切向流過濾

內容大綱
膜過濾技術與切向流過濾
切向流過濾與傳統過濾方式之比較
切向流過濾濾膜形式
使用切向流過濾進行滲濾
切向流過濾應用領域
附錄：如何選擇切向流過濾濾膜

膜過濾技術與切向流過濾

膜過濾技術 (membrane filtration) 為廣泛使用的分離與純化技術，其作用機制是利用濾膜孔徑來篩選不同大小的分子及粒子。膜過濾技術可根據過濾分子的大小，從小分子至大分子依序分為逆滲透 (reverse osmosis, RO)、奈米過濾 (nanofiltration, NF)、超過濾 (ultrafiltration, UF)、微過濾 (microfiltration, MF)、澄清 (clarification)。

微過濾 (MF) 與超過濾 (UF) 是運用最廣泛的膜過濾技術。微過濾技術可過濾 0.1 ~ 10 um 的分子，如細菌等；而超過濾技術則可用以分離 0.001 ~ 0.1 um 的生物分子，如蛋白質、病毒等。其中，超過濾技術屬於較為「溫和」的處理方式，不易造成生物分子變性 (denature) 或失活 (inactive)，使得超過濾技術在生物分子應用上更具有優勢。而切向流過濾 (Tangential Flow Filtration, TFF) 即為超過濾中最常使用的技術，常應用於如分子生物學、生物化學、免疫學、蛋白質化學、微生物學等生物學領域。

切向流過濾與傳統過濾方式之比較

一般傳統過濾法為直流式過濾 (Direct Flow Filtration, DFF; dead-end filtration)，其樣品流垂直流動於膜表面，使小分子得以通過濾膜。然而，大分子卻容易堆積於膜表面，形成濾餅層，而隨著過濾時間增加，濾餅層厚度會隨之變厚，使得濾膜堵塞，導致流速、分子分離效果下降，並且縮短濾膜使用壽命。

而於切向流過濾中，樣品流則是水平流動於膜（多為中空纖維膜、平板濾膜）表面，並以垂直於濾膜表面的方向進行過濾 (即以正切角度進行過濾)，使得樣品可以隨著流速循環、同時也對濾膜表面進行沖洗，避免大分子堆積在濾膜表面並防止濃度極化降低流速，從而維持穩定的流速，可有效地進行過濾及延長濾膜壽命。

功能方面，切向流過濾可同時進行濃縮(concentration) 及滲濾(diafiltration)，且試驗等級與量產等級的切向流設備共用參數，可輕鬆放大生產規模。
綜合上述多項優勢，在生科、生技及生醫相關領域場所如醫院、藥廠等，已逐漸以切向流過濾取代傳統過濾法。

切向流過濾濾膜形式

TFF 適用多種型式的濾膜，如平板過濾膜 (flat plate)，又稱為卡匣 (cassette; capsule)；https://www.rocker.com.tw/product/life_science/tangible-flow-filtration/hansabiomed-filter/ (hollow fiber; cartridge) 及螺旋狀過濾膜 (spiral wound)。目前實驗室多以使用平板過濾膜及中空纖維膜為主。

	平板過濾膜 (flat plate)	中空纖維膜 (hollow fiber)	螺旋狀過濾膜 (spiral wound)
每單位過濾體積的表面積	低	高	次高
可直接放大規模	可	可	不可
可減少濃度極化現象	可	不可	可
適用樣品量	多	最多	少
適用樣品	• 一般微小生物分子樣品 • 含高污染物或/與高黏度的污水	• 中空纖維膜對剪切力敏感 (shear-sensitive) 物質，如部分酵素、蛋白質等 • 具高濃度懸浮固形物(TSS) 的污水	需大面積過濾樣品，如食品、飲料等
清潔方式	• 利用適當溶液循環沖洗 • 抽吸大氣，排淨溶液	• 利用適當溶液循環沖洗 • 抽吸大氣，排淨溶液 • 利用適當溶液逆向沖洗 (backwashing)	• 利用適當溶液循環沖洗 • 定位洗淨 (clean-in-place, CIP)

使用切向流過濾系統進行滲濾

滲濾 (diafiltration)的定義為，將樣品中可以通過濾膜的小分子，如：鹽、小分子蛋白質、溶劑等，在樣品流流經濾膜時，透過濾膜，自樣品流中分離，並將大分子持續循環進行濃縮的過程。滲濾常見應用包含透析、去鹽、緩衝液置換等，而其過程又分為不連續滲濾與連續滲濾兩種。

不連續滲濾(discontinuous diafiltration)是以手動方式將水/新鮮緩衝液/稀釋液以一定體積加入樣品中，待濃縮至一定體積後再次加入緩衝液後濃縮，不斷重複上述過程至滲濾完成。
不連續滲濾時，樣品濃度持續變化、易變性，且滲透量 (流量) 會隨著樣品濃度的增加而降低。

連續滲濾(continuous diafiltration)，又稱為定容滲濾 (constant volume diafiltration) ，其過程以「與產生濾液的相同速度」來添加水/新鮮緩衝液/稀釋液等，來過濾掉原本溶液中的鹽類或其它小分子，因此進行連續滲濾的過程中，系統中總溶液體積不會改變，因此生物分子不容易被破壞結構、產生變性。此外，經實驗發現，相較於不連續滲濾，連續滲濾添加較少的緩衝液就可以達到 99 % 的分離效果。

以去鹽為例，過濾過程中是透過添加滲濾體積 (diafiltration volume, DV) 降低鹽濃度。進行連續滲濾時，直接以 5 個 DV ，即可移除達約99%的鹽分子；而在不連續滲濾時，在以手動方式每次添加1個 DV的狀況下，則必須在添加7個 DV 後，才可移除99%的鹽分子。
綜觀以上，連續滲濾被認為相較於不連續滲濾而言，是相對「溫和」的生物分子處理過程，在生科領域應用中更具有優勢。

	不連續滲濾 (Discontinuous Diafiltration)	連續滲濾 (Continuous Diafiltration)
進樣方法	手動	自動化
需要添加溶液體積	較多	較少
樣品回收率	較低	較高
維持生物分子結構	差	優
同一系統中進行濃縮	否	是

切向流過濾應用領域

濃縮、去鹽：如蛋白質、胜肽、核酸 (DNA, RNA) 等
分離、純化：如酵素、抗體、重組蛋白、病毒、疫苗等
緩衝液置換：如去除溶劑、透析等
澄清；如細胞裂解物、組織均質物等
去熱原：如水、緩衝液、培養液等 – 須以管柱層析分析 (column chromatography) 的樣品前處理
細胞收集
濃縮病毒：濃縮溶瘤麻疹病毒 (oncolytic measles virus) 以治療末期癌症
臨床醫療：血液透析 (hemodialysis)、血紅素 (hemoglobin) 純化

附錄：如何選擇切向流過濾濾膜

切向流過濾系統中所使用的濾膜相較於直流過濾所使用的濾膜構造十分不同，在挑選時，建議可考慮以下幾個重點：

欲保留或移除目標分子

釐清實驗的目的是保留或是移除目標分子：濃縮為保留目標分子，滲濾、去鹽、溶液置換為移除目標分子。

目標分子的分子量

依照目標分子的大小，評估適用的濾膜孔徑大小，一般以截留分子量 (MWCO, NMWL)或分子直徑表示。濾膜的選擇，通常依廠家不同會選擇目標分子分子量1/3 ~ 1/6的 MWCO，即低於目標分子量的3~6倍，並留意欲分離的分子之間，大小至少應相差10倍以上，以確保混合物有效分離；若以分子直徑選擇濾膜，則選用濾膜孔徑 (um)小於目標分子直徑即可。
然而，分子量及分子直徑並無直接關係，無法進行換算，因此在選用濾膜時，應多加留意其標示。

回收率的要求高/低

回收率的需求與MWCO的選擇有關：
回收率要求不高(低)：可選用 MWCO 低於目標分子 3 倍的濾膜，其孔徑大、處理速度快。
回收率要求高：可選用 MWCO 低於目標分子 6 倍的濾膜，其孔徑小，但處理速度較慢。
此外，濾材的選擇也會影響回收率，一般分為 PES (polyethersulfone) 及纖維素材質，PES具有較高的樣品結合率，導致回收率較低；纖維素跟樣品結合率低，因此具有高回收率，針對較為珍貴的樣品，即可選用纖維素製成的濾膜。

步驟	項目
1. 目的	(1) 濃縮→欲保留分子 (2) 滲濾、去鹽、溶液置換→欲移除分子 – 為確保有效分離，欲分離的分子大小至少應相差10倍以上
2. 濾膜/濾材選擇	(1) 目標分子的分子量 (MW) – 截留分子量 (MWCO) 定義為被膜保留90~95%的球型分子分子量 – 通則：MWCO 應低於欲保留目標分子分子量的 3倍~6倍 (2) 回收率 (Recovery) – 較低的 MWCO (6X)：目標分子回收率較佳 – 較高的 MWCO (3X)：處理速度較快
2. 濾膜/濾材選擇	濾材 – • Cellulose – 低樣品結合率 (高回收率)，NaOH 耐性普通 • PES – 較高的樣品結合率 (較低回收率)，耐 pH 範圍廣

參考資料：

應用

切向流過濾

膜過濾技術與切向流過濾

切向流過濾與傳統過濾方式之比較

切向流過濾濾膜形式

使用切向流過濾系統進行滲濾

切向流過濾應用領域

附錄：如何選擇切向流過濾濾膜

欲保留或移除目標分子

目標分子的分子量

回收率的要求高/低

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