本文通過研究生物制藥核心設備，本研究系統剖析生物反應器、層析系統、超濾裝置等相關生物制藥核心設備的設計驗證原則，探究了離心、層析、膜分離等相關分離純化技術的工藝優化路徑。通過離心-過濾、連續流層析、多模式層析的技術聯用策略，提出：設備端應用層析柱裝柱均一性，其中HETP≤2倍粒徑的方式則可以有效預防溝流；技術端主要應用連續流層析則可以有效提高綜合性能，而基多模式層析（Capto MMC）載量達80 g/L。因此，在生物制藥設備以及分離純化技術應用中，要綜合實際狀況，探究現代化技術手段，旨在構建高效、穩健、合規的生產體系。
Part.01前言
生物制藥行業在發展中要聚焦設備運行瓶頸以及分離技術局限等因素，通過集成設備創新化技術手段，利用模塊化工廠、預測性維護等多種方式進行動態管理。通過離心-深層過濾-MCCS、數字化管理等方式進行技術聯合，則可以構建高效化、規范化以及標準化的生產體系。
通過相關研究可以發現，目前對于生物制藥設備和分離純化技術的相關研究較多。其中，姚中華[1]的研究聚焦運營階段問題，提出了安全管理依賴通用SOP、備份忽略關鍵參數，例如軟件配置、缺乏風險分級回顧機制。基于實際狀況提出了"軟件+參數+數據"全備份、動態風險評估周期的優化方案。而裘宗祺[2]重點研究了實驗設備管理效益，提出全生命周期數字化管理：采購階段量化利用率，其中預約率≥90%，維護階段用傳感器預測故障，有效降低了30%，開發B/S平臺降低閑置率，其中為35%→12%。王駿[3]研究的重點是設備與分離純化技術，通過對生物反應器、層析系統的分析，了解其驗證要點，及離心、超濾、層析等技術原理與應用，強調疫苗/血制品生產中的質量控制。而張磊、王明[4]研究的重點則是設備故障預防，通過基于六西格瑪DMAIC模型：Define故障KPI→Measure振動/溫度數據→Analyze高風險點→Improve維護計劃，結合LSTM預測故障，其準確率92%。
王若谷[5]實現了技術整合與裝置創新 ，提出了優化連續流層析，省時40%左右。離心-過濾聯用，其提速50%；開發集成裝置，利用離心甩渣+兩級過濾+蒸餾提純的方式進行處理，PLC自動控制實現99.9%純度。
生物制藥設備始終貫穿整個生產過程，在上游發酵/細胞培養、下游分離純化、制劑灌裝等各個流程中具有重要的作用，在應用中其要點必須要保障可以有效滿足生物藥生產的要求。
2.1 材料兼容性與生物相容性
保障生物制藥設備與物料接觸的部分，例如管道、罐體、濾膜、色譜柱等必須要根據技術要求，應用惰性、無毒、無浸出物且無吸附性的材料，其主要包括316L不銹鋼、特定聚合物以及玻璃等材質。材料與產品、緩沖液以及清洗劑等必須要根據要求進行兼容性測試，重點評估浸出物延長可提取物對產品質量、安全性等產生的風險隱患，強化生物負載控制。
2.2 無菌性與密閉性
重點要防止微生物、內毒素、外來微粒污染。因此，在設備的設計中要應用便于清潔、滅菌，始終保障無菌狀態。在研究中要重點做好無死角、容易排水的無菌設計。基于清潔驗證（CIP）、滅菌驗證（SIP）方案對其進行優化處理。例如，可以通過一次性使用技術（SUT）進行驗證處理。而通過密閉系統操作，可以合理利用無菌連接、斷開技術進行處理。
2.3 可清潔性
設備設計要保障符合要求，便于清潔，可以有效去處除殘留物，避免出現交叉污染以及微生物滋生等問題。
在研究中，要將表面光潔度作為重點，基于CIP系統設計，優化噴淋球覆蓋率、流速、壓力等參數。根據要求確定清潔劑以及效果，保障符合設計要求。
2.4 自動化與過程控制
在設計中充分提高工藝一致性，有效減少效率以及人為操作的錯誤。通過智能化技術進行處理，實現數據智能化采集、動態監控以及報警，綜合性控制。在設計中重點就是通過PLC/DCS/SCADA系統集成化管理，保障其符合GAMP5的計算機化系統驗證，其中關鍵工藝參數（CPP）利用在線/近線監測實現動態控制，充分分析pH、DO、溫度、壓力、電導、UV、濁度等基礎信息參數，利用自動化批次實現綜合控制。
2.5 可擴展性與模塊化
工藝與設備在應用中必須要根據實際狀況進行平滑放大或者轉移處理，其中模塊化設計可以有效滿足生產需求，實現智能化調控。在設計中可以基于恒定kLa、P/V、混合時間、切向流速/膜面積比等相關參數，進行優化處理，根據實際狀況進行調控，利用工程化的方式進行模塊化預制，便于實施。
Part.03關鍵技術分類與核心原理
3.1 離心分離
主要就是利用密度梯度差異達到分離細胞碎片、胞內產物以及相關雜質的目的。在應用中其主要就是應用連續流離心機控制轉速3000-10000×g以及進料流速進行處理，這樣則可以有效避免剪切力損傷產物。此原理主要就是在疫苗生產中的細胞收獲、血液制品澄清中應用。
3.2 深層過濾
利用孔徑為1-10 μm進行截留，可以達到吸附以及去除微小顆粒的目的。在應用中要根據實際狀況優化濾材組合，通過粗濾、精濾的方式進行處理，可以有效提高載量50%。同時，在操作中要重點控制壓差，保障其 <2 bar，這樣則可以有效避免防濾膜破裂等問題的出現，此種技術主要用于單抗收獲液澄清等相關操作。
3.3 層析技術
利用親和層析，如Protein A等方式進行處理。主要是利用生物特異性結合抗體Fc段，這樣則可以一步捕獲純度>95%。在處理中要中重點做好風險控制，應用 pH 3.0-3.5的低pH洗脫操作中，必須要對其快速中和，方可有效避免抗體聚集等問題的出現。其中離子交換層析（IEX）主要就是基于電荷差異精純，達到消除宿主蛋白 ，使其<50 ppm。梯度優化處理的重點就是通過階梯洗脫電導率5-50mS/cm，這樣則可以平衡分辨率以及收率。而疏水層析在高鹽條件下要綜合疏水殘基進行處理，則可以處理聚集體。在應用中要保障其鹽濃度小于產物沉淀的臨界點。
3.4. 膜分離技術
利用超濾/透析（TFF）技術進行處理，主要就是通過分子量截留達到緩沖液置換以及濃縮處理，其參數控制的重點就是保障跨膜壓（TMP）<30 psi，其中切向流速>1 m/s，這樣則可以有效避免濃差極化的問題出現。病毒過濾主要就是通過20 nm納濾膜強制清除病毒，LRV≥4； 在操作中要重點論證其對≤20 nm病毒的截留能力。
Part.04生物制藥設備和分離純化技術要點
生物制藥設備和分離純化技術通過三步式純化框架進行處理。其中，捕獲階段的重點保障親和層析載量>30 g/L，縮短周期60%；精純為IEX/HIC組合清除HCP、DNA；拋光主要就是通過分子篩（SEC）去除聚集體至<3%。 在應用中其主要技術如表1所示。
表1.生物制藥設備和分離純化技術要點
4.1 離心階段
在應用中聯合離心-深層過濾技術手段，操作中首先要先離心（3000×g）繼而去除大顆粒，處理之后再次過濾除微渣，可以有效提高澄清50%的效率。離心階段主要應用碟片式離心機進行處理，其可以在在3000×g離心力下分離細胞碎片（>5 μm）及大顆粒雜質；在處理中要保障進料流速≤50 L/h，規避剪切力對抗體片段等產物產生影響而出現斷裂等問題。應當連續流層析（MCCS）技術進行處理，在操作中主要就是通過Protein A捕獲串聯陰離子達到交換的目的，通過此種方式可以有效減少中間儲存，提高40%的產能。
4.2 深層過濾階段
串聯多級濾材，其中預過濾層主要包括了玻璃限位，其可以截留1-10 μm顆粒；而精濾層則主要就是利用纖維素/聚醚砜膜等材質，其可以截留0.22的μm微粒。在應用中可以根據實際狀態適宜應用一定硅藻土助濾劑，這樣則可以達到吸附微顆粒的目的。通過多模式層析進行優化，利用混合例子交換+疏水作用的聯合應用，可以有效提高綜合性能。
4.3 連續流層析（MCCS）
捕獲-精純串聯主要是通過Protein A柱為動態載量>40 g/L，主要應用pH 3.5洗脫抗體；在線中和操作的重點就是在洗脫液之后立即注入中和模塊，其中添加1 M Tris-HCl，pH 7.0，這樣則可以有效預防聚集等問題的出現。陰離子交換柱要綜合流穿模式，可以清除HCP、DNA。連續運行機制主要就是通過三柱循環，趨勢當1號柱上樣時，2號柱洗脫，3號柱再生；而在閥門切換時序主要為每15分鐘輪轉，重點做好規范化管理，方可有效保障進料的連續性。
4.4 多模式層析
其主要配基結構為季銨基團+ 苯基，具有離子交換以及疏水作用的作用。在應用中低鹽條件下，季銨基團結合帶負電蛋白；而在高鹽條件下，苯基結合疏水雜質，例如聚集體等。
在操作中，其上樣主要為料液電導率20mS/cm，這樣則可以有效促進疏水結合。而其洗脫主要就是根據實際狀況，通過階梯增加鹽濃度的方式進行處理。如0→1 M NaCl + pH梯度。梯度為7.0→5.0，通過此種方式進行優化，可以同步洗脫不同雜質。
Part.05生物制藥設備和分離純化技術風險控制
5.1 產物穩定性
保障在處理之后，通過層析洗脫后立即中和。例如，將pH 3.5中和為7.0，其時間<5 min，通通過此種方式進行處理，可以有效避免抗體變性等問題的出現。超濾過程添加 0.1 M精氨酸等相關穩定劑，則可以達到抑制聚集的目的。
5.2 雜質清除驗證
重點處理宿主蛋白（HCP），通過ELISA檢測限<1 ng/mL，其中目標殘留<100 ng/mg則符合要求。 DNA殘留主要就是保障qPCR定量<10ng/劑量；內毒素利用鱟試劑檢測<0.1 EU/mg。
5.3 設備相關風險
- 層析柱必須要保障裝柱均一性測試，其中HETP≤2倍粒徑，方可有效避免溝流等問題的出現。過濾器要根據要求進行完整性測試，保障其起泡點≥3.5 bar，確保無菌方可應用。離心機主要就是通過 密閉設計+SIP在線滅菌，這樣則可以有效預防生物污染。
Part.06結 論
綜上所述，生物制藥設備和分離純化技術的研究是一個持續優化和創新的領域。其重點要充分分析產品與雜質，根據實際狀況匹配技術與目標，應用自動化程度高的設備工藝，通過科學的方式優化工藝參數，方可達到控制成本與效率的目的。而重點做好設備與分離純化技術要點的深入研究，是實現高質量、安全、有效且具有成本競爭力的生物藥商業化生產的關鍵保障。
參考文獻
[1]姚中華.生物制藥工廠計算化系統驗證的誤區解析[J].流程工業,2025,(02):26-28.
[2]裘宗祺.Y生物制藥公司實驗設備管理效益改進研究[D].西南大學,2024.
[3]王駿.生物制藥設備和分離純化技術研究[J].中國設備工程,2024,(14):242-244.
[4]張磊,王明.生物制藥工藝設備故障預防研究[J].中國設備工程,2024,(01):120-122.
[5]王若谷.生物制藥設備和分離純化技術[J].當代化工研究,2021,(10):39-40.
