CN107835673A - 薄膜粘合的扁平包装 - Google Patents

Abstract

基于膜的分离设备包含粘合至柔性薄膜的膜的多个相互连接的扁平薄片。所述粘合的薄膜以产生手风琴形状或之字形状的方式粘合。在一些实施方案中，第一或上游层固定至合适的壳体，而最后或最下游层也固定至合适的壳体。该壳体可含有用于引入样品的进口和用于移除经过滤样品的出口。通过所述区段的流是平行的。因为膜不折叠或成褶状，所以可使用比可用于褶状或折叠系统中的那些性能更高的膜(例如，具有一定程度的不对称性的基于聚砜的膜)。

Description

薄膜粘合的扁平包装

本申请要求2015年5月8日提交的美国临时申请序列号62/158,606的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景

本文中公开的实施方案涉及基于膜的分离设备。

已知生物制药液体通常通过在生物反应器中培养获得，并且它们必须随后经处理以实现纯度、浓度、缺乏病毒等等的所需特性。纯化可使用一系列以下处理来进行：例如，澄清化，以从生物反应器培养物中除去残渣，以及病毒过滤，有时后接通过切向流过滤进行的渗滤和浓缩。存在关于纯化的其它操作，例如色谱法。纯化处理基本上通过在回路或工艺列(process train)中的过滤操作来进行。

大多数褶状筒式过滤器在面积上受到限制，这是由于筒或壳体本身的物理限制。基于膜褶的数量、褶高度和支撑物厚度，一些筒可或多或少提供面积。同样，筒套(cartridge sleeve)具有固定的直径，其不能轻易地改变，因为较大的套需要产生新的部件。这些套通常需要塑料或不锈钢壳体，以便控制工作压力。

另外，在筒内使膜成褶状的需要限制了可使用的膜，这是由于机械性能的限制(例如，某些膜不能折叠或成褶状)，因为它们易于破裂或形成将对过滤过程有害的缺陷)。

将合意的是，在不需要改变工具或设备的情况下，通过产生可容易地制定大小以便获得高或低过滤面积的设计来改善通常需要此类壳体的基于膜的分离设备的灵活度。

还将合意的是，提供呈扁平或平面格式的实现高膜密度/单位面积的基于膜的分离设备，由此避免膜材料的折叠或成褶状。

本文中公开的实施方案涉及基于扁平包装膜的(flat pack membrane-based)组合件，其使得可能简单、经济且方便地实施用于例如生物流体的处理。

发明内容

在一些实施方案中，本文中公开的基于膜的分离设备包含与柔性薄膜(film)粘合的膜(membrane)的多个相互连接的扁平薄片(sheet)。所述粘合的薄膜以产生手风琴形状或之字形状的方式粘合。膜中不存在皱褶。手风琴形状或之字形状允许平行流动，而不是使用堆叠组合件出现的连续流动。各个粘合膜的数量和尺寸可变。在一些实施方案中，第一或上游层或区段密封至合适的壳体，而最后或最下游层或区段也固定至合适的壳体。该壳体可含有用于引入样品的进口，和用于移除经过滤样品的隔开的出口。该壳体可由以下组成：与过滤设备本身一致的薄膜材料，并可为薄膜或还可用于控制设备的工作压力的显著刚性的材料。

该设备的合适的应用包括澄清化、预滤、无菌过滤、病毒过滤、生物负载降低、生物流体的浓缩和渗滤，所述生物流体包括哺乳动物、细菌和菌丝体细胞悬浮液、乳液和胶体悬浮液、病毒、蛋白质和其它生物有机大分子溶液、多糖和其它高粘度溶液、酵母、藻类、和其它高固体含量悬浮液、以及蛋白质沉淀物。

因为膜不折叠或成褶状，所以可使用比可用于褶状或折叠系统的那些性能(即，容量+流量)更高的膜，例如具有一定程度的不对称性的基于聚砜的膜。在一些实施方案中，该设备是单次使用的一次性设备。

附图简述

图1是根据一些实施方案的基于膜的分离设备的横截面视图；

图2是根据一些实施方案，在设备操作期间在压力控制组合件内显示的图1的设备的横截面视图；和

图3是根据一些实施方案的切向流过滤应用的示意图。

详述

根据一些实施方案，在此提供了利用手风琴构造或之字形构造的基于柔性膜的分离设备，其由接合在一起的多个区段或层组成，或由单一的折叠区段组成。该构造允许流体样品的平行流动，这与堆叠的分离设备典型的连续流动相反。设备可以实现单一设备内的平行流动和连续流动两者的方式构造。

在一些实施方案中，该设备是单式的、整体的和一次性的(即，为单次使用设备)。在一些实施方案中，该设备为扁平的或平面的，或基本上如此。在一些实施方案中，该设备可用于正向流过滤。在一些实施方案中，该设备可用于切向流过滤。

本文中公开的实施方案利用薄膜(连同非织造材料或屏蔽材料)而不是利用膜支撑板(通常为注塑成型的)来支撑设备中的膜。该构造可帮助实现较高的面积和较低的花费。合适的薄膜包括聚合物薄膜，例如聚砜薄膜和聚烯烃薄膜，包括聚乙烯薄膜和聚丙烯薄膜。优选地，该薄膜可密封或可焊接至所述膜或自身，并且是流体不可渗透的。用于密封的合适的机制包括使用合适的密封剂例如环氧树脂；热封；或化学结合。可在所述膜区域中的薄膜中形成狭缝或其它孔以允许流体流动，或所述薄膜可形成相对于所述膜的“相框(picture frame)”以允许流在所述膜下方通过。

合适的膜包括大孔或微孔聚合物膜、超滤膜和亲水性膜或疏水性膜。合适的膜材料包括聚醚砜、尼龙、硝基纤维素、纤维素酯、再生纤维素、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等等。所述膜材料应当可密封至支撑其的薄膜。

在一些实施方案中，多层设备的各个区段或层包括流体不可渗透的聚合物薄膜，和过滤或吸收膜，该过滤或吸收膜密封至所述薄膜上使得所述膜暴露在薄膜的两个主表面上，以提供可用的过滤区域，以便过滤引入该设备中的流体样品。在一些实施方案中，各个区段或层将第一纵向末端边缘和第二纵向末端边缘分隔开。在一些实施方案中，这些区段或层中的第一者随后优选在其一个纵向末端边缘处或附近耦合至这些区段中的第二者，同样在其一个纵向末端边缘处或附近。第二区段或层也可在其相对的纵向末端边缘处或附近耦合至第三区段或层，同样在其一个纵向末端边缘处或附近，等等。各层的聚合物薄膜提供流体屏障，由此迫使流体通过密封至那一层的膜。可通过任何合适的手段(例如热焊)耦合、接合或附着所述区段或层。

在一些实施方案中，所述设备包括壳体，其含有：具有密封至其上的第一膜的第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段，所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜具有第一前边缘和第一后边缘；和具有密封至其上的第二膜的第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段，所述第二流体不可渗透的聚合物薄膜具有第二前边缘和第二后边缘。在一些实施方案中，第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段的第一后边缘与第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段的第二前边缘接合，例如通过焊接接合。第一流体和第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段形成之字形构造，并因此引入所述壳体中的流体平行流经第一膜和第二膜。所述设备可包括具有密封至其上的膜的额外的流体不可渗透的聚合物薄膜区段，各个额外的区段与上游区段接合，以延续之字形模式(更多区段表示更多的过滤面积和更多的处理体积)。

现在转向图1，其显示了根据一些实施方案的基于膜的分离设备 10的横截面视图。在所示的实施方案中，设备10包括合适的外壳(outer housing或outer shell)11，其具有样品进口16和样品出口17，所述进口和出口在壳体中的位置不受特别限制。进口和出口的构造不受特别限制，并可包括管、水喉倒钩(hosebarb)、卫生级法兰(sanitary flange)，例如Tri Clover管件等。合适的壳体建造材料包括与所述薄膜相容的材料，其将允许它们密封/粘合至所述薄膜，例如聚砜、聚乙烯、聚丙烯等，并应当能够控制低压(例如0-1psi)以测试在不受约束时的焊接/粘合的完整性。在一些实施方案中，外层或外壳11由与所述薄膜相同的材料构造，并可由通过所示的膜-膜粘合密封的两层薄膜形成。进口、出口和排气管件可粘合或密封至外壳11。另外，还可存在与用于控制操作压力的外部薄膜层(壳体)紧密接触的次级壳体(secondary shell/housing)。在一些实施方案中，选择外壳11的材料使得其可粘合至聚合物薄膜膜支撑材料。压力控制壳体21(图2)可整合至膜包(例如，由于使用的类似的材料而与其粘合)或其可为独立的(不相似的材料并且可重复使用)。因为壳体21不接触样品，所以其无需为γ稳定性材料。

外壳11内部显示的是多个层或区段13，其各自包含膜薄膜支撑物和密封至其上的膜14。层或区段的数量不受特别限制；取决于，例如壳体的尺寸和所需的过滤程度，可使用任何数量的层或区段。如可在图1中看到的，各个连续区段13在其各自相应的纵向末端边缘处附着于邻近的区段13，例如通过膜-膜粘合来使膜支撑物13以之字形模式彼此密封。在一些实施方案中，最上层区段13的前纵向末端边缘密封附着于内壳壁11，最下层区段13的纵向末端边缘的后边缘也密封附着于内壳壁11，二者均通过膜-膜粘合进行密封附着。

根据一些实施方案，通过基于膜的分离设备10的流与两个相邻的区段或层平行。在所示的实施方案中，存在四个区段或层，但是本领域技术人员将理解可提供更少或更多的区段或层。引入进口16中的流体样品流经第一区段或层13中的膜14的上游侧的可用膜区域，并还流经第二区段或层13中的膜14的上侧的可用膜区域。类似地，引入进口16中的流体样品流经第三区段或层13中的膜14的上侧的可用膜区域，并还流经第四区段或层13中的膜的上侧的可用膜区域。来自各个区段或层的经过滤的流体行进至设备10的出口17。

根据一些实施方案，在各个区段或层中的用于膜的额外的支撑物可提供有例如流体可渗透的网眼或网格15(例如非织造或织造聚合物材料)，其位于膜的下游侧。这样的膜支撑物允许增加的操作压力，例如高达约50-60 psi。网眼或网格15还可协助携带流体从膜中流走并流向设备的出口17。应当选择网眼或网格15的开口面积(open area)以便不阻流。用于支撑网格的合适的材料包括织造物，例如聚酯、聚醚砜(PES)、聚丙烯、尼龙；和非织造物，例如聚酯、聚醚砜(PES)、聚丙烯、尼龙和聚乙烯。在其中所述设备用作预滤器的实施方案中，可使用具有相对较大的开口面积的网格以便不阻流。

在一些实施方案中，上游流通道支撑物12可用于帮助保持膜14的上游侧在操作期间可接近进入流体。

在一些实施方案中，所述基于膜的分离设备通过例如γ辐射的合适的手段进行消毒。

在一些实施方案中，可使用单一薄片并在隔开的位置处进行折叠以形成手风琴或之字形构造，而不是将多个层或区段粘合在一起。

在一些实施方案中，扁平包装过滤设备可与如图2中所示的压力控制组合件一起使用。因此，组合件20包括过滤设备10，以及限定设备10的顶部和底部刚性压力控制端板21。如所示，可在端板21的一者中形成进口16和出口17，或可在端板21的每一个中形成一个端口。在操作期间，端板21限制设备10归因于操作压力的膨张的程度。

切向流过滤应用的实例显示于图3中。切向流过滤(TFF)或错流过滤包括沿着膜的表面切向进料产品，这帮助降低在膜表面处的产品浓度和使孔阻塞最小化。如所示，将扁平包装过滤设备置于壳体22中。将进料进料至进口16中，并且在施加驱动力(例如施加的压力)之后，保留物通过端口18离开。

Claims (10)

1.一种基于膜的分离设备，其包含多个区段，所述区段各自包含流体不可渗透的聚合物薄膜和密封至其上的膜，以之字形构造配置在所述设备中，其中引入所述设备中的流体平行流经所述多个区段中的所述膜。

2.权利要求1所述的基于膜的分离设备，其还包含壳体，所述壳体含有所述流体不可渗透的聚合物薄膜和密封至其上的膜，所述壳体具有流体进口和与所述进口隔开的流体出口。

3.权利要求1所述的基于膜的分离设备，其还包含支撑所述膜的支撑网格。

4.权利要求1所述的基于膜的分离设备，其还包含含有限定所述设备的第一端板和第二端板的压力控制组合件。

5.一种基于膜的分离设备，其包含具有密封至其上的第一膜的第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段，所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜具有第一前边缘和第一后边缘；具有密封至其上的第二膜的第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段，所述第二流体不可渗透的聚合物薄膜具有第二前边缘和第二后边缘，其中所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第一后边缘与所述第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第二前边缘接合；其中所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段和第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段形成之字形构造，并且其中引入所述设备中的流体平行流经所述第一膜和第二膜。

6.权利要求5所述的基于膜的分离设备，其还包含具有密封至其上的第一膜的第三流体不可渗透的聚合物薄膜区段，所述第三流体不可渗透的聚合物区段具有第三前边缘和第三后边缘，其中所述第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第二后边缘与所述第三流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第三前边缘接合。

7.权利要求5所述的基于膜的分离设备，其还包含含有所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段和第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段的壳体，并且其中所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第一前边缘与所述壳体接合。

8.权利要求5所述的基于膜的分离设备，其还包含含有所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段和第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段的壳体，并且其中所述第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第二后边缘与所述壳体接合。

9.权利要求5所述的基于膜的分离设备，其还包含含有限定所述设备的第一端板和第二端板的压力控制组合件。

10.一种切向流过滤设备，其包含含有基于膜的分离设备的壳体，所述基于膜的分离设备包含具有密封至其上的第一膜的第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段，所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜具有第一前边缘和第一后边缘；具有密封至其上的第二膜的第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段，所述第二流体不可渗透的聚合物薄膜具有第二前边缘和第二后边缘，其中所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第一后边缘与所述第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段的所述第二前边缘接合；其中所述第一流体不可渗透的聚合物薄膜区段和第二流体不可渗透的聚合物薄膜区段形成之字形构造，并且其中引入所述设备中的流体平行流经所述第一膜和第二膜；所述设备具有进料端口和与所述进料端口隔开的保留物端口。