和保障下，稳步推进生物药制造链的自主高水平发展。

（2）绿色化。通过使用先进传感器在线检测与控制技术以支撑高质量连续分离纯化操作、实现不同制造单元间的系统耦合、采取绿色制备工艺等策略，不断提高生物药制造产能，降低单位产值能耗，提高溶剂使用效率，实现降成本和环保增值的多重效果，努力在国际市场竞争中占据有利位置。

（3）智能化。引入AI辅助开发机制，利用计算机建模和程序优化将生物药纯化的分子机制和过程模型有机整合，设计开发连续分离技术，缩短分离纯化时间，提高介质和装备利用效率。建设生物药智能工厂，实现数据实时追溯，积极应对安全性、稳定性和可控性等产业化挑战。

通过分离介质和装备以及纯化工艺之间的高效协同作用和持续创新，提升和强化产业核心竞争力，促进产业转型和升级，从而保障和推动生物药制造向国产化、绿色化和智能化发展，以构建具有国际竞争力的现代产业集群。

本文作者：赵岚、樊荣、魏炜、马光辉

作者简介：赵岚，中国科学院过程工程研究所、生物药制备与递送全国重点实验室、中国科学院大学化学工程学院，副研究员，研究方向为生化分离介质；樊荣（共同第一作者），中国科学院过程工程研究所、生物药制备与递送全国重点实验室、中国科学院大学化学工程学院，研究员，研究方向为生物反应过程与膜分离耦合技术；魏炜（通信作者），中国科学院过程工程研究所、生物药制备与递送全国重点实验室、中国科学院大学化学工程学院、中国科学院大学前沿交叉科学学院，研究员，研究方向为生物剂型工程；马光辉（共同通信作者），中国科学院过程工程研究所、生物药制备与递送全国重点实验室、中国科学院大学化学工程学院、中国科学院大学前沿交叉科学学院，研究员，中国科学院院士，研究方向为均一生物微球和微囊的制备及其在生化工程和医学工程中的应用。

文章来 源 ： 赵岚, 樊荣, 魏炜, 等. 生物药制造先进分离介质与集成装备[J]. 科技导报, 2025, 43(23): 40−51 .

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