切向流过滤系统与方法
阅读说明：本技术 切向流过滤系统与方法 (Tangential flow filtration system and method ) 是由 皮健 蒋俊俊 于 2020-04-29 设计创作，主要内容包括：本申请公开了切向流过滤系统与方法。该系统包括切向流过滤装置、与所述切向流过滤装置的进口流体相通的进口泵,和与所述切向流过滤装置的回流口流体相通的回流控制装置。(Tangential flow filtration systems and methods are disclosed. The system includes a tangential flow filtration device, an inlet pump in fluid communication with an inlet of the tangential flow filtration device, and a reflux control device in fluid communication with a reflux inlet of the tangential flow filtration device.)
技术领域
本申请涉及切向流过滤系统与方法。本申请的系统与方法稳健、易于操作和放大、可得到稳定的体积浓缩倍数。
背景技术
切向流过滤是依据分子量、分子尺寸以及其他特性分离目标产物的膜分离过程。传统切向流过滤在发酵液浓缩过程中使发酵液通过回流口循环至进口的储液罐中，透过端不断滤出不含目标蛋白的发酵液来达到设定的体积浓缩倍数，工艺要求增加跨膜压力(TMP)来提高浓缩效率。然而，泵体和膜表面的剪切力对目标产物长时间的作用影响其稳定性。为此，单程切向流过滤(Single pass tangential flow filtration，SP-TFF)通过延长通道长度增加发酵液与膜的保留时间，在相对较低的跨膜压力下，实现设定的体积浓缩倍数。相比于传统切向流过滤系统，单程切向流过滤系统能够适用于连续流工艺，降低放大生产上的储液罐规模，减少循环体系对蛋白稳定性的影响。
然而，单程切向流过滤仍然存在问题，例如，基于Millipore SP-TFF装置，在单程切向流过滤浓缩发酵液的过程中，跨膜压力的上升表现在进口压力和回流口压力均在上升，对于压力控制而言，回流口压力的上升将导致体积浓缩倍数随着压力的上升而下降。为了保持跨膜压力和体积浓缩倍数稳定，肖喆(中空纤维超滤膜系统切向流与过膜压力控制的研究，广东化工，2011年，第8期，第38卷，总第220期)提出在回流口、透过端分别安装一个压力传感器，通过计算得到系统的跨膜压力，并在回流口安装气动调节阀，通过调节回流口调节阀的开度来得到需要的跨膜压力值。但是，若采用调节阀或限流阀控制调节回流口压力以维持稳定体积浓缩倍数，整个工艺过程中需不断进行调节和监控，操作较为复杂，导致体积浓缩倍数不稳定，不利于放大生产，也不利于对工艺参数进行优化。在发酵液浓缩过程中，随着上样量的不断提高，发酵液中复杂成分会在膜表面形成吸附层，从而降低系统在单位压力下的通量，进而影响体积浓缩倍数的稳定。
另外，进行切向流过滤之前都需要进行水通量测试。对于多级超滤膜包而言，现有技术会通过改变流路(串联改成并联)，或者将每一级膜拆分，分开检测每一级膜的水通量。这样的水通量测试操作繁琐，效率较低。
显然，本领域仍需要一种稳健、易于操作和放大、可得到稳定跨膜压力和体积浓缩倍数的切向流过滤系统与方法。同时，本领域仍需要一种对于大规模切向流过滤生产来说高效/便捷的水通量测试方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请的一个方面提供一种切向流过滤系统，包括切向流过滤装置、与所述切向流过滤装置的进口流体相通的进口泵，和与所述切向流过滤装置的回流口流体相通的回流控制装置。
在本申请的一个实施方式中，所述回流控制装置包括回流泵和/或回流端阀。在本申请的一个实施方式中，所述回流控制装置包括回流泵和回流端阀，所述回流泵和所述回流端阀是并联的或可相互切换的。在本申请的一个实施方式中，所述回流控制装置包括回流泵或回流端阀，回流泵与回流端阀是可相互替换的。在本申请的一个实施方式中，回流泵与回流端阀的相互切换是通过调整管路连通状态。在本申请的一个实施方式中，回流泵与回流端阀是并联的，并通过打开、调节或关闭回流泵和/或回流端阀的功能来控制液体流动。本申请的一个实施方式中，回流泵与回流端阀的相互替换是物理替换，例如，包括拆卸和安装。在本申请的一个实施方式中，切向流过滤系统还包括与所述进口泵流体相通的储液装置和与所述回流控制装置流体相通的收集装置。在本申请的一个实施方式中，储液装置是储液瓶或储液罐。在本申请的一个实施方式中，收集装置是收集瓶或收集罐。在本申请的一个实施方式中，储液装置装有选自以下的液体：样品和缓冲液。在本申请的一个实施方式中，样品是灌流培养样品。在本申请的一个实施方式中，样品是蛋白质溶液。在本申请的一个实施方式中，蛋白质是抗体。在本申请的一个实施方式中，抗体是单克隆抗体。在本申请的一个实施方式中，样品是发酵液上清。在本申请的另一个实施方式中，发酵液上清选自动物细胞发酵液上清、植物细胞发酵液上清或微生物细胞发酵液上清。在本申请的另一个实施方式中，发酵液上清是中国仓鼠卵巢细胞或小鼠骨髓瘤细胞的发酵液上清。在本申请的另一个实施方式中，发酵液上清是整合了外源基因的中国仓鼠卵巢细胞或小鼠骨髓瘤细胞的发酵液上清。在本申请的另一个实施方式中，发酵液上清选自：经分批补料培养后进过澄清工艺处理后的细胞培养上清液，或者经灌注培养后的细胞培养液滤出液。在本申请的一个实施方式中，缓冲液选自平衡缓冲液、再生缓冲液、润洗缓冲液、消毒缓冲液或保存液。
在本申请的一个实施方式中，切向流过滤装置是单程切向流过滤装置。在本申请的一个实施方式中，切向流过滤装置包括一级或多级超滤膜包。在本申请的一个实施方式中，切向流过滤装置包括串联的多级超滤膜包。在本申请的一个实施方式中，切向流过滤装置包括串联的三级超滤膜包。在本申请的一个实施方式中，三级超滤膜包的膜配比是1∶1∶1。在本申请的一个实施方式中，进口泵和回流泵独立地选自隔膜泵或蠕动泵。在本申请的另一个实施方式中，进口泵是隔膜泵并且回流泵是蠕动泵。在本申请的一个实施方式中，回流端阀是调节阀。在本申请的一个实施方式中，回流端阀是压力阀。
本申请的另一个方面提供一种确定切向流过滤参数的方法，包括：a)确定第一级膜跨膜压力上限；b)构建切向流过滤系统，包括切向流过滤装置、与所述切向流过滤装置的进口流体相通的进口泵，和与所述切向流过滤装置的回流口流体相通的回流控制装置；c)确定进口通量上限；和d)确定体积浓缩倍数上限。
在本申请的一个实施方式中，确定第一级膜跨膜压力上限基于系统稳定状态。在本申请的一个实施方式中，系统稳定状态是避免膜表面形成严重的极化从而导致透过通量变化的情况。在本申请的一个实施方式中，确定第一级膜跨膜压力上限包括确定在第一级膜产生极化前可达到的最大第一级膜跨膜压力。在本申请的一个实施方式中，第一级膜跨膜压力上限随着切向流过滤装置以及所处理样品的差异而变化。在本申请的一个实施方式中，第一级膜跨膜压力上限是12psi。在本申请的一个实施方式中，确定第一级膜跨膜压力上限还包括构建包括切向流过滤装置的切向流过滤系统，所述切向流过滤装置包括第一级膜。在本申请的一个实施方式中，步骤a)中的第一级膜与步骤b)中切向流过滤装置的第一级膜相同。在本申请的一个实施方式中，该切向流过滤系统还包括与所述切向流过滤装置的进口流体相通的进口泵，和与所述切向流过滤装置的回流口流体相通的回流控制装置。在本申请的一个实施方式中，该回流控制装置包括回流端阀。
在本申请的一个实施方式中，确定进口通量上限基于实际系统载量和第一级膜跨膜压力上限。在本申请的一个实施方式中，确定进口通量上限是基于维持系统稳定状态确定的最大进口通量。在本申请的一个实施方式中，确定进口通量上限包括确定在固定体积浓缩倍数下，在不超过第一级膜跨膜压力上限下，实现实际系统载量的最大进口通量。
在本申请的一个实施方式中，确定体积浓缩倍数上限基于实际系统载量和第一级膜跨膜压力上限。在本申请的一个实施方式中，确定体积浓缩倍数上限是基于维持系统稳定状态确定的最大体积浓缩倍数。在本申请的一个实施方式中，确定体积浓缩倍数上限包括确定在固定进口通量下，在不超过第一级膜跨膜压力上限下，实现实际系统载量的最大体积浓缩倍数。在本申请的一个实施方式中，还包括确定体积浓缩倍数下限。在本申请的一个实施方式中，确定体积浓缩倍数下限基于大规模生产需求。在本申请的一个实施方式中，确定体积浓缩倍数下限基于大规模生产所需要的浓缩倍数。
在本申请的一个实施方式中，还包括确定系统载量上限。在本申请的一个实施方式中，确定系统载量上限基于第一级膜跨膜压力上限。
在本申请的一个实施方式中，还包括进行系统水通量测试。在本申请的一个实施方式中，系统水通量测试在步骤a)和/或步骤c)之前。在本申请的一个实施方式中，系统水通量测试包括测定切向流过滤装置的系统水通量并与参考系统水通量比较。在本申请的一个实施方式中，参考系统水通量是切向流过滤装置的初始系统水通量或前次使用中测定的系统水通量。在本申请的一个实施方式中，在参考系统水通量是初始系统水通量的情况下，系统水通量与参考系统水通量相比降低不超过20％。在本申请的一个实施方式中，在参考系统水通量是前次使用中测定的系统水通量的情况下，系统水通量与参考系统水通量相比降低不超过10％。
本申请的又一个方面提供一种进行切向流过滤的方法，包括：a)构建切向流过滤系统，包括切向流过滤装置、与所述切向流过滤装置的进口流体相通的进口泵，和与所述切向流过滤装置的回流口流体相通的回流控制装置；b)设定参数；和c)运行所述系统。
在本申请的一个实施方式中，还包括进行系统水通量测试。在本申请的一个实施方式中，系统水通量测试在步骤b)或步骤c)之前。
在本申请的一个实施方式中，参数包括实际系统载量、第一级膜跨膜压力上限、进口通量和体积浓缩倍数。
本申请的又一个方面提供一种系统水通量测试方法，包括：a)构建包括切向流过滤装置的切向流过滤系统，所述切向流过滤装置包括多级超滤膜包；b)加入水并运行该切向流过滤系统；c)调整进口压力和出口压力；和d)确定系统水通量。
在本申请的一个实施方式中，多级超滤膜包是串联的多级超滤膜包。在本申请的一个实施方式中，多级超滤膜包是串联的三级超滤膜包。在本申请的一个实施方式中，三级超滤膜包的膜配比是1∶1∶1。
在本申请的一个实施方式中，所述切向流过滤系统还包括与所述切向流过滤装置的进口流体相通的进口泵，和与所述切向流过滤装置的回流口流体相通的回流端阀。
在本申请的另一个实施方式中，所述切向流过滤系统包括切向流过滤装置、与所述切向流过滤装置的进口流体相通的进口泵，和与所述切向流过滤装置的回流口流体相通的回流控制装置。在本申请的一个实施方式中，进行系统水通量测试时，该回流控制装置包括回流端阀和任选的回流泵，其中通过进口泵调整进口压力，并通过回流端阀调整出口压力。
在本申请的一个实施方式中，调整进口压力和出口压力以确定系统跨膜压力。在本申请的一个实施方式中，系统跨膜压力不小于0.5bar。在本申请的一个实施方式中，系统跨膜压力为0.5-1.0bar。在本申请的一个实施方式中，系统跨膜压力约为0.8bar。
与现有技术相比，本申请的切向流过滤系统与方法易于操作和放大，能够精确控制切向流过滤系统的参数，可实现稳定的跨膜压力和体积浓缩倍数。并且，本申请的系统水通量测试方法能够高效/便捷地获得数据结果。
附图说明
下面结合附图更详细地说明本申请，附图中：
图1a是本申请的切向流过滤系统的一个实施方式的示意图。其中，显示了储液瓶、进口泵、单程切向流过滤装置、回流泵、回流端阀、收集瓶和连接以上元件的管路，所述管路中包括压力表。
图lb是本申请的单程切向流过滤装置的一个实施方式的示意图。其中，显示了第一级膜、第二级膜、第三级膜和连接以上元件的管路，所述管路中包括压力表。
图2a是回流口阀控制模式下TMP及体积浓缩倍数随上样量的变化趋势。
图2b是回流口阀控制模式下SP-TFF系统压力变化趋势。
图3a是双泵控制体系下TMP及体积浓缩倍数随上样载的变化趋势。
图3b是双泵控制体系下SP-TFF系统压力变化趋势。
图4是水通量随系统TMP的变化情况。
图5是在不同的进口通量下模拟第一级膜Qp与TMP的变化关系。
图6是在不同的进口通量下模拟第三级膜Qp与TMP的变化关系。
图7a是压力随时间的变化情况。
图7b是透过端和出口流速的变化情况。
图7c是体积浓缩倍数与各级膜和系统跨膜压力的变化情况。
图8是4-倍的体积浓缩倍数系统TMP随载量的变化趋势。
图9是6-倍的体积浓缩倍数系统TMP随载量的变化趋势。
图10是8-倍的体积浓缩倍数系统TMP随载量的变化趋势。
图11是在36LMH进口通量下系统TMP随载量的变化趋势。
图12是在33LMH进口通量下系统TMP随载量的变化趋势。
图13是在30LMH进口通量下系统TMP随载量的变化趋势。
具体实施方式
定义
本申请中，“单程切向流过滤(SP-TFF)”是指过液体一次通过而非循环通过切向流过滤装置的切向流过滤技术。“单程切向流过滤装置”是指用于单程切向流过滤的装置，其型号的选择属于本领域技术人员的常规技能。
本申请中，“系统跨膜压力”等于进口压力与出口压力之和除以2减去各级透过端压力之和。
本申请中，“第一级膜跨膜压力”等于进口压力与回流口1压力之和除以2减去透过端1压力。
本申请中，“第二级膜跨膜压力”等于回流口1压力与回流口2压力之和除以2减去透过端2压力。
本申请中，“第三级膜跨膜压力”等于回流口2压力与出口压力之和除以2减去透过端3压力。
本申请中，“膜面积”指膜包中各级膜的总面积之和。
本申请中，“膜配比”指多级膜系统中各级膜的面积之比。
本申请中，“进口通量”等于通过进口的液体流速除以膜面积，其单位为LMH(L/h*m2)。
本申请中，最后一级膜的回流口也称为“出口”。“出口通量”等于通过出口的液体总体积除以膜面积再除以通过时间，其单位为LMH(L/h*m2)。
本申请中，“透过端通量(Qp)”等于通过透过端的液体流速除以该透过端对应膜的膜面积，其单位为LMH(L/h*m2)
本申请中，“系统水通量(NWP)”是指在单位时间内，单位膜面积上，单位压力下通过各级膜的水体积，其单位为L/h*m2*psi。
本申请中，“体积浓缩倍数(VCF)”是指在浓缩操作中体积减少的倍数，等于进口通量除以出口通量。
本申请中，“系统稳定状态”是指系统各级膜的压力及相应流速分布处于稳定状态，即各级膜的压力和流速无明显增加和减少。
本申请中，“系统载量”是指切向流过滤系统的处理能力，以单位膜面积处理的液体体积表示(L/m2)。
本申请中，“实际系统载量”等于待过滤处理的样品体积除以膜面积。
运行实施方式之一中，如图1a所示，切向流过滤系统采用单程切向流过滤装置。运行中，来自储液瓶的液体通过管路进入进口泵，经进口泵泵送通过管路由进口进入单程切向流过滤装置，透过液经由透过端离开单程切向流过滤装置并且截留液经由回流口离开单程切向流过滤装置，然后，当打开回流泵泵送功能并关闭回流端阀使液体无法通过回流端阀时，截留液通过管路进入回流泵，最后截留液经回流泵泵送通过管路进入收集瓶，当打开回流端阀调压功能并关闭回流泵使液体无法通过回流泵时，截留液通过管路进入回流端阀，最后截留液经回流端阀通过管路进入收集瓶。
运行实施方式之一中，如图1b所示，切向流过滤系统采用单程切向流过滤装置，其包括串联的三级超滤膜包，运行中，液体通过管路进入第一级膜的进口，透过液经由透过端1离开第一级膜并且截留液经由回流口1离开第一级膜并通过管路进入第二级膜的进口，透过液经由透过端2离开第二级膜并且截留液经由回流口2离开第二级膜并通过管路进入第三级膜的进口，透过液经由透过端3离开第三级膜并且截留液经由出口离开第三级膜。
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整的表述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本申请保护的范围。
实施例1
系统水通量(NWP)
为了更快获得三级膜串联系统的水通量数据，采用三级膜串联系统整体测试水通量的方法，即控制进口泵以及回流端阀的方式使其达到不同的系统跨膜压力，监控在不同系统跨膜压力条件下，系统水通量的稳健性。
构建单程切向流过滤系统，其中采用Millipore SP-TFF系统(Pellicon3Cassette P3C030C00，Ultracel 30kDa，C流道，膜配比1∶1∶1)作为单程切向流过滤装置，在该装置的进口设置进口泵(隔膜泵，QF150S(Quattro))，在其出口设置回流端阀，用管路依次将储液瓶、进口泵、单程切向流过滤装置、回流端阀和收集瓶连接起来，在进口与各级膜的回流口和透过端设置压力表。
由进口泵泵入去离子水，通过进口泵调整进口压力为0.6bar，通过回流端阀调整出口压力至0bar，使得系统跨膜压力为0.3bar，运行5分钟，待各膜压力和水温稳定后记录透过端流速、出口流速、进口压力、出口压力、透过端压力以及水温。并用下列公式计算NWP：
其中，P＝透过端流速；K＝温度校正系数；Pin＝进口压力；Pout＝出口压力；Pp＝透过端压力；和A＝膜面积。
NWP温度校正系数K
T(°F)
T(℃)
K
T(°F）
T(℃)
K
T(°F)
T(℃)
K
125.6
52
0.595
96.8
36
0.793
68.0
20
1.125
123.8
51
0.605
95.0
35
0.808
66.2
19
1.152
122.0
50
0.615
93.2
34
0.852
64.4
18
1.181
120.2
49
0.625
91.4
33
0.842
62.2
17
1.212
118.4
48
0.636
89.6
32
0.859
60.8
16
1.243
116.6
47
0.647
87.8
31
0.877
59.0
15
1.276
114.8
46
0.658
86.0
30
0.896
57.2
14
1.310
113.0
45
0.670
84.2
29
0.915
55.4
13
1.346
111.2
44
0.682
82.4
28
0.935
53.6
12
1.383
109.4
43
0.694
80.6
27
0.956
51.8
11
1.422
107.6
42
0.707
78.8
26
0.978
50.0
10
1.463
105.8
41
0.720
77.0
25
1.000
48.2
9
1.506
104.0
40
0.734
75.2
24
1.023
46.4
8
1.551
102.2
39
0.748
73.4
23
1.047
44.6
7
1.598
100.4
38
0.762
71.6
22
1.072
42.8
6
1.648
98.6
37
0.777
69.8
21
1.098
41.0
5
1.699
然后，依次通过回流端阀调整出口压力至2、3、4、5、6psi，再通过进口泵调整进口压力使得系统跨膜压力为0.3bar。如出口流速降至0时出口压力不再提高。每次测量重复两次。
然后，重复上述过程，不同之处在于控制系统跨膜压力依次为0.5bar、0.8bar和1.0bar。
结果如图4所示，系统跨膜压力越高，系统水通量测试结果更加稳定。同时，如果出口压力不做控制即为0，水通量数据相对其他数据偏差较大，接近10％。为了该方法测试系统水通量的稳健性，需要控制出口压力大于0。考虑多次测定10％偏差的可接受范围，系统水通量测试中所采用系统跨膜压力范围为0.5-1.0bar。
目前对于超滤膜包的传统水通量测试方法是对单级膜进行水通量测试，而对多级系统测试水通量需要改变处于三级膜串联模式的系统使其处于三级膜并联模式，再用常规的测试方式检测水通量，或者直接拆解三级串联系统，分级检测水通量。本发明首次采用对整个三级膜串联系统进行水通量测试，而不用改变三级膜的连接模式或者分别对单级膜进行水通量测试，由此可一次完成系统水通量测试，简化水通量测试过程，更快获得水通量的数据。
实施例2
双泵控制策略和回流端阀控制策略效果对比
构建单程切向流过滤系统，其中采用Millipore SP-TFF系统(Pellicon3Cassette P3C030C00，Ultracel 30kDa，C流道，膜配比1∶1∶1)作为单程切向流过滤装置，在该装置的进口设置进口泵(隔膜泵，QF150S(Quattro))，在其出口设置并联的回流泵(蠕动泵，BT100-2J(LongerPump))和回流端阀，用管路依次将储液瓶、进口泵、单程切向流过滤装置、回流泵、回流端阀和收集瓶连接起来，在进口与各级膜的回流口和透过端设置压力表。
(1)回流端阀控制策略
对系统进行消毒，以进口通量100LMH，用0.1M NaOH冲洗20L/m2之后，系统循环60分钟。
如实施例1所述对系统进行系统水通量测试(采用0.8bar的系统跨膜压力)，对系统进行平衡，以进口通量100LMH，使用平衡缓冲液(50mM Tris-HAc，150mM NaCl，pH 7.4)以20L/m2的体积冲洗，检测流出液的pH与电导直至等于平衡缓冲液以确认完成三级超滤膜包的平衡之后，打开回流端阀调压功能并关闭回流泵使液体无法通过回流泵，将样品(小鼠骨髓瘤细胞的发酵液上清，其经灌流培养和澄清工艺处理得到)泵入系统，使系统运行，调整进口泵泵速至预设的进口通量(36LMH)，运行5分钟后，再通过调整回流端阀至预定的出口压力(3psi，根据前期的开发数据显示此时保持3psi的出口压力能使系统达到4倍的体积浓缩倍数)，并随时间记录进口流速、出口流速、进口压力、回流口1压力、回流口2压力、出口压力、透过端1压力、透过端2压力和透过端3压力，计算系统和各级膜的跨膜压力以及体积浓缩倍数，结果分别如图2a和2b所示。
(2)双泵控制策略
在如(1)中所述完成三级超滤膜包的消毒、测定NWP和平衡之后，打开回流泵泵送功能并关闭回流端阀使液体无法通过回流端阀，将相同样品泵入系统，使系统运行，调整进口泵速至预设的进口通量(36LMH)，运行5分钟后，再通过调整回流泵至预定的出口通量(9LMH)使得体积浓缩倍数达到(4倍)，并随时间记录进口流速、出口流速、进口压力、回流口1压力、回流口2压力、出口压力、透过端1压力、透过端2压力和透过端3压力，计算系统和各级膜的跨膜压力以及体积浓缩倍数，结果分别如图3a和3b所示。
在回流端阀控制策略中，出口压力的控制会导致体积浓缩倍数的剧烈变化，出口压力控制是根据前期的开发数据做的调整。为控制一定的浓缩倍数需要将出口压力控制在一定值左右，但实际上将出口压力如此设置会导致浓缩倍数并非预设情况，而是更高的浓缩倍数，这也是回流端阀控制带来的不确定因素，即开发的数据与实际运行的真实情况存在差异。因此回流端阀控制策略需要根据实际的体积浓缩倍数做相应的调整，而前期的开发数据并不能提供实际生产参考。另外随着压力上升，再试图降低系统压力会导致体积浓缩倍数剧烈变化。回流端阀控制会导致生产控制复杂化，需要时刻根据浓缩倍数的变化调整出口压力。与其相比，双泵控制策略简化了控制策略，不需要时刻根据浓缩倍数的变化调整回流口压力，通过回流泵的设置即可实现对体积浓缩倍数和压力的长期稳定控制。
实施例3
样品为200L发酵液(中国仓鼠卵巢细胞的发酵液上清，该中国仓鼠卵巢细胞整合了外源基因以表达单克隆抗体，其经分批补料培养和澄清工艺处理得到，该发酵液上清中单克隆抗体浓度为0.2mg/mL)，为了实现下游连续生产，获得进口通量和体积浓缩倍数的优化范围以降低发酵液的体积，减少200L下游生产的规模，同时减少下游亲和填料的使用量降低成本。
第一阶段：确定第一级膜跨膜压力上限
在三级超滤膜包系统中，由于第一级膜处理的料液体积最大，第三级膜处理的料液浓度最高，因此本次模拟实验以这两种极端情况作为研究对象，目的是找到避免膜包表面的出现严重的极化现象从而使系统处于稳定状态的第一级膜跨膜压力上限和第三级膜跨膜压力上限。
除了采用单级超滤膜包(P3C030C00，Ultracel 30kDa，C流道)以外，采用与实施例2相同的单程切向流过滤系统。
针对模拟第一级膜优化TMP：绘制TMP-Qp曲线。使用样品来模拟第一级膜包处理的料液。在如实施例2中所述完成系统的消毒、测定NWP和平衡之后，打开回流端阀调压功能并关闭回流泵使液体无法通过回流泵，将样品泵入系统，使系统在当前样品下循环运行，调整进口泵泵速至预设的进口通量(分别为240LMH)，运行5分钟后，再通过调整回流端阀调节回流口压力使得跨膜压力从预设的较低压力至最高压力(从较低到最高依次为3、5、10、15、20和25psi)，并记录在不同跨膜压力下的透过端流速，计算透过端通量。再将进口通量调至下一个预设值(180、120和60LMH)，重复以上步骤。不同进口通量下跨膜压力和透过端通量的结果如图5所示。
针对模拟第三级膜优化TMP：绘制TMP-Qp曲线。使用已浓缩至3倍浓度的样品来模拟第三级膜包处理的料液，采用与模拟第一级膜优化TMP相同的步骤，其结果如图6所示。
在单程切向流过滤系统中，第一级膜和第三级膜的进口通量以及处理的料液的浓缩倍数是不同的，这样会使第三级膜的通量下降。在系统中三级膜TMP相比于第一级和第二级小，但是其处理的料液经过第一级和二级膜的处理，因此，根据系统压力的变化，最先达到的是第一级膜跨膜压力上限，采用第一级膜跨膜压力作为判断膜表面的极化和蛋白的吸附作用的判断标准。
对于第一级膜而言，在各预设的进口通量下，透过端通量初始随着TMP的增加而增加，但当达到一定值以后，即便TMP继续上升，由于膜表面的极化和蛋白的吸附作用增加，透过端通量不再增加。对于第三级膜，也观察到类似的趋势变化。因此，需要控制第一级膜TMP上限，即系统载量终点。如图5和6所示，为降低膜表面的极化和蛋白的吸附作用，将第一级膜跨膜压力上限设为12psi。
第二阶段：确定进口通量上限
为了降低膜包表面的吸附杂质的速度，维持相对较长处理能力，我们优化了膜包的进口通量。通过提高进口通量来提高膜包的处理速度，根据系统维持稳态的时间长短来判断膜表面吸附杂质的情况。
采用与实施例2相同的单程切向流过滤系统，在完成三级超滤膜包的消毒、测定NWP和平衡之后，打开回流泵泵送功能并关闭回流端阀使液体无法通过回流端阀，将样品泵入系统，调整进口泵的泵速至预设的进口压力(从低到高分别为：5、8、10、12、15、18和20psi)，持续运行相同时间间隔(1800s)，并随时间记录进口压力、回流口1压力、回流口2压力、出口压力、进口流速、透过端1流速、透过端2流速、透过端3流速以及出口流速，再通过调节进口泵的泵速使进口压力调节至其他预设的压力值，分别持续运行相同时间间隔并依次记录上述参数，计算进口通量、出口通量和体积浓缩倍数，结果如图7a-c所示。
基于各口压力和流速的变化来判断系统稳定状态，当进口通量提高到使进口压力处于10psi的情况下，此时对应进口通量为36LMH，系统可以在相对长时间内维持各口压力和流速稳定，即处于系统稳定状态。当进口压力达到12psi或更高时，随着时间推移，各口压力和流速不再保持稳定，并且体积浓缩倍数也不再稳定，此时系统处于不稳定状态。这表明当进口压力达到12psi后，系统不再处于系统稳定状态，而系统处于稳定状态会有利于系统处理料液的能力。因此，为了使系统处于系统稳定状态，设定进口压力不大于10psi，相应的进口通量不大于36LMH。
第三阶段：
(1)体积浓缩倍数与系统载量的关系
基于第二阶段的结果，我们首先选定了双泵系统维持相对长时间的进口压力10psi，并且系统终止条件根据第一阶段实验给出，在该实施例中，系统将在第一级膜跨膜压力处于12psi的条件下终止系统处理进程。在该条件下研究了体积浓缩倍数与系统载量的关系。
采用与实施例2相同的单程切向流过滤系统，在完成三级超滤膜包的消毒、测定NWP和平衡之后，打开回流泵泵送功能并关闭回流端阀使液体无法通过回流端阀，将样品泵入系统，调整进口泵的泵速使进口通量保持在36LMH，运行5分钟后，再调整回流泵的泵速使出口通量保持在9LMH(即实现4倍VCF)，持续运行直至样品耗尽或者第一级膜跨膜压力到达12psi，期间记录间隔相同时间记录进口压力、回流口1压力、回流口2压力、出口压力、透过端1流速、透过端2流速、透过端3流速以及出口流速，并计算系统载量、进口通量、出口通量、体积浓缩倍数和各级膜跨膜压力。重复上述实验，每次调整回流泵的泵速使出口通量分别保持在6LMH和4.5LMH(分别实现6倍和8倍VCF)。根据记录数据绘制如图8、9和10所示的体积浓缩倍数与跨膜压变化随系统载量变化的曲线。
如图8、9和10所示，在36LMH的进口通量下，4倍、6倍和8倍VCF可分别实现约150L/m2、约75L/m2和约40L/m2的系统载量。体积浓缩倍数越大，系统载量越低。
(2)进口通量与系统载量的关系
基于(1)的结果，我们首先选定了双泵系统维持相对长时间的6倍VCF，并且系统终止条件根据第一阶段实验给出，在该实施例中，系统将在第一级膜跨膜压力处于12psi的条件下终止系统处理进程。在该条件下研究了进口通量与系统载量的关系。
采用与实施例2相同的单程切向流过滤系统，在完成三级超滤膜包的消毒、测定NWP和平衡之后，打开回流泵泵送功能并关闭回流端阀使液体无法通过回流端阀，将样品泵入系统，调整进口泵的泵速使进口通量保持在36LMH，运行5分钟后，再调整回流泵的泵速使出口通量保持在6LMH(即实现6倍VCF)，持续运行直至样品耗尽或者第一级膜跨膜压力到达12psi，期间记录间隔相同时间记录进口压力、回流口1压力、回流口2压力、出口压力、透过端1流速、透过端2流速、透过端3流速以及出口流速，并计算系统载量、进口通量、出口通量、体积浓缩倍数和各级膜跨膜压力。重复上述实验，每次同时调整进口泵和回流泵的泵速使进口通量和出口通量分别保持在33LMH和5.5LMH(图12)以及30LMH和5LMH(图13)。根据记录数据绘制如图11、12和13所示的体积浓缩倍数与跨膜压变化随系统载量变化的曲线。
如图11、12和13所示，在6倍VCF下，36LMH、33LMH和30LMH可分别实现约75L/m2、约90L/m2和超过100L/m2的系统载量。进口通量越大，系统载量越低。
根据上述实验，最终目的是获得在切向流过滤系统中实现实际系统载量的进口通量和体积浓缩倍数的范围。
以上仅是本申请的具体应用范例，对本申请的保护范围不构成任何限制。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以列举说明。凡采用等同变换或者等效替换而形成的类似此种的技术方案，均落在本申请权利保护范围之内。
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