在单克隆抗体（mAb）等各种生物大分子的下游处理过程中，过滤是细胞收获、缓冲液交换等许多单元步骤中最普遍存在的操作。而围绕过滤及膜相关的各个过程，都会很大程度影响工艺的稳定性和最终产品的产率和质量，因此需要对这个过程进行充分的研究。

缓冲液交换是一种改变或去除生物产品的溶剂或缓冲环境的过程，其包括两个独立的步骤，即超滤(Ultrafiltration，UF)和渗滤(Diafiltration，DF)，简称为UF/DF。超滤（UF）旨在通过减少或去除不被需要的溶剂完成初步的浓缩，再通过添加新的缓冲液达成缓冲液交换的目的，这一过程由深滤（DF）来指代。UFDF的目标是实现合适的目标产品浓度（如抗体、重组蛋白等）和缓冲液成分，是制剂研究前的最后一步，所以目标的实现至关重要。

传统的UFDF工艺开发需要进行很多批次的小规模实验以完成工艺参数的确定和优化。这些实验通常需要7-8小时的操作时间，每个实验需要大约500ml的工作体积。过滤前后的溶液组分浓度使用紫外来进行采样检测（A280），同时，如果需要对颗粒及浊度进行优化，则需要使用浊度计、粒度仪等完成离线测量。在这些参数的检测过程中需要频繁的取样和制样，这会极大的延长每次实验所需的时间。除此之外，样品是否具有代表性、样品制备可能影响结果、原液的消耗、不当工艺导致的产品质量影响（活性降低、结块等）及潜在的膜污染等都是取样和离线检测不可预测的问题。

在缓冲液交换这一步骤中，存在着很多工艺上的挑战。浓缩后的高蛋白浓度条件（>100 g/L）会带来很多操作上的难度，颗粒的形成、浊度的增加、高压及流量的降低等都要求对整个过程进行深入和全面的理解；目标蛋白浓度以及其他组分的浓度的检测也不像想象中简单，比如当蛋白浓度超过150 g/L时，紫外检测的准确性和精确度都会下降。

在传统工艺研究中，面对以上挑战，研究人员只能通过改变工艺条件来实现，如改变缓冲液成分、调整目标产品浓度等。而生物制药行业的众多先行者已经在其下游工艺开发中积极使用PAT工具，来简化、加速并且更加全面的研究UFDF的过程，通过全过程的在线组分浓度和颗粒数据完成对过程的充分理解，从而实现以更少的实验优化更好的工艺。

图3 使用在线红外和拉曼技术原位监控UFDF全过程组分浓度变化

阿斯利康（AstraZeneca）、葛兰素史克（GSK）等在其mAb下游过程的UFDF工艺开发中也遇到了传统工艺带来的挑战。是否可以提高对UFDF过程的完整理解？浓缩后颗粒的形成是否是可逆的？低蛋白浓度条件是否对浊度和颗粒形成有影响？为了解决这些问题，他们使用梅特勒托利多的PAT工具进行了相关的研究。

以上为梅特勒托利多在线过程及颗粒研究PAT工具

在GSK的研究中，根据高/低pH环境和不同蛋白浓度条件，其设计了不同的实验以追踪在UFDF工艺中UF1、DF、UF2的过程中组分浓度和颗粒形成的变化。在线颗粒检测仪ParticleTrack、在线颗粒录影显微镜EasyViewer和原位拉曼光谱仪ReactRaman被安装到保留容器或管道中，原位傅里叶转换红外光谱仪ReactIR则已流通池探头的形式被安装在流出液管道中。

图5 使用梅特勒托利多PAT工具全面标准UFDF过程

在仅仅3个实验后，相关研究就被完成，与原工艺条件相比，研究效率大大提高。其研究证明了颗粒尺寸和数目信息可被EasyView和ParticleTrack在线监测；蛋白质和其他组分的浓度则可被ReactIR和ReactRaman原位监测：安装在流出液管道中的ReactIR可以直接且准确的测量缓冲液组分的浓度变化；而ReactRaman则精确的给出了实时的药物浓度。

原位红外和拉曼光谱仪提供的实时浓度信息以及原位颗粒信息对于快速、准确的完成UFDF工艺的研究和优化起到至关重要的作用。无论是为了确定缓冲液交换的终点、明确各工艺参数的影响还是膜材料及孔径的选择，梅特勒托利多的PAT工具都能带来新的价值。