降本提效！旋流器 + TFF 集成工艺，优化生物反应器澄清工段

连续生物制造凭借更低的设备投资与运维成本、更稳定的产品质量可控性，已然成为生物制药产业升级的核心趋势。但在高细胞密度灌流培养工艺中，生物反应器澄清工段的膜污染问题，始终是限制切向流过滤（TFF）技术规模化、常态化应用的核心痛点。

针对这一行业难题，美国阿肯色大学、宾夕法尼亚州立大学联合百健公司的科研团队，在《Membranes》发表重磅研究，首次系统性探究了水力旋流器初级澄清+TFF二级过滤的集成工艺体系，验证了该组合方案改善膜污染、提升澄清稳定性的可行性，为连续生物制造澄清工艺优化提供了低成本、可放大的全新技术思路。

行业痛点：TFF 的优势与膜污染的桎梏

TFF技术凭借独特的过滤优势，是当前生物反应器澄清的核心优选技术之一。其核心应用优势在于，过滤后的透过液洁净度高，可直接对接下游蛋白A亲和层析捕获工序，无需额外预处理，能够灵活适配批次生产与连续灌流生产两种主流模式。但随着现代生物反应器细胞密度突破25×10⁶ cells/mL，高负荷物料体系极易引发严重的膜污染：完整细胞、细胞碎片、细胞裂解杂质会持续堵塞膜孔，直接造成过滤通量大幅衰减、目标产物截留损耗升高，同时大幅增加膜组件更换频次，严重破坏连续生产的稳定性，推高整体生产成本。

目前行业内主流的膜污染防控方案主要分为三类，但均存在明显局限性：

反向不对称膜技术：采用开放支撑层朝向进料侧的特殊结构，可在膜表面形成高渗透性的稳定滤饼层，有效保护致密筛分皮层，能够显著提升批次过滤处理量，是目前性能较优的抗污染膜解决方案；

交替切向流过滤（ATF）：通过周期性切换进料流向，利用流体剪切力冲刷膜面杂质、缓解污染，但该技术稳态通量普遍低于3 L·m⁻²·h⁻¹，通量效率极低，规模化生产需配置超大面积膜组件，设备成本与占地优势较差；

传统初级预澄清技术：常用的深层过滤工艺无法实现细胞循环回用，与连续灌流生产的核心需求不匹配，无法应用于长效连续生物制造场景。

基于现有技术的诸多短板，该研究团队创新提出集成化工艺方案：将无运动部件、适配连续生产、易于工艺放大、运行成本低廉的水力旋流器作为前置初级澄清单元，预先去除物料中绝大部分大粒径细胞颗粒，有效降低进入TFF膜组件的物料污染负荷，从源头缓解膜污染，构建适配批次与连续生产的高效、稳定生物反应器澄清体系。

研究设计：两种膜 + 两种旋流器的系统对比

本研究以生物制药主流的中国仓鼠卵巢（CHO）细胞培养液为模拟物料，精准贴合工业化生产场景，系统探究了不同细胞密度（0.9–10×10⁶ cells/mL）、不同细胞活力（0%–96%）条件下，各工艺体系的澄清性能与抗污染表现，核心实验材料与装置设计如下：

1. 核心材料与设备

• 两种商用中空纤维微滤膜：

  传统对称膜（UJP）：聚偏氟乙烯（PVDF）材质，采用常规筛分结构，致密皮层朝向进料侧，标称孔径0.65 μm，是工业常用的传统微滤膜；

  反向不对称膜（BioOptimal MF-SL）：聚砜（PS）材质，采用差异化反向结构，进料侧为40 μm大孔径开放支撑层，透过侧为0.4 μm致密筛分皮层，专为抗污染场景优化设计。

• 两种3D打印水力旋流器：参照行业经典研究构型优化设计，分别复刻He等人、Syed等人的成熟参数体系，通过3D打印一体化制备，结构精准、可复制性强，核心几何参数见图1、图2。

图1 水力旋流器示意图：(a) 内部流型；(b) 关键部件命名

图2 两种水力旋流器的 SolidWorks CAD 设计图

研究搭建三套独立对照实验平台，分别开展单独TFF过滤、单独水力旋流器澄清、水力旋流器+TFF集成澄清实验，通过平行对照试验，全方位对比三种工艺的运行性能，整套实验装置流程如图3所示。

图3 实验装置流程图：(a) 单独 TFF；(b) 单独水力旋流器；(c) 集成水力旋流器 - TFF

核心结果：集成工艺的差异化优势1.膜结构是抗污染性能的决定性因素

两种膜材料的微观结构存在显著差异，直接决定了其抗污染性能层级（图4）。UJP对称膜整体孔结构均匀规整，无明显分层；而BioOptimal反向不对称膜具备典型的差异化结构，进料侧内壁为大孔径疏松网状结构，可容纳、截留大颗粒杂质，保护外侧致密筛分皮层不被快速污染堵塞。

图4 两种膜的 SEM 表征：(a) UJP 膜横截面；(b–e) BioOptimal 膜横截面及内外表面

在初始通量统一为1110 L·m⁻²·h⁻¹的标准化实验条件下，BioOptimal反向不对称膜的抗污染与处理能力远优于传统UJP对称膜。当细胞活力维持在96%的高活性状态时，前者的有效处理量是后者的5倍以上。但实验同时验证了该膜的应用短板：物料细胞活力降至0%（完全细胞裂解液）时，处理量仅为高活力工况的1/3。这表明，即便为高性能反向不对称膜，仍无法彻底规避大量细胞碎片带来的重度膜污染问题，在裂解液澄清场景中存在明显性能瓶颈。

图5 不同细胞活力下两种膜的通量 - 处理量曲线

2. 水力旋流器的分离性能与细胞活力平衡

两款自研水力旋流器的颗粒分离效率与文献报道的经典设备性能高度契合，工艺稳定性良好（图7）。基于He构型的设计I，在入口流速4 m/s条件下分离效率可达65%；基于Syed构型的设计II，在8 m/s入口流速下可实现同等分离效率。实验数据显示，入口流速对旋流器底流分流比影响极小，设计II的底流分流比稳定维持在80%左右；而设计I的压降对流速变化更为敏感，流速提升会引发压降显著升高（图6）。

图6 水力旋流器的底流分流比与压降随入口速度的变化

图7 两种水力旋流器的分离效率与文献数据对比

实验同时证实，过高的入口流速会产生较大流体剪切力与压降，导致细胞活力大幅下降至90%以下，无法满足生物活细胞澄清的工艺要求。因此，工业化应用需平衡分离效率与细胞活性。本研究采用低流速优化工况，可保证2小时连续运行后物料细胞活力稳定维持在97%以上，兼顾分离效果与物料品质。

3. ATF 模式下的长期稳定性验证

为验证反向不对称膜在长效连续生产中的适配性，研究团队将BioOptimal膜搭载于ATF灌流系统，开展14天长期连续运行试验（图8）。长效运行数据表明：体系最高活细胞密度可达32×10⁶ cells/mL，全程细胞活力稳定在90%以上；跨膜压（TMP）始终低于2.5 kPa，无明显膜污染、膜堵塞现象；系统平均通量达229 L·m⁻²·h⁻¹，远超传统ATF过滤体系的通量水平，展现出优异的长期运行稳定性与高效过滤能力。

图8 BioOptimal 膜在 ATF 模式下 14 天灌流的细胞密度与活力变化

4. 集成工艺的性能差异：传统膜获益显著

本研究最核心的创新结论为：前置水力旋流器的集成工艺，对不同结构TFF膜的性能增益存在显著差异化效果，两种膜的适配性表现截然不同（图9）。

针对传统UJP对称膜，前置水力旋流器可实现显著的抗污染增效效果，大幅缓解通量衰减问题。连续运行40分钟时，集成工艺的通量保留率从单独TFF工艺的25%提升至39%；且运行30分钟后，集成体系的过滤通量已全面超越单独TFF体系。核心原理为：水力旋流器可预先截留去除物料中绝大部分大粒径细胞颗粒，从源头减少沉积在UJP膜筛分皮层的污染物，极大降低膜孔堵塞速率。

针对BioOptimal反向不对称膜，2小时短期对照实验中，前置水力旋流器未体现明显性能增益。原因在于，该膜自身的大孔径进料支撑层可自主吸附、截留大颗粒杂质，在膜表面形成稳定滤饼层，天然具备优异的抗污染能力，能够有效保护内部筛分皮层，因此短期工况下初级澄清的增效空间有限。

图9 集成水力旋流器对两种膜通量衰减的影响：(a) BioOptimal 膜；(b) UJP 膜

结论与展望

该研究首次全方位、系统性验证了水力旋流器+TFF集成澄清工艺在生物反应器处理中的应用价值，结合实验数据与工艺适配性分析，得出三大核心结论，可为工业化工艺优化提供直接参考：

1.膜结构是决定澄清体系抗污染能力的核心因素。反向不对称膜综合性能显著优于传统对称膜，但在病毒载体生产、细胞裂解液处理等低细胞活力、高碎片含量场景中，仍存在明显的污染短板，无法完全满足生产需求；

2.水力旋流器前置集成工艺对传统对称TFF膜适配性极佳，可有效抑制通量快速衰减、延长膜组件有效运行时长，无需更换核心设备，是现有传统澄清生产线低成本升级、提效降耗的最优方案之一；

3.针对高性能反向不对称膜，短期常规工况下集成工艺增益有限，但在2个月以上超长周期连续灌流生产、高细胞碎片物料处理等严苛工业场景中，前置水力旋流器可进一步降低膜负荷，实现长效稳通量运行，具备极高的工业化落地潜力。

未来研究将聚焦工业化落地关键问题，开展无菌环境下的长期中试试验，优化水力旋流器几何参数与TFF运行参数的匹配逻辑，完善工艺放大模型，验证大规模生产的稳定性与可靠性。该集成化澄清工艺突破了传统TFF技术的污染瓶颈，为连续生物制造的产业化落地提供了高效、经济、可放大的新路径，将有效推动生物制药行业从传统批次生产向高效连续生产模式的全面转型。

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