中空纤维在生物工艺中的应用

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中空纤维在生物工艺中的应用

作者：乐纯生物（BLA联合发起单位）

近年来，随着生物技术的蓬勃发展，生物工艺开发、优化和放大已经成为主流趋势。作为生物工艺中的重要环节，过滤技术受到越来越多的关注。高载量、高流速、稳健截留效果的新型膜是新一代过滤器发展的必然。

根据液体的流动方向不同，过滤又可分为直流过滤（Normal Flow Filtration, NFF）和切向流过滤（Tangential Flow Filtration, TFF），直流过滤以其简便的操作和高流速的特点，常用于固形物和颗粒物的去除、支原体和细菌的截留、病毒去除等领域。而在切向流过滤技术中，液体流动方向平行于膜，小于膜孔径的分子可以透过膜被清除，大于膜孔径的分子则被截留在膜的表面，在外部切向力的作用下，又可以被冲刷回循环罐，避免膜的彻底堵塞，这种巧妙的过滤方式可以高效的实现目标物的浓缩和小分子去除，成为生物工艺中必不可少的环节。

图1：直流过滤与切向流过滤原理

常用的切向流过滤方式有平板膜包和中空纤维两种。中空纤维以其开放式的流路设计，具有高容污能力和剪切力温和等特点，可应用于以下工艺环节：

• 细胞截留和培养基置换（灌流工艺）
• 菌体收集
• 细胞及菌体收获液的澄清
• 病毒及核酸类产品的浓缩和透析
• 脂质体的浓缩和透析
  
  

本文将通过几个实际案例，为您阐述中空纤维在生物工艺中的应用。

01、中空纤维在灌流工艺中的应用

在细胞培养灌流工艺中，营养物质被不断加入到生物反应器中，同时，细胞代谢的副产物通过外部截留装置被移除，保证细胞一直处于最佳的生长环境中，从而获得极高的细胞密度。常用的细胞截留装置有ATF（Alternating Tangential Flow Filtration）和TFF（Tangential Flow Filtration）。
在一篇技术文献中，科学家对两种细胞截留装置分别进行了多次探索，实验中，CHO-DHFR细胞接种于某10L波浪式生物反应器中（WAVE Bioreactor），一些实验中反应器与ATF-2连接，另一些实验则通过蠕动泵和中空纤维柱（PS材质，850cm2）实现细胞截留。当反应器内细胞密度达到2-3M Cell/mL时开始进行灌流，灌流速率控制为1-10RV/day，培养时间为27天，实验结果如下表所示：

图2：ATF和TFF灌流培养工艺测试

从表格数据可以看出，两种细胞截留装置均可以实现稳定的灌流工艺，细胞密度最大可达200M Cell/mL。

02、中空纤维用于细胞收获液的澄清
由于开放式和较长的流路设计，中空纤维也非常适用于细胞收获液的澄清，在一项研究中，科学家采用0.65μm孔径的中空纤维微滤膜对轮状病毒收获液进行澄清，其实验结果如下表所示：

图3：中空纤维用于轮状病毒收获液的澄清

实验结果表明，经过中空纤维澄清后，病毒收获液的浊度显著降低（<2NTU），工艺收率均大于95%。由于中空纤维在工艺结束后可以清洗再生并重复利用，所以该澄清工艺比普通的直流过滤澄清工艺具有更高的经济价值。

03、中空纤维在病毒和核酸类产品中的应用
随着新冠疫情爆发，疫苗工艺，尤其是新型疫苗如病毒载体类和核酸类疫苗的工艺，越来越多的受到关注，基于中空纤维的切向流过滤技术也同样适用于这类产品的处理。

在一项测试中，实验人员采用材质为聚砜（PS）、孔径750kDa的中空纤维柱对澄清后的腺病毒（Adenovirus Serotype 5）收获液进行了浓缩和透析工艺探索，实验中，剪切力控制在2000s-1左右，跨膜压力（Trans-membrane Pressure, TMP）不超过1.2bar，对病毒收获液进行10倍浓缩和5倍透析，回收率可达到80%以上，且采用大孔径的中空纤维柱，可以有效地去除样品中的HCP和HCD（去除效率均大于60%），大大减轻了后续层析工艺的纯化压力，其杂质的去除效果如下图所示：

图4：750kDa中空纤维对HCP去除能力的测试结果

图5：750kDa中空纤维对HCD去除能力的测试结果

同样，由于温和的工艺条件，中空纤维也可以应用于mRNA的浓缩和纯化，在GSK发表的技术专利中，发明人发现，利用聚砜（PS）或者聚醚砜（PES）材质，孔径相对较大（300kDa到750kDa）的中空纤维柱，在实现高回收率的同时（>90%），可有效去除料液中的小核苷酸片段、消化的模板DNA、酶类以及其他的小分子。核酸电泳图片如下所示：

图6：利用中空纤维纯化mRNA的效果

近日，美国商务部公开更新的“未经核实名单（Unverified List，简称UVL）”，33家中国公司收到了这份“炸弹礼花”，其中包括知名生物制药上市公司。“事发突然但又在预料之中”，一位长期关注生物制药的PE机构投资人评价道。消息传来当日，一级市场、二级市场均反应强烈。列入UVL后，上述生物制药公司从美国进口的用于一次性生物反应器的控制器和中空纤维过滤器将受到出口管制。这一突发事件也意外令一个细分产业走到台前——国内生物制药产业链上游一次性设备与耗材环节国产化已成必然之势。
乐纯生物于2021年底量产的LePhinix&#8482;的一次性生物反应器，其灵活的模块化设计可以保障培养过程中的控制精度和运行稳定性，确保细胞在一次性生物反应袋中进行培养时，可以达到高水平的细胞密度和活率，保障目标产物的浓度和培养批次之间的一致性。同时，LePhinix&#8482;一次性生物反应器同时预留了ATF接口，可以实现高细胞密度的灌流培养工艺。

参考文献：

1、M. Clincke et. al., Very High Density of CHO Cells in Perfusion by ATF or TFF in WAVE BioreactorTM. Part I. Effect of the Cell Density on the Process, 2013
2、姜英，轮状病毒原液不同澄清、超滤方式效果的比较，中国生物制品学杂志，2014
3、P. Nestola et. al., Evaluation of Novel Large Cut-Off Ultrafiltration Membranes for Adenovirus Serotype 5 (Ad5) Concentration, 2014
4、RNA纯化方法，葛兰素史密斯克莱生物公司，CN 105283548 A，2016

【关于乐纯生物】

上海乐纯生物技术有限公司，成立于2011年，是先行从事生物制药行业一次性使用耗材及设备研发、生产和销售的高新技术企业。乐纯生物十余年持续赋能生物医药，以技术创新为驱动，提供高品质的生物工艺解决方案，致力于成为全球生物制药企业最信赖的合作伙伴。

乐纯生物深耕生物制药领域，广泛服务于抗体、疫苗、细胞和基因治疗等高科技客户；专注一次性工艺技术产品解决方案，全方位应用在生物工艺中的上游细胞培养、下游纯化以及最终制剂灌装等流程，并伴随生物制药全生命周期，贯穿于研发、中试及商业化生产阶段；引领一次性工艺技术快速本土化的进程，打通了上下游产业链。
乐纯生物拥有多个一次性耗材和设备的生产加工基地，为客户提供高质量的定制化生物工艺解决方案。率先创建了C+A级洁净厂房，一次性生物反应器装配车间，现有万级以上洁净生产车间面积已超5000㎡，一次性生物制药耗材年产能达120万套；一次性工艺智能设备年产能达2500套。

乐纯生物拥有生物医药一次性工艺相关核心专利技术30余项，产品具有安全、可靠、低成本、环保等多重优势，帮助生物技术及制药企业更好地符合新版 GMP、环保和 EHS 等要求。

【关于BLA】

生物制药国产化推进联合会，英文全称Biopharma Localization Association，缩写BLA。由生物制药研发、生产企业及服务商（含生物制药上下游各细分领域）等共同发起组成，联合会为推动生物制药国产化而生。BLA目标：使BLA成为中国生物制药企业信赖的组织。BLA，for Biopharma，for China.

入会咨询：杨老师，13788930955（微信注明：BLA）
邮箱：blachina2021@163.com

燕七1

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