超滤浓缩是抗体、疫苗生产中的关键工序。通常大家的关注点聚焦在通量、收率、膜包寿命。但有时候参数调遍了，收率依然不理想。
问题可能出在一个剪切力这个因素上。它过高会导致蛋白聚集、回收率下降、可见颗粒增多、批间不一致。
这篇文章一次性讲透：超滤中的剪切力从哪来？怎么降低？供您参考。
剪切力从何而来？
超滤系统中的剪切力来源主要集中在三个地方。
泵的挤压与高速旋转：蠕动泵在反复挤压软管，尤其是在启动和升压阶段，瞬时剪切力可远高于稳态运行。普通离心泵或齿轮泵在高速运转时也会产生剧烈剪切。
过高的错流流速：很多人为了追求高通量，把错流流速调得很高。殊不知，错流流速与剪切力呈正相关，即流速翻倍，剪切力往往增加数倍。
局部节流与管路突变：阀门未全开、突然缩径、直角弯头、管路接口不对齐……这些细节会产生局部湍流和射流，剪切力在局部急剧升高。一味追求通量而忽视剪切力，最终损失的是产品质量和收率，得不偿失。
剪切损伤不会当场“崩盘”，但会以几种方式悄悄影响生产。
收率下降：蛋白被剪切后部分解折叠或聚集，聚集体容易被膜截留或形成沉淀，可能会导致项目收率降低。
聚集体超标：高剪切力容易引起超滤后聚集体升高，一旦在超滤步骤引入了聚集体，后续的层析等精纯步骤很难完全去除，等于给后工序挖了一个坑。
膜污染加速：剪切引起的蛋白聚集和吸附会加速膜污染，表现为通量快速衰减、清洗周期缩短。膜包或中空纤维的更换频率增加，直接推高生产成本。
批间不一致：不同操作人员、不同批次的泵速设置差异，可能导致批间剪切暴露不同，最终产品聚体水平忽高忽低。
设备选型是第一步。设备的整体设计与布局，直接决定了系统“天生”的剪切力水平。需要说明的是，“低剪切”不等于零剪切，而是在保证通量的前提下，把剪切控制在分子可承受的范围内。
目前市面上，有些超滤系统已经把“低剪切”作为核心设计目标之一。以楚天源创的增压式超滤系统为例，几个设计点值得关注：
创新流路设计：采用增压式专利设计替代传统设计中的回流端比例阀，避免了阀门开度变小造成的截面积突变和局部湍流，使流道内流速分布更均匀、流动更平稳，从而有效降低了局部高剪切区的产生。
低死体积管路设计：采用堆叠式管路结构，有效降低了系统死体积，缩短了产品在管路中的滞留时间，减少了物料在整个超滤过程中承受剪切暴露的总时长（即γ·t值），对剪切敏感分子尤其有利。同时，循环罐内的回流/补液管路采用内伸管设计，延伸至罐体底部并贴壁安装，有效避免泡沫产生和气液混合，降低了因高流速冲击造成的高剪切风险。
CFD仿真优化：研发阶段通过CFD（计算流体动力学）仿真对系统流道进行分析，直观识别流速梯度过大、湍流强度过高的局部区域，从而在设计阶段进行针对性优化，消除潜在的高剪切风险点。同时，CFD仿真也确保整体流场分布更加均匀，避免因流动不均导致的局部剪切力升高。
如果您正在考虑采购新设备，除了看参数表，技术交流时多问几个问题可能会有帮助：
针对我们的产品特点，你们做过哪些类似的项目？
一般而言，系统里剪切力较高的位置有哪些地方？有没有具体的测试数据，你们用了哪些设计来降低剪切力？
如果希望在保持通量不降的前提下降低30%剪切力，您建议调整什么参数或更换什么部件？
即使不换设备，工艺参数上也有几件事可以做。这些方法在不少项目中验证过，效果比较明显。
降低错流流速：错流流速越高，剪切力越大。这个关系很多人知道，但实际生产中往往不敢降，怕通量掉得太厉害。
一个值得尝试的做法是：把错流流速从5–7 L/min/m²降到3–4 L/min/m²，同时适当提高进料压力来维持通量。建议先做一个小规模的对比实验，看看收率和时间的平衡点在哪里。不少案例显示，这样做剪切力可降低30%–50%，而总工艺时间只延长10%–15%。
阶梯式启动：启动时直接跳到目标流速，会产生一个瞬时高剪切峰值。
可以改成分步启动：30%保持1分钟→ 70%保持1分钟→ 100%正常运转。这个简单的操作能有效削峰，如果软件支持阶梯式自动程序就更方便了。
减少循环次数：每多循环一次，产品就多一次剪切暴露。优化浓缩倍数和洗滤体积设计，尽量减少不必要的循环。有时候把两次洗滤合并成一次连续洗滤，效果会明显不同。
避免气液混合：进料罐液位最好保持在20%以上。气液两相流的剪切力，可能高达纯液相的几倍甚至几十倍，这是很多人没有意识到的风险点。
恒流优于恒压：在通量允许的条件下，优先使用恒流模式而非恒压模式。这样做可以避免跨膜压力（TMP）波动带来的剪切剧烈变化，运行更平稳。
很多人可能会问一个问题：“我的系统剪切力最低可达到多少？”。
这个问题其实很难回答，因为剪切力在不同位置差异很大。建议是别追求一个“绝对数值”，而是建立一套以产品为依据的评价方法。关键就看这些指标：
聚体变化:超滤前后取样，用SEC-HPLC检测聚体比例。很多项目以Δ聚体≤ 0.5%作为可接受标准。这是最直观、也最容易被监管接受的证据。
活性回收率:对于酶或抗体，超滤前后的活性回收率也是一个有力证据。活性下降超过10%，就要警惕剪切损伤的可能性。
剪切率×滞留时间(γ·t):这个指标不适合直接判断“好不好”，但适合在不同设备或工艺之间做横向比较。比如你想评估新设备是否比旧设备剪切更低，可以算一下这个值。
现场观察法:运行过程中注意跨膜压力(TMP)曲线。如果曲线出现异常抖动或阶梯式上升，而不是平稳变化，提示可能存在剪切引起的膜污染或蛋白聚集。
尾声
剪切力在超滤纯化中是一个“看不见但感受得到”的因素。它不会像设备压力过高那样，产线立刻报警，但它直接影响收率、质量一致性和生产成本。
以楚天源创为代表的国内生物制药装备企业，正在把“低剪切”从一个概念变成可验证的系统工程。从流体仿真到流路创新，这些技术的成熟，让药企在保证产品质量的前提下，有了更多元、更可控的设备选择。
希望这篇文章能帮您多了解到剪切力这个因素，在超滤过程中少走一些弯路。
