1.超滤膜

一 般 情 况 下 ，大 多 数 超 滤 膜 包 含 一 个 坚 固 的 支 撑 结 构 (如 T y v e k ® ) ，并 在 这 一 基 础 上附加了一个非常薄的聚合物层。实际上正是这一薄层提供了选择性通透膜所需的性质，并决定了流阻。用于超滤的膜的生产技术在过去几十年里都没有改变。然 而 ，在膜孔径分布、膜形态和膜修饰等的控制技术方面已经有了显著的改善。超 滤 膜 的 3 个主要铸造技术分别是空气铸造、浸渍铸造和融化铸造。它们的区别主要在于去溶剂化的方法和设备上 ( Z e m a n and Z y d n e y , 1996)。目前的膜成分可以适应多种聚合物，这些聚合物可以通过接合、融合、涂敷等方式与超滤膜形成共聚物，从而提高了化学和机械稳定性。纤维
素型聚合物提供许多生物技术应用所需的低蛋白质结合。然 而 ，纤维素型膜在暴露于碱性次氯酸盐清洁液时一般会降解。新型纤维素复合膜 (如 来 自 Mllip0r e 公 司 的 Ultracel®)具有低污染和低蛋白质结合的能力, 从而实现优良的产物截留、回收的性质及更高的产率 。这 些 Ultracel 膜是将可再生的纤维素膜铸型于多孔性材料衬底上而构成的，相比于传统的膜，这些无缺陷的膜具有优良的稳固性。复合材料技术提供了一个机械强度极高的设计，可耐受极端的操作条件。此外, 聚砜 (P S ) 和聚醚砜 (P E S ) 高分子膜具有充分的抗碱能力，可以应用于需要用 N a O H 清洗的情况，但它更容易被含有生物制品的溶液所污染 。表面修饰已成为用于减少膜污染的最通用的方法。膜修饰通过使用带负电荷的单体来完成 (R o n g e t a l ., 2006)，或利用中性聚合物将高分子膜亲水化。几个主要的膜供应商 ，如 Millipore、 Pall Corporation、 Gelman Sciences、 Sartorius 和 Sterlitech 提供了 品种多样的改良多聚体膜和陶瓷膜, 可以分别满足各种小规模和大规模情况下的生物学应用。

2. 超滤装置

如前所述，目前的超滤膜和相关的设备可用于溶质或缓冲液交换，并对所需蛋白质进行浓缩。绝大部分小规模的超滤膜设备设计成盲端操作的模式，而大规模的超滤系统采用切向流操作模式(图 9. 3)。

于漏斗中，在真空作用驱动下透过膜进入到收集容器中。
(2) 针头式滤器超滤膜与塑料支撑板结合并封闭于小的盘状单元中，它配备有鲁尔 (Luer) 接头, 可以连接到注射器上。将注射器充满样品，手动驱使滤过液透过滤器以浓缩样品。

(3) 离心式过滤器 膜 盘 放 置 于 小 的 离 心 管 中 ，渗透物收集于膜下管底部的空间里。样品通过离心力驱动穿过超滤膜，浓缩了的样品保留于膜上部。 Pall Corporation 提供了宽滤过范围的离心式超滤膜 (N a n o s e p® 、MicroSep™ 、M a c r o S e p® 和 J u m b o - Sep™ ) ，用于处理小 于 I m L 到大 至 60 m L 的样品，它们包含有 O m e g a ™ 改 良 的 P E S 膜 ，其截留分子质量 (M W C O ) 为 10〜100 K 。 Millipore 公司提供了一次性的Centriplus® 离心式过滤设备 ，通 过 A m i c o n 的低吸附性亲水膜，用 于 2〜15 m L 样品的浓缩（100 倍) 和脱盐。这些装置设计可用于能容纳 50 m L 离心管的大多数离心桶式的或固定角度转头的离心机。最后指出，Millipore 公司 的 A m i c o n Ultra-4 离心机过滤器，它们被设计成能够精确的浓缩 (80〜100 倍) 小体积 (1〜4 m L ) 样 品 ，可以用于处理和回收非常宝贵的生物制品。

(4) 多孔滤板超滤膜整合至 9 6 孔 或 384 孔的多孔过滤板中，用于小样品量 (80〜300 uL) 的 高 通 量 浓 缩 或 缓 冲 液 交 换 。系 统 可 设 计 为 包 含 各 种 分 子 质 量 筛 截（1 〇 〜100 k D a) 的膜，并具有高于9 0 % 的回收率。板的构造模式消除了横向流和孔间混合，并包含有出口末端和防溅罩, 以确保清洁的滤液回收。 PaliCorporation 提供了 9 6 孔 或 384孔滤板形式的 T h e AcroPrep™ 滤板 (Pall Corporation, M e r i d e n, C T )。

(5) 搅拌单元装置将平板超滤膜盘放置于一个合适的支撑板上，并密封于圆柱形外壳的底部。根据设计，设备中的液体通过悬挂于顶部的一个磁力搅拌棒进行搅动，使用空气作为压力驱动液体进行超滤。 Millip0r e 公 司 和 Sterlitech 公司都提供了各种规格的设备 ，处 理 的 样 品 量 为 3 〜 400 m L 。这 些 设 备 的 设 计 使 用 了 不 同 的 超 滤 膜 来 模 拟横向流/切向流过滤。

尽管以上介绍的前 4 种设备可能是最易于操作的，并能对很小体积的样本进行处理，然而它们缺少针对膜上的浓缩或浓差极化进行精确控制的设计。相比之下，由于具有搅拌功能，且具有可同时进行缓冲液交换和产品浓缩的能力, 搅拌单元设备具有改良的传质功能和对浓缩的控制能力。使用超滤进行缓冲液交换的过程被称为渗滤（ diafiltration)。 在渗滤过程中，用于交换的缓冲液在过滤的过程中加入到滞留物或进料中，当过量的液体滤过膜时，能渗过超滤膜的缓冲液成分从原料中被移除。相比于通过膜两边溶
质的浓度差而驱动缓冲液交换的透析法, 在超滤过程中，由于膜两侧的缓冲液的对流流动 ，其缓冲液交换进程更快。这有利于处理不稳定或需要立即进行缓冲液交换的蛋白质或生物制品。渗滤可以采用以下两种模式中的一种来进行。在连续的渗滤中，洗涤 (交换) 缓冲液在过滤过程中被连续地加人，这一系统通常设计为在处理过程中原料的体积保持恒定。在不连续的渗滤过程中，原料的体积在经过一个常规的超滤后降低到一个预设的量。然后将洗涤缓冲液加入到原料槽中继续过滤。这一过程可以重复直到得到想要的溶质浓度且体积减小到所需的量。

3.纯化应用

超滤膜及超滤系统技术的最新进展将超滤的应用由浓缩和缓冲液置换扩展到其他更加复杂的生物分离领域。相 比 较 于 传 统 的 结 合 脱 柱 层 析 ，这些新型的基于膜的「纯化」应用已经被它们的低运行成本和易于使用的优点所推动。最近的研究表明，可以利用静电相互作用来提高传统的基于颗粒大小的、基于膜的处理方式的性能, 这种方法被称为高性能切向流过滤 (Sakena and Z y d n e y ， 1994; van Reis et al. , 1997)。这些膜旨在通过利用分子和膜孔间的静电相互作用，对那些大小相同但等电点不同的生物分子加以分离。此外，在膜色谱领域 (或亲和膜色谱），使用具有较大孔隙范围的膜 (微孔过滤膜） 比使用超滤膜具有明显的优势。膜吸附已被接受作为一种替代的方法用于最终的精制色谱步骤来去除痕量杂质 (G h o s h ， 2002)。有多种商业化的以阴离子或阳离子交换的形式起作用的吸附剂可从 Sartorius 公 司和 Pall 公司获得，与基于凝胶颗粒的色谱不同，这些吸附剂的设计使之可以克服相关的扩散传质限制。通常情况下，带电的配体固定在膜孔中，对流流动使溶质分子极为接近配体，从而最大可能的减少了扩散限度。虽然膜吸附具有高通量的优点和实现高生产率的可能性，但这一技术的应用进展一直非常缓慢，因为膜色谱的结合能力比传统的树脂色谱要低，从而导致它在实际应用中受到限制。