TFF是切向流過(guò)濾，它是一種壓力驅(qū)動(dòng)的，根據(jù)分子尺寸的膜分離過(guò)程。用TFF，樣本混合物不是像直流過(guò)濾那樣被強(qiáng)迫通過(guò)一個(gè)單一的通路來(lái)通過(guò)膜。而是流體通過(guò)多次再循環(huán)的方式，切向通過(guò)膜的表面。這種由施加壓力帶來(lái)的“清掃”行為，降低了初始樣本在膜表面的積累。比膜截留分子量大的目標(biāo)分子得到了保留，然而小分子和緩沖液通過(guò)了膜。切向流過(guò)濾是一種濃縮和脫鹽10ml到幾千升樣本溶液的有效方法。它可以用來(lái)從小的生物分子中分離大的生物分子，捕獲細(xì)胞懸浮液以及澄清發(fā)酵液和細(xì)胞裂解物。TFF可以應(yīng)用于一系列應(yīng)用包括蛋白質(zhì)化學(xué)，分子生物學(xué)，免疫學(xué)，生物化學(xué)和微生物學(xué)。本文將對(duì)切向流過(guò)濾技術(shù)的原理，主要參數(shù)和應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

常規(guī)過(guò)濾是指在壓力的作用下，液體直接穿過(guò)濾膜進(jìn)入下游，而大的顆粒或分子則被截留在膜的上游或內(nèi)部，小的顆?；蚍肿油高^(guò)膜進(jìn)入下游。在這種操作方式下，液體的流動(dòng)方向是垂直于膜表面進(jìn)入下游的，所以也有人稱(chēng)之為“死端過(guò)濾”（Dead End Filtration）。常規(guī)過(guò)濾的應(yīng)用包括澄清過(guò)濾、*過(guò)濾和除病毒過(guò)濾等等，不是本文討論的重點(diǎn)。而切向流過(guò)濾則是指液體的流動(dòng)方向是平行于膜表面的，在壓力的作用下只有一部分的液體穿過(guò)濾膜進(jìn)入下游，這種操作方式也有人稱(chēng)之為“錯(cuò)流過(guò)濾”（Cross Flow Filtration）。由于切向流在過(guò)濾過(guò)程中對(duì)膜包的表面進(jìn)行不停的“沖刷”，所以在這種操作模式下有效的緩解了大的顆粒和分子在膜上的堆積，這就使得這種操作模式在很多應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

切向流（也稱(chēng)為“錯(cuò)流”）過(guò)濾中，泵推動(dòng)流體通過(guò)濾膜表面，沖刷去除其上截留的分子，從而使濾膜表面的積垢程度降至*。于此同時(shí)，切向流體也會(huì)產(chǎn)生垂直于濾膜的壓力，推動(dòng)溶質(zhì)和小分子通過(guò)濾膜。如此方能完成過(guò)濾。利用細(xì)分篩網(wǎng)分離沙子與鵝卵石的模擬試驗(yàn)，有助于理解切向流過(guò)濾的機(jī)理：篩網(wǎng)眼象征濾膜上的孔隙，而沙子與鵝卵石象征待分離的分子，在直流過(guò)濾中，沙子－鵝卵石混合物被迫向著篩網(wǎng)眼方向移動(dòng)，隨著一些較小的砂粒通過(guò)篩網(wǎng)眼落下，在篩網(wǎng)表面形成一個(gè)鵝卵石層，阻礙頂部砂粒向篩網(wǎng)方向移動(dòng)并通過(guò)篩網(wǎng)眼（圖1），在直流過(guò)濾中，增加壓力，僅能對(duì)混合物施加壓力，而無(wú)助于分離的促進(jìn)；相比之下，在切向流過(guò)濾模式中，通過(guò)混合物的再循環(huán)防止限制層的形成，此再循環(huán)類(lèi)似于：振動(dòng)以去除阻塞篩網(wǎng)眼的鵝卵石，使得位于混合物頂部的砂粒落下并通過(guò)篩網(wǎng)眼。因此，利用切向流過(guò)濾進(jìn)行生物分子分離，效率更高，濃縮或滲濾速度更為快捷。

利用細(xì)分篩網(wǎng)分離沙子與鵝卵石

(A) 對(duì)混合物施加直接的壓力，使得底部砂粒落下；在篩網(wǎng)表面形成一個(gè)鵝卵石層，阻礙頂部砂粒向篩網(wǎng)方向移動(dòng)并通過(guò)篩網(wǎng)。

(B) 振動(dòng)篩網(wǎng)，破壞位于混合物底部的積聚鵝卵石層，使完全分離得以進(jìn)行；切向流過(guò)濾中，進(jìn)料流的錯(cuò)流動(dòng)力學(xué)作用，就相當(dāng)于此例中的振動(dòng)。

從濾膜的截留孔徑進(jìn)行分類(lèi)，可以將過(guò)濾分為澄清過(guò)濾、微濾、超濾和反滲透等等。

相應(yīng)的，將不同孔徑的濾膜采用切向流的操作方式進(jìn)行過(guò)濾，即可稱(chēng)之為切向流微濾、切向流超濾等等。

下圖為經(jīng)典切向流過(guò)濾系統(tǒng)的示意圖和實(shí)物圖，通常包括泵、膜包和夾具、貯罐、連接管件以及閥門(mén)和壓力表等。

經(jīng)典切向流過(guò)濾系統(tǒng)示意圖和實(shí)物圖

在進(jìn)行TFF操作的時(shí)候我們經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題：比如目標(biāo)蛋白回收率低，過(guò)濾一段時(shí)間之后進(jìn)口端壓力增高等等，如何有效的解決這些問(wèn)題呢？我們必須要清楚切向流過(guò)濾的幾個(gè)重要參數(shù)及他們之間的相互關(guān)系，確保通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件的摸索和優(yōu)化來(lái)確定適合樣本的實(shí)驗(yàn)條件。這幾個(gè)參數(shù)歸納起來(lái)就是2個(gè)壓力參數(shù)和2個(gè)流速參數(shù)。

主要參數(shù)介紹

（說(shuō)明：PF = 進(jìn)液壓力，PR = 回流壓力，Pp = 透過(guò)壓力）

壓差是進(jìn)口端壓力與出口端壓力的差值，跨膜壓（TMP）是指濾膜上下游的平均壓力差（TMP = (PF + PR ) / 2-Pp），TFF實(shí)驗(yàn)我們關(guān)注的是壓差，跨膜壓，切向流速等，這幾個(gè)參數(shù)是緊密聯(lián)系在一起的，壓差決定切向流速和切向流速率，當(dāng)壓差一定的情況下，切向流速和切向流速率是恒定的，跨膜壓是控制液體過(guò)濾的速度的，所以我們要控制進(jìn)口端壓力和回流壓力，這兩個(gè)壓力決定了TMP和壓差，而當(dāng)壓差/切向流速恒定的情況下，TMP就成了切向流工藝中的關(guān)鍵因素，需要進(jìn)行優(yōu)化。 切向流是液體流速在膜表面沖刷的速度. 它是沖刷掉顆粒防止顆粒防止顆粒在膜表面的堆積。切向流帶來(lái)的沖刷行為將顆粒從膜表面帶走。進(jìn)口端壓力和切向流速（切向水通量或回流速），當(dāng)你增加切向流速，你就同時(shí)增加了在進(jìn)口端和回流端的壓差?p。如果你使切向流速加倍，你*終使?p也得到加倍。部分關(guān)閉回流閥會(huì)增加TMP，*終推動(dòng)液體通過(guò)膜, 回流閥關(guān)閉的越多，TMP越大，從而透過(guò)的液體增加的越多。對(duì)于大部分超濾應(yīng)用來(lái)說(shuō)，透過(guò)液閥門(mén)是開(kāi)放的。

下面我們簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)因素

1、膜材質(zhì)

經(jīng)典超濾膜電鏡照片

對(duì)于超濾膜材質(zhì)的選擇一直困擾著廣大科研工作者，尤其是剛接觸TFF的研究者，選對(duì)正確的濾膜是進(jìn)行切向流實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的濾膜選擇如下：

超濾膜起過(guò)濾作用的是一層非常致密的皮層結(jié)構(gòu)，一般小分子物質(zhì)非常難進(jìn)入濾膜，所以，超濾膜通常是污染物質(zhì)堆積在濾膜表面，那么操作超濾時(shí)，需要控制流速來(lái)沖刷濾膜表面，優(yōu)化壓力來(lái)調(diào)節(jié)濾出速度。

到底什么樣的膜才是一個(gè)理想的超濾膜，從電鏡圖中我們可以看到，膜皮層較薄，而支撐層內(nèi)部孔徑很大，從而保證快速的濾過(guò)，是高流速，高流量的基礎(chǔ)。同時(shí)帶來(lái)了彈性的可能，對(duì)于需要高流速的分子，可以提高流速，而對(duì)于不需要高流速的分子，可以適當(dāng)降低流速。

支撐層孔徑大，使工作壓力可以適當(dāng)降低，降低對(duì)活性分子的損傷，從而對(duì)于活性生物分子的純化濃縮帶來(lái)了便利。

從反復(fù)使用的清潔角度講，支撐層孔徑大，可以在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行徹底清洗，同時(shí)可以達(dá)到很好的清洗效果以及高的回收率，如果支撐層孔徑小的話，清洗的溫度需要升高，同時(shí)存在很高的清洗不凈也就是污染的風(fēng)險(xiǎn)大大提高，此時(shí)回收率也得不到保證。

2、切向流速

切向流速很大程度上取決于所選用的不同膜包和流道的類(lèi)型。在Pall的膜包操作和維護(hù)手冊(cè)中，我們對(duì)每種膜包和不同流道類(lèi)型都提供了推薦的切向流速?？偟膩?lái)說(shuō)，在跨膜壓不變的情況下，提高切向流量可以增加切向流對(duì)濾膜表面的“清洗”作用，緩解濃差極化，從而使透過(guò)液的流量提高。但是，過(guò)高的切向流量也會(huì)使產(chǎn)品所受到的剪切力增加，從而可能導(dǎo)致產(chǎn)品的活性下降。所以需要根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)從而得到流速和產(chǎn)品回收兩全的方法。

3、跨膜壓

是不是跨膜壓越高越好呢，理論來(lái)說(shuō)，純水過(guò)濾的話，跨膜壓越高，過(guò)濾速度越快，但是實(shí)際上，處理料液過(guò)程，跨膜壓會(huì)有一拐點(diǎn)，再提高濾速也不會(huì)加快。所以，我們需要在保證流體有沖刷力的前提下，提高跨膜壓找到這一合適的點(diǎn)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保效率*。

在恒定流量的切向流過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中，通量與跨膜壓之間的關(guān)系可以分為兩個(gè)階段（如圖5）。*初時(shí)，影響通量的僅僅是濾膜的阻力，所以當(dāng)跨膜壓增加時(shí)通量會(huì)呈線性增加，稱(chēng)為壓力相關(guān)區(qū)或膜控制區(qū)。隨著跨膜壓的不斷增加，濃差極化現(xiàn)象加劇，部分增加的跨膜壓被濃差極化層的阻力所抵消，因此通量的增加逐漸變緩。直至*后，所增加的跨膜壓被濃差極化層的阻力完全抵消，此時(shí)，通量不再升高，稱(chēng)為壓力不相關(guān)區(qū)或凝膠層控制區(qū)。

當(dāng)選擇的跨膜壓處于凝膠層控制區(qū)時(shí)，通量可以達(dá)到*化，所需的濾膜面積也可達(dá)到*小，但此時(shí)已經(jīng)在濾膜表面形成了濃差極化層，此處的溶質(zhì)濃度可能已經(jīng)到達(dá)了其可溶解的極限，可能因此導(dǎo)致產(chǎn)品收率的下降。此外，濃差極化的后期可能導(dǎo)致堵塞，會(huì)引起通量不可逆轉(zhuǎn)的下降。因此，優(yōu)化的跨膜壓值應(yīng)該取在曲線的拐點(diǎn)處和之前。此時(shí)，濾膜還未被完全濃差極化，通量值也相對(duì)較高。

切向流實(shí)驗(yàn)中典型的濾過(guò)速度和跨膜壓的關(guān)系

切向流過(guò)濾技術(shù)正在中國(guó)如火如荼，如何針對(duì)自己具體的實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇適合自己的切向流產(chǎn)品，是*為重要的*步。選擇好了合適的切向流過(guò)濾系統(tǒng)并進(jìn)行合理的參數(shù)配置和優(yōu)化可以使您今后的實(shí)驗(yàn)工作事半功倍。作為過(guò)濾行業(yè)的技術(shù)先鋒，Pall公司多年來(lái)對(duì)切向流過(guò)濾技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到生產(chǎn)規(guī)模都進(jìn)行了深入的研究，并針對(duì)中國(guó)開(kāi)發(fā)了大量針對(duì)具體應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方法，包括海水研究，病毒分子研究，蛋白/多糖類(lèi)分子研究，抗體研究，中藥研究，血液研究等，而且全球已經(jīng)有海量文獻(xiàn)發(fā)表。