CN104220148B - 用于流体样品的微流过滤系统和流过滤方法 - Google Patents
用于流体样品的微流过滤系统和流过滤方法 Download PDFInfo
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Abstract
用于浓缩流体样品中所含的组分的流过滤系统(1)，其包含流体通道(2)、切向流过滤模块(3)和各自具有两个活塞泵(6)的至少两对(8,9)活塞泵(6)，流体通道(2)由两个导管(4，5)形成以使流体样品能双向流过流体通道(2)，其中活塞泵(6)的活塞工作容积形成能容纳体积最多达100毫升的流体的储器。切向流过滤模块(3)位于流体通道(2)中以使流经通道(2)的流体经过过滤模块(3)。在通道(2)的各末端(10，11)以下述方式布置各对(8，9)活塞泵(6)的一个活塞泵(6)：活塞泵并联地流体连接。布置并调节系统(1)以在浓缩过程中至少在预定时间内仅利用一对(8，9)活塞泵(6)驱动流体经过切向流过滤模块(3)。
Description
本发明涉及用于提高流体样品中所含组分的浓度的微流过滤系统和流过滤方法。该系统包含具有切向流过滤模块(TFF模块)的流体通道，该模块具有能在流体样品经过时将该流体样品分离成渗余流和渗透流的半透膜。该流体可双向流过该通道，以经过TFF模块并由此提高该流体的浓度。
为提纯或浓缩而使用半透膜过滤流体样品的流过滤系统是现有技术状况中公知的。这些系统在提纯的情况下用于除去微粒或分子污染物或用于提高例如用于实验室分析的流体中的组分浓度。这样的过滤系统的膜可以与流体样品流垂直布置，这被表征为垂直流过滤，或该膜表面可以与流体样品流基本平行布置，这被称作切向流过滤系统(TFF-系统)。
切向流过滤系统的优点在于，由于基本平行于膜表面的样品流向，发生自动清扫和清洁，以致借助此类系统通常可实现与相应的垂直流过滤系统相比更高的通量和更高的吞吐量。此外，大量样品连续流经膜表面以致在此类系统中不容易发生堵塞、结垢或局部提高的浓度。考虑到这些和其它优点，切向流过滤系统(TFF-系统)常用于工业药物制造法和其它工业方法，如生物技术或食品饮料工业。
在流体经过具有半透膜的切向流过滤模块的过程中，小于膜孔径的溶液组分作为渗透流流过该膜，而较大组分留在渗余流中。渗余流在流动线路中再循环或转向并以连续方式被再泵过该膜。这样的TFF-系统用于在从该系统中排出渗透流时显著降低样品溶液的体积。因此，当以浓缩模式驱动该系统时，样品溶液变浓。
切向流过滤系统常用于制造生物技术剂和治疗剂。该过滤法常用于提高活性成分，例如蛋白质、粒子、聚集体、离子、细菌、病毒、核酸、糖 类等的浓度。在新蛋白质的开发中，含有要浓缩的蛋白质的流体样品通常只能以几毫升(ml)的少量获得。此外，这些蛋白质溶液通常成本密集或难制造。因此，希望也使用大约20毫升或更少的量作为浓缩过程的起始体积。
这样少量的流体样品的处理相当困难。只有少数流过滤系统能用这样小的流体体积运行。通常，使用包含具有切向流过滤模块、容纳流体样品的储器、一个或多个压力传感器、阀和驱动流体样品经过该线路的泵的线路的流过滤系统。驱动流体循环经过该线路以创建该线路中的单向流。具有环形线路和内部储器的此类过滤系统的缺点在于内部储器对该线路的最低工作体积带来额外的大份额。
为实现小流体体积的预定浓缩率，要求最低工作体积必须极小。可以作为该线路的起始体积与最低工作体积的比率估算所需浓缩率。因此，如果例如起始体积为20毫升且所需浓缩率为20，则该线路的最低工作体积最多只能为1毫升。最低工作体积是在不会泵入空气(以便可以设置经过该线路的连续流)的情况下可被驱动经过该线路的流体的量。经过切向流过滤模块的单向流的另一缺点是无法穿过该膜的分子在膜长度上的分布不均匀。渗余液通道下游侧的分子数常常比上游侧高。因此，在TFF模块的渗余液出口附近，随浓缩过程的运行时间经过，会发生结垢或堵塞。
因此，如果必须浓缩少量流体样品，可以使用双向过滤系统。这样的系统包含集成在具有两个末端的线性流体通道中的切向流过滤模块。在两个末端都存在活塞泵或注射泵，以便利用这两个泵泵送流体双向经过TFF模块。活塞泵具有用于容纳要浓缩的流体样品的储器。该储器相当于该泵的活塞工作容积。因此，为活塞泵设计分立的体积范围以使该泵最好在与活塞泵的活塞工作容积相同范围内的小体积范围内工作。要处理的体积越小，用于驱动流体经过该过滤系统的活塞行程长度越小。其带来的缺点在于，在要加工小流体体积时，在过滤过程的最后，活塞行程长度也非常小，这造成相对较大的偏差和相对较高的不精确度。
因此，尤其在制药学和生物技术工业中，仍然强烈地需要能用少量流体样品(优选小于20毫升起始体积)运行并能将溶液的组分浓缩大浓缩系数的切向流过滤系统。这样的过滤系统此时不可购得。本发明的一个目的是提供既能处理少量流体又能提供所要求的浓缩系数的优化TFF-系统。此外，应在过滤过程中的长时期内避免TFF模块中的堵塞和结垢。
通过具有根据权利要求1的特征的用于实施流体法的微流过滤系统解决了该问题。也通过根据权利要求11的流过滤方法解决该目的。
本发明的用于实施流体法(例如提高流体样品中所含的组分的浓度，或用交换缓冲液交换样品溶液的溶剂)的微切向流过滤系统，其包含具有集成切向流过滤模块的流体通道。该流体通道由与切向流过滤模块相连的两个导管形成，以使流体样品能够双向流过该通道和TFF模块。可以使这些导管的内部体积最小化以降低该流体线路的整体工作体积。这尤其可如下实现：这种导管功能结构集成到该线路的现有流体部件中，例如结构集成到TFF模块的外壳中，或集成到将TFF模块与活塞泵相连的T形流体元件中。
该切向流过滤模块(TFF模块)具有第一流体口、第二流体口、渗透液出口和半透膜，该半透膜能在流体样品进入切向流过滤模块时将该流体样品分离成渗余流和渗透流。该TFF模块是具有大约10微米至0.02微米的膜孔径、或包含具有大约1至1000kD(千道尔顿)的截留分子量的膜的微流过滤模块。该膜还能实施超滤，以致膜孔径可以小于0.02微米，或膜孔隙的尺寸使它们得到小于1kD的膜截留分子量。
该TFF模块位于流体通道中，使得一个导管与第一流体口相连，另一导管与第二流体口相连，从而使流经该通道的流体经过TFF模块。
该微流过滤系统进一步包含至少两对活塞泵，其中各对活塞泵包含两个活塞泵和用于控制活塞泵的控制单元。各活塞泵具有一定的活塞工作容积，其形成可容纳流体的储器。在流体通道的各末端布置至少两个活塞泵。末端处的活塞泵以下述方式布置：它们流体连接，优选并联。因此，在流体通道的各末端，第一对活塞泵的一个活塞泵与第二对活塞泵的一个活塞 泵并联地流体连接。或者，这些活塞泵可以串联地流体连接。一对活塞泵中的活塞泵优选等体积。因此，由类似的活塞泵形成一对活塞泵。
在本发明中，活塞泵被理解为是具有可在活塞工作容积中移动以至少部分地、优选完全置换该泵的储器(活塞工作容积)中所含的流体的活塞的泵。活塞泵的优选类型是能从所含储器中完全排空流体的注射泵。在本发明中，术语活塞泵和注射泵同义使用。但是，在该微流体过滤系统中也可以使用蠕动泵驱动流体经过流体通道。
通过控制单元控制活塞泵的活塞的运动。布置并调节该控制单元以同步控制各对活塞泵的活塞泵的驱动。该控制单元可进一步控制从一对活塞泵向另一对活塞泵的切换。其也可以控制切换时间。
该控制单元控制一对活塞泵的活塞的运动，以使它们可以进行用于使流体以恒定流速和恒定压力速率经过TFF模块的同步运动。因此，同步或调节活塞在各活塞泵的活塞工作容积中的行程。由于在浓缩过程中在TFF模块中作为渗透流排出一定量的流体，必须相应调节活塞泵的活塞的行程。此外，如果一对活塞泵中的流体量降至预定速率，必须从一对活塞泵切换至另一对活塞泵。为了控制切换和/或切换时间，该控制单元可以评估来自测量和控制元件(其可以是传感器，例如压力传感器、天平、流量计等)的信息。本领域技术人员了解可向控制单元提供信息的若干传感元件。
在一个优选实施方案中，该控制单元包含第一控制机构和第二控制机构，其中各控制机构控制一对活塞泵的活塞。但是，该控制单元或各控制机构也可以控制多对活塞泵的活塞泵。该控制单元还可包括多于两个控制机构。
为控制活塞泵的活塞的运动，该控制单元可直接作用于活塞以利用来自控制单元的直接作用。或者，该控制单元可控制发动机或齿轮等以间接控制活塞的运动。也可以通过用于控制活塞泵的控制单元控制发动机控制单元。
在并联布置的活塞对的情况中，布置和构造该系统以在浓缩过程期间，仅利用所述至少两对活塞泵的一对驱动流体经过流体通道。另一对活塞泵 随之停用，且这另一对活塞泵的各活塞泵的活塞处于使这另一对活塞泵的各活塞泵的死体积最小化的位置。因此，在浓缩过程的第一时期中，利用一对(第一对)活塞泵的活塞泵。在浓缩过程的第二时期中，可以利用另一对(第二对)活塞泵驱动流体。因此优化该系统中的死体积与剩余流体体积的比率。显然，也可以使用多于两对泵。
为了以串联布置使用活塞泵对，在浓缩过程的第一时期使用直径较大的活塞。在浓缩过程的第二时期停止直径较大的柱塞的运动并仅使用直径较小的活塞和柱塞。
使用过滤膜过滤溶解在液体溶液中的分子的过程导致流体体积降低。流体体积降低越多，分子浓度的提高越多。因此活塞的行程长度可适应于留在过滤系统中的流体体积。对相对于活塞工作容积的小体积而言，由于只需要实施长度极小的活塞行程并且该活塞的相对较小运动造成就实际流体体积而言相对较大的流体流，无法非常精确地控制活塞泵的活塞行程长度。因此，在小体积或大体积下的活塞泵控制是相当复杂的，并需要大量努力和付出。必须相应地设计控制单元，这也是成本密集的。
如果该流体系统中的体积降至等于或小于较小活塞泵的体积加上系统死体积的量，则从第一对活塞泵切换至具有较小体积的第二对活塞泵。该控制单元可以加工必要的传感器信息并可以引发该切换。这实现该流体系统的优化控制和操作以及优化的过滤法。
在一个优选实施方案中，所述控制单元控制第一对活塞泵和第二对活塞泵的活塞泵的运动，以在恒压下将流体推过TFF模块。因此，可以在适当位置用传感器测量流体通道中的压力。然后可以相应地改变活塞泵的活塞的运动以确保连续流和恒压。使用TFF模块的过滤法得到增强，并在该TFF模块中不容易发生堵塞、结垢或浓度的局部提高。这优选在流体经TFF模块从一个活塞泵来回泵送和流向同一对活塞泵中的另一活塞泵的过程中进行。
在另一实施方案中，可以在流体过程开始后达到预定时间后进行从第一对活塞泵向第二对活塞泵的切换。如果进行高度可再现和明确限定的过 滤法，优选使用该预定时间间隔标准。如果切换时间可以由其它预备试验确定或可以使用基于已知系统参数的理论公式计算，可以使用这种标准。在这种情况下，可以避免在线测定实际体积。该控制单元因此包含计时器等。
可以使用若干方式之一监测进行这两对活塞泵之间的切换的体积水平。例如，可以使用天平测量作为渗透流排出的流体量以便称量该量并计算体积。由其可以测定流体通道中的实际体积。此外，可以使用一个活塞的独立行程长度测定该体积，并监测实施这种独立的行程长度所需的发动机增量，直至检测到系统压力、例如过滤模块的跨膜压力的改变。在每种情况下分别向用于控制活塞泵的控制单元提供传感器信息。
在本发明的微流过滤系统中，优选使用两对活塞泵，各对含有针对不同体积范围的活塞泵。一对活塞泵的活塞泵的体积大于另一对活塞泵的活塞泵的体积。在实际使用中，第一对活塞泵包含的活塞泵的体积大于第二对活塞泵的活塞泵的体积。这能使用具有较大体积的第一对活塞泵处理相对较大的体积。如果体积降至较小量(例如，如果达到流体系统内的预定流体体积)，该系统从第一对切换至第二对活塞泵，以处理较小(剩余)体积的流体。因此，该系统始终用针对当前流体体积体积优化的活塞泵对操作。这能在流体过程的各阶段优化流体计量和优化活塞泵的运动。
优选地，第一对的活塞泵的体积是第二对的活塞泵的体积的至少3倍，优选至少5倍或10倍，特别优选至少25倍。在一些优选实施方案中，第一对的活塞泵的体积是第二对的活塞泵的体积的至少100倍。因此，用活塞泵的这种组合可涵盖宽的体积范围。优选地，一对的活塞泵显著大于另一对的活塞泵。为了用活塞泵对的该组合实现有利和积极的作用，活塞泵对的体积在任何情况下都必须不同。
因此，本发明的微流过滤系统能用体积最多100毫升、优选最多25毫升、特别优选最多10毫升或1毫升的流体样品运行。由于所需浓缩率和流体样品的起始体积受该系统的最低工作体积影响，需要尽可能小的最低工作体积。该系统的最低工作体积优选为最多1毫升，优选最多700微升， 更优选最多500微升，特别优选最多200微升，也特别优选最多100微升。
最低工作体积是在不会将空气泵过该系统的情况下流过滤系统中可操作的流体体积。因此，如流体通道和TFF模块之类的部件、元件和导管必须被一定量的流体填充，这避免液体溶液中形成气穴，换言之，这避免空气进入该系统。
优选地，该微流体过滤系统中包含的流体体积等于较大那对泵的一个活塞泵的体积。该系统中包含的流体体积也可以与该系统中包含的所有活塞泵的体积总和一样大。也可以将外部流体储器连接到该系统上，例如连向流体通道的导管之一，以由该外部储器补充在TFF模块中排出的流体。必须建立从该储器到流体通道的单向流体流。这通过现有技术状况中已知的手段进行。
优选地，用于控制过滤过程、尤其用于控制活塞运动的控制单元适合同步各对活塞泵的活塞的行程。如果一对活塞泵由相同的活塞泵构成以使活塞泵具有相等的工作容积和相等的直径，这尤其有价值。因此，各活塞的相同的活塞行程(活塞的移动路径)带来相同的容积。换言之，该控制单元控制活塞的行程以相应地同步各活塞泵的活塞工作容积。必须以避免该流体线路和该系统中的空气泵送的方式进行控制。
在本发明的过滤系统的一个优选实施方案中，该系统包含天平以称量从流体通道中排出的渗透液。使用排出的流体质量可以计算排出的渗透液的体积。了解该浓缩过程的起始体积能够计算该系统中包含的实际总体积。
优选地，该系统包含至少两个用于监测和测量通道中压力的压力传感器。使用两个压力传感器能够测定流体通道中所含的实际液体溶液的粘度。
压力传感器也可用于控制该浓缩过程。可以由控制单元根据流体通道中的压力和/或根据切向流过滤模块中的跨膜压力控制使用中的一对活塞泵的两个活塞泵。跨膜压力是由位于TFF模块的相反侧上的两个压力传感器测得的两个压力值的平均值。向控制单元提供传感器的信息，其评估传感器信息并生成用于控制活塞泵的控制信号。
因此，例如，可以调节该系统中的所需跨膜压力。第一活塞泵的活塞 移入活塞工作容积以使流体从该泵压出到流体通道中。由这两个压力传感器测得的该系统中的压力提高。位于流体通道的相反末端的第一对活塞泵的第二活塞泵的活塞移出活塞移动室(piston swept chamber)，以使流体可到达活塞移动室。因此可以将跨膜压力再调节至所需值。当测得的压力不同于预定跨膜压力时，在流体通道的相反末端的第二活塞的运动停止或减慢。如果这两个压力传感器的平均值小于所需跨膜压力，第二活塞泵的活塞减慢或停止。现在，第二活塞的活塞移动室至少部分地被含有要浓缩的组分的液体样品填充。在下一步骤中，该周期再开始，但现在第一活塞对的第二个泵的活塞移入活塞移动室且第一活塞泵的第一个活塞移出其室以便可以调节和控制所需跨膜压力。
如果流体的实际量降到预定水平以下，则第二对活塞泵的活塞代替第一活塞泵的活塞移动。可以设置从第一对活塞泵向第二对活塞泵的转换。优选通过控制单元控制这样的转换(切换)。然后，工艺步骤利用第二对活塞泵继续。
在本发明系统的一个优选实施方案中，由发动机驱动活塞泵。优选地，该系统每个活塞泵包含一个用于驱动该泵的活塞的发动机。利用单独的发动机操作各活塞泵能够非常精确调节和容易控制活塞泵，以致可以仅借助少数调节步骤容易地改变工艺参数。通过单个单元或通过每个发动机的一个控制单元进行发动机的控制。可以使用控制一个或几个发动机的相同控制单元或附加控制装置控制、监测和访问(address)发动机控制单元。
优选地，所用发动机是步进发动机。因此，使用递进步骤驱动发动机容易地并精确地控制该发动机。可以以最简单的方式调节泵过通道的流体和通道中的所需压力。
在另一优选实施方案中，该系统包含用于测定流体样品中所含的组分的浓度和聚集体形成的光学测量装置。该光学测量装置优选包含集成在流体通道中的比色皿。利用比色皿可以进行浓度的光学测量。因此，可实现实时测量。所采集的与浓度有关的测量数据可用于在线控制浓缩过程。该比色皿优选具有指定横截面积，其被两个测量压力差的压力传感器包围以 根据Hagen-Poiseuille公式计算流体粘度。控制单元也可以利用该测量数据(传感器信息)控制活塞泵的活塞并因此控制整个过滤过程。
显然，本发明的系统和本发明的方法可用于进行流体法，例如流体样品中所含的组分的浓缩或用于交换样品流体的溶剂。因此，不仅可以进行浓缩或提纯，还可以进行渗滤。在渗滤的情况下，在活塞泵对的具有较小体积的活塞泵中填充流体样品。在该对的具有较大体积的活塞泵中填充交换缓冲液或应交换的溶剂。
在渗滤过程开始时，具有较小体积的泵驱动流体样品经过流体通道和TFF模块以从该系统中排出渗透液。含有缓冲液的具有较大体积的活塞泵也用于补充经TFF模块从该系统中排出的流体量。这可以连续进行，这在具体实施方案中的缺点在于利用大体积泵补充流体或交换缓冲液可能不精确。在这些情况下，如果含有交换缓冲液(具有较大体积)的泵只有在已从该系统中排出预定量的流体时才开始工作，则是有利的。因此，也可以用小于10毫升的非常小量的流体样品进行渗滤。
下面基于附图中所示的具体实施方案更详细例示本发明。其中所示的技术特征可以独立或结合使用，以产生本发明的优选实施方案。所述实施方案不代表对本发明的任何限制，由权利要求书规定本发明的一般性。
在附图中：
图1显示本发明的流过滤系统的一个实施方案；
图2显示本发明的流过滤系统的另一实施方案；
图3显示本发明的流过滤系统的再一实施方案。
图1显示过滤系统1，其包含具有切向流过滤模块3的流体通道2。流体通道2包含两个导管4，5，它们与切向流过滤模块3的两个末端相连。在流体通道2的各末端10，11(它们分别以导管4和5的末端为代表)连接两个活塞泵6。
图1中的系统1显示总共四个活塞泵6，它们设计为注射泵7。第一对8活塞泵6(其可被设计为注射泵7)分别由第一注射泵8a和第二注射泵 8b构成。第二对9活塞泵6(其可被设计为注射泵7)包含第一注射泵9a和第二注射泵9b。
第一对8和第二对9注射泵的第一个泵8a，9a连接在流体通道2的第一末端10。第一末端10显示在流体通道2的左侧，第二末端11显示在流体通道2的右侧。在流体通道2的第二末端11，连接第一对8的第二注射泵8b和第二对9注射泵的第二注射泵9b。
第一注射泵8a，9a并联地流体连接在第一末端10。第二注射泵8b，9b并联地流体连接在第二末端11。各注射泵7具有各自的容纳流体的活塞工作容积或活塞移动储器(pistonswept reservoir)。活塞移动储器18a，18b是注射泵8a，8b的活塞工作容积。注射泵9a，9b具有各自的活塞移动储器19a，19b，它们是各注射泵9a，9b的活塞工作容积。
第一对8注射泵的注射泵8a，8b的体积显著大于第二对注射泵的注射泵9a，9b的体积。优选地第一对8的注射泵8a，8b之一的体积为100毫升至10毫升。该体积优选为大约25-10毫升。因此，在第一注射泵8a中可容纳例如大约15毫升的流体。
第二对9注射泵9a，9b的体积显著小于第一对8注射泵8a，8b的体积。注射泵9a，9b之一的体积优选为1毫升至2.5毫升，特别优选为1毫升体积。在一个任选实施方案中，注射泵9a，9b之一的体积也可以小于1毫升，优选为大约100微升至1000微升。
各注射泵7由发动机驱动。因此在系统1中包含四个发动机12。各发动机12优选经齿轮与注射泵7的活塞相连。控制单元80控制发动机12以控制活塞泵6的活塞的运动。控制活塞泵6以驱动流体通道2中的流体来回经过TFF模块3。可通过切断发动机控制电流来控制发动机12。在这种情况下，控制单元80可包含斩波电路。或者，控制单元80还可控制与发动机12连接的齿轮13。
本发明的流体系统1的优点在于从过滤器的两侧生成切向流过滤模块3的更均匀负荷。渗透通量更均匀分布在切向流过滤模块3的整个过滤器面积或膜面积上。与环形流体线路相比，可以降低随时间经过的渗透通量 降低。包含用于双向泵送的流体通道2的流体系统1的另一优点使得泵6与过滤模块(TFF模块3)之间的流体导管更短。因此，与环形过滤线路相比，降低了最低工作体积。
切向流过滤模块(TFF模块3)具有第一流体口14和第二流体口15，在流体通道2中被泵送的流体经它们经过TFF模块。渗透液出口16流体相通地位于膜17后方，以使经过膜17的液体可作为渗透流经渗透液出口16从TFF模块3中排出。渗透液可收集在渗透液室20中。
系统1可以优选地还包含天平21，其与渗透液室20接触以将从TFF模块3中排出的渗透液称重。基于渗透液的测量重量，可以计算渗透液的体积。因此，借助浓缩过程开始时的已知起始体积，也可以计算流体通道2中的实际体积。因此，可以监测该系统中的流体的实际体积和要在系统1中浓缩的分子的浓度。
流体系统1进一步包含至少两个压力传感器23，24以测量跨膜压力。优选在流体通道2中安装第三个压力传感器22。两个压力传感器22，23之间的压力差测量结果能够根据Hagen-Poiseuille公式测定流体通道2中所含的液体溶液的粘度。
优选地，压力传感器23和24靠近过滤模块的流体口14和15。利用测量结果控制注射泵7的各自发动机12。可以利用一个或多个压力传感器22、23、24的信息控制发动机12a、12b。压力传感器22、23、24的信息以及来自天平21的信息可用作控制单元80的输入数据和控制信息。在控制单元80中加工这一信息以驱动各自的发动机12。此外，控制单元80还可包含评估和监测线路以评估流过滤法的工艺参数。
下面详细描述典型的过滤法以例示该系统的应用：
一个主要方面是注射泵对8、9的控制。在第一对8的第一注射泵8a的注射器储器18a中装入含有要浓缩的组分的流体样品。可以利用TFF模块3中的恒定跨膜压力(TMP)进行第一对8注射泵的泵8a，8b的控制。使用压力传感器23，24测量压力。推动第一注射泵8a的活塞，以从活塞移动储器18a中排出流体并将其引入流体通道2。使用压力传感器23，24 测得的压力因而升高。如果达到TFF模块3中的预定和所需跨膜压力，或压力传感器23，24处的两个压力值p1，p2的中间值大于跨膜压力，则使用发动机12b移动第二注射泵8b的活塞。泵8b的活塞向外移(拉出)，以使测得的压力p1，p2的中间值等于所需跨膜压力。如果测得的中间压力值小于所需跨膜压力，则发动机12b减慢或停止以使第二注射泵8b的活塞的运动也减慢或停止。
如果减慢第二注射泵8b的活塞的运动以控制透膜压力，如果测得所需压力值，活塞的运动继续。
如果由于第一注射泵8a的活塞移动储器18a排空且第一注射泵8a的流体体积经TFF模块3(完全)转移至第二注射泵8b因而第二注射泵8b的活塞的运动停止，则移动第一注射泵8a和第二注射泵8b的活塞的周期重新开始。现在推动第二注射泵8b的活塞以使活塞移动储器18b中包含的流体排空到流体通道2中，并拉出第一注射泵8a的活塞以使流体可进入活塞移动储器18a。这样，可以进行注射泵8a，8b的压力驱动控制。
显然，泵送周期(在一对活塞泵的两个泵之间来回泵送流体)可以进行数次。
通过控制第一和第二注射泵8a，8b各自的发动机12a，12b来进行另一控制。在这种情况下，需要步进发动机，以便可通过其旋转的增量控制发动机。为了驱动第一注射泵8a的活塞，使发动机12a旋转预定和已知的增量。为了驱动第二注射泵8b的活塞，使用发动机12b。这一发动机——优选类似于发动机12a，移动相同增量以从第二活塞移动储器18b中拉出第二注射泵8b的活塞。为了补偿作为渗透液从流体系统中排出的流体体积，对注射泵8a，8b而言，用于移动注射泵8a，8b的活塞的增量同时降低相同的量。
可以使用天平21进行第三种可能的控制并检测从TFF模块3中排出的液体的渗透通量和渗透体积。因此，必须知道从注射泵7中排出的体积与活塞行程长度和发动机12的增量的比率。将排出的渗透液收集在渗透液收集室20内并使用天平21实时测量。在一个优选实施方案中，渗透液收 集室20包含盖子以减轻渗透液的蒸发。将第一注射泵8a的活塞推入活塞移动储器18a中以将流体从该储器排放到流体通道2中。因此，发动机旋转预定增量。也移动第二注射泵8b的活塞，其中与驱动第一注射泵8a的发动机12a一样，驱动第二注射泵8b的发动机12b移动降低的增量。可以由用于驱动第一注射泵8a的增量数减去与排出的渗透液对应的增量数计算增量的降低量。
此外，可以实施仅受压力控制的活塞泵调节和发动机驱动的调节的组合，或可以实施压力驱动的调节和用天平和发动机调节的组合。此外，通过限定单位时间的流体流和调节每时期的发动机节距，可以不用任何压力传感器实现调节。这些调节可以由一个或多个控制单元80进行。
通过活塞的bedstop调节将活塞推入活塞移动储器时的最大活塞行程。将活塞拉出活塞移动储器的最大活塞行程长度取决于系统1中所含的流体样品量。根据流体样品体积驱动发动机12。因此，可以使用天平或使用压力信息或通过经天平和压力进行控制的组合或单位时间的流体流控制发动机。
使用天平21控制发动机是基于从TFF模块3中排出的渗透液的重量。使用该重量，可以计算排出的渗透液的体积。因此，起始体积减去排出的渗透液体积是系统1中流体样品的实际体积。拉动活塞直至实际活塞位置的分配活塞储器体积等于实际流体样品体积减去流体系统1的最低体积(这是流体通道2和TFF模块3的最低工作体积)。
在流体系统1的运行过程中，由于溶液作为渗透液经渗透液出口16从TFF模块3中排出，流体系统1内的液体样品体积随时间经过降低。如果该系统中流体样品的实际体积小于或等于例如第二对9的注射泵9a，9b之一的预定值，则使用第二对9注射泵9a，9b代替第一对8注射泵8a，8b。因此，从使用第一对8注射泵切换至第二对9注射泵。优选地，在该系统中的流体样品体积小于或等于注射泵9a，9b之一的活塞工作容积或活塞移动储器19a，19b加上该系统的最低工作体积时进行切换。
也可以利用系统1的天平21和/或利用压力信息和步进发动机的已知 增量控制活塞泵对的切换使用。两者的组合是可行的。
因此，本发明的流体系统1具有几个优点。一方面，由于可以降低泵6，7和TFF模块3之间的导管4，5的长度的事实，可以降低最低工作体积。另一方面，活塞泵6的体积几乎不占据流体系统的最低工作体积。只有在并联布置的注射器对的方式中，第一末端10或第二末端11分别与第一对8注射泵8a，8b之间的连接导管25才对最低工作体积具有影响。但是，这些连接导管25相当短。此外，导管4、5和连接导管25的内径或内部横截面积小于1毫米或小于1平方毫米。
此外，本发明的系统1允许自由地将流体的流速和切向流过滤模块3中的剪切力和跨膜压力编程。这可以容易地使用控制单元80进行。为了使跨膜压力保持恒定，在速度控制下从工作容积或储器中拉出注射泵的活塞。通常通过压力传感器23，24的压力值之和除以传感器数(在此除以2)计算跨膜压力。在也检测渗透液压力的系统中，从压力传感器23，24的压力值之和除以压力传感器数(在此为2)中减去渗透液压力值。如果在渗透液出口16内不存在压力传感器，估计渗透液压力值为0并将该公式缩减为压力传感器23，24的压力值之和除以压力传感器数。来自一个压力传感器的压力值可以是来自这个压力传感器的多次压力测量的平均值。传感器信息的各值的计算以及信息和测量数据的进一步加工也可以集成在控制单元80中并在其中进行。
图2显示本发明的流体系统的另一实施方案。与图1中所示的实施方案的区别是附加的光学测量装置26，其能够在线采集液体样品中所含的组分的浓度。该组分优选是蛋白质、粒子、聚集体、离子、细菌、病毒、核酸、糖类等。
光学测量装置26包含发出在可见光或非可见光范围(例如紫外线范围内)的光的光源27、传导光源27的光束的两个透镜28和光检测器29，其可以是例如光电二极管或光电倍增管。在两个透镜之间，在流体通道2中安置比色皿30以使光束穿过比色皿30。可以通过公知的光学方法基于Lambert-Beer公式测定流体的组分的浓度和何时表现出聚集体的形成并可以在线监测。因此，可以实时检测另一重要的工艺参数。这就能够利用本发明的流体系统进行优化的浓缩法。该系统设计成优选用100毫升或更低的液体样品起始体积、优选用最多100毫升的起始体积、特别优选用最多2毫升的起始体积进行浓缩法。
该实施方案与图1中所示的实施方案的另一区别在于，控制单元80包含第一控制机构81和第二控制机构82。控制机构81，82各自控制一对活塞泵8，9。显然，控制机构81，82也可以代替第一对注射泵8和第二对注射泵9的发动机12控制齿轮13。
根据图2的实施方案，向控制单元80提供压力传感器22、23和24的测量数据，以便进一步加工并控制和制造供控制机构81，82使用的各控制信号。也可以通过控制单元80评估由光检测器29提供的信号。还可以控制光学测量装置26的光源27和/或光检测器29以致也可以控制和评估液体样品中所含的组分的浓度的直观采集结果。
图3显示本发明的系统1的另一实施方案。在流体通道2的各末端，存在集成活塞泵60，其包含合并在一个元件中的两个活塞泵6。优选地，集成活塞泵60包含串联地流体连接的至少两个活塞泵室61，62。这两个活塞泵室61，62分别相当于活塞泵8a，9a或8b，9b的储器。因此，集成活塞泵60优选合并了至少两个活塞泵或注射泵7。这两个活塞泵室61，62相当于如图1或图2中所示的活塞泵的活塞移动储器18，19。也可以通过控制单元80控制集成活塞泵60。
集成活塞泵60优选包含至少两个活塞63，64，它们被布置成使至少一个活塞能在至少两个活塞泵室61，62中移动。所述至少两个活塞63，64可以将流体逐出活塞泵室61，62的至少一个。由控制单元80通过控制发动机12来控制活塞63，64的运动。
优选地，集成活塞泵60包含至少具有主活塞63和次活塞64(它们优选互相耦合)的集成活塞65。因此，这两个活塞63，64构成集成活塞65。
优选地，主活塞63和次活塞64能够在活塞泵室61，62的至少一个中同步运动。
在流体通道2的左端，如图3中所示，集成活塞泵60a具有发动机驱动的集成活塞65a，其包含主活塞63a和次活塞64a。在上方小图中详细显示这两个活塞63，64。
两个活塞63a，64a耦合在一起，以使得它们在活塞泵室61a(其相当于如图1中所示的第一注射泵8a的活塞移动储器18a)中的至少一部分移动路径上同步运动。集成活塞泵65a移入活塞泵室61a，在此集成活塞65a停在活塞泵室61a的末端(右端)。在移动路径的这一点，活塞泵室61(基本)完全排空。现在，在活塞泵室61中的移动路径的末端，次活塞64a进一步移入活塞泵室62，由此将这一活塞泵室62中所含的流体压入流体通道2。
在一个优选实施方案中，主活塞泵63包含具有通孔67的活塞盘66，次活塞64的冲杆68延伸穿过该通孔。次活塞64的冲杆68密封在通孔67中，以使没有流体经该通孔逸出。
如图3中所示的集成活塞65具有凹进70，次活塞64的活塞盘71安装在其中，优选嵌套安装。次活塞64的活塞盘71也可以位于没有任何凹进的主活塞63的平活塞盘66的表面上。
在根据图3的优选实施方案中，主活塞63的冲杆69优选是中空冲杆，以使次活塞64的冲杆68可穿过中空冲杆69延伸。
在这一实施方案中，具有两个活塞63，64的集成活塞65沿第一活塞室61(其优选具有比第二活塞泵室62大的体积)中的移动路径移动。次活塞64不仅移过第一活塞泵室61，还移过第二活塞泵室62以完全排空这一室。如果该系统中的总体积降至与第二活塞泵室62(在这两个活塞泵室中具有较小体积)的体积对应的预定量，则仅移动次活塞64以驱动流体经过流体通道2和TFF模块3。因为两个活塞泵8，9之间没有任何连接导管增加系统1的最低工作体积，这种方法也确保可靠地处理极小量的流体样品且该系统的死体积相当小，
显然，集成活塞65不是只能以图3中所示的方式布置。两个活塞63，64也可以耦合以使它们一个紧接另一个且活塞之一不仅进一步移入集成 活塞泵的一个室，还移入另一个室。
Claims (38)
1.微流过滤系统(1)，包含：
-流体通道(2)，其具有两个末端(10，11)并由两个导管(4，5)形成以使流体样品能双向流过流体通道(2)；
-切向流过滤模块(3)(TFF模块)，其具有第一流体口(14)、第二流体口(15)、渗透液出口(16)和半透膜(17)，半透膜(17)能在样品流经过半透膜(17)时将所述流体样品分离成流过第一流体口(14)和第二流体口(15)之一的渗余流和流过渗透液出口(16)的渗透流；
-各自具有两个活塞泵(6)的两对(8，9)活塞泵(6)，各活塞泵具有构成能容纳流体的储器(18，19)的活塞工作容积，活塞泵(6)能驱动流体流；
-第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积大于第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积，
-用于控制活塞泵(6)的控制单元，
其中
-TFF模块(3)位于流体通道(2)中，以使一个导管(4)与第一流体口(14)相连，另一导管(5)与第二流体口(15)相连，以使流经流体通道(2)的流体经过TFF模块(3)；
-在流体通道(2)的各末端(10，11)以下述方式布置各对(8，9)活塞泵(6)的一个活塞泵(6)：活塞泵(6)流体连接，其中所有的活塞泵(6)布置在TFF模块(3)的半透膜(17)的相同侧；
-布置并调节控制单元，以同步控制各对(8，9)活塞泵(6)的两个活塞泵的驱动和/或控制从第一对(8)活塞泵(8a，8b)向第二对(9)活塞泵(9a，9b)的切换和/或切换时间，和
-布置并调节所述系统，以至少在一段时期内仅利用一对(8，9)活塞泵(6)驱动流体流过流体通道(2)。
2.根据权利要求1的微流过滤系统，其特征在于在流体通道(2)末端的活塞泵(6)并联地流体连接。
3.根据权利要求1的微流过滤系统，其特征在于
在流体通道(2)末端的活塞泵(6)串联地流体连接。
4.根据权利要求3的微流过滤系统，其特征在于，位于流体通道(2)的一个末端的两个活塞泵(6)合并在集成活塞泵(60)中，集成活塞泵(60)具有串联地流体连接的至少两个活塞泵室(61，62)，并具有两个以下述方式布置的活塞(63，64)：至少一个活塞能在至少两个活塞泵室(61，62)中移动并能将流体逐出所述至少两个活塞泵室(61，62)的至少一个。
5.根据权利要求4的微流过滤系统，其特征在于集成活塞泵(60)包含集成活塞(65)，集成活塞(65)至少具有主活塞(63)和次活塞(64)，其中主活塞(63)和次活塞(64)能在至少一个活塞泵室中同步运动。
6.根据权利要求5的微流过滤系统，其特征在于主活塞(63)和次活塞(64)互相耦合。
7.根据权利要求5或6的微流过滤系统，其特征在于在一个活塞泵室(61)中的移动路径的末端，次活塞(64)能进一步移入集成活塞泵(60)的另一活塞泵室(62)。
8.根据权利要求1至6任一项的微流过滤系统，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少3倍。
9.根据权利要求8的微流过滤系统，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少5倍。
10.根据权利要求8的微流过滤系统，其特征在于第一对(8)活塞泵 (8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少10倍。
11.根据权利要求8的微流过滤系统，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少25倍。
12.根据权利要求8的微流过滤系统，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少100倍。
13.根据权利要求1至6和9至12任一项的微流过滤系统，其特征在于系统(1)包含用于称量从TFF模块(3)中排出的渗透液的天平(21)。
14.根据权利要求1至6和9至12任一项的微流过滤系统，其特征在于系统(1)在流体通道中或在TFF模块(3)中包含至少一个用于监测和测量系统(1)中的压力的压力传感器(22，23，24)。
15.根据权利要求14项的微流过滤系统，其特征在于系统(1)包含至少两个或更多个压力传感器(22，23，24)，其位于TFF模块(3)的相反侧上，能够用于测定跨过半透膜(17)的跨膜压力。
16.根据权利要求1至6和9至12任一项的微流过滤系统，其特征在于系统(1)包含用于采集流体样品中所含的组分的浓度的光学测量装置(26)。
17.根据权利要求16的微流过滤系统，其特征在于光学测量装置(26)包含集成在流体通道(2)中的比色皿(30)。
18.根据权利要求1至6和9至12任一项的微流过滤系统，其特征在于控制单元(80)适用于同步同一对(8，9)活塞泵(6)的两个活塞泵(6)的活塞的行程以同步调节活塞泵(6)的活塞工作容积。
19.根据权利要求1至6和9至12任一项的微流过滤系统，其特征在于控制单元(80)以下述方式控制一对(8，9)活塞泵(6)的两个活塞泵(6)：流体来回经TFF模块(3)从一对(8，9)活塞泵(6)的一个活塞泵(6)流向另一活塞泵(6)。
20.根据权利要求1至6和9至12任一项的微流过滤系统，其特征在于系统(1)用于浓缩流体样品中所含的组分或用于交换样品流体的溶剂。
21.使用切向流过滤模块(3)浓缩流体样品中所含的组分的流过滤方法，所述方法包括下述步骤：
-提供微流过滤系统(1)，其包含
-流体通道(2)，其具有两个末端(10，11)并由两个导管(4，5)形成以使流体样品能双向流过流体通道(2)；
-切向流过滤模块(3)，其具有第一流体口(14)、第二流体口(15)、渗透液出口(16)和能分离所述流体样品的半透膜(17)；
-两对(8，9)活塞泵(6)，各活塞泵(6)形成能容纳流体的储器(18，19)；
-用于控制活塞泵(6)的活塞的运动的控制单元(80)；
其中
-TFF模块(3)位于流体通道(2)中，以使一个导管(4)与第一流体口(14)相连，另一导管(5)与第二流体口(15)相连；
-在流体通道(2)的各末端(10，11)以下述方式布置各对(8，9)活塞泵(6)的一个活塞泵(6)：活塞泵(6)流体连接，其中所有的活塞泵(6)布置在TFF模块(3)的半透膜(17)的相同侧；
-第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)具有比第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)大的体积；
-布置并调节控制单元(80)以同步控制第一对(8)活塞泵(8a，8b)或第二对(9)活塞泵(9a，9b)的全部活塞泵的运动和/或 控制从第一对(8)活塞泵(8a，8b)向第二对(9)活塞泵(9a，9b)的切换和/或切换时间，
-向第一对(8)活塞泵(8a，8b)的至少一个活塞泵(6)中装入流体；
-以第一方向移动由控制单元(80)控制的第一对(8)活塞泵(8a，8b)的第一活塞泵(8a)的活塞以降低活塞工作容积，从而将流体样品从第一活塞泵(8a)推过流体通道(2)并经过TFF模块(3)，由此提高系统(1)中的流体样品中的组分的浓度并在渗透流中排出一定量的流体；
-以第一方向移动由控制单元(80)控制的第一对(8)活塞泵(8a，8b)的第二活塞泵(8b)的活塞以提高活塞工作容积，从而使经过流体通道(2)后的流体能进入第二活塞泵(8b)；
-以与第一方向相反的第二方向移动由控制单元(80)控制的第一对(8)活塞泵(8a，8b)的第二活塞泵(8b)的活塞和第一活塞泵(8a)的活塞，以将流体样品从第二活塞泵(8b)经TFF模块(3)推回第一活塞泵(8a)中；
-确定系统(1)中的流体样品体积是否已降至低于预定值或是否已达到浓缩过程开始后的预定时间间隔；
-重复所述以第一和第二方向移动由控制单元(80)控制的第一对(8)活塞泵(8a，8b)的第一和第二活塞泵(8a，8b)的步骤，直至达到预定值或预定时间间隔，由此驱动流体来回经过TFF模块(3)；和
-如果系统(1)中的流体样品体积已降至低于预定值或如果已达到浓缩过程开始后的预定时间间隔，根据上述步骤利用第二对(9)活塞泵(9a，9b)的第一活塞泵(9a)和第二活塞泵(9b)，由此建立流体在流体通道(2)中的连续双向流。
22.根据权利要求21的流过滤方法，其特征在于提供根据权利要求1至20任一项的微流过滤系统。
23.根据权利要求21的流过滤方法，其特征在于以下述方式通过控制 单元(80)控制第一对(8)活塞泵(8a，8b)的两个活塞泵和第二对(9)活塞泵(9a，9b)的两个活塞泵的运动：在恒压下将流体推过TFF模块(3)。
24.根据权利要求21至23任一项的流过滤方法，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少3倍。
25.根据权利要求24的流过滤方法，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少5倍。
26.根据权利要求24的流过滤方法，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少25倍。
27.根据权利要求24的流过滤方法，其特征在于第一对(8)活塞泵(8a，8b)的任一活塞泵(6)的体积是第二对(9)活塞泵(9a，9b)的任一活塞泵(6)的体积的至少100倍。
28.根据权利要求21或22的流过滤方法，其特征在于通过称量从TFF模块(3)中排出的渗透液来确定系统(1)中的流体样品的体积。
29.根据权利要求28的流过滤方法，其特征在于通过用天平(21)称量来确定系统(1)中的流体样品的体积。
30.根据权利要求21或22的流过滤方法，其特征在于通过测量活塞行程长度确定所述系统中的流体样品的体积。
31.根据权利要求1至6和9至12任一项的微流过滤系统，其特征在于全部活塞泵(6)由发动机驱动。
32.根据权利要求31的微流过滤系统，其特征在于系统(1)对于每 个活塞泵(6)或活塞泵对(8，9)包含一个用于驱动活塞泵(6)的发动机(12)。
33.根据权利要求21或22的流过滤方法，其特征在于全部活塞泵(6)由发动机驱动。
34.根据权利要求33的流过滤方法，其特征在于系统(1)对于每个活塞泵(6)或活塞泵对(8，9)包含一个用于驱动活塞泵(6)的发动机(12)。
35.根据权利要求21或22的流过滤方法，其特征在于通过监测系统(1)中的流体的实际压力来控制从活塞泵对(8，9)的第一活塞泵(8a，9a)向第二活塞泵(8b，9b)的流。
36.根据权利要求35的流过滤方法，其特征在于通过监测跨膜压力来控制从活塞泵对(8，9)的第一活塞泵(8a，9a)向第二活塞泵(8b，9b)的流。
37.根据权利要求21或22的流过滤方法，其特征在于
-通过驱动活塞泵(6)的渐进驱动发动机(12)控制从一对(8，9)活塞泵的第一活塞泵向第二活塞泵的流，并控制发动机(12)移动的增量。
38.根据权利要求37的流过滤方法，其特征在于所述渐进驱动发动机是步进发动机(12)。
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