TFF是切向流過濾，它是一種壓力驅動的，根據分子尺寸的膜分離過程。用TFF，樣本混合物不是像直流過濾那樣被強迫通過一個單一的通路來通過膜。而是流體通過多次再循環的方式，切向通過膜的表面。這種由施加壓力帶來的“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分子得到了保留，然而小分子和緩沖液通過了膜。切向流過濾是一種濃縮和脫鹽10ml到幾千升樣本溶液的有效方法。它可以用來從小的生物分子中分離大的生物分子，捕獲細胞懸浮液以及澄清發酵液和細胞裂解物。TFF可以應用于一系列應用包括蛋白質化學，分子生物學，免疫學，生物化學和微生物學。本文將對切向流過濾技術的原理，主要參數和應用進行重點介紹。

常規過濾是指在壓力的作用下，液體直接穿過濾膜進入下游，而大的顆粒或分子則被截留在膜的上游或內部，小的顆粒或分子透過膜進入下游。在這種操作方式下，液體的流動方向是垂直于膜表面進入下游的，所以也有人稱之為“死端過濾”（Dead End Filtration）。常規過濾的應用包括澄清過濾、*過濾和除病毒過濾等等，不是本文討論的重點。而切向流過濾則是指液體的流動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濾膜進入下游，這種操作方式也有人稱之為“錯流過濾”（Cross Flow Filtration）。由于切向流在過濾過程中對膜包的表面進行不停的“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用中具有獨特的優勢。

切向流（也稱為“錯流”）過濾中，泵推動流體通過濾膜表面，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，切向流體也會產生垂直于濾膜的壓力，推動溶質和小分子通過濾膜。如此方能完成過濾。利用細分篩網分離沙子與鵝卵石的模擬試驗，有助于理解切向流過濾的機理：篩網眼象征濾膜上的孔隙，而沙子與鵝卵石象征待分離的分子，在直流過濾中，沙子－鵝卵石混合物被迫向著篩網眼方向移動，隨著一些較小的砂粒通過篩網眼落下，在篩網表面形成一個鵝卵石層，阻礙頂部砂粒向篩網方向移動并通過篩網眼（圖1），在直流過濾中，增加壓力，僅能對混合物施加壓力，而無助于分離的促進；相比之下，在切向流過濾模式中，通過混合物的再循環防止限制層的形成，此再循環類似于：振動以去除阻塞篩網眼的鵝卵石，使得位于混合物頂部的砂粒落下并通過篩網眼。因此，利用切向流過濾進行生物分子分離，效率更高，濃縮或滲濾速度更為快捷。

利用細分篩網分離沙子與鵝卵石

(A) 對混合物施加直接的壓力，使得底部砂粒落下；在篩網表面形成一個鵝卵石層，阻礙頂部砂粒向篩網方向移動并通過篩網。

(B) 振動篩網，破壞位于混合物底部的積聚鵝卵石層，使完全分離得以進行；切向流過濾中，進料流的錯流動力學作用，就相當于此例中的振動。

從濾膜的截留孔徑進行分類，可以將過濾分為澄清過濾、微濾、超濾和反滲透等等。

相應的，將不同孔徑的濾膜采用切向流的操作方式進行過濾，即可稱之為切向流微濾、切向流超濾等等。

下圖為經典切向流過濾系統的示意圖和實物圖，通常包括泵、膜包和夾具、貯罐、連接管件以及閥門和壓力表等。

經典切向流過濾系統示意圖和實物圖

在進行TFF操作的時候我們經常會遇到一些問題：比如目標蛋白回收率低，過濾一段時間之后進口端壓力增高等等，如何有效的解決這些問題呢？我們必須要清楚切向流過濾的幾個重要參數及他們之間的相互關系，確保通過實驗條件的摸索和優化來確定適合樣本的實驗條件。這幾個參數歸納起來就是2個壓力參數和2個流速參數。

主要參數介紹

（說明：PF = 進液壓力，PR = 回流壓力，Pp = 透過壓力）

壓差是進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實驗我們關注的是壓差，跨膜壓，切向流速等，這幾個參數是緊密聯系在一起的，壓差決定切向流速和切向流速率，當壓差一定的情況下，切向流速和切向流速率是恒定的，跨膜壓是控制液體過濾的速度的，所以我們要控制進口端壓力和回流壓力，這兩個壓力決定了TMP和壓差，而當壓差/切向流速恒定的情況下，TMP就成了切向流工藝中的關鍵因素，需要進行優化。 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。切向流帶來的沖刷行為將顆粒從膜表面帶走。進口端壓力和切向流速（切向水通量或回流速），當你增加切向流速，你就同時增加了在進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。部分關閉回流閥會增加TMP，*終推動液體通過膜, 回流閥關閉的越多，TMP越大，從而透過的液體增加的越多。對于大部分超濾應用來說，透過液閥門是開放的。

下面我們簡單介紹幾個關鍵的實驗因素

1、膜材質

經典超濾膜電鏡照片

對于超濾膜材質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，選對正確的濾膜是進行切向流實驗的基礎。

目前市場上常見的濾膜選擇如下：

超濾膜起過濾作用的是一層非常致密的皮層結構，一般小分子物質非常難進入濾膜，所以，超濾膜通常是污染物質堆積在濾膜表面，那么操作超濾時，需要控制流速來沖刷濾膜表面，優化壓力來調節濾出速度。

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

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

從反復使用的清潔角度講，支撐層孔徑大，可以在適當的溫度下進行徹底清洗，同時可以達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，同時存在很高的清洗不凈也就是污染的風險大大提高，此時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型。在Pall的膜包操作和維護手冊中，我們對每種膜包和不同流道類型都提供了推薦的切向流速。總的來說，在跨膜壓不變的情況下，提高切向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。所以需要根據具體的應用來優化實驗從而得到流速和產品回收兩全的方法。

3、跨膜壓

是不是跨膜壓越高越好呢，理論來說，純水過濾的話，跨膜壓越高，過濾速度越快，但是實際上，處理料液過程，跨膜壓會有一拐點，再提高濾速也不會加快。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來進行實驗，確保效率*。

在恒定流量的切向流過濾實驗中，通量與跨膜壓之間的關系可以分為兩個階段（如圖5）。*初時，影響通量的僅僅是濾膜的阻力，所以當跨膜壓增加時通量會呈線性增加，稱為壓力相關區或膜控制區。隨著跨膜壓的不斷增加，濃差極化現象加劇，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，通量不再升高，稱為壓力不相關區或凝膠層控制區。

當選擇的跨膜壓處于凝膠層控制區時，通量可以達到*化，所需的濾膜面積也可達到*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。因此，優化的跨膜壓值應該取在曲線的拐點處和之前。此時，濾膜還未被完全濃差極化，通量值也相對較高。

切向流實驗中典型的濾過速度和跨膜壓的關系

切向流過濾技術正在中國如火如荼，如何針對自己具體的實際應用來選擇適合自己的切向流產品，是*為重要的*步。選擇好了合適的切向流過濾系統并進行合理的參數配置和優化可以使您今后的實驗工作事半功倍。作為過濾行業的技術先鋒，Pall公司多年來對切向流過濾技術從實驗室規模到生產規模都進行了深入的研究，并針對中國開發了大量針對具體應用的實驗方法，包括海水研究，病毒分子研究，蛋白/多糖類分子研究，抗體研究，中藥研究，血液研究等，而且全球已經有海量文獻發表。