本文通过研究生物制药核心设备，本研究系统剖析生物反应器、层析系统、超滤装置等相关生物制药核心设备的设计验证原则，探究了离心、层析、膜分离等相关分离纯化技术的工艺优化路径。通过离心-过滤、连续流层析、多模式层析的技术联用策略，提出：设备端应用层析柱装柱均一性，其中HETP≤2倍粒径的方式则可以有效预防沟流；技术端主要应用连续流层析则可以有效提高综合性能，而基多模式层析（Capto MMC）载量达80 g/L。因此，在生物制药设备以及分离纯化技术应用中，要综合实际状况，探究现代化技术手段，旨在构建高效、稳健、合规的生产体系。
Part.01前言
生物制药行业在发展中要聚焦设备运行瓶颈以及分离技术局限等因素，通过集成设备创新化技术手段，利用模块化工厂、预测性维护等多种方式进行动态管理。通过离心-深层过滤-MCCS、数字化管理等方式进行技术联合，则可以构建高效化、规范化以及标准化的生产体系。
通过相关研究可以发现，目前对于生物制药设备和分离纯化技术的相关研究较多。其中，姚中华[1]的研究聚焦运营阶段问题，提出了安全管理依赖通用SOP、备份忽略关键参数，例如软件配置、缺乏风险分级回顾机制。基于实际状况提出了"软件+参数+数据"全备份、动态风险评估周期的优化方案。而裘宗祺[2]重点研究了实验设备管理效益，提出全生命周期数字化管理：采购阶段量化利用率，其中预约率≥90%，维护阶段用传感器预测故障，有效降低了30%，开发B/S平台降低闲置率，其中为35%→12%。王骏[3]研究的重点是设备与分离纯化技术，通过对生物反应器、层析系统的分析，了解其验证要点，及离心、超滤、层析等技术原理与应用，强调疫苗/血制品生产中的质量控制。而张磊、王明[4]研究的重点则是设备故障预防，通过基于六西格玛DMAIC模型：Define故障KPI→Measure振动/温度数据→Analyze高风险点→Improve维护计划，结合LSTM预测故障，其准确率92%。
王若谷[5]实现了技术整合与装置创新 ，提出了优化连续流层析，省时40%左右。离心-过滤联用，其提速50%；开发集成装置，利用离心甩渣+两级过滤+蒸馏提纯的方式进行处理，PLC自动控制实现99.9%纯度。
生物制药设备始终贯穿整个生产过程，在上游发酵/细胞培养、下游分离纯化、制剂灌装等各个流程中具有重要的作用，在应用中其要点必须要保障可以有效满足生物药生产的要求。
2.1 材料兼容性与生物相容性
保障生物制药设备与物料接触的部分，例如管道、罐体、滤膜、色谱柱等必须要根据技术要求，应用惰性、无毒、无浸出物且无吸附性的材料，其主要包括316L不锈钢、特定聚合物以及玻璃等材质。材料与产品、缓冲液以及清洗剂等必须要根据要求进行兼容性测试，重点评估浸出物延长可提取物对产品质量、安全性等产生的风险隐患，强化生物负载控制。
2.2 无菌性与密闭性
重点要防止微生物、内毒素、外来微粒污染。因此，在设备的设计中要应用便于清洁、灭菌，始终保障无菌状态。在研究中要重点做好无死角、容易排水的无菌设计。基于清洁验证（CIP）、灭菌验证（SIP）方案对其进行优化处理。例如，可以通过一次性使用技术（SUT）进行验证处理。而通过密闭系统操作，可以合理利用无菌连接、断开技术进行处理。
2.3 可清洁性
设备设计要保障符合要求，便于清洁，可以有效去处除残留物，避免出现交叉污染以及微生物滋生等问题。
在研究中，要将表面光洁度作为重点，基于CIP系统设计，优化喷淋球覆盖率、流速、压力等参数。根据要求确定清洁剂以及效果，保障符合设计要求。
2.4 自动化与过程控制
在设计中充分提高工艺一致性，有效减少效率以及人为操作的错误。通过智能化技术进行处理，实现数据智能化采集、动态监控以及报警，综合性控制。在设计中重点就是通过PLC/DCS/SCADA系统集成化管理，保障其符合GAMP5的计算机化系统验证，其中关键工艺参数（CPP）利用在线/近线监测实现动态控制，充分分析pH、DO、温度、压力、电导、UV、浊度等基础信息参数，利用自动化批次实现综合控制。
2.5 可扩展性与模块化
工艺与设备在应用中必须要根据实际状况进行平滑放大或者转移处理，其中模块化设计可以有效满足生产需求，实现智能化调控。在设计中可以基于恒定kLa、P/V、混合时间、切向流速/膜面积比等相关参数，进行优化处理，根据实际状况进行调控，利用工程化的方式进行模块化预制，便于实施。
Part.03关键技术分类与核心原理
3.1 离心分离
主要就是利用密度梯度差异达到分离细胞碎片、胞内产物以及相关杂质的目的。在应用中其主要就是应用连续流离心机控制转速3000-10000×g以及进料流速进行处理，这样则可以有效避免剪切力损伤产物。此原理主要就是在疫苗生产中的细胞收获、血液制品澄清中应用。
3.2 深层过滤
利用孔径为1-10 μm进行截留，可以达到吸附以及去除微小颗粒的目的。在应用中要根据实际状况优化滤材组合，通过粗滤、精滤的方式进行处理，可以有效提高载量50%。同时，在操作中要重点控制压差，保障其 <2 bar，这样则可以有效避免防滤膜破裂等问题的出现，此种技术主要用于单抗收获液澄清等相关操作。
3.3 层析技术
利用亲和层析，如Protein A等方式进行处理。主要是利用生物特异性结合抗体Fc段，这样则可以一步捕获纯度>95%。在处理中要中重点做好风险控制，应用 pH 3.0-3.5的低pH洗脱操作中，必须要对其快速中和，方可有效避免抗体聚集等问题的出现。其中离子交换层析（IEX）主要就是基于电荷差异精纯，达到消除宿主蛋白 ，使其<50 ppm。梯度优化处理的重点就是通过阶梯洗脱电导率5-50mS/cm，这样则可以平衡分辨率以及收率。而疏水层析在高盐条件下要综合疏水残基进行处理，则可以处理聚集体。在应用中要保障其盐浓度小于产物沉淀的临界点。
3.4. 膜分离技术
利用超滤/透析（TFF）技术进行处理，主要就是通过分子量截留达到缓冲液置换以及浓缩处理，其参数控制的重点就是保障跨膜压（TMP）<30 psi，其中切向流速>1 m/s，这样则可以有效避免浓差极化的问题出现。病毒过滤主要就是通过20 nm纳滤膜强制清除病毒，LRV≥4； 在操作中要重点论证其对≤20 nm病毒的截留能力。
Part.04生物制药设备和分离纯化技术要点
生物制药设备和分离纯化技术通过三步式纯化框架进行处理。其中，捕获阶段的重点保障亲和层析载量>30 g/L，缩短周期60%；精纯为IEX/HIC组合清除HCP、DNA；抛光主要就是通过分子筛（SEC）去除聚集体至<3%。 在应用中其主要技术如表1所示。
表1.生物制药设备和分离纯化技术要点
4.1 离心阶段
在应用中联合离心-深层过滤技术手段，操作中首先要先离心（3000×g）继而去除大颗粒，处理之后再次过滤除微渣，可以有效提高澄清50%的效率。离心阶段主要应用碟片式离心机进行处理，其可以在在3000×g离心力下分离细胞碎片（>5 μm）及大颗粒杂质；在处理中要保障进料流速≤50 L/h，规避剪切力对抗体片段等产物产生影响而出现断裂等问题。应当连续流层析（MCCS）技术进行处理，在操作中主要就是通过Protein A捕获串联阴离子达到交换的目的，通过此种方式可以有效减少中间储存，提高40%的产能。
4.2 深层过滤阶段
串联多级滤材，其中预过滤层主要包括了玻璃限位，其可以截留1-10 μm颗粒；而精滤层则主要就是利用纤维素/聚醚砜膜等材质，其可以截留0.22的μm微粒。在应用中可以根据实际状态适宜应用一定硅藻土助滤剂，这样则可以达到吸附微颗粒的目的。通过多模式层析进行优化，利用混合例子交换+疏水作用的联合应用，可以有效提高综合性能。
4.3 连续流层析（MCCS）
捕获-精纯串联主要是通过Protein A柱为动态载量>40 g/L，主要应用pH 3.5洗脱抗体；在线中和操作的重点就是在洗脱液之后立即注入中和模块，其中添加1 M Tris-HCl，pH 7.0，这样则可以有效预防聚集等问题的出现。阴离子交换柱要综合流穿模式，可以清除HCP、DNA。连续运行机制主要就是通过三柱循环，趋势当1号柱上样时，2号柱洗脱，3号柱再生；而在阀门切换时序主要为每15分钟轮转，重点做好规范化管理，方可有效保障进料的连续性。
4.4 多模式层析
其主要配基结构为季铵基团+ 苯基，具有离子交换以及疏水作用的作用。在应用中低盐条件下，季铵基团结合带负电蛋白；而在高盐条件下，苯基结合疏水杂质，例如聚集体等。
在操作中，其上样主要为料液电导率20mS/cm，这样则可以有效促进疏水结合。而其洗脱主要就是根据实际状况，通过阶梯增加盐浓度的方式进行处理。如0→1 M NaCl + pH梯度。梯度为7.0→5.0，通过此种方式进行优化，可以同步洗脱不同杂质。
Part.05生物制药设备和分离纯化技术风险控制
5.1 产物稳定性
保障在处理之后，通过层析洗脱后立即中和。例如，将pH 3.5中和为7.0，其时间<5 min，通通过此种方式进行处理，可以有效避免抗体变性等问题的出现。超滤过程添加 0.1 M精氨酸等相关稳定剂，则可以达到抑制聚集的目的。
5.2 杂质清除验证
重点处理宿主蛋白（HCP），通过ELISA检测限<1 ng/mL，其中目标残留<100 ng/mg则符合要求。 DNA残留主要就是保障qPCR定量<10ng/剂量；内毒素利用鲎试剂检测<0.1 EU/mg。
5.3 设备相关风险
- 层析柱必须要保障装柱均一性测试，其中HETP≤2倍粒径，方可有效避免沟流等问题的出现。过滤器要根据要求进行完整性测试，保障其起泡点≥3.5 bar，确保无菌方可应用。离心机主要就是通过 密闭设计+SIP在线灭菌，这样则可以有效预防生物污染。
Part.06结 论
综上所述，生物制药设备和分离纯化技术的研究是一个持续优化和创新的领域。其重点要充分分析产品与杂质，根据实际状况匹配技术与目标，应用自动化程度高的设备工艺，通过科学的方式优化工艺参数，方可达到控制成本与效率的目的。而重点做好设备与分离纯化技术要点的深入研究，是实现高质量、安全、有效且具有成本竞争力的生物药商业化生产的关键保障。
参考文献
[1]姚中华.生物制药工厂计算化系统验证的误区解析[J].流程工业,2025,(02):26-28.
[2]裘宗祺.Y生物制药公司实验设备管理效益改进研究[D].西南大学,2024.
[3]王骏.生物制药设备和分离纯化技术研究[J].中国设备工程,2024,(14):242-244.
[4]张磊,王明.生物制药工艺设备故障预防研究[J].中国设备工程,2024,(01):120-122.
[5]王若谷.生物制药设备和分离纯化技术[J].当代化工研究,2021,(10):39-40.
来源：Internet
关键词：
生物制药设备
分离纯化
