深层过滤常见的状况及其根本原因

任何细胞培养纯化操作只要选择了适宜的深层过滤器就可以显着提高生产率。然而，如果在早期未能优化过滤，就会出现诸多问题，例如产品回收率低、过早堵塞、DNA和宿主细胞蛋白（HCP）过多、以及缺少可量测性，这些会导致下游产生严重的问题。优化深层过滤器的性能需要清楚地了解特定流体的特征以及批次之间的差异。本文将主要讨论优化选择的基本要求。 

深层过滤器利用具有一定厚度的特定介质（就像海绵），去除颗粒、亚微颗粒、胶质物以及可溶的物质，从而地去除污染物。流体必须通过弯曲的路径才能到达另一侧。图1显示了深层过滤器介质中流体的流动。

逻辑上可以假设认为，粒径大于过滤器孔径的污染物质可以很容易地通过机械过滤去除。这种机制也称为筛选、滤除或尺寸排阻。 

不过，DNA或HCP之类的污染物的去除并非如此直观。深层过滤器的另一种纯化机制是吸附，也就是借助电动力学或表面亲和性吸附污染物。电荷修饰的深层过滤器介质中表现出的电动力学效果，可以去除亚微颗粒、胶质物以及溶解的污染物。深层介质的设计和制造中运用了各种孔隙结构和表面修饰。两种过滤器在大颗粒的机械去除方面效果一致，但是电荷修饰的过滤器可以更为有效地通过吸附去除亚微颗粒。孔隙的表面化学在污染物的去除过程中同样发挥了重要的作用。要发挥去除机制，需要选择孔隙表面能小于污染物表面能的过滤器。这样，污染物在降低表面能的驱动之下，将结合至深层过滤器的孔隙表面，从而得以从液体流中去除。 

选择的深层过滤器，必须深入了解现有的商业化过滤器介质。现有的深层过滤器介质种类繁多，至少包括： 

* 用于去除负电荷物质的正电荷修饰介质 

* 具有特殊吸附特性的碳填充介质 

* 用于去除脂质的高硅氧介质 

* 热原敏感应用中使用的低热原性介质 

深层过滤器的评估不具实际意义，因为没有一种标准的污染物可以用于评估所有的过滤器，并应对细胞培养介质组成的复杂性。因此，每一项应用必须测试几种过滤器。 

过滤器优化的主要目标是让过滤器的性能得到大化。在这方面，双层产品在一个过滤器中具备了梯度的孔径结构。较大孔径的过滤器置于上游，其后是较细孔径的过滤器。较大的污染物被上游的过滤层所截留，而较小的颗粒则由下游的过滤层去除。因此尺寸分布较广的污染物通过一个步骤就可以去除。 

设计过滤的顺序，*步是判断需要去除或减少的物质，以及不需要去除的物质。对工艺及/或产品进行小规模的测试是非常重要的。在哺乳动物细胞培养的许多案例中，需要对各种电荷修饰的深度介质的孔径进行测试。为了检测过滤器的有效性，在过滤之前需要记录一些数据，例如总细胞密度、活力、浊度、滴度。在优化过程中，需要监控每一个过滤器的压差、滤液的重量/体积、滤液的浊度，直至达到终的压差。需要记录合并滤液的浊度、滴度、DNA浓度以及HCP浓度，并进行产品质量分析，从而决定的过滤方案。 

对总细胞密度、活力以及浊度进行审核是了解批次间差异的快速方法。过滤前和过滤后的滴度数据可以显示是否有产品留在过滤器中。每一批滤液的浊度可以作为滤液质量和深层过滤器有效性的指标，并且应当进行定性比较，尤其是下游使用了灭菌膜滤器的时候。 

如果滤液符合要求，那么随后的步骤就是根据确定过滤序列的规模。通过分析压降以及重量/体积数据，计算出通量并确定系统的规模。 

通量用一个标准化的值来表示，单位为体积/每个单位面积，通常记录为升/平方米（L/m2）。过滤器的通量值可以用于判断一定规模的过滤操作所需的过滤器的面积大小。 

例如，有1升液体需要使用25平方厘米的过滤器进行过滤。实验完成之后，记录为终压降达到时过滤了0.85升（L）。 

随后可以用该数据计算150升的批次所需的过滤表面，方法是用0.85L除以25cm2，得到0.034 L/cm2或340 L/m2。接下来，用目标批次的体积150L除以通量值340 L/m2，得到所需的过滤器面积为0.44m2。 

过滤器的通量值取决于特定的流速，以及所测试的深层过滤器的级别/孔径。如果在小规模测试中记录的流速是7ml/min，则150L的批次可以使用流速进行计算。方法是用流速7ml/min除以过滤器的面积25cm2，得到0.28 ml/cm2/min 或 168 LMH，这个单位就是经常使用的“升每平方米每小时”。这个值可以用于计算任何规模的过滤操作的流速，方法是用过滤面积0.44m2乘以168 LMH（74.1 L/hr = 1.2 L/min）。需要注意的是，并不会总是得到所需面积0.44m2这个确切的值。应当重复计算可能的过滤器面积。深层过滤器使用模块进行设计，通常推荐进行随后的评估。 

这会使得过滤器面积过大，或需要使用安全系数，这是考虑到了潜在的工艺和批次间的差异。 

虽然每一种产品或工艺都是*的，不过一般而言下述说明是正确的： 

* 过滤器单位面积内采用较低的流速，则过滤器性能更高（L/m2）。 

* 孔径较小并且电荷较高的介质可以更有效地去除DNA和HCP。 

* 细胞形态学、总细胞密度以及收获物的活力对过滤器的性能都会产生影响。 

* 如果使用带正电荷的深层过滤器介质，产品的等电点（pI）应当高于pH值，以获得高的产品回收量。 

* 滞留体积、可量测性、工效学以及易用性等因素会随特定的供应商而产生变动，确定过滤工艺时也应当加以考虑。 

针对一种产品设定过滤工艺时需要考虑众多的因素——滴度、浊度、DNA/HCP以及过滤器性能。通过完成中、小规模的测试，并更加深入了解深层过滤的性能，则可以获得稳定可靠的工艺，这样的工艺中产品质量稳定，放大后具有可靠的结果，并且缩短了工艺周期时间。 

有时候在放大过程中会出现问题，对于这样的情况有相对简单地解决方案。以下是一些例子： 

案例1：初次实验的成品收率为98%，但是现在却仅为接近90%。过滤介质完全一致，流速一致，产品/工艺也一致。这样的差异如何解释呢？ 

可能的解决方案：可能存在许多不同的根本原因，但是，很有可能与过滤器的预冲洗和后冲洗有关。基本上，产品可能没有损失，只是被冲洗过滤器的缓冲液稀释了。可以进行质量平衡实验，验证是否属于此类状况。 

案例2：在包括了两个阶段的过滤操作中，终点压降看起来比预期到得要早。 

可能的解决方案：两个过滤器的上游都是用压力计，显示系统的压降，第二个过滤器上游的压力计将显示此过滤器的压降，可以从系统压降中减去第二个过滤器的压降得出*个过滤器的压降。有可能记录的是系统的压降，而不是*个过滤器的压降。需要注意的是，每一家供应商对大系统压降以及单个过滤器的压降都规定有具体的参数。 

案例3：计算过滤器的预清洗液数值时，这个值是供应商规定值的100倍。 

可能的解决方案：单位换算时可能存在错误。虽然1米等于100厘米，但是1平方米等于10,000平方厘米。关键在于检查计算过程和单位换算，从而确保结果的准确性。