5个问题读懂压力流速曲线！解锁填料的“抗压”密码

来源：Cytiva（思拓凡）分类：操作使用

2025-05-08 09:15:17 6阅读次数

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在生物制药下游工艺的战场上，填料的“抗压性能”就像一位沉默的守护者——它可能成为放大成功的坚实后盾，也可能在关键时刻成为工艺失败的致命弱点。

而这一切的答案，都隐藏在那条看似简单的压力流速曲线之中。

今天，让我们通过5个关键问题，深入解读这条曲线的奥秘，掌握填料抗压性能的核心密码。

什么是填料的压力流速曲线？

填料的压力流速曲线是描述溶液通过层析柱时压力与流速关系特性的曲线。在低流速范围内，压力与流速呈现近似线性关系，当流速不断增加，曲线斜率增加，有可能出现压力平台区。

图1： MabSelect SuRe LX在不同柱直径和不同柱高下的压力流速曲线¹

如何测定填料的压力流速曲线？

填料的压力流速曲线可以通过开放柱床（即顶部适配器不接触胶面）和填充好的柱床测定，其中开放柱床得到的曲线主要用于确定临界流速和临界压力，而已填充好的柱床的压力流速曲线常用来预测填料的最大操作流速和最大操作压力。

开放柱床压力流速曲线的测定

通过测量柱床压缩和压力降随流速的变化（图2）完成分析。实验可在透明柱管中进行，以便观察床高度。同时可以在装柱缓冲液和工艺运行温度下进行。替代方案是使用室温的水进行测试，同时监测并记录温度，以便将数据转换为其他液体的结果。

将填料倒入层析柱，以低流速（30-60 cm/h）固定柱床并测定柱床高度作为参考点；随后停止流速，将顶部适配器置于胶面上方1-3 cm处，逐步增加流速并记录稳定状态下的柱床高度和压降。

因为参考点是通过流动沉降而非重力沉降的方式测定，因此柱床的压缩程度用PF表示（参考点柱床高度与高流速下柱床高度的比值）。通常在零流速到临界流速间采集至少6个数据点²。

图2：层析柱（蓝色）和开放柱床（红色）的压力流速曲线示例。绿色曲线的PF可用于确定装柱时最大装柱流速和装柱参数

层析柱压力流速曲线的测定

使用已填充好的压缩后的稳定柱床进行测试，通过逐步增加流速并记录压力降的升高，完成压力流速曲线的绘制。

如图2蓝色曲线所示，这一数据可以得到层析柱操作压力超过额定压力时的流速，以及柱床压缩至产生水层的流速，也可以判断流速和压力极限是由填料还是层析柱决定。

如何确定填料的最大操作流速和最大操作压力？

在开放柱床的压力流速曲线中（图2红色曲线），曲线斜率趋于无穷大时的流速为临界流速V_crit，对应的压力为临界压力P_crit，取临界值的70%为最大装柱流速V_max,pack和最大装柱压力P_max,pack。类似的，最大操作流速和压力为V_max,pack和P_max,pack的70%。

影响填料压力的关键因素？

层析柱的压差对其性能至关重要，这一压力与线性流速、溶液粘度以及柱床高度、渗透率等因素相关。而柱床的渗透率不仅取决于填料的粒径，还与柱床的可压缩性及实际压缩程度相关。

当然，柱壁效应、柱床整体均匀性等也会影响整体渗透率和压降。另外，由于填料本身具有一定可压缩性且孔隙率在柱床内分布不均，其变化难以预测。因此，需通过实验测定柱床压缩引起的压降变化，也就是我们前文提到的压力流速曲线。而且，即便是同样粒径的填料，不同基架、不同材质所产生的压力变化也是不尽相同的。