高粘度tff裝置設(shè)計的制作方法
【專利摘要】公開用于高粘度液體切向過濾的裝置。對于給定的通道長度和寬度(由過濾盒設(shè)計相對確定)，其可以通過增加通道高度或降低通道流體阻力來降低通道壓降。其可通過在篩中使用更大直徑的纖維、增大包覆成型的篩上的成型邊緣或邊框的厚度或在非包覆成型的篩中使用更厚的非織造物作為間隔物來增加通道高度。由于篩被模壓到膜表面中，有效的通道高度還受膜的硬度以及篩中的纖維的影響。
【專利說明】高粘度TFF裝置設(shè)計
[0001]本申請要求2011年12月9日提交的美國臨時專利申請第61/568，882號的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其全部內(nèi)容通過弓I用并入本文。
[0002]本發(fā)明涉及用于切向流過濾(TFF)的裝置。更特別是，其涉及與高粘性流體一起使用的TFF裝置用進(jìn)料篩。
[0003]發(fā)明背景
[0004]基于膜的切向流過濾(TFF)盒(cassette)用于含有蛋白質(zhì)大分子的流體流的凈化、濃縮和提純。在TFF中，蛋白質(zhì)流體沿膜的表面切向泵送。施加的壓力用來迫使一部分原料流穿過膜表面至過濾側(cè)。顆粒和大分子被截留在截留物側(cè)。沿兩個膜之間的通道長度的進(jìn)料流引起從進(jìn)料至截留物端的壓降。在蛋白質(zhì)溶液濃縮過程中，TFF盒的從進(jìn)料側(cè)至截留物側(cè)的壓降隨著溶液粘度的增加而增大；同時，隨著溶液粘度變得更高，流量減小，所述流量由其穿過的膜面積的標(biāo)稱體積流定義。
[0005]膜間隔物如篩是顯著影響傳質(zhì)性能和壓降的TFF模塊的不可缺少的部分。篩是由于提高的壁切應(yīng)力和促進(jìn)渦流而增大傳質(zhì)速率的湍流發(fā)生器。然而，它們也增大進(jìn)料口和截留物口之間通道內(nèi)的壓降。
[0006]TFF裝置可具有不同的篩，以適應(yīng)具有低粘度和高粘度的進(jìn)料流。盒通常可具有粗篩和細(xì)篩。另外，一些盒可具有由放置在非織造墊片之間的粗篩組成的"懸掛"篩，以增大篩與膜表面之間的距離。
[0007]例如，在蛋白質(zhì)溶液濃縮過程中，最終濃度目前由通過泵的排出壓力(對于蠕動泵，約50psi)或系統(tǒng)中盒或一些其他組件的額定壓力(例如80或90psi)所限定。結(jié)果，難以獲得高的最終濃度，例如大于200g/L或250g/L。
[0008]對于當(dāng)前的盒設(shè)計，粗篩裝置和懸掛篩裝置之間在性能上存在較大的差異。雖然懸掛篩裝置由于由非織造間隔物形成的開放通道而具有實質(zhì)上更低的壓降，但由于由非織造間隔物形成的開放通道，嚴(yán)重降低了傳質(zhì)速率。
[0009]這些裝置中的一些似乎能夠使用粗孔篩處理高粘度溶液。大多數(shù)具有高壓降的性能。一些由于使用“含有間隙的懸掛篩設(shè)計”而具有略微降低的壓降，但它們也遇到在高濃度下較低的傳質(zhì)的問題。
[0010]為了能夠在更高的濃度和更高的粘度下操作，需要提供具有降低的通道壓降同時保持較高傳質(zhì)速率的盒。
[0011]本發(fā)明提供TFF裝置的改進(jìn)設(shè)計，以更好的處理高粘度流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]教導(dǎo)了用于高粘度液體切向過濾的裝置。對于給定的通道長度和寬度(由過濾盒設(shè)計相對確定)，其可以通過增加通道高度或降低通道流體阻力來降低通道壓降。其可通過在篩中使用更大直徑的纖維、增大包覆成型(overmolded)的篩上的成型邊緣或邊框的厚度或在非包覆成型(non-overmolded)的篩中使用更厚的非織造物作為間隔物來增加通道高度。由于篩被模壓到膜表面中，有效的通道高度還受膜的硬度以及篩中的纖維的影響。[0013]本發(fā)明的目的是提供在第一上表面和第二下表面之間具有一定長度、寬度和厚度的篩，并且所述篩具有選自由下述特征組成的組中的一個或多個特征:連接至所述篩的外周的邊框，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳至8密耳；斜紋編織設(shè)計；大于215微米至360微米的纖維直徑；相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向；約10.6n/cm至約20n/cm的篩的目數(shù)；連接至所述篩的外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳至8密耳；連接至所述篩的外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和斜紋編織圖案的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；連接至所述篩的外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；連接至所述篩的外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；連接至所述篩外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑、相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向和約10.6n/cm至約20n/cm的篩的目數(shù)的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
[0014]本發(fā)明的另一目的是提供一種具有連接至篩外周的邊框的篩，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
[0015]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中所述篩具有斜紋編織設(shè)計。
[0016]本發(fā)明的另一目的是提供一種具有在經(jīng)向二下一上的斜紋編織設(shè)計的進(jìn)料篩。
[0017]本發(fā)明的另一目的是提供一種纖維直徑大于215微米至360微米的進(jìn)料篩。
[0018]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中所述篩具有相對于流動方向從約-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向。
[0019]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至篩外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
[0020]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至篩外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和斜紋編織圖案的組合，其中所述邊框的高度為在篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
[0021]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至篩的外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
[0022]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至篩外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線取向的組合，其中所述邊框的高度為在篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
[0023]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中篩材料選自由聚丙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯組成的組。[0024]本發(fā)明的另一目的是提供一種進(jìn)料篩，其中所述篩具有約10.5n/cm至約20n/cm的目數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1顯示使用不同進(jìn)料篩的TFF盒(包括本發(fā)明的那些)的壓降與進(jìn)料流牛丙種球蛋白(BgG)的濃度的關(guān)系。
[0026]圖2顯示包括本發(fā)明的那些的TFF盒的不同進(jìn)料篩的進(jìn)料流BgG的流量與濃度的關(guān)系。
[0027]圖3顯示包括本發(fā)明的那些的不同進(jìn)料篩的TFF盒的傳質(zhì)系數(shù)。
[0028]圖4A顯示根據(jù)本發(fā)明的具有邊框邊緣的進(jìn)料篩的平面俯視圖。
[0029]圖4B顯示在圖4A的進(jìn)料篩的線4A上獲取的剖視圖。
[0030]圖5顯示使用本發(fā)明的C篩和C+3篩的TFF盒的壓降與濃度的關(guān)系。
[0031]圖6顯示使用本發(fā)明的C篩和C+3篩的TFF盒的流量與濃度的關(guān)系。
[0032]圖7顯示使用本發(fā)明的PET C篩和PET C+3篩的TFF盒的壓降與濃度的關(guān)系。
[0033]圖8顯示使用本發(fā)明的PET C篩和PET C+3篩的TFF盒的流量與濃度的關(guān)系。
[0034]圖9顯示包括本發(fā)明的那些的TFF盒的使用不同篩取向的TFF盒的壓降與濃度的關(guān)系。
[0035]圖10顯示包括本發(fā)明的那些的TFF盒的使用不同篩取向的TFF盒的流量與濃度的關(guān)系。
[0036]圖11顯示包括本發(fā)明的那些的TFF盒的不同篩取向的TFF盒的傳質(zhì)系數(shù)。
[0037]圖12顯示用本發(fā)明方法設(shè)計的TFF裝置的壓降與濃度的關(guān)系。
[0038]圖13顯示用本發(fā)明方法設(shè)計的TFF裝置的流量與濃度的關(guān)系。
[0039]圖14顯示用本發(fā)明方法設(shè)計的TFF裝置的傳質(zhì)系數(shù)。
[0040]圖15顯示包括本發(fā)明的那些的TFF盒在200g/L濃度下的壓降與傳質(zhì)系數(shù)之比。
[0041]優(yōu)選實施方式的詳細(xì)說明
[0042]根據(jù)本發(fā)明，若干方法是可能的。對于給定的通道長度和寬度(由過濾盒設(shè)計相對確定)，其可以通過增加通道高度或降低通道流體阻力來降低通道壓降。其可通過在篩中使用更大直徑的纖維、增大包覆成型的篩上的成型邊緣或邊框的厚度或在非包覆成型的篩中使用更厚的非織造物作為間隔物來增加通道高度。由于篩被模壓到膜表面中，有效的通道高度還受膜的硬度以及篩中的纖維的影響。
[0043]本發(fā)明的主要部分聚焦于進(jìn)料篩的新設(shè)計，已知進(jìn)料篩對傳質(zhì)速率和壓降均具有顯著影響。包括引入一種新篩，該篩在網(wǎng)目直徑、網(wǎng)孔尺寸、目數(shù)、編織圖案、篩厚度等方面具有新特征。
[0044]在根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式中，提供進(jìn)料篩的邊框高度增加的設(shè)計，以降低TFF通道中的壓降。所述進(jìn)料篩的邊框高度是通過使篩包覆成型來產(chǎn)生的，所述邊框高度由進(jìn)料篩模具來確定。
[0045]本發(fā)明還包括改變篩的取向。篩以相對于切向流優(yōu)選以與流動方向成約-10度或大于10度直至約100度的角取向。篩的編織圖案優(yōu)選是斜紋編織(二上一下)。通過改變篩的取向，會影響通道中的流體動力學(xué)，從而影響壓降和傳質(zhì)。[0046]本發(fā)明還包括使用對篩來說堅硬的材料如聚丙烯或聚對苯二甲酸乙二醇酯。其它具有類似硬度的材料也是可接受的。優(yōu)選篩是用熱塑性材料制成的，由此其可被包覆成型至如本文所描述的熱塑性外邊框。
[0047]高于篩表面的包覆成型的邊框高度和改進(jìn)的篩設(shè)計的組合賦予TFF裝置顯著降低的壓降和較小降低的傳質(zhì)，即使在高粘度下也如此。通常，以損害傳質(zhì)為代價來改變篩以提高滲透性。將粗篩換成具有特殊篩設(shè)計的本發(fā)明的篩，滲透性提高了兩倍，但傳質(zhì)系數(shù)(k)降低了 30%。通過在包覆成型的篩中使用3.5/1000英寸的邊框高度，與通過簡單地更換篩所獲得的相比，使裝置的滲透性提高了 2倍以上，同時傳質(zhì)系數(shù)提高了 17%。改進(jìn)的篩與包覆成型的邊框高度的獨(dú)特組合可進(jìn)一步降低壓降，同時保持高的傳質(zhì)系數(shù)。以這種方式，具有改進(jìn)性能的新型材料歸結(jié)為如表I中所示的壓降/傳質(zhì)系數(shù)的比值所表明的滲透性與傳質(zhì)之間的獨(dú)特且令人驚訝的關(guān)系。
[0048]網(wǎng)目直徑的范圍在215微米至360微米內(nèi)變化，并且目數(shù)在20n/cm至10.6n/cm內(nèi)變化。篩的邊框高在每一側(cè)上2/1000英寸至8/1000英寸內(nèi)變化。
[0049]圖4A和4B顯示具有本發(fā)明所描述的邊框高度的篩。如圖4A所示，所述篩具有形成且連接到其外周的外邊框，將在下文中更詳細(xì)地描述。如圖所示，篩2將用于具有進(jìn)料口
4、截留物口 6和滲透物口 8的TFF裝置。在篩2的外周周圍形成邊框10。如TFF進(jìn)料篩所示，滲透物口 8也被來自篩2和進(jìn)料口 4以及截留物口 6的邊框封閉。如圖4B所示，邊框10和篩2優(yōu)選彼此粘接，并且邊框10的高度14優(yōu)選大于篩2的厚度16。如圖所示，邊框10的高度14在篩2每一側(cè)上是等量的。
[0050]所成型的邊框的高度14是通過將邊框10的內(nèi)側(cè)部成型或粘接至篩2的外側(cè)部而形成的。優(yōu)選，將邊框10注射成型至篩2的邊緣。邊框10可根據(jù)需要形成在所述篩的一側(cè)或兩側(cè)。優(yōu)選將邊框10作為一個注射成型件形成在篩2的兩側(cè)。為了形成此類外邊框10，制造各自對應(yīng)于具有邊框設(shè)計的最終篩2的一半的兩個模具，并將其彼此對準(zhǔn)放置在進(jìn)料篩的相對側(cè)上。然后將熔融的熱塑性材料或其它選用材料注射到一個模具件或兩個模具件中，并用所述邊框材料填充模具，從而在篩2上原位形成期望的邊框10。
[0051]或者，如果需要，可預(yù)成型邊框部分10，并且通過各種方法將篩2設(shè)置至所述邊框的開口處，例如粘合劑或篩2的機(jī)械固位如通過篩2在邊框10的開口內(nèi)的壓合或通過將篩2熔融粘接至邊框10。
[0052]適合用于邊框10的材料包括但不局限于熱塑性材料，如聚乙烯、聚丙烯、EVA共聚物、α -烯烴和茂金屬共聚物、PFA、MFA、聚碳酸酯、乙烯基共聚物如PVC、聚酰胺如尼龍、聚酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚砜、聚醚砜、聚芳砜、聚苯砜、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯(PVDF)和它們的混合物，熱塑性彈性體如Santoprene?聚合物、EPDM橡膠，熱固性材料如閉孔發(fā)泡氨基甲酸酯、和天然的或合成的橡膠。
[0053]優(yōu)選所述材料是熱塑性材料或熱塑性彈性體，以允許其用于本發(fā)明的優(yōu)選方法中，注射成型。優(yōu)選的熱塑性材料包括低密度的、線性低密度的、中密度的和高密度的聚乙火布、聚丙纟布和EVA共聚物。
[0054]通常以下述方式形成根據(jù)本發(fā)明的使用篩的模塊:形成具有邊框的篩，優(yōu)選進(jìn)料篩，所述邊框優(yōu)選是在所述篩的主要表面中至少一個、優(yōu)選兩個上延伸的熱塑性邊框。
[0055]在使用本發(fā)明的篩的切向流過濾裝置中，設(shè)置進(jìn)料口、截留物口和濾過物口，以使供應(yīng)至所述裝置的流入流體進(jìn)入至少一個進(jìn)料通道，穿過所述進(jìn)料篩層，或者穿過膜形成濾過物流或者被膜截留形成截留物流。通過一個或多個截留物口從所述裝置移去所述截留物流，通過一個或多個濾過物口移去所述濾過物流。如果需要，可形成一個或多個濾過物入口和一個或多個濾過物出口，如此將一些濾過物回收到濾過物層入口，以在濾過物側(cè)上產(chǎn)生切向流。這也可以在截留物側(cè)而不是濾過物側(cè)進(jìn)行或在兩側(cè)進(jìn)行，以提高裝置的切向流效率。通過這樣做，可控制裝置內(nèi)部的跨膜壓差。
[0056]表1.與現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)前狀況相比，本發(fā)明方法的壓降與傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系。篩特性(八、(:、02和03)列在下表2中。
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種用于切向流裝置的進(jìn)料篩，其包括具有在第一上表面和第二下表面之間的一定長度、寬度和厚度的篩，并且所述篩具有選自由下述特征組成的組中的一個或多個特征: 連接至所述篩的外周的邊框，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳至8密耳； 斜紋編織設(shè)計； 大于215微米至360微米的纖維直徑； 相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向； 約10.6n/cm至約20n/cm的篩的目數(shù)； 連接至所述篩的外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳至8密耳； 連接至所述篩的外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和斜紋編織圖案的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳； 連接至所述篩的外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳； 連接至所述篩的外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳； 連接至所述篩外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑、相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向和約10.6n/cm至約20n/cm的篩的目數(shù)的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
2.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至所述篩外周的邊框，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
3.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有斜紋編織設(shè)計。
4.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有在經(jīng)線方向二下一上的斜紋編織設(shè)計。
5.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有大于215微米至360微米的纖維直徑。
6.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向。
7.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至所述篩外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
8.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至所述篩外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和斜紋編織圖案的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少I密耳。
9.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至所述篩外周的邊框和大于215微米至360微米的纖維直徑的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少I密耳。
10.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩具有連接至所述篩外周的邊框、大于215微米至360微米的纖維直徑和相對于流動方向從-10度或大于+10度至100度的篩經(jīng)線的取向的組合，其中所述邊框的高度為在所述篩每一側(cè)上的第一表面和第二表面的高度之上至少I密耳。
11.權(quán)利要求1所述的進(jìn)料篩，其中所述篩材料選自由聚丙烯和聚對苯二甲酸乙二醇酯組成的組。
12.權(quán)利要求1 所述的進(jìn)料篩，其中所述篩的目數(shù)為約10.6n/cm至約20n/cm。
【文檔編號】B01D63/08GK103945923SQ201280055093
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月9日
【發(fā)明者】C·岸, Y·鄒, B·希利爾, A·巴特利特 申請人:Emd密理博公司