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生物咖啡茶

生物工艺行业(五)过滤

张韧


一、过滤的发展

过滤(Filtration)是一种最常见的分离纯化方法,通常用于液体或气体混合物的分离。其原理为:在外界推动力(重力,压力,离心力等)的作用下,位于过滤介质一侧的悬浮液(或气体)中的流体通过过滤介质向另一侧流动,而固体颗粒被介质所截留,从而实现流体与颗粒物体的分离。

过滤是一项古老的分离技术,广泛用于运输、水处理、化学品、食品和饮料生产、精细化工、制药与生物技术、发电、造纸、医疗卫生、电子电气等行业。

20世纪初,德国科学家开始对膜过滤(Membrane Filtration)技术进行系统研究。1906年Bechhold提出通过改变聚合物浓度来改变膜孔径的方法。1918年Zsigmondy和Bachmann开发了制备硝酸纤维和醋酸纤维膜的生产技术。1927年,Wilhelm Sartorius与已经获得诺贝尔化学奖的膜过滤创始人Zsigmondy在德国哥丁根合资成立世界上第一个膜过滤公司Sartorius,通过对Zsigmondy的工艺技术进行改进,开始膜过滤器的商业化生产,用于从液体中分离出颗粒、微生物和病毒。

1950年,Goetz成功开发了具有高渗透率和更均匀孔结构的膜。1954年美国Millipore公司已能生产从低于0.1微米到10微米的八种不同孔径的膜。

在1963年以前,微滤膜大多采用硝基纤维素或混合纤维素脂材料。随着过滤应用领域不断扩大,对膜的耐化学性和热稳定性要求不断增加,其它材料微滤膜及其制造方法的研究得到发展。

20世纪70年代前后,生物制药技术的快速发展促进了生物分离技术的迅速发展,微孔滤膜技术随之飞跃式发展,美、英、法、德、日等国都有企业和产品出现在国际市场上。

二、生物过滤的分类与应用

过滤技术种类繁多,用途用法千变万化,分类也比较复杂。

1. 根据过滤机理分类

根据过滤机理的不同,过滤技术分为两大类:深层过滤(Depth Filtration)和表面过滤(Surface Filtration)。
1)深层过滤
深层过滤通常使用纤维、滤纸、无纺布做过滤介质。这些介质中的孔隙尺寸大小不一,悬浊液在通过过滤介质时,固体颗粒物被随机吸附或截留在这些孔隙之中。深层过滤介质的孔径只是一个标称的截留范围,并非100%截留界限,部分大颗粒一样可以透过滤膜。深层过滤的优势是吸附能力高,有些产品本身带有一定离子交换功能,通常被用于预过滤,如发酵液澄清、去除细胞碎片和DNA、血液制品和其他生物制品中的预处理等。

2)表面过滤
表面过滤使用的过滤介质多为有较规整孔结构、孔径均一分布的高分子膜材料,比如混合纤维素、聚四氟乙烯PTFE、尼龙、聚醚砜(PES)及聚偏二氟乙烯PVDF等。表面过滤介质有很确切的截留孔径参数,悬浊液流过膜表面时,膜上均匀分布的细小的微孔只允许水及小于截留尺寸的小分子物质通过,而悬浊液中体积大于截留孔径的物质则接近100%被截留在膜的进液侧,实现对原液的分离和浓缩。表面过滤的特点是截留效果好,可以截留大于孔径的所有颗粒。但是过滤能力有限,适合用于精细过滤。
膜过滤是表面过滤的代表。

2. 膜过滤分类
膜过滤分离法是以压力为推动力,依靠膜的选择性将液体中的组分进行分离的方法。膜过滤法的核心是膜本身,膜必须是半透膜,即能透过一种物质,而阻碍另一种物质。因此膜可以用来浓缩或纯化产品。同时,膜分离可以在室温或低于室温进行,适合于生物药的处理需求。
常用的膜过滤技术有微滤(Microfiltration)、超滤(Ultrafiltration)、纳滤(Nanofiltration)和反渗透(Reverse osmosis)。有的文献中还会把透析(Dialysis filtration)列入膜过滤家族。

1)微滤(MF)
微滤主要用于分离流体中直径约为0.03到10微米和截留分子量(MWCO)在1000KD以上的微生物和微粒子,如除菌过滤、超滤的前置过滤等。微滤膜的运行压力一般为70-700kPa。

2)超滤(UF)
超滤主要用于分离流体中直径约为0.01-0.1微米和截留分子量(MWCO)在1KD-1000KD的颗粒,可截留病毒、细菌、大分子、蛋白质,去除热原、细菌内毒素等,多用于单抗浓缩、人用和兽用疫苗纯化。超滤膜的运行压力一般为100-700kPa。

3)纳滤(NF)
纳滤是介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程,20世纪80年代中期商品化,纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来。纳滤用于分离≥0.001微米、截留分子量(MWCO)为0.1KD-2.0KD的微粒子、溶质,工作压力600-1000kPa。可以去除几乎所有的囊肿、细菌、病毒和腐殖物质,以及无机盐、糖类、铁离子等。

4)反渗透(RO)
反渗透是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的过程,源于美国20世纪60年代宇航科技的研究,后逐渐转化为民用,广泛运用于科研、医药、食品、饮料、海水淡化等领域。

反渗透去除0.00005-0.001微米和截留分子量(MWCO)为0.001-0.5KD的微粒子,工作压力1200-7000kPa。分离盐、金属离子、矿物质,有效地去除水中几乎所有杂质,以及天然有机物、农药、囊肿、细菌和病毒等。

3. 过滤方式分类

在微滤和超滤中常用的过滤方式是普通过滤(Normal Flow Filtration)和切向流过滤(Tangential Flow Filtration)。

1)普通过滤NFF
普通过滤也称死端过滤(Dead-end Filtration),料液流向垂直于过介质,所有液体全部透过过滤介质,颗粒被截留在过滤膜内部或表面。由于被截留的物质在膜面不断积聚,膜的过滤总阻力持续增大,导致膜通量逐渐降低。为了维持膜通量,需要对膜组件进行定期的反冲洗。

2)切向流过滤TFF
料液流向切向于(平行)于滤膜表面,一小部分液体透过过滤介质,截留的颗粒从膜的表面被带走。当料液中能被膜截留的物质浓度很高时多采用切向流过滤方式。切向流过滤时,料液分成两股,料液主体平行于膜面流动,透过液垂直透过膜,高速流动的料液能将沉积在膜面的物质带走,从而减慢过滤阻力的增加速度。超滤使用切向流过滤方式。
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图5.1 切向流超滤系统。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。

4. 膜组件形式分类

1)管式膜
耐机械损坏性强,流动途径简单,不易堵塞,清洗方便,无死角;缺点是滞留体积大,能耗高。

2)平板膜
简单,适用于小体积物料的处理,能耗介于管式和螺旋式之间;缺点是放大不方便,不易清洗消毒。

3)卷式膜
单位体积的膜面积大,换新膜容易,能耗低,滞留体积小;缺点是易堵塞,清洗困难。

4)中空纤维
单位体积的过滤面积大,耐机械损坏性强,可逆洗,操作压力较低(<0.25MPa),动力消耗较低;缺点是料液需预处理,单根纤维损坏时需调换整个模件。

5. 材质分类

早期的滤膜材质是醋酸纤维素(Cellulose),来源于木材,最大的优势是亲水。亲水材质有利于大多数生物纯化工艺,能提高产率、增加回收。但醋酸纤维膜的工艺加工性能不好。随着技术发展,尼龙、聚偏二氯乙烯(PVDF)、聚砜(PS)和聚醚砜(PES)等合成膜被用于生物过滤。合成材料的机械性好,但因为其本身的疏水性,需要添加表面活性剂才能使合成膜亲水。

1)亲水性材质
纤维素和再生纤维素,尼龙,亲水性聚偏二氯乙烯PVDF,亲水性聚醚砜PES,亲水性聚丙烯PP等。改性纤维素RC由于其极好的亲水性、耐碱性而被重视。

2)疏水性材质
聚四氟乙烯PTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、聚砜PS等。

6. 使用功能分类

1)预过滤

2)澄清过滤

3)除菌过滤
除菌级别(Sterilizing Grade)滤器指符合FDA除菌滤器标准并能通过验证的滤器,与供应商标注的产品孔径0.2微米或0.22微米没有直接关系。不过,在中国药监局发布的《除菌过滤技术及应用指南》中对滤膜孔径有要求:“除菌过滤工艺应根据工艺目的,选用0.22微米(更小孔径或相同过滤效力)的除菌级过滤器。0.1微米的除菌级过滤器通常用于支原体的去除。”

4)除病毒过滤
过滤是最可靠、最被FDA认可的病毒去除技术。在单抗、血液制品等生产工艺中都至少需要一步除病毒过滤。

5)除内毒素

6)支原体过滤

7. 过滤产品形式

1)深层过滤滤器预过滤、粗滤等。
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图5.2 深层过滤滤器和滤芯。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。
2)囊式滤器
微滤、除菌过滤、纳滤等。
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图5.3 囊式滤器和滤芯。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。
3)膜包
微滤、超滤等。
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图5.4 膜包。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。

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图5.5 不锈钢夹具。左图可装载1-3块0.1m2 小型膜包,右图可装载0.5-2.5m2 膜包。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。

4)中空纤维
微滤、超滤、纳滤、除病毒过滤等。
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图5.6 中空纤维。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。

过滤工艺技术贯穿了生物制药的整个过程。杭州科百特(cobetter)专注膜技术的开发与应用,能够提供生物制药生产过程中从生物反应器呼吸器和气体除菌过滤、细胞培养基除菌除支原体过滤、缓冲液除菌除内毒素过滤、澄清过滤、超滤浓缩、保护过滤、除病毒预过滤到除病毒过滤的全过程的过滤解决方案。
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图5.7 生物制药过滤解决方案。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。


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图5.8 高效便捷的研发用真空过滤器。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。


三、过滤器的有关技术标准和法规要求
1. 产品技术标准

过滤产品和种类繁多,相应的标准也很多。下列是液体过滤器、膜过滤器有关的部分国内外技术标准。1)国外标准德国标准《膜式过滤器元件(Membrane filter elements)(第1部分-第8部分)(DIN58356-(1-8)-2005)》德国标准《过滤器元件.液体的颗粒过滤.颗粒保持的特性(Filter elements - Particle filtration in fluids - Characterization of the particle retention)(DIN 58920-2000)》美国标准《测定液体过滤用膜过滤器的抑菌能力的标准试验方法(Standard Test Method for Determining Bacterial Retention of Membrane Filters Utilized for Liquid Filtration)(ASTM F838-2005)》美国标准《测定液体过滤用膜过滤器细菌滞留的标准试验方法(Standard Test Method for Determining Bacterial Retention of Membrane Filters Utilized for Liquid Filtration)(ASTM F838-2015a)》日本标准《薄膜滤器起泡点的测试方法(Testing methods for bubble point of membrane filters)(JIS K3832-1990)》英国标准《生物技术.设备.渗漏性试验程序指南(Biotechnology - Equipment - Guidance on testing procedures for leak tightness)(BS EN 12298-1998)》2)中国标准中华人民共和国国家标准《液体过滤用过滤器通用技术规范(GB/T26114-2010)》中华人民共和国国家标准《液体过滤用过滤器性能测试方法(GB∕T30176-2013)》中华人民共和国医药行业标准《输液用除菌级过滤器第1部分:药液过滤器完整性试验标准(YYT0929.1-2014)》中华人民共和国国家标准《液体除菌用过滤芯技术要求(GB/T34244-2017)》中华人民共和国医药行业标准《输液器具用过滤器的泡点压与细菌截留能力关联方法(YY/T1648-2019)》

2. GMP法规要求

在生物制药行业,过滤贯穿细胞培养基除菌、原辅料除菌、分离纯化,直至无菌制剂的除菌全过程,过滤技术和质量直接影响药品的质量,因此药品GMP对除菌过滤有关的工艺技术有专门规定。

在美国FDA的GMP指南、欧盟GMP指南、美国注射药物协会技术报告中,对无菌药品生产以及液体除菌过滤都做有规定。

中国2010年版GMP无菌药品附录中规定:
“无菌药品应当尽可能采用加热方式进行最终灭菌,……
对热不稳定的产品,可采用无菌生产操作或过滤除菌的替代方法。”
“可采用湿热、干热、离子辐射、环氧乙烷或过滤除菌的方式进行灭菌。每一种灭菌方式都有其特定的适用范围,灭菌工艺必须与注册批准的要求相一致,且应当经过验证。”

2018年,国家药品监督管理局发布《除菌过滤技术及应用指南》、《无菌工艺模拟试验指南(无菌原料药)》、《无菌工艺模拟试验指南(无菌制剂)》,作为实施《药品生产质量管理规范(2010年修订)》的指导性文件。在《除菌过滤技术及应用指南》中规范了除菌过滤系统的设计、选择、验证、使用等内容,适用于无菌药品从工艺开发到上市生产的整个生命周期。

除菌过滤系统的设计、选择、验证、使用是保证无菌药品生产除菌的核心要素。

为满足法规和用户需求,杭州科百特(cobetter)建立了CNAS级别验证检测中心,基本覆盖生物制药过滤工艺需要的所有验证检测项目,包括细菌挑战实验、可提取物&浸出物验证、化学兼容性实验、产品润湿完整性、可滤性分析、污染物分析等。

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图5.9 过滤企业CNAS级别验证检测中心。
图片由杭州科百特(cobetter)公司提供。

四、过滤业务的主要跨国公司(排名不分先后)
  • 赛多利斯(Sartorius)
德国公司。
  • 德国默克(Merck)
德国公司,2010年通过收购美国密理博(Millipore)公司取得过滤业务。
  • 颇尔(Pall)
美国丹纳赫(Danaher)公司生命科学平台旗下。
  • 思拓凡(Cytiva)
美国丹纳赫(Danaher)公司生命科学平台旗下。
  • 瑞普利金(Repligen)
美国公司,2018年收购拥有透析和中空纤维过滤业务的仕必纯(Spectrum)公司。
  • 诺华赛(Novasep)
法国公司。
  • 3M(Cuno)
美国公司,2005年收购从事过滤业务的Cuno公司。
  • 思宝公司(Strassburger)
德国公司。
  • 旭化成(Asahi Kasei)
日本公司。

五、一次性过滤

过滤在制药一次性使用系统中同样占有重要的位置,跨国公司纷纷推出各类一次性过滤产品。(以下排名不分先后)

1). 一次性过滤澄清收获系统
  • 赛多利斯(Sartorius)
  • 瑞普利金(Repligen)
  • 德国默克(Merck)
  • 思拓凡(Cytiva)
  • 颇尔(Pall)
  • 3M(Cuno)



2). 一次性超滤/透析膜包组件
  • 赛多利斯(Sartorius)
  • 思拓凡(Cytiva)
  • 德国默克(Merck)
  • 颇尔(Pall)


3). 一次性切向流过滤系统
  • 赛多利斯(Sartorius)
  • 德国默克(Merck)
  • 颇尔(Pall)
  • Scilog

    奥地利公司。



4). 一次性病毒去除组件和系统
  • 赛多利斯(Sartorius)
  • 德国默克(Merck)
  • 颇尔(Pall)
  • 旭化成(Asahi        Kasei)



六、国内过滤行业与思考

1. 国内过滤行业情况

我国直到20世纪60年代左右才开始对微孔滤膜进行研发试制,到70年代末逐渐形成一些制药工业过滤使用的单品种小批量生产能力。2000年以后,微孔膜制备有了较大发展,生产出混合纤维素,聚醚砜、尼龙、聚碳酸酯、不锈钢、陶瓷等多种材料的滤膜。在这期间,过滤企业数量也迅猛发展,仅在浙江地区就有百家左右。

尽管国内生产膜过滤的企业众多,但多存在规模小、技术薄弱、生产工艺简陋和粗糙、产品附加值低等问题,产品主要应用在饮用水生产、食品饮料加工、城市污水处理、工业废水的处理以及石油处理等领域,大多不能符合生物医药行业的需要。

与生物工艺其它细分领域相比,尽管国内涉足生物医药行业过滤业务的公司相对较少,但也涌现出一些企业在过滤技术和产品方面能够在大多数生物工艺过程中取代进口产品,有的企业开始进入国际市场。

据不完全统计,国内的生物过滤分离纯化企业有(排名不分先后):杭州科百特、东富龙、蓝晓、保赛、中科森辉、汉邦、九龄、恒水、科众源创等,其中科百特、汉邦还推出一次性超滤系统。

2. 给国内过滤纯化行业的几点建议

虽然有一些企业希望拓展生物医药行业的业务,但对于相关的法规和技术要求了解甚少,加上专业技术人才缺乏,所以成功者甚少。以下是对国内生物过滤企业的几点建议。

1)了解和满足生物医药行业需求
进入生物医药市场,必须建立在了解和满足生物医药行业对于过滤在工艺技术、法规方面的要求,依靠专业技术和技术人才,而不能简单模仿。
从行业和技术背景分析,从事血液透析业务的公司更容易进入生物过滤行业市场。瑞普利金、旭化成等公司就同时拥有这两类业务。

2)建立企业验证能力
验证是生物医药过滤工艺的关键环节,一定要建立企业的验证技术能力,能够为用户提供符合法规要求的验证文件和服务。

3)建立工艺开发与技术支持能力
过滤技术和产品的多样性决定了其应用场合和应用方法的多样性,不同生物药品生产过程中的分离、纯化、除菌等工艺和要求不尽相同,帮助用户开发个性化过滤工艺、提供技术支持是过滤企业的服务职能和竞争力之一。

4)重视膜材料与环保
改善膜材料性能,提高膜材料质量,提高加工水平,重视和解决生产过程的环保问题。

5)开发一次性产品及连续生产工艺
跟随生物工艺发展,开发一次性过滤产品系统;开发连续流过滤技术。

6)拓展膜层析业务
以膜过滤技术为基础,与层析技术结合的膜层析技术具有独特应用优势,也带来市场需求空间,是过滤企业的业务发展机会。

下期预告:第五部分 层析


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发表于 2021-1-20 14:34:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

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