選擇超濾膜的幾點原則
超濾膜標定的分子質量并不代表絕對的截留。為特定的應用選擇超濾膜時，需要遵循一些原則：
- 所選超濾膜分子質量應該是要截留的產品分子質量的1/3~1/5;
- 要把兩種組分分開，二者的分子質量最好相差5倍以上。
對于高污染原料，超濾膜對尺寸相近的蛋白質截留較高。另外，在高TMP下操作，因為在膜的表面蛋白質濃度增加，膜的截留效率較低。因此，對于不同的原料和不同的超濾過程，膜的截留效率都是不同的。
一般為了選擇出最佳膜包，需要用兩種以上的膜進行試驗，從而選擇高截留率的膜，滿足對收率的要求。在濃縮和透析時，由于不是百分之百的截留，所以產品會從膜上漏過，這是一個逐漸積累的過程，假如截留效率是恒定的，一批產品經過超濾濃縮和等體積透析后的損失，可以按如下方法計算。
產品損失(%)=100*(1-e(R-1)(lnVCF+N))
當超濾目的是體積濃縮20倍(VCF)、7倍體積透析、產品的漏過損失不能超過7%，那么InVCF+N等于10。當選擇的超濾膜對產品的截留率是0.99，則總的漏過損失為9.5%，就是圖中的A點，表明沒有達到收率目標;如果依然使用這種膜，為了減少收率損失，就不得不減少濃縮倍數或透析倍數，比如透析倍數減少到4.3,此時InVCF+N等于7.3,產品總的漏過損失為7%，見圖中的B點，但是，此時透析的水平大大降低了。要想在不改變工藝條件的同時，減少產品損失，就要選擇截留率更高的膜，比如截留率為0.999的膜，此時，lnVCF+N仍然是10,產品的漏過損失卻降低到1%,見圖中C點。大多數情況下，在濃縮和透析時膜的截留率是不同的，這一點非常重要，如果在濃縮和透析過程中，膜的截留率發生了變化，產品的漏過損失就分別由濃縮和透析兩個不同的截留曲線來決定，總的漏過損失，是二者之和。
決定參數及優化思路
一個切向流過濾的生產工藝由許多參數決定，其中關鍵的工藝參數有切向流流量、跨膜壓(TMP)、透出液控制、膜面積和透析條件等。這些參數既相互影響又相互制約，要同時達到提高生產效率和節約成本的目的，就必須首先對這些參數進行優化。這些參數通常需要由經驗、實驗以及具體工藝的需要和各種限制因素結合起來才能確定，因此，切向流過濾系統的參數優化是一個相當復雜的過程，下面將簡單介紹幾個關鍵工藝參數的優化思路。
切向流流量優化
切向流流量很大程度上取決于所選用的不同膜包和湍流流道的類型。在膜包操作和維護手冊中，對每種膜包和不同流道類型都提供了推薦的切向流流量。總的來說，在TMP不變的情況下，提高切向流流量可以增加切向流對濾膜表面的“清洗”作用、緩解濃差極化，從而使透過液的流量提高。但是，過高的切向流流量也會使產品所受到的剪切力增加，從而可能導致產品的活性下降。此外，較高的切向流流量還可能需要配置更大的泵和更大直徑的管道，這些都會導致硬件設備成本和系統死體積的增加，而后者會使產品的收率下降。因此，在選擇切向流流量時，需要綜合平衡通量的增加和可能導致的產品失活、收率下降和硬件成本增加的問題。
跨膜壓優化
在恒定流量的切向流過濾工藝中，通量與TMP之間的關系可以分為兩個階段(圖2.96)。最初時，影響通量的僅僅是濾膜的阻力，所以當TMP增加時，通量會呈線性增加，稱為壓力相關區;隨著TMP的不斷增加，濾膜逐漸被濃差極化，部分增加的TMP被濃差極化層的阻力所抵消，因此通量的增加逐漸變緩;直至最后，濾膜被完全濃差極化，所增加的TMP被濃差極化層的阻力完全抵消，此時，通量不再升高，稱為壓力不相關區。
當選擇的TMP處于壓力不相關區時，通量可以達到最大化，所需的濾膜面積也可達到最小，但此時已經在濾膜表面形成了濃差極化層，此處的溶質濃度可能已經到達了其可溶解的極限，可能因此導致產品收率的下降。此外，濃差極化的后期可能導致堵塞，會引起通量不可逆轉的下降。
圖2.96通量與TMP的關系
因此，優化的TMP值應該取在曲線的拐點處，此時，濾膜還未被完全濃差極化，通量值也相對較高。
透出液控制
在許多孔徑較小的切向流超濾應用中，僅對流量和回流壓力進行控制，而不對透出液進行流量控制，這是一種最為簡單的控制方式，通常用于產品存在于回流液中的操作。然而，在某些應用中，透出液控制會比簡單控制流量和回流壓力更有效。例如在孔徑比較開放的切向流微濾應用中，有時僅在很小的TMP下，透過液就可以達到很高的流量，僅有非常小部分的液體作為回流液。此時，雖然獲得了高通量，但這種操作與常規過濾方式相當接近，失去了切向流操作方式的優勢。在這種情況下，經常會形成嚴重的濃差極化現象，此時，必須對透過端通量進行控制，從而減小TMP和透過液的流速，避免產生嚴重的濃差極化。
透出液控制需要在透過端安裝泵或閥門(圖2.97)，該系統除了減小透出液流量從而保證產生足夠的切向流量外，還可以在不改變回流壓力的情況下增加透過端的壓力，從而減小TMP。
膜面積的確定
在確定了通量和處理體積之后，還需要確定濾膜的面積。由于通量是透過液流量除以膜面積和工藝時間，因此，在流量和通量一定的情況下，膜面積和工藝時間會相互影響。延長工藝時間可以減小膜面積，降低成本和減少系統的死體積。但是，工藝時間的延長增加了產品失活和發生微生物污染的風險。
膜面積=過濾體積/通量×處理時間
在上述公式中，通量可能會在工藝過程中發生變化(特別是在濃縮操作中)，所以需要計算一個平均的通量值。在工藝放大計算膜面積時，通常會設置一個安全系數，這是為了盡量減小批次間的差異對切向流過濾工藝產生的影響。在一般情況下，這個安全系數至少需增加20%的膜面積。當然，也可以結合實際工藝的情況增加或減小這個安全系數。
透析優化
如果工藝中涉及到透析步驟，首先需要選擇透析的方式。最常見的透析方式有批次透析和等體積透析兩種。批次透析是指將透析緩沖液以一定體積加入樣品罐中，然后濃縮至某一體積時再次加入透析緩沖液，不斷重復，直至達到透析要求為止。等體積透析是指在透析過程中，保持透出液流出和透析緩沖液加入的流速一致，在等體積透析過程中，回流液體積保持恒定。需要明確的是，批次透析的方式在緩沖液置換時，效率不如等體積透析高。此外，不斷變化的料液濃度會使優化過程難以進行。因此，等體積透析是更為常用的優化透析方式，在緩沖液置換的過程中，等體積透析效果要明顯優于批次透析(圖2.98)。
選擇了透析方式之后，還需要確定在什么濃度進行透析。在濃縮工藝中，由于濃度的增加，通量通常會逐漸減小。低濃度下進行透析可以獲得較高的通量，但透析體積會比較大，此時在工藝時間一定的情況下，會需要較大的膜面積和較多的緩沖液;在過高的濃度下進行透析時，可以節省緩沖液的用量，但由于通量太低，在工藝時間一定的情況下，所需要的膜面積仍會較大。因此，需要在一個合適的濃度下進行透析，從而使膜面積或者工藝時間得到最優化。
一種常見方式是用通量降為零時所對應的大分子濃度值(稱為凝膠點，Cgcl)除以自然對數的底數e(e=2.718),所得到的濃度值作為優化的透析點。這種計算方法僅適用于通量衰減和濃縮倍數的對數值呈標準的線性關系時進行找到優化透析點的近似值。
在標準的壓力控制的切向流過濾工藝中，也可以采用另外一種更為準確和普遍適用的方法來得到優化的透析點。方法是選取濃縮過程中不同濃度的點，以優化參數對產品濃度作圖(圖2.100)，其中優化參數=C×Jf;C為產品濃度;Jf為膜通量。
圖2.100優化透析點的確定方法(二)
取曲線中優化參數值最高點的濃度為優化透析點的濃度，在該濃度進行透析，工藝時間一定時所需膜面積最小。在某些情況下，相同濃度的溶質在不同緩沖液中的通量值可能會有較大差異。此時，可在兩種緩沖液條件下分別作圖，為安全起見，選擇兩個優化透析點中濃度較低的一點作為優化透析點，而實際的優化點往往位于兩者之間，因為透析是一個緩沖液成分逐步變化的過程。
優化透析點只是獲得最小膜面積的理論點。在實際工藝中，需要根據情況進行調整。比如，在優化透析點時，回流液的體積已經小于最小循環體積或者此時產品已失活，就需要降低透析點的濃度。以較多的緩沖液用量和較大的膜面積使工藝得以順利進行。
切向流過濾工藝的優化是工藝選擇和放大的第一步，也是最為重要的一步。選擇合適的切向流過濾系統并進行合理的參數優化可以使工藝更為經濟和有效。
