CN103945923A - 高粘度tff装置设计 - Google Patents
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Abstract
公开用于高粘度液体切向过滤的装置。对于给定的通道长度和宽度(由过滤盒设计相对确定)，其可以通过增加通道高度或降低通道流体阻力来降低通道压降。其可通过在筛中使用更大直径的纤维、增大包覆成型的筛上的成型边缘或边框的厚度或在非包覆成型的筛中使用更厚的非织造物作为间隔物来增加通道高度。由于筛被模压到膜表面中，有效的通道高度还受膜的硬度以及筛中的纤维的影响。
Description
本申请要求2011年12月9日提交的美国临时专利申请第61/568,882号的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及用于切向流过滤(TFF)的装置。更特别是，其涉及与高粘性流体一起使用的TFF装置用进料筛。
发明背景
基于膜的切向流过滤(TFF)盒(cassette)用于含有蛋白质大分子的流体流的净化、浓缩和提纯。在TFF中，蛋白质流体沿膜的表面切向泵送。施加的压力用来迫使一部分原料流穿过膜表面至过滤侧。颗粒和大分子被截留在截留物侧。沿两个膜之间的通道长度的进料流引起从进料至截留物端的压降。在蛋白质溶液浓缩过程中，TFF盒的从进料侧至截留物侧的压降随着溶液粘度的增加而增大；同时，随着溶液粘度变得更高，流量减小，所述流量由其穿过的膜面积的标称体积流定义。
膜间隔物如筛是显著影响传质性能和压降的TFF模块的不可缺少的部分。筛是由于提高的壁切应力和促进涡流而增大传质速率的湍流发生器。然而，它们也增大进料口和截留物口之间通道内的压降。
TFF装置可具有不同的筛，以适应具有低粘度和高粘度的进料流。盒通常可具有粗筛和细筛。另外，一些盒可具有由放置在非织造垫片之间的粗筛组成的"悬挂"筛，以增大筛与膜表面之间的距离。
例如，在蛋白质溶液浓缩过程中，最终浓度目前由通过泵的排出压力(对于蠕动泵，约50psi)或系统中盒或一些其他组件的额定压力(例如80或90psi)所限定。结果，难以获得高的最终浓度，例如大于200g/L或250g/L。
对于当前的盒设计，粗筛装置和悬挂筛装置之间在性能上存在较大的差异。虽然悬挂筛装置由于由非织造间隔物形成的开放通道而具有实质上更低的压降，但由于由非织造间隔物形成的开放通道，严重降低了传质速率。
这些装置中的一些似乎能够使用粗孔筛处理高粘度溶液。大多数具有高压降的性能。一些由于使用“含有间隙的悬挂筛设计”而具有略微降低的压降，但它们也遇到在高浓度下较低的传质的问题。
为了能够在更高的浓度和更高的粘度下操作，需要提供具有降低的通道压降同时保持较高传质速率的盒。
本发明提供TFF装置的改进设计，以更好的处理高粘度流。
发明内容
教导了用于高粘度液体切向过滤的装置。对于给定的通道长度和宽度(由过滤盒设计相对确定)，其可以通过增加通道高度或降低通道流体阻力来降低通道压降。其可通过在筛中使用更大直径的纤维、增大包覆成型(overmolded)的筛上的成型边缘或边框的厚度或在非包覆成型(non-overmolded)的筛中使用更厚的非织造物作为间隔物来增加通道高度。由于筛被模压到膜表面中，有效的通道高度还受膜的硬度以及筛中的纤维的影响。
本发明的目的是提供在第一上表面和第二下表面之间具有一定长度、宽度和厚度的筛，并且所述筛具有选自由下述特征组成的组中的一个或多个特征：连接至所述筛的外周的边框，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧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；斜纹编织设计；大于215微米至360微米的纤维直径；相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向；约10.6n/cm至约20n/cm的筛的目数；连接至所述筛的外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧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；连接至所述筛的外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和斜纹编织图案的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；连接至所述筛的外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；连接至所述筛的外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；连接至所述筛外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径、相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向和约10.6n/cm至约20n/cm的筛的目数的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
本发明的另一目的是提供一种具有连接至筛外周的边框的筛，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中所述筛具有斜纹编织设计。
本发明的另一目的是提供一种具有在经向二下一上的斜纹编织设计的进料筛。
本发明的另一目的是提供一种纤维直径大于215微米至360微米的进料筛。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中所述筛具有相对于流动方向从约-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中所述筛具有连接至筛外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中所述筛具有连接至筛外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和斜纹编织图案的组合，其中所述边框的高度为在筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中所述筛具有连接至筛的外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中所述筛具有连接至筛外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线取向的组合，其中所述边框的高度为在筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中筛材料选自由聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯组成的组。
本发明的另一目的是提供一种进料筛，其中所述筛具有约10.5n/cm至约20n/cm的目数。
附图说明
图1显示使用不同进料筛的TFF盒(包括本发明的那些)的压降与进料流牛丙种球蛋白(BgG)的浓度的关系。
图2显示包括本发明的那些的TFF盒的不同进料筛的进料流BgG的流量与浓度的关系。
图3显示包括本发明的那些的不同进料筛的TFF盒的传质系数。
图4A显示根据本发明的具有边框边缘的进料筛的平面俯视图。
图4B显示在图4A的进料筛的线4A上获取的剖视图。
图5显示使用本发明的C筛和C+3筛的TFF盒的压降与浓度的关系。
图6显示使用本发明的C筛和C+3筛的TFF盒的流量与浓度的关系。
图7显示使用本发明的PET C筛和PET C+3筛的TFF盒的压降与浓度的关系。
图8显示使用本发明的PET C筛和PET C+3筛的TFF盒的流量与浓度的关系。
图9显示包括本发明的那些的TFF盒的使用不同筛取向的TFF盒的压降与浓度的关系。
图10显示包括本发明的那些的TFF盒的使用不同筛取向的TFF盒的流量与浓度的关系。
图11显示包括本发明的那些的TFF盒的不同筛取向的TFF盒的传质系数。
图12显示用本发明方法设计的TFF装置的压降与浓度的关系。
图13显示用本发明方法设计的TFF装置的流量与浓度的关系。
图14显示用本发明方法设计的TFF装置的传质系数。
图15显示包括本发明的那些的TFF盒在200g/L浓度下的压降与传质系数之比。
优选实施方式的详细说明
根据本发明，若干方法是可能的。对于给定的通道长度和宽度(由过滤盒设计相对确定)，其可以通过增加通道高度或降低通道流体阻力来降低通道压降。其可通过在筛中使用更大直径的纤维、增大包覆成型的筛上的成型边缘或边框的厚度或在非包覆成型的筛中使用更厚的非织造物作为间隔物来增加通道高度。由于筛被模压到膜表面中，有效的通道高度还受膜的硬度以及筛中的纤维的影响。
本发明的主要部分聚焦于进料筛的新设计，已知进料筛对传质速率和压降均具有显著影响。包括引入一种新筛，该筛在网目直径、网孔尺寸、目数、编织图案、筛厚度等方面具有新特征。
在根据本发明的一些实施方式中，提供进料筛的边框高度增加的设计，以降低TFF通道中的压降。所述进料筛的边框高度是通过使筛包覆成型来产生的，所述边框高度由进料筛模具来确定。
本发明还包括改变筛的取向。筛以相对于切向流优选以与流动方向成约-10度或大于10度直至约100度的角取向。筛的编织图案优选是斜纹编织(二上一下)。通过改变筛的取向，会影响通道中的流体动力学，从而影响压降和传质。
本发明还包括使用对筛来说坚硬的材料如聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。其它具有类似硬度的材料也是可接受的。优选筛是用热塑性材料制成的，由此其可被包覆成型至如本文所描述的热塑性外边框。
高于筛表面的包覆成型的边框高度和改进的筛设计的组合赋予TFF装置显著降低的压降和较小降低的传质，即使在高粘度下也如此。通常，以损害传质为代价来改变筛以提高渗透性。将粗筛换成具有特殊筛设计的本发明的筛，渗透性提高了两倍，但传质系数(k)降低了30％。通过在包覆成型的筛中使用3.5/1000英寸的边框高度，与通过简单地更换筛所获得的相比，使装置的渗透性提高了2倍以上，同时传质系数提高了17％。改进的筛与包覆成型的边框高度的独特组合可进一步降低压降，同时保持高的传质系数。以这种方式，具有改进性能的新型材料归结为如表1中所示的压降/传质系数的比值所表明的渗透性与传质之间的独特且令人惊讶的关系。
网目直径的范围在215微米至360微米内变化，并且目数在20n/cm至10.6n/cm内变化。筛的边框高在每一侧上2/1000英寸至8/1000英寸内变化。
图4A和4B显示具有本发明所描述的边框高度的筛。如图4A所示，所述筛具有形成且连接到其外周的外边框，将在下文中更详细地描述。如图所示，筛2将用于具有进料口4、截留物口6和渗透物口8的TFF装置。在筛2的外周周围形成边框10。如TFF进料筛所示，渗透物口8也被来自筛2和进料口4以及截留物口6的边框封闭。如图4B所示，边框10和筛2优选彼此粘接，并且边框10的高度14优选大于筛2的厚度16。如图所示，边框10的高度14在筛2每一侧上是等量的。
所成型的边框的高度14是通过将边框10的内侧部成型或粘接至筛2的外侧部而形成的。优选，将边框10注射成型至筛2的边缘。边框10可根据需要形成在所述筛的一侧或两侧。优选将边框10作为一个注射成型件形成在筛2的两侧。为了形成此类外边框10，制造各自对应于具有边框设计的最终筛2的一半的两个模具，并将其彼此对准放置在进料筛的相对侧上。然后将熔融的热塑性材料或其它选用材料注射到一个模具件或两个模具件中，并用所述边框材料填充模具，从而在筛2上原位形成期望的边框10。
或者，如果需要，可预成型边框部分10，并且通过各种方法将筛2设置至所述边框的开口处，例如粘合剂或筛2的机械固位如通过筛2在边框10的开口内的压合或通过将筛2熔融粘接至边框10。
适合用于边框10的材料包括但不局限于热塑性材料，如聚乙烯、聚丙烯、EVA共聚物、α-烯烃和茂金属共聚物、PFA、MFA、聚碳酸酯、乙烯基共聚物如PVC、聚酰胺如尼龙、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)和它们的混合物，热塑性弹性体如聚合物、EPDM橡胶，热固性材料如闭孔发泡氨基甲酸酯、和天然的或合成的橡胶。
优选所述材料是热塑性材料或热塑性弹性体，以允许其用于本发明的优选方法中，注射成型。优选的热塑性材料包括低密度的、线性低密度的、中密度的和高密度的聚乙烯、聚丙烯和EVA共聚物。
通常以下述方式形成根据本发明的使用筛的模块：形成具有边框的筛，优选进料筛，所述边框优选是在所述筛的主要表面中至少一个、优选两个上延伸的热塑性边框。
在使用本发明的筛的切向流过滤装置中，设置进料口、截留物口和滤过物口，以使供应至所述装置的流入流体进入至少一个进料通道，穿过所述进料筛层，或者穿过膜形成滤过物流或者被膜截留形成截留物流。通过一个或多个截留物口从所述装置移去所述截留物流，通过一个或多个滤过物口移去所述滤过物流。如果需要，可形成一个或多个滤过物入口和一个或多个滤过物出口，如此将一些滤过物回收到滤过物层入口，以在滤过物侧上产生切向流。这也可以在截留物侧而不是滤过物侧进行或在两侧进行，以提高装置的切向流效率。通过这样做，可控制装置内部的跨膜压差。
表1.与现有技术当前状况相比，本发明方法的压降与传质系数的关系。筛特性(A、C、D2和D3)列在下表2中。
在各种实施方式中，所要求保护的特征对降低从进料口到截留物口的压降同时保持良好的传质性能是有用的。200g/L牛丙种球蛋白(BgG)下的压降与传质系数之比<2.2的装置是优选的。
实施例
实施例1：不同进料筛的比较
当前在3盒中使用A筛和C筛。为了适应具有高粘度的进料流，在所述TFF盒中引入新的筛。与传统筛相比，在此称为D2和D3筛的新筛具有更大的线直径、更小的目数、更大的网孔和更大的筛厚度。D2和D3筛的编织图案是斜纹编织(二上一下)，和用于所有筛的材料是聚丙烯(PP)。D2、D3、A、C筛的比较显示在表2中。所有的盒是30kD0.11m2TFF装置。
表2：表1的A、C、D2和D3筛的物理性质的比较
不同筛的性能显示在图1-3中。
实施例2：具有不同边框高度的进料筛的影响
在如图4A和4B所示和以上讨论的TFF盒中使用边框高度增大的进料筛。C筛的当前标准的标准边框高度是每侧2/1000英寸。使用每侧增大的边框高度为3.5/1000英寸的C筛或所述"C+3筛"替换标准C筛，并示出C筛和C+3筛的结果，进行比较。所有的盒使用30kD膜。结果表明，进料筛的边框高度增大，导致压降降低了大约60％，并且流量也降低了约20％。具有C筛和C+3筛的装置的传质系数分别为29.5和23.4。所述性能显示在图5和6中。
实施例3：增大的边框高度对不同材料的进料筛的影响
不同边框高度的筛的效果适用于不同材料的筛。代替聚丙烯(PP)筛，在TFF盒中评价具有不同边框高度的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)筛。结果表明，边框高度增大的PET筛对TFF装置性能具有与PP筛类似的影响，其显示在图7和8中。具有PET C筛和PET C+3筛的装置的传质系数分别为17.1和15.5。所有的盒使用30kD膜。
实施例4：增大的边框高度对不同膜的影响
增大进料筛的边框高度可显著降低作用于不同膜的压降。使用C筛和C+3筛的30kD和30kD膜的微TFF装置的液压试验显示在表3中。使用不同筛的两种膜装置的水的压降证实，在处理高粘度进料时，增大筛边框高度是降低压降的有效且实用的方法。
表3：使用C和C+3筛的30kD和30kD膜的TFF装置的水压降
实施例5：进料筛取向的影响
进料筛的编织图案是斜纹编织(二上一下)。改变筛相对于流动方向的取向会影响通道的阻力，从而影响消散能量。使用30kD膜和C+3进料筛评价进料筛取向的影响。选择相对于流动方向为-10°、10°、22°、45°、60°和100°的角。结果显示在图9-11中。
实施例6：筛、边框高度和筛取向的预测性能
边框高度、筛设计和优化的筛取向的组合赋予UF装置显著降低的压降和较小降低的传质。使用30kD膜的此类装置的预测性能显示在图12-15中。所有的预测均是基于30kD膜、PP筛材料和10度筛取向。
Claims (12)
1.一种用于切向流装置的进料筛，其包括具有在第一上表面和第二下表面之间的一定长度、宽度和厚度的筛，并且所述筛具有选自由下述特征组成的组中的一个或多个特征：
连接至所述筛的外周的边框，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧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；
斜纹编织设计；
大于215微米至360微米的纤维直径；
相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向；
约10.6n/cm至约20n/cm的筛的目数；
连接至所述筛的外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧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；
连接至所述筛的外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和斜纹编织图案的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；
连接至所述筛的外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；
连接至所述筛的外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳；
连接至所述筛外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径、相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向和约10.6n/cm至约20n/cm的筛的目数的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
2.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有连接至所述筛外周的边框，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
3.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有斜纹编织设计。
4.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有在经线方向二下一上的斜纹编织设计。
5.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有大于215微米至360微米的纤维直径。
6.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向。
7.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有连接至所述筛外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少2密耳。
8.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有连接至所述筛外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和斜纹编织图案的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少1密耳。
9.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有连接至所述筛外周的边框和大于215微米至360微米的纤维直径的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少1密耳。
10.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛具有连接至所述筛外周的边框、大于215微米至360微米的纤维直径和相对于流动方向从-10度或大于+10度至100度的筛经线的取向的组合，其中所述边框的高度为在所述筛每一侧上的第一表面和第二表面的高度之上至少1密耳。
11.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛材料选自由聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯组成的组。
12.权利要求1所述的进料筛，其中所述筛的目数为约10.6n/cm至约20n/cm。
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