3切向流过滤原理
固液分离技术chen
但不能有效地沉淀病毒、小细胞器（如核蛋白体）或
单个分子。
低速冷冻离心机
高速冷冻离心机
超速离心机:主要由驱动、速度控制、温度控制、真空系统和
转头五部分组成。 驱动装置是由水冷和风冷电动机通过精密齿轮箱或皮带变速，
或直接用变频感应电机驱动，并由微机进行控制，由于驱动轴
的直径较细，因而在旋转时此细轴可有一定的弹性弯曲，以适 应转头轻度的不平衡，而不至于引起震动或转轴损伤，除速度 控制系统外，还有一个过速保护系统，以防止转速超过转头最 大规定转速而引起转头的撕裂或爆炸，为此，离心腔用能承电 受此种爆炸的装甲钢板密闭。
冷冻系统有类似冰箱的冷冻压缩机，可达-10℃。温度
控制是由安装在转头下面的红外线射量感受器直接并 连续监测离心腔的温度，以保证更准确更灵敏的温度 调控，这种红外线温控比高速离心机的热电偶控制装 置更敏感，更准确。
超速离心机装有真空系统，这是它与高速离心机的主要区别。 离心机的速度在20，000rpm以下时，空气与旋转转头之间 的摩擦只产生少量的热，速度超过20，000rpm时，由摩擦 产生的热量显著增大，当速度在40，000rpm以上时，由摩 擦产生的热量就成为严重问题，为此，将离心腔密封，并由机 械泵和扩散泵串联工作的真空泵系统抽成真空，温度的变化容 易控制，摩擦力很小，这样才能达到所需要的超高转速。
按转速分类：低速离心机、高速离心机、超速离心机。
低速（普通、常速）离心机：转速在10，000rpm 以内或相对离心力在15，000×g以内。 高速离心机：转速在10，000～30，000rpm以 内或相对离心力在15，000～70，000×g以内。
超速离心机：转速在30，000rpm以上或相对离心 力在70，000×g以上。
切向流过滤工艺的优化
切向流过滤工艺的优化王斌(密理博中国bin_wang@)切向流过滤（Tangential Flow Filtration ，简称TFF ）是制药工艺中已经被广泛采用的一种过滤操作方式，它的应用包括澄清过滤、产物浓缩、除热原、除小分子杂质、脱盐和缓冲液置换等等。
切向流过滤的概念是相对于常规过滤（Normal Flow Filtration ，简称NFF）而言的，如下图1 所示：图1 常规过滤与切向流过滤示意图常规过滤是指在压力的作用下，液体直接穿过滤膜进入下游，而大的颗粒或分子则被截留在膜的上游或内部，小的颗粒或分子透过膜进入下游。
在这种操作方式下，液体的流动方向是垂直于膜表面进入下游的，所以也有人称之为“死端过滤”（Dead End Filtration）。
常规过滤的应用包括澄清过滤、除菌过滤和除病毒过滤等等，不是本文讨论的重点。
而切向流过滤则是指液体的流动方向是平行于膜表面的，在压力的作用下只有一部分的液体穿过滤膜进入下游，这种操作方式也有人称之为“错流过滤”（Cross Flow Filtration）。
由于切向流在过滤过程中对膜包的表面进行不停的“冲刷”，所以在这种操作模式下有效的缓解了大的颗粒和分子在膜上的堆积，这就使得这种操作模式在很多应用中具有独特的优势。
从滤膜的截留孔径进行分类，可以将过滤分为澄清过滤、微滤、超滤和反渗透等等。
下图2 粗略的标明了不同级别的滤膜和截留图谱。
图2. 滤膜截留图谱相应的，将不同孔径的滤膜采用切向流的操作方式进行过滤，即可称之为切向流微滤、切向流超滤等等。
下图3 为典型切向流过滤系统的示意图，通常包括泵、膜包和夹具、贮罐、连接管件以及阀门和压力表等。
本文将对切向流过滤工艺的优化思路进行介绍。
图3. 典型切向流过滤系统示意图一个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：切向流流量、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。
Cross Filtration 切向流过滤
CROSS FILTRATION死端过滤DEF OR 普通过滤NFFDead-end Filtration or Normal Flow Filtration•料液流动方向和过滤方向平行•颗粒被截留在过滤膜内部或表面•膜表面形成滤饼 (Cake)切向流过滤TFF OR 错流过滤CFFT angential Flow Filtration or Crossflow Filtration•料液流动方向和过滤方向垂直•截留颗粒或分子从液体中分离出来•切向流抑制了溶质在膜表面的堆积•筛网: 支撑和扰流的作用，增加对膜的冲刷效果死端过滤 VS 切向流过滤 DEAD-END VS CROSSFLOW FILTRATION切向流过滤的应用 CROSSFLOW FIL TRATION APPLICATION浓缩或澄清 CONCENTRATION OR CLARIFICATION 小分子不断透过膜成为透过液, 大分子 (样品) 不断被截留回流至储罐, 储罐中的样品体积越来越少, 样品浓度越来越高。
•P1 = Inlet pressure 进口端压力•P2 = Outlet pressure 出口端压力或回流端压力•P3 = Permeate pressure 透过端压力DIAFILTRATION 洗滤BATCH 批次模式•加洗涤液稀释料液•再浓缩 (去除洗涤体积)•重复CONTINUOUS 连续模式•恒定体积模式•浓缩的同时加入洗涤液, 使加入洗涤液的速度与过滤速度相同, 在系统内保持体积和浓度的恒定。
•储罐中样品体积和浓度始终保持不变, 样品的缓冲体系逐渐被置换成另一种缓冲体系。
膜孔径的选择样品浓缩和透析:•样品截留模式: 膜孔径大小为目标分子量的1/3-1/5•样品透过模式: 膜孔径一般大于目标分子量的5-10倍•两种物质分离模式: 一般需要分子量差异在10倍以上菌体/细胞收获:•细胞浓缩：超滤膜通常更容易操作•分离细胞和蛋白：微滤膜通常会获得更好的收率滤膜的选择一般来说，对于哺乳动物细胞分泌表达的澄清过滤，可选择0.2到0.65μm的微滤膜；对于大肠杆菌裂解液的澄清过滤可选择500 KD或750 KD超滤膜；⽽酵⺟分泌上清的澄清过滤可使用750 KD超滤膜或0.1μm微滤膜。
切向流过滤原理
默克密理博 生物制药工艺部主要内容过滤的分类 过滤的操作方式 切向流（TFF）过滤的基本概念过滤的分类 膜分离过程微滤超滤 反渗透/纳滤滤膜孔径分布反渗透 纳滤 超滤 微滤0.001 kD - 0.5 kD 0.00005 - 0.001 um0.1 kD - 2.0 kD 1 kD – 1 000 kD 0.001 - 0.10 um 0.1 - 0.65 µm区分谱图过滤方式普通过滤 (NFF) 滤芯形式或“死过滤”流向是垂直于过滤介质的 所有的液体全部透过过滤介质 颗粒被截留在过滤膜内部或表面切向流过滤 (TFF) 交叉流动过滤 流向是切向(平行)于过滤膜表面的一小部分液体透过过滤介质截留的颗粒从膜的表面被”扫除””普通过滤(死端过滤)液体流向膜表面过滤方式普通过滤 (NFF) 滤芯形式或“死过滤”切向流过滤 (TFF) 交叉流动过滤流向是垂直于过滤介质的流向是切向(平行)于过滤膜表面的所有的液体全部透过过滤介质一小部分液体透过过滤介质颗粒被截留在过滤膜内部或表面截留的颗粒从膜的表面被”扫除””切向流过滤(错流过滤) 透过流速溶液浓度 Cb切向流速膜表面浓度 Cw膜表面切向流过滤(TFF)料液浓度 Cb 料液切向流膜表面浓度 Cw透过液膜表面透过液膜表面[ ] permeate = [ ] retentate= 100 -VdfVdf(P R)) Permeate。
切向流过滤
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Thank you!
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切向流过滤
Tangential Flow Filtration
Shandong Topscience
HMG/HCG Department 赵文蒙 2010.06.15
1
过滤的分类
2
滤膜孔径分布
3
过滤方式
4
普通过滤(死端过滤)
液 体 流 向
5
切向流过滤(错流过滤)
透 过 流 速
6
常规过滤(NFF)
38
How to Control Polarization浓差极化的控制
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Balance TMP & Cross-flow Rate平衡膜透压和切向流速
40
Balance TMP & Cross-flow Rate平衡膜透压和切向流速
41
Reducing Concentration Polarization降低浓差极化
52
Selecting the Cleaning Solution选择最洁净的清洗方法
53
Antifoam- A Typical Foulant 防沫剂
54
Tips on Antifoams 有关防沫剂的技巧
55
Polarization Summary 极化现象总结
切向流过滤原理
切向流原理
press
普通过滤：随着浓缩的进行，膜表面的大分子逐渐增多。 普通过滤：随着浓缩的进行，膜表面的大分子逐渐增多。
切向流原理
press
普通过滤：随着浓缩的进行，膜表面的大分子逐渐增多。 普通过滤：随着浓缩的进行，膜表面的大分子逐渐增多。
切向流原理
press
普通过滤：随着浓缩的进行，膜表面的大分子逐渐增多。 普通过滤：随着浓缩的进行，膜表面的大分子逐渐增多。
• 1、压力过滤分类 压力过滤分类 • 2、切向流原理 切向流原理 • 3、切向流步骤 切向流步骤
谢 谢 大 家！
压力过滤分类
1、微滤(micro-filtration, MF) 2、超滤(untra-filtration, UF) 3、反渗透(reverse osmosis, RO)
压力过滤分类
微滤(micro-filtration) 微滤
超滤(untra-filtration) 超滤
反渗透(reverse osmosis) 反渗透
切向流原理
2012 年 03 月07 日
切向流原理-主要内容 切向流原理 主要内容
• 1、压力过滤分类 压力过滤分类 • 2、切向流原理 切向流原理 • 3、切向流步骤 切向流步骤
压力过滤分类
定义：指以压力为推动力， 定义：指以压力为推动力， 依靠膜的选择性， 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 膜必须是半透膜， 身，膜必须是半透膜，即 能透过一种物质, 能透过一种物质,而阻碍另 一种物质。 一种物质。
切向流步骤-置换缓冲溶液 切向流步骤 置换缓冲溶液
置换缓冲溶液： 溶剂逐渐被置换。 置换缓冲溶液：随着实验的进行 溶剂逐渐被置换。
切向流过滤在制药工艺中的应用
层流和湍流
透过液
透过液
层流层
层流
湍流层
层流层 透过液 透过液
层流过滤
湍流过滤
浓差极化模型
进料
回流液
凝胶层
滤过液
由于膜对溶质的截留，使得越接近膜界面的区域浓度越高。
切向流过滤装置
循环
浓缩液
LC 料液罐 P2
P1
P3
泵
过滤器
透过液
主要内容
• 切向流过滤原理 • 切向流过滤的应用
• 切向流过滤膜的选型
1. 对已知分子量蛋白marker的截留率
切向流过滤膜的截留率
（Rejection Coefficient）
2. 对特定dextran 标准物质 的截留率 通过凝胶渗透色谱（GPC）检 测Dextran分子量和含量，判 断超滤膜的截留率
切向流过滤膜的截留率
（Rejection Coefficient）
长期保存
20%乙醇 0.05~0.1N NaOH 膜包清洗循环冲洗系统5min后，拆下膜包，用上述溶剂浸泡
主要内容
• 切向流过滤原理 • 切向流过滤的应用
• 切向流过滤膜的选型
• 膜包的使用方法和清洗
• 切向流过滤工艺优化
• 应用举例
切向流过滤工艺优化
切向流过滤工艺影响因素
料液性质 操作参数 滤膜性能 操作设备
300 kDa
500 kDa 1000 kDa
切向流膜包
材质选择——蛋白吸附 不同膜材质蛋白吸附性能比较 （以IgG 为例）
膜材 IgG吸附量（ug/cm2）
PESU
（ 聚醚砜）
4.7 2.7
Cellulosetriacetate
切向流超滤系统
TFF是什么？
TFF（Tangential Flow Filtration） 切向流过滤，指液体在泵的驱动下沿着膜表面相
切的方向流动，在膜上形成压力，使部分液体透 过膜，而另一部分液体切向地流过膜的表面，将 被膜截流的颗粒和大分子物质冲走，避免他们堆 积在膜表面，造成膜的堵塞和流速下降。也常被 叫做交叉流过滤（cross flow filtration）。
TFF的分类
按照分离的精度一般可将其 分为：微滤,超滤,纳滤和反 渗透（RO）
微滤
能截留0.1-1 微米之间的颗粒。微 滤膜允许大分子和溶解性固体（无 机盐）等通过，但会截留住悬浮物， 细菌，及大分子量胶体等物质。微 滤膜的运行压力一般为0.7bar。
超滤
能截留0.002-0.1 微米之间的大分子 物质和杂质。微滤膜允许小分子物 质和溶解性固体（无机盐）等的通 过，同时将截留下胶体，蛋白质， 微生物和大分子有机物，用于表示 超滤膜孔径大小的切割分子量范围 一般在1,000-500,000 KD之间，超 滤膜的运行压力一般为1-7bar。
反渗透
是最精细的一种膜分离产品，其能有效截留所有 溶解盐份及分子量大于100KD的有机物，同时允 许水分子通过。醋酸纤维类反渗透膜脱盐率一般 大于95%，反渗透复合膜脱盐率一般大于98%。 反渗透膜广泛应用于海水及苦咸水淡化，锅炉补 给水，工业纯水及电子级高纯水制备，饮用纯净 水生产，废水处理和特种分离等过程。在离子交 换前使用反渗透可达幅度降低操作费用和废水排 放量。反渗透纳滤膜的运行压力一般介于苦咸水 的12bar 到海水的70bar。
Unmodified Polyethersulfones (PT series)
Nylon & other Polyamides
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In clarification applications it is done to improve removal of passing species
在澄清的应用中,它是用来提高透出物的透出效率的
In concentration applications it is done to change the buffer
普通过滤(死端过滤)
液体流向
膜表面
过滤方式
普通过滤 (NFF) 滤芯形式或“死过滤” 流向是垂直于过滤介质的 所有的液体全部透过过滤介质 颗粒被截留在过滤膜内部或表面 切向流过滤 (TFF) 交叉流动过滤 流向是切向(平行)于过滤膜表面的 一小部分液体透过过滤介质 截留的颗粒从膜的表面被”扫除””
ΔP = PF - PR = k . Q
Flux
TMP = (30 + 20)/2 - 2 = 23 psi DP = 30-20=10 psi
30
20
2 Permeate
Inlet
Outlet
TFF的定义&公式
Mass Balance 物料平衡
Feed Volume = Retentate Volume + Permeate Volume
N = Vdf/Vr
Based on volume根据体积算
N= 500/50 =10
Vdf 500 l
Vr 50 l Vr = Volume of Liquid in tank Vdf = Total Volume of DF Buffer
Vdf
基本超滤术语
Yield = product recovered at end of process 收率 Minus losses 损失最小化
进液体积 = 回流体积 + 透出体积
Vo = Vr + Vp
Feed Flow rate = Retentate Flow Rate + Permeate Flow Rate 进液流速 = 回流流速 + 透出液流速
Qp = Qr + Qp
(Vo)(Initial Conc.) = (Vr)(Retentate Conc.)+(Vp)(Permeate Conc.)
在浓缩的应用中,它是用来置换缓冲溶液的
Diafiltration透析
Diafiltration透析
Diafiltration透析
Diafiltration透析
Diafiltration透析
Diafiltration透析
Diafiltration透析
Diafiltration透析
基本超滤术语
– loss to permeate/retentate 透过液/回流液中的损失 – adsorption to membrane 膜吸附 – unrecoverable product (hold up) 无法回收的产物(死体积)
Vfinal
Finish
基本超滤操作参数
Transmembrane Pressure跨膜压 PF + PR Tmp = Pressure Drop压降 2 - PP P Feed (PF) Feed Flow Q P Filtrate (PP) P retentate (PR)
区分谱图
过滤方式
普通过滤 (NFF) 滤芯形式或“死过滤” 流向是垂直于过滤介质的 所有的液体全部透过过滤介质 颗粒被截留在过滤膜内部或表面
切向流过滤 (TFF) 交叉流动过滤 流向是切向(平行)于过滤膜表面的 一小部分液体透过过滤介质 截留的颗粒从膜的表面被”扫除””
体积浓缩因子 V VCF = V 浓缩倍数
initial
C X = C
final initial
final
V , C o o
V , C p p V , C r r
w h e r e V = V o l u m e o f L i q u i d a t a g i v e n t i m e ; C = C o n c . o f S o l u t e a t a g i v e n t i m e
Retentate 回流液 Permeate 透过液 % Passage 透过率
[ ] permeate
] retentate
% Retention x 100 截留率
% Passage = 透过率
[
% Retention = 100 - % Passage 截留率
基本超滤术语
Flux : 通量 时间/小时 体积/升
体积浓缩因子 V VCF = V
initial
浓缩倍数 C X = C
final initial
final
V , C o o
V , C p p V , C r r
w h e r e V = V o l u m e o f L i q u i d a t a g i v e n t i m e ; C = C o n c . o f S o l u t e a t a g i v e n t i m e
Vo x Co = (Vr x Cr) + (Vp x Cp)
小结
切向流过滤的基本操作方式 切向流过滤的基本术语和计算公式 收率，VCF，TMP, delta P, Flux，物料 平衡…
"Best" Membrane
0.65um 0.65/0.45um 0.45um 0.2um 300 -1000kD 50 - 100kD 10 - 30kD 1-8kD 50
Typical Flux LMH
50-80
50-75 25-50 10-20 40-80 20-40 5-20
基本超滤术语Байду номын сангаас
切向流过滤(错流过滤) 透过流速
溶液浓度 Cb
切向流速
膜表面浓度 Cw 膜表面
切向流过滤(TFF)
料液浓度 Cb
料液切向流
膜表面浓度 Cw 膜表面
透 过 液
常规过滤(NFF)
透 过 液
膜表面
切向流（TFF）过滤系统模型
透析/补料 泵 回流液 回流阀 储罐
PR
PF
夹具
泵 透过液
Pp QT
基本TFF术语
Diafiltration Volume透析体积 N (Diavolumes)
Term to describe the number of wash volumes used during a constant volume diafiltration process透析过程中以等体积透析所用的透析体积
Start 500L,1g/L
Finish
Concentration浓缩
Concentration浓缩
Concentration浓缩
Concentration浓缩
Concentration浓缩
Concentration浓缩
Concentration浓缩
Concentration浓缩
基本超滤术语
默克密理博 生物制药工艺部
主要内容
过滤的分类 过滤的操作方式
切向流（TFF）过滤的基本概念
过滤的分类
膜分离过程
微滤
超滤
反渗透/纳滤
滤膜孔径分布
反渗透
0.001 kD - 0.5 kD 0.00005 - 0.001 um
纳滤
超滤
微滤
0.1 kD - 2.0 kD
1 kD – 1 000 kD 0.001 - 0.10 um 0.1 - 0.65 µm
Start
Finish
500L---50L 1g/L----9.8g/L
VCF=10 X=9.8
基本超滤术语
Diafiltration Volume透析体积 N (Diavolumes)
Term to describe the number of wash volumes used during a constant volume diafiltration process透析过程中以等体积透析所用的透析体积
N = Vdf/Vr
Based on volume根据体积算
Vdf 500 l
Vr 50 l Vr = Volume of Liquid in tank Vdf = Total Volume of DF Buffer
Vdf
透析
Diafiltration is the addition of a fluid (buffer) to the feed tank during a UF operation while permeate is being removed from the system
10 9 8 4 7 6 5 11 12 1 2 3
面积/平方米
Litres / ( Square Metre x Hour ) or LMH 升/(平方米X小时)
Millipore超滤/微滤膜典型通量
Solute Type & Objective
Mammalian 哺 乳 动 物 Plant / insect 植 物 /昆 虫 Yeast 酵 母 菌 E.Coli 大 肠 杆 菌 Lysate clarification 细 胞 裂 解 液 澄 清 Protein concenrtration 蛋 白 浓 缩 Protein concentration 蛋 白 浓 缩 Solute concentration 溶 质 浓 缩