引言
膜分离是现代生物技术领域的核心技术之一，可广泛应用于澄清、浓缩、缓冲液置换、纯化和除菌等工艺环节，在生物加工过程中发挥着极其关键的作用。膜过滤器种类丰富，有深层过滤、超滤、纳滤、反渗透和微滤等多种形式。由于其操作简便且能够有效兼容料液和操作参数的波动，相较于其他分离技术，成本优势更显著[1, 2]。目前，膜分离技术在生物技术领域的标准化应用越来越多，比如除菌过滤是培养基、纯化缓冲液和蛋白质类产品的标准工艺；以微滤为基础的灌流体系被广泛应用于培养过程培养基交换或产物的收获；而超滤则几乎贯穿于更多的生物加工的全工艺流程。
超滤（Ultrafiltration，UF）是一种典型的压力驱动型膜分离技术，其利用液体输送过程产生的压力差作为驱动力，使小分子溶质和溶剂透过特定孔径的膜材料，同时截留大分子溶质或颗粒，实现目标产物的分离或纯化，属于切向流过滤技术的分支。该技术在生物技术领域主要应用于三个方向：发酵液（培养液）的澄清（固液分离）、生物制品的精制（如浓缩、脱盐等）以及蛋白质和核酸类（如质粒DNA、RNA)的分离纯化。
切向流过滤技术及其发展历程
随着制药行业研发与应用规模的不断增长，膜分离技术在药物生产工艺中的应用日益广泛。尽管切向流过滤（Tangential Flow Filtration，TFF）在制药行业并非新技术——过去二十年间已成功应用于制药废水处理和重组药物制造[3]，随着现代医药的发展，其高效分离方面的优势不断被发掘，正在对分离纯化领域带来新的变化。在生物制药领域，TFF不仅显著降低了过滤器堵塞风险，还可在原有流道长度基础上，通过增加（中空纤维）纤维束的表面积来实现工艺的灵活线性放大。此外，TFF在浓缩、小分子去除、溶剂交换等操作中表现出色，并可与上下游连续单元操作良好集成，进而优化工艺流程、提高过程控制水平和产品收率[4]。
TFF技术的发展可追溯至20世纪70年代，zui初主要应用于实验室规模的分离纯化实验。早期的TFF系统多采用平板膜和卷式膜，但由于通量和寿命的限制，工业应用受到了一定的制约。但同时，这些早期研究也为TFF技术的后续发展奠定了重要基础。
20世纪80年代中期，中空纤维膜技术的突破性发展为TFF系统带来了革命性进展。中空纤维膜凭借其高通量和长使用寿命的优势，成功推动了TFF技术在工业领域的应用。此后，膜材料在孔径设计、材料选择和表面改性等方面持续优化，使得中空纤维膜在处理大规模培养产物时展现出了卓越性能[5]。
20世纪90年代开始，随着重组蛋白和单克隆抗体工艺的建立，TFF系统凭借其高效、经济的特点迅速成为该流域主流的分离纯化手段之一。这一时期，TFF系统在抗体、蛋白质、酶的纯化中广泛应用的同时，在细胞培养液澄清、发酵液预处理等方面同样发挥了重要的作用。Wang和Langer在2001年的研究中深入探讨了TFF技术在单克隆抗体生产中的应用，显示其在提升产品收率和纯度方面具有显著的优势[6]。
进入21世纪，TFF技术的应用领域持续扩展，不仅在生物制药领域保持ling先地位，还在食品工业、水处理和环境保护等领域展现出了巨大的潜力，特别是在环保和绿色生产要求日益严格的背景下，TFF技术的节能环保特性备受关注。Pérez-Fernández和Araújo在2017年的综述中详细阐述了TFF技术在食品工业中的应用，强调了其在乳制品、果汁和葡萄酒加工中的重要性[7]。
TFF技术的基本原理
TFF技术的核心原理是利用压力差作为驱动力，使小分子溶质和溶剂通过膜孔，同时截留大分子溶质，从而实现分离纯化的目的。与传统的直流过滤技术相比，TFF采用切向流模式，可有效减少膜表面污染物的积累，降低膜堵塞的风险。其主要特点包括：
1. 高效分离：在较低操作压力下实现高效分离，特别适用于活性生物大分子。
2. 抗污染性强：切向流设计可减少物料在膜表面的停留时间与堆积，延长膜的使用寿命。
3. 易于放大：通过调整中空纤维膜柱内纤维束的填充数量，增加膜表面积实现工艺规模的灵活放大。
4. 兼容性好：能够与其他上游或下游操作单元适配良好。
TFF技术的应用
1.生物制药领域
TFF技术在生物制药领域具有广泛应用，涵盖蛋白纯化、疫苗制备、抗体-药物偶联物（ADC）制备以及mRNA等核酸药物生产工艺等诸多方面。
（1）蛋白质纯化与浓缩：TFF技术可广泛应用于发酵液（培养液）中蛋白质的分离与纯化，可有效去除小分子杂质和颗粒，同时保持目标蛋白质的活性。在单克隆抗体生产中，TFF技术的应用显著提升了产品的收率和纯度。
（2）疫苗制备：TFF技术在疫苗生产中可用于病毒（载体）和细菌的分离、浓缩和纯化，有效提高疫苗的纯度和免疫效果。
（3）抗体-药物偶联物（ADC）制备：TFF技术在ADC药物制备中可用于抗体浓缩、脱盐、产物纯化及缓冲液置换。研究表明，TFF技术可实现ADC药物大于90%的高回收率。
（4）mRNA药物生产：在mRNA药物制备中，TFF技术可用于去除DNA片段、NTPs等杂质，以及缓冲液的置换。此外，其还应用于mRNA-LNP复合物的浓缩和洗滤。
（5）外泌体分离：TFF技术在外泌体分离中展现出了良好的应用前景，可实现外泌体的高效、无损分离。东南大学刘松琴教授团队开发的基于双切向流（DTFF）的微流控装置，可高效分离直径在30-200 nm范围内的外泌体[8]。该技术既提高了外泌体的分离效率，又有效保持了外泌体的完整性和生物学活性。
2.食品工业领域
TFF技术在食品工业中可应用于乳制品、果汁和葡萄酒等的浓缩和净化。例如，在牛奶加工中可利用陶瓷膜进行牛奶浓缩和脱脂，提升产品的质量和稳定性。
3.环境保护领域
TFF技术在水处理和环境保护领域同样具有重要的应用，特别是其在海水淡化和工业废水回收利用方面具有显著优势，可用于污水中微生物或有机物质的去除和分离。
TFF技术的市场现状与发展趋势
市场现状
Research Nester的市场分析认为，生物制药行业的持续扩张将进一步推动TFF需求的快速增长，预测全球TFF市场规模预计在2035年将突破150亿美元，2023-2035年间的复合年增长率（CAGR）达16.20%。当前，膜过滤技术的创新活跃，尤其是聚醚砜和再生纤维素等先进材料的开发，正在给市场带来新的机遇。随着市场的扩大，预计会有更多的公司加入该行业。
市场细分
产品：TFF主要有操作系统（硬件+软件）、膜过滤器和配件组成。其中，膜过滤器是流体过滤的核心，其在提高产品质量和降低药品生产成本中发挥着关键作用，占据zui大的市场份额。
材料：市场主流材质有聚醚砜（PES）类、聚偏二氟乙烯（PVDF）和再生纤维素（RC）。PES因其经济性、多功能性和化学兼容性优良成为主流选择，其低吸附性特别适用于蛋白质等分子的分离纯化。
应用：按应用领域划分，细分市场主要为重组蛋白与抗体、病毒及载体和疫苗等。其中，重组蛋白与抗体领域预计将占据zui大市场份额，包括治疗性重组蛋白、单抗、多抗及ADC等生物制品的生产。
技术：与微滤相比，超滤在生物工艺全流程中的应用点更多。预计到2035年底，超滤领域占比将达到38%，在制药行业的水溶液分离中发挥重要作用。
行业趋势
根据当前的行业趋势和进步，TFF 市场预计在未来几年将继续其增长趋势。以下是一些值得关注的行业趋势：
细胞和基因疗法（CGT）的增长：随着细胞和基因疗法在多种疾病治疗领域中的成功应用，利用TFF进行细胞收获、蛋白质和病毒（载体）纯化的需求也呈上升趋势。
生物药市场的扩张：生物技术药物市场的持续扩张，会不断推动TFF技术在生物制药上、下游工艺中的广泛应用。
一次性使用技术的增长：“single-use” TFF系统因其能够显著降低交叉污染风险和操作成本，受到生物制药行业的青睐。未来，TFF系统的发展将侧重于材料科学的创新和智能化生产技术的融合。
环保需求的推动：在环保与绿色制造的全球背景下，具有节能环保的特点的TFF技术会受到更多关注。
结论
膜分离技术，特别是超滤（UF）在生物技术领域具有广阔的应用前景。随着技术进步和市场需求的不断增长，TFF技术凭借其高效、经济的特点将在未来生物制造工艺中继续发挥着重要作用，为生物制药、食品加工和环境保护等细分领域带来更多的创新机遇。未来，围绕膜材料性能提升、工艺流程优化和生产成本控制有很多值得探索工作，以满足日益增长的市场需求。
References:
[1]. Robert Van Reis And Andrew Zydney, Membrane separations in biotechnology. 2001.
[2]. Recent Developments in Membranes-Based Separations in Biotechnology Processes: Review. 2011, Marcel Dekker: New York, NY.
[3]. Doll, T.E. and F.H. Frimmel, Cross-flow microfiltration with periodical back-washing for photocatalytic degradation of pharmaceutical and diagnostic residues–evaluation of the long-term stability of the photocatalytic activity of TiO2. Water Research, 2005. 39(5): p. 847-854.
[4]. Agrawal, P., et al., A Review of Tangential Flow Filtration: Process Development and Applications in the Pharmaceutical Industry. Organic Process Research & Development, 2023. 27(4): p. 571-591.
[5]. Araujo, A. and Pennings, A.J., 1990. Hollow fiber membranes for large-scale bioprocessing. Biotechnology and Bioengineering, 36(1), pp.77-85.
[6]. Wang, W. and Langer, R., 2001. Application of tangential flow filtration in monoclonal antibody production. Journal of Membrane Science, 184(1), pp.1-12.
[7]. Pérez-Fernández, R. and Araújo, A., 2017. Applications of tangential flow filtration in the food industry: A review. Food and Bioprocess Technology, 10(1), pp.1-12.
[8]. Hua X, Zhu Q, Liu Y, Zhou S, Huang P, Li Q, Liu S. A double tangential flow filtration-based microfluidic device for highly efficient separation and enrichment of exosomes. Anal Chim Acta. 2023