切向流超滤5个关键工艺参数的优化思路
切向流过滤技术（Tangential Flow Filtration, TFF），亦称为错流过滤（Cross-Flow Filtration, CFF），是一种高效的膜分离过程，液体（料液）的流动方向时平行于膜表面的，在压力的作用下只有一部分的液体透过滤膜，且分子质量或粒径小于膜孔径的组分能够透过膜而到达滤液端，而分子质量或粒径大于膜孔径的组分则被膜截留。
与死端过滤相比，切向流过滤通过循环流动的料液对膜表面进行持续的剪切力作用，这种“冲刷效应”有效清除了膜表面的沉积物，从而显著降低了膜孔堵塞和膜面污染的风险，确保了过滤过程的长期稳定性和连续性。
切向流过滤的生产工艺由许多参数决定，其中关键的工艺参数有:膜的选择、切向流速，跨膜压(TMP)、透出液控制、膜面积、透析条件等。这些参数既相互影响又相互制约，要同时达到提高生产效率和节约成本的目的，就必须首先对这些参数进行优化。这些参数通常需要由经验、实验、具体工艺的需要以及各种限制因素结合起来才能确定，因此切向流过滤系统的参数优化是一个相当复杂的过程。以下将介绍几个关键工艺参数的优化思路。
切向流工艺优化-膜的优化
在做工艺优化时，膜的选择是优化的第一步，选择合适的膜不仅可以提高工艺效率，节约工艺时间，降低工艺成本，而且可以避免因膜选择的不合适造成的各种问题，如膜阻塞，收率低等。
1，膜孔径选择：通常用截留分子量（MWCO: molecular weight cutoff）表征膜孔径大小，由于不同分子的结构不同，即使具有相同的分子量，其分子的空间结构也不一致，反应出的分子粒径也会有差异。不同厂家使用的标定物质也会不同，因此实际使用时，标注相同截留分子量的膜其截留率也会有一定的差异。
如果希望目标物质透过膜孔，膜截留分子量应选择为目标物质分子量的5~10倍或以上；如果希望目标物质不透过膜孔，膜截留分子量应选择为目标分子量的1/3~1/5。
2，膜材质选择：膜材质是切向流过滤工艺中的关键点，不同材质的膜其化学性质、溶出和析出性质、机械强度、蛋白吸附等方面有较大差异。在选择膜材质时需要根据料液的性质、缓冲体系的性质进行确定。
3，膜面积选择：膜面积决定了过滤时处理料液的快慢，对于处理一定体积的料液，根据厂家推荐的膜通量和操作者预估的工艺时间，其所需膜面积的可以按照以下公式大致计算:膜面积=料液透过体积/（膜通量*工艺时间）
举例：对10L某料液进行10倍浓缩，要求超滤工艺在1小时内完成，假设使用的超滤膜对该料液的稳定通量为5LMH(升每平方米每小时)，则需选择的膜面积计算方式如下：
浓缩后的体积：10L÷10=1L
透过液体积：样品体积-浓缩后的体积=10L-1L=9L
膜面积=透过液体积÷(膜通量×时间)=9L÷(5LMH×1h)=1.8平方米
切向流工艺优化-切向流速优化
切向流过滤工艺中的切向流流速（进料速度）主要作用是减少凝胶层的形成，提高切向流速可以使剪切力增加， 增强对滤膜表面的“清洗”作用，缓解浓差极化，从而使透过液的流量提高。但是高切向流速也存在诸多不足，为得到高流速需要配置更大的泵及管路，这样就会使系统的滞留体积增加，也增加了固件的成本。此外，膜的通量达到最佳值时，即使进一步提高切向流速度，通量也不会有明显增加。对于剪切力敏感的料液，过高的剪切力会对样品造成破坏，如使样品失活或者降解。因此在工艺优化时需先测试在不同流速梯度下样品的稳定性，以确定样品可耐受的切向流流速。
切向流工艺优化-TMP优化
TMP（Transmembrane Pressure）即跨膜压，是物质跨膜流动的驱动力，是工艺优化时的关键参数。
在恒定流速的切向流过滤工艺中，液体透过膜的速率与TMP 之间的关系可以分为两个阶段(如下图)。在初期，影响透过速率的仅仅是滤膜的阻力，所以增加TMP，透过速率会线性增加，称为压力相关区。随着TMP 的不断增加，滤膜逐渐被浓差极化，部分增加的TMP 被浓差极化层的阻力所抵消，因此透过速率的增加变缓。当滤膜被完全浓差极化，所增加的TMP被浓差极化层的阻力完全抵消，此时增加TMP其透过流速不再增加，称为压力不相关区。
当选择的TMP 处于压力不相关区时，虽然透过速率可以达到最大，但此时滤膜表面形成了浓差极化层，浓度极化层处的溶质浓度可能到了其可溶解的极限而产生沉淀，因此会导致产品收率下降。此外，浓差极化会造成膜堵塞，引起膜透过速率不可逆的下降。综上所述，在选择TMP 时应该选取TMP-透过速率曲线的拐点处值。此时，滤膜未被完全浓差极化，透过速率也相对较高。
切向流工艺优化-透过液流速优化
在切向流超滤中，简单的控制方式是仅对进液流速和TMP进行控制，而不对透过速率控制，这种方式通常用于产品存在于回流液中的操作。然而在某些应用中，控制透过流速会比简单控制进液流速和TMP更有效。例如在膜孔径比较大的切向流微滤应用中，有时即使将TMP 设置的很小，其透过速率就可以很大，此时仅有非常少的液体进行回流。此时，虽然透过速率很高，但这种操作与常规过滤方式非常接近，失去了切向流操作方式的优势。在这种情况下，常常会产生严重的浓差极化现象。此时，必须对透过速率进行控制，避免产生严重的浓差极化。
控制透过速率只需在透过端安装一个泵或者阀门即可。该泵或阀门可减小透过流速从而保证在膜表面具有足够的剪切力对膜进行“冲刷”，还可以在不改变回流压力的情况下，增加透过端的压力，从而减小TMP。
切向流工艺优化-洗滤方式优化
在涉及置换缓冲液的工艺中，还需要确定洗滤方法。主要有两种透析方式：批次洗滤和等体积洗滤。
批次洗滤是一种在洗滤过程中，将洗滤缓冲液加入至样品罐中至一定体积，将样品浓缩至特定体积，然后再次补充洗滤缓冲液，如此循环直至满足洗滤要求。相比之下，等体积洗滤是在透析过程中保持向样品中加入洗滤缓冲液的流速和透过液的流速相等，使得整个切向流回路中体积维持恒定。
值得注意的是，批次洗滤在缓冲液置换效率上不如等体积洗滤。此外，由于料液浓度的不断变化，批次透析使得优化过程变得复杂。因此，等体积透析因其在缓冲液置换过程中的高效性而成为更受青睐的透析优化方法。
在选择洗滤方式之后，接下来需要确定洗滤的最佳浓度。随着浓度的增加，洗滤通量往往会逐渐降低。在较低浓度下进行洗滤可以提高通量，但会导致洗滤体积增大，从而在固定工艺时间内需要更大的膜面积和更多的缓冲液。相反，在较高浓度下透析可以减少缓冲液的使用，但由于通量降低，在固定工艺时间内所需的膜面积仍然较大。因此，找到一个适宜的洗滤浓度，以实现膜面积或工艺时间的最优化尤为关键。这需要平衡洗滤通量、洗滤体积、膜面积需求和缓冲液使用量之间的关系，以达到工艺效率和成本效益的最佳平衡点。
在标准的压力控制的切向流过滤工艺中，可以采用一种较为准确和普遍适用的方法来得到优化的洗滤浓度。方法是选取浓缩过程中不同浓度的点，以样品浓度×通量对样品浓度作图(如下图)。
取曲线中样品浓度×通量最高点的浓度作为洗滤点浓度，在该浓度进行洗滤，工艺时间一定时所需膜面积最小。值得注意的是，有时相同浓度的溶质在不同缓冲液中的通量值可能会相差很大。此时，可在两种缓冲液条件下分别作图，为安全起见，从两个优化洗滤点中选择浓度较低的一个作为最终洗滤点，而实际的优化点往往位于两者之间，因为洗滤是一个缓冲液成分逐步变化的过程，
在实际操作中，需要根据实际情况对洗滤点的浓度进行调整。例如，如果在优化洗滤点时回流液体积低于最小循环体积，或者产品已经失活，那么就需要降低洗滤点的浓度。这可能意味着需要使用更多的缓冲液和更大的膜面积，以确保工艺能够顺利进行。因此，优化洗滤点的确定是一个动态的过程，需要根据实验数据和实际工艺条件灵活调整。
