CN108728338A - 容积可变的反向流过滤器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及容积可变的反向流过滤器，包括：固定座、分离舱、过滤管、稳流套和导流盘；分离舱可相对固定座滑动地安装在固定座的内部，分离舱与固定座之间设有密封垫，分离舱与固定座围成过滤容腔。过滤管位于过滤容腔内中央，稳流套位于过滤管外围，导流盘位于稳流套正上方。该反向流过滤器能够根据实际使用情况自动灵活调整过滤容腔的容积，提高了反向流过滤器的适应性、扩大了反向流过滤器的适用范围。还能实现多种不同粒径的物质微粒的连续过滤分离。还涉及该反向流过滤器的应用。属于过滤分离技术领域。

Description

容积可变的反向流过滤器及其应用

技术领域

本发明涉及过滤分离技术领域，尤其涉及容器可变的反向流过滤器及其应用。

背景技术

物质微粒分离常用方法的选择有两个：过滤或离心。

膜分离技术是一类利用过滤膜的孔径选择性分离不同组分的方法。过滤膜是具有选择性分离功能的材料。膜分离技术兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制的特征，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

切向流过滤是目前较为先进的膜过滤方式。切向流过滤是指被截留物质微粒运动方向与膜过滤方向呈垂直的过滤方法；在压力的推动下，液流在滤膜表面产生两个分力，一个是垂直于滤膜面的法向力，使液体和小于膜孔的物质微粒穿过滤膜进入下游。另一个是平行于滤膜面的切向力，推动大于膜孔的物质微粒沿滤膜面流动，故称为切向流过滤。

切向流过滤器的优势显而易见，但是也存在不足：

1、一个切向流过滤膜包只能对单一的某种物质微粒进行分离。

2、过滤膜包在制造上需在有限的体积内最大化的增加滤膜面积，成本较高。

3、片状滤膜在过滤膜包内经多次折返，造成流道在膜包内极其曲折、扁平、狭长，对高浓度物质或粘稠体系的分离效果较差。

4、过滤膜包需要在较高压力下使用，滤膜不可避免的会被栓塞、会被污染、会断丝。减少了使用寿命。

5、成品切向流过滤膜包的结构特征，造成流道死腔体积较大，收获物质时损失较大。

离心分离技术是借助于离心机旋转所产生的离心力，根据物质微粒的沉降系数、质量、密度及浮力等差异的不同，用离心力场进行分离和提取的物理分离分析技术。当非均相体系围绕一中心轴做旋转运动时，物质微粒会受到离心力作用向远离中心的方向运动。旋转速率越高，物质微粒所受到的离心力越大。在相同的转速下，容器中不同大小质量密度的物质会以不同的速率沉降，经过一段时间的离心操作，就可以实现密度不同物质的有效分离。

过滤是以物质微粒大小透过过滤介质(如滤膜)的孔径来获取目标产物。离心是以物质微粒的质量不同来获取目标产物。两者的分离机理不同，依靠的分离条件不同。目前没有利用过滤技术和离心技术同期对多种物质微粒实施连续分离的措施或方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种容积可变的反向流过滤器，该反向流过滤器能够根据实际使用情况按照设定条件自动灵活调整过滤容腔的容积，提高了反向流过滤器的适应性、扩大了反向流过滤器的适用范围。

本发明的另一目的是：提供一种容积可变的反向流过滤器的应用。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

容积可变的反向流过滤器，包括：过滤管、分离舱、固定座、稳流套和导流盘；固定座是反向流过滤器的主体，分为顶部和体部。分离舱可相对固定座滑动地安装在固定座的体部内，分离舱的体部与固定座的体部之间设有密封垫，分离舱与固定座的体部围成过滤容腔。过滤管位于过滤容腔内中央，稳流套位于过滤管外围且固定于分离舱内，导流盘位于稳流套正上方。采用这种结构后，分离舱和固定座的体部构成一个完整的容积可变的过滤容腔。能够根据实际使用情况按照设定条件自动灵活调整过滤容腔的容积，提高了反向流过滤器的适应性、扩大了反向流过滤器的适用范围。过滤管和固定座是静止部件，分离舱是运动部件，不仅可以做旋转运动，还可上下运动或旋转与上下运动同时进行。

优选地，过滤管包括滤床和芯管；滤床与芯管的下部连接，芯管内设有至少四条流道，包括进液流道、浓缩液流道和至少两条滤过液流道；分离舱分为体部和底部，分离舱的体部为圆筒状，底部为碟状，底部中央为锥碗。采用这种结构后，通过进液通路将待过滤液体输送入过滤容腔内，过滤后的滤过液和浓缩液分别经由滤过液通路和浓缩液通路输送出过滤容腔，实现连续过滤的过程，其中滤过液通路至少为两条，可实现多种不同粒径的物质微粒的分离。

优选地，进液流道的进液出口位于导流盘与固定座的体部的上壁之间，浓缩液流道的浓缩液入口位于分离舱底部的锥碗内，滤过液流道的滤过液入口设在滤床的下部，进液流道的进液出口、浓缩液流道的浓缩液出口和滤过液流道的滤过液出口均位于固定座的顶部。采用这种结构后，滤过液入口设在滤床的下部，可以获得最小的收获体积，有利于物质的浓缩，获得高浓度的浓缩液。浓缩液入口位于分离舱底部的锥碗内最低处，可将浓缩液尽数排出，因此，反向流过滤器几乎无死腔体积。进液出口位于导流盘上方，导流盘将输送进入的待过滤液体导向稳流套内侧，可获得较大的初始离心动能。

优选地，滤床为碟状结构，与芯管的下部连接，滤床与芯管连接处设有排液孔；以滤床下部的滤过液入口为起点设有若干条发散的射线型的导流槽。采用这种结构后，排液孔可将碟形滤床内部的积液向下排出。

优选地，各滤过液入口外对应设有孔径不同的滤膜，采用这种结构后，可实现不同粒径的物质微粒的过滤。

优选地，导流盘与稳流套套接固定，导流盘的上表面均匀设有若干竖直设置的限流板，进液流道的进液出口位于限流板上方。采用这种结构后，导流盘将进入的待过滤液体导向稳流套内侧，可获得较大的初始离心动能。

优选地，稳流套分为体部和底部，稳流套的底部为碟状结构，中央有圆孔，稳流套的体部为圆筒状结构，稳流套的体部设有若干交流孔；稳流套将过滤容腔分隔成稳旋区和激流区两个功能区，稳流套的外侧为稳旋区，稳流套的内侧为激流区。稳流套、导流盘与分离舱以相同的角速度同向转动。采用这种结构后，稳流套与分离舱之间存在相对静止的关系，因此，液体在稳旋区内处于稳定的旋转状态，优化了反向流过滤器的分离功能。稳流套与滤床之间存在相对运动的关系，因此，液体在激流区内处于激流的扰流状态，会对滤膜表面产生冲刷自清洁作用，有利于去除积垢。

优选地，滤床与稳流套的底部之间为激流区，稳流套的底部与分离舱的底部之间构成出液缝隙，导流盘与固定座体部的上壁之间构成进液缝隙；出液缝隙、锥碗和浓缩液流道形成完整的浓缩液通路，导流槽和滤过液流道形成完整的滤过液通路，进液流道和进液缝隙形成完整的进液通路。采用这种结构后，出液缝隙对浓缩液的排出起到引导和保护作用。

优选地，导流盘的投影面积小于稳流套的投影面积、稳流套的投影面积小于分离舱的投影面积；分离舱的体部与固定座的体部之间设有密封垫。采用这种结构后，使得物质微粒具有较大的初始离心动能，提高了分离效果。物质微粒通过交流孔进入稳旋区，有利于稳旋区液体旋转体系的稳定。

一种反向流过滤器的应用，固定座的顶部上各接口与硅胶软管连接制成一次性使用的过滤用品。塑胶鲁尔公接头、接头保护套和进液硅胶软管构成端口接管。四个端口接管分别套接在进液入口、浓缩液出口、第一滤过液出口和第二滤过液出口，制成可直接使用的一次性反向流过滤器套装。

在生物制药领域，细胞是药物的制造者。有一类细胞的生长需要采用粘附式(贴壁式)培养的方式进行。这些细胞黏附在微载体(圆球状)上生长，微载体悬浮在培养液中。在收获细胞时，通过某种酶的作用使细胞从微载体上脱落；此时，在培养液中有微载体裸珠、脱落细胞、细胞碎片。他们的粒径大小情况是：微载体裸珠＞脱落细胞＞细胞碎片。为了一次性收获纯净的脱落细胞，可以使用一次性反向流过滤器套装。一次性反向流过滤器中的第一滤膜孔径小于脱落细胞、大于细胞碎片；第二滤膜孔径小于微载体裸珠、大于脱落细胞。

进液入口端的鲁尔公接头连接细胞培养袋出口的鲁尔母接头；浓缩液出口端的鲁尔公接头连接微载体裸珠收集袋入口的鲁尔母接头；第一滤过液出口端的鲁尔公接头连接细胞碎片收集袋入口的鲁尔母接头；第二滤过液出口端的鲁尔公接头连接脱落细胞收集袋入口的鲁尔母接头。

第一步：过滤收集细胞碎片和培养液时，先关闭第二滤过液通路和浓缩液通路；微载体裸珠和脱落细胞被第一滤膜截留，细胞碎片不被截留，通过第一滤过液通路收集到细胞碎片收集袋。微载体裸珠和脱落细胞留在一次性反向流过滤器内。

第二步：收集完细胞碎片后，关闭第一滤过液通路，开通第二滤过液通路，微载体裸珠被第二滤膜截留，脱落细胞不被截留，通过第二滤过液通路收集到脱落细胞收集袋。微载体裸珠留在一次性反向流过滤器内。

最后，收集完脱落细胞后，关闭第一滤过液通路和第二滤过液通路，开通浓缩液通路，留在反向流过滤器内的微载体裸珠通过浓缩液通路收集到微载体裸珠收集袋。

本发明的原理是：分离舱由旋转电机提供可调的旋转动能，分离舱、导流盘和稳流套与分离舱一起按照同样的角速度同向转动，分离舱的底部外有与转盘契合的对应结构实现对接固定。直线往复运动电机带动旋转电机和分离舱实现往复运动。

转盘下面与旋转电机转动轴连接(见图6)，受旋转电机控制。旋转电机固定在上下运动平台上。直线往复运动电机控制上下运动平台运动。上下运动平台的位置由光电传感器反馈给控制系统。控制系统控制直线往复运动电机和旋转电机，实现分离舱旋转和/或上下运动。

由泵提供正压或/和负压形成滤膜两侧的压力差降作为分离舱内液体流动的驱动力。

通过调节滤膜上下游的压力差降和离心转速，可以优化反向流过滤器的使用条件。控制各物质在反向流过滤器中的逗留时间，获得分离产物。

物质微粒被滤膜截留、受离心力与重力的双作用在分离舱内壁集聚并向下沉降，沿出液缝隙到达分离舱底部的锥碗处，经过浓缩液流道排出。未被截留的物质微粒可从滤过液通路排出。

分离舱旋转时，液体中小于滤膜孔径的物质微粒在滤膜上下游间的压力差降推动下穿过滤膜，滤出液经滤过液通路排出；大于滤膜孔径的物质微粒被滤膜截留的同时受离心力作用反向运动，远离滤膜面。因为，结构中的被截留物质微粒的运动方向与滤出液方向相反，可以称为“反向流过滤”。

反向流过滤原理的示意图见图5。

衡量离心力的常用单位是“相对离心力(RCF)”或“数字xg”，只要RCF值不变，一个样品可以在不同的离心机上获得相同的结果。RCF就是实际离心场转化为重力加速度的倍数。

相对离心力(RCF)计算公式：

RCF＝X·N²·1.118·10^-5

式中：X为离心转子的半径距离(cm)；N为转子每分钟的转数(rpm)。

由此看出：相对离心力(RCF)的大小与离心半径的大小成正比，与转速的平方成正比。

在分离舱，物质微粒主要受到离心力、过滤助力(与滤膜两侧的压力差降相关)、液体对物质微粒位移的阻力(与粘稠度、形状、体积相关)、重力、密度的影响。

在某种液态体系内，在转速(rpm)不变的情况下，相同物质微粒在不同的旋转半径下，所受的离心力不同；离圆心越远，所受离心力越大。

物质微粒进入稳旋区的位置，决定了它获得初始离心力的大小；离圆心越远所受离心力越大。

当离心力大于过滤助力+位移的阻力时，物质微粒逐渐远离滤膜；当离心力小于过滤助力+位移的阻力时，物质微粒逐渐靠近滤膜。因此，进液入口位置需要尽量远离圆心，有助于物质微粒获得较高的初始离心动能，提高分离效果。

在旋转半径固定的分离舱内。对于某一物质微粒来说，转速是一个重要调节的因素。

在进液入口确定、离心力大于过滤助力+位移阻力的前提下，分离舱旋转速度和滤膜上下游间压力差降的控制条件可有多种组合，以匹配不同的分离需要。

总的说来，本发明具有如下优点：

1、反向流过滤器具有对不同粒径的物质微粒实施连续过滤分离的能力。

2、可灵活调节的过滤容积，提高了适应性、扩大了适用范围。

3、分离舱被分隔成内外两个功能区，稳旋区的液体始终处于稳定旋流状态，优化了连续分离条件。

4、激流区的液体发生激流扰流，对滤膜表面具有冲刷自清洁作用，利于去除积垢，延长使用寿命。

5、导流盘将输送进入的待过滤液体导向稳流套内侧，获得的离心力更大，分离效率更高。

6、分离舱和通路内几乎无死腔，收集率更高。

附图说明

图1为本发明的反向流过滤器的结构示意图。

图2为过滤管的结构示意图。

图3为芯管下部与滤床的连接部分的局部放大图。

图4为导流盘的结构示意图。

图5为反向流过滤原理示意图。

图6为本发明传动控制部分的结构示意图。

图7为稳流套的立体示意图。

图8为稳流套倒置的立体示意图。

图9为固定座的结构示意图。

图10为过滤管垂直切面图。

图中的标号和对应的零部件名称为：

1-芯管，2-分离舱，3-固定座，4-导流盘，5-稳流套，6-滤床，7-第一滤膜，8-第二滤膜，9-进液缝隙，10-进液流道，11-进液入口，12-进液出口，13-第一滤过液流道，14-第一滤过液出口，15-第一滤过液入口，16-第二滤过液流道，17-第二滤过液出口，18-第二滤过液入口，19-出液缝隙，20-浓缩液流道，21-浓缩液出口，22-浓缩液入口，23-交流孔，24-导流槽，25-锥碗，26-排液孔，27-限流板，28-滤膜固定框，29-密封垫，30-小粒径的微粒，31-大粒径的微粒，32-滤膜，33-直线往复电机，34-旋转电机，35-转盘，36-上下运动平台，37-控制器，38-光电检测器，39-固定座的顶部，40-固定座的体部，A-稳旋区，B-激流区。图1中箭头表示物质微粒的流向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本实施例中将容积可变的反向流过滤器用于三种不同粒径的物质微粒的分离。

如图1所示，容积可变的反向流过滤器包括固定座、分离舱、过滤管、稳流套和导流盘。

固定座为反向流过滤器的主体，分为顶部和体部。固定座的顶部内有进液流道、浓缩液流道、第一滤过液流道和第二滤过液流道。外有进液入口、浓缩液出口、第一滤过液出口和第二滤过液出口。固定座的体部为圆筒状，下方为敞口。

分离舱设置在固定座的体部的内部，分为体部和底部。分离舱的体部为圆筒状结构、上方敞口，分离舱的底部为碟状结构，分离舱的底部中央是子弹头状的锥碗。分离舱是运动部件、不仅可以做旋转运动，还可上下运动或同时进行旋转与上下运动。

分离舱与固定座的体部构成过滤容器，固定座与分离舱之间有密封垫。分离舱底部有与转盘契合的对应结构实现对接。

转盘下面与旋转电机转动轴连接(见图6)，受旋转电机控制。旋转电机固定在上下运动平台上。直线往复运动电机控制上下运动平台运动。上下运动平台的位置由光电传感器反馈给控制系统。控制系统控制直线往复运动电机和旋转电机，带动分离舱旋转和/或上下运动。

过滤管位于过滤容器内，分为芯管和滤床；芯管内有进液流道、浓缩液流道、第一滤过液流道和第二滤过液流道，与固定座的顶部内的进液流道、浓缩液流道、第一滤过液流道和第二滤过液流道对应连通。滤床为碟状结构，上有导流槽、第一滤膜和第二滤膜、第一滤过液入口和第二滤过液入口。滤过液入口设在滤床低位。过滤管底部悬于锥碗上部，浓缩液入口伸入锥碗内；进液流道为独立的圆环形套管结构。浓缩液流道、第一滤过液流道和第二滤过液流道为相互独立的管状结构。

滤床与芯管的底部相连且连接处设有四个用于排出滤床内积液的排液孔。

过滤管和固定座是静止部件。

进液通路由进液入口、进液流道、进液出口和进液缝隙构成。

第一滤过液通路由第一滤过液入口、第一滤过液流道、第一滤过液出口构成。

第二滤过液通路由第二滤过液入口、第二滤过液流道、第二滤过液出口构成。

浓缩液通路由浓缩液出口、浓缩液流道、浓缩液入口、锥碗和出液缝隙构成。

固定座的顶部的浓缩液出口，进液入口、第一滤过液出口和第二滤过液出口端连接对应软管和容器。

在进行三种不同粒径的物质微粒过滤时，第一滤膜的孔径小于第二滤膜。三种不同粒径的混合液体由进液通路注入。大粒径的物质微粒可被第一滤膜和第二滤膜截留在分离舱内，通过浓缩液通路收集。中粒径的物质微粒被第一滤膜截留、被第二滤膜滤过，通过第二滤过液通路收集。小粒径的微粒不被截留，通过第一滤过液通路收集。

一种连续分离方法：

第一步：过滤收集小粒径的微粒时，需要关闭第二滤过液通路和浓缩液通路；大粒径和中等粒径的微粒被第一滤膜截留，小粒径的微粒不被截留，通过第一滤过液通路收集到收集袋。

第二步：收集完小粒径的微粒后，关闭第一滤过液通路，开通第二滤过液通路，大粒径的微粒被第二滤膜截留，中粒径的微粒不被截留，通过第二滤过液通路收集到收集袋。

最后，关闭第一滤过液通路和第二滤过液通路，开通浓缩液通路，被第二滤膜截留的大粒径的微粒通过浓缩液通路收集到收集袋。

除了上述实施例提及的方式外，还可以将容积可变的反向流过滤器用于三种以上不同粒径的物质微粒的分离。过滤管的滤床也可以为多面体，多面体过滤面的数量依据待分离物的多少来决定，对于多过滤面的滤床，滤膜孔径的选择与过滤面想对应。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

分离舱形状和大小可根据实际应用需要制造成不同形状，并不局限于实施例所描述。进液入口的位置可根据实际应用需要制造，并不局限于实施例所描述。过滤管可根据实际应用需要制造成不同形状，并不局限于实施例所描述。滤膜形状可根据实际应用需要采用不同形状，并不局限于实施例所描述。滤膜的稳固形式可根据实际应用需要采用，并不局限于实施例所描述。

反向流过滤器不仅可以连续使用，还可以间歇使用。不仅可用于固液分离，还可用于包括蛋白质化学，分子生物学，免疫学，生物化学和微生物学等领域从小的生物分子中分离大的生物分子，收获细胞悬浮液以及澄清发酵液和细胞裂解物等。更有利于高浓度物料的在线连续分离。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.容积可变的反向流过滤器，其特征在于，包括：过滤管、分离舱、固定座、稳流套和导流盘；分离舱可相对固定座滑动地安装在固定座的内部，分离舱与固定座之间设有密封垫，分离舱与固定座围成过滤容腔；过滤管位于过滤容腔内中央，稳流套位于过滤管外围且固定于分离舱内，导流盘位于稳流套正上方。

2.按照权利要求1所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：过滤管包括滤床和芯管；滤床与芯管的下部连接，芯管内设有至少四条流道，包括进液流道、浓缩液流道和至少两条滤过液流道；分离舱分为体部和底部，分离舱的体部为圆筒状结构，底部为碟状结构，底部中央是子弹头状的锥碗。

3.按照权利要求2所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：固定座分为体部和顶部，进液流道的进液出口位于导流盘与固定座的体部的上壁之间，浓缩液流道的浓缩液入口位于分离舱底部的锥碗处，滤过液流道的滤过液入口设在滤床的下部，进液流道的进液出口、浓缩液流道的浓缩液出口和滤过液流道的滤过液出口均位于固定座的顶部。

4.按照权利要求3所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：滤床为碟状结构，与芯管的下部连接，滤床与芯管连接处设有排液孔；以滤床下部的滤过液入口为起点设有若干条发散的射线型的导流槽。

5.按照权利要求4所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：各滤过液入口外对应设有孔径不同的滤膜。

6.按照权利要求3所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：导流盘的上表面均匀设有若干竖直设置的限流板，进液流道的进液出口位于限流板上方。

7.按照权利要求5所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：稳流套的底部为碟状结构、体部为圆筒状结构，体部圆筒状结构部分设有若干交流孔；稳流套、导流盘与分离舱以相同的角速度同向转动，稳流套将过滤容腔分隔成稳旋区和激流区两个功能区，稳流套的外侧为稳旋区。

8.按照权利要求7所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：滤床与稳流套的底部之间为激流区，稳流套的底部与分离舱的底部之间构成出液缝隙，导流盘与固定座的体部的上壁之间构成进液缝隙；出液缝隙、锥碗和浓缩液流道形成完整的浓缩液通路，导流槽和滤过液流道形成完整的滤过液通路，进液流道和进液缝隙形成完整的进液通路。

9.按照权利要求1所述的容积可变的反向流过滤器，其特征在于：导流盘的投影面积小于稳流套的投影面积，稳流套的投影面积小于分离舱的投影面积；分离舱的体部的外侧壁与固定座的体部的内侧壁之间设有密封垫。

10.一种容积可变的反向流过滤器的应用，其特征在于：进液入口端与细胞培养袋连接，浓缩液出口端与微载体裸珠收集袋连接，第一滤过液出口端与细胞碎片收集袋连接，第二滤过液出口端与脱落细胞收集袋连接；用于一次性收获纯净的脱落细胞。