CN109641167B - 用于压紧式褶皱构型过滤件的固定刚性壁装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于复制大型过滤装置的过滤特性的缩放工具，该缩放工具包括壳体，该壳体具有流体入口和流体出口以及过滤件接收区域，该过滤件接收区域与该流体入口和该流体出口流体连通并且被构造成容纳膜片，该膜片包括一个或多个褶皱，该过滤件接收区域由刚性壁框架限定，该刚性壁框架被构造成保持该膜片的一个或多个褶皱并且将该褶皱压紧成有效地复制该大型过滤装置的过滤性能的程度。还公开了一种构造缩放工具中的过滤件接收区域的方法。

Description

用于压紧式褶皱构型过滤件的固定刚性壁装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月29日提交、序号为62/380,747的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
小型尺寸过滤件对于大型过滤件在工艺流中的性能的初始评估、尤其对于估计全尺寸运行的膜片面积要求是非常有用的。线性放大假设过滤性能(例如，通量和容量)与膜片面积成线性比例，而不考虑所选择的装置型式。但是，由于许多因素可能影响缩放预测，线性缩放在实践中通常是不准确的。因此，通常必须使用大的安全系数以考虑膜片性能和工艺条件的变化。
圆筒形过滤筒包括多孔材料的褶皱层。例如，褶皱型式通常用于无菌级膜片过滤应用，并且各种褶皱构造都是可能的，具有高密度褶皱几何形状以考虑在相对紧凑的装置中容纳大的膜片表面积。但是，高密度褶皱构型会导致流量限制问题。
具有给定厚度和褶皱间角度的褶皱的数量决定了褶皱上存在的压紧程度。随着褶皱滤包(pack)密度的增大，压紧增大；类似地，随着更多的褶皱被插设到圆筒形滤筒或过滤件壳体中，褶皱间的角度减小。随着褶皱间的角度减小并且褶皱之间的压紧增大，过滤特性受到影响。使用面积更高的褶皱过滤装置时，褶皱之间的压紧增大，这改变了诸如通量和过滤件容量(通常由通过量/处理量的值测得)的过滤特性。
也就是说，褶皱结构越密集，较大的颗粒越难以在褶皱之间移动而进入褶皱的膜片的下部区域。当用户试图根据工作台式规格估计生产规格的缩放特性时，这可能导致缩放不准确。传统地，使用平坦圆片的膜片(例如，EMD Millipore的
Figure BDA0001979905500000011
25囊式过滤装置)和建模的组合来预测一般流量大型过滤装置的性能。但是，仅使用平坦片膜片预测大型装置性能的能力是有限的，尤其是当大型装置是具有密集褶皱结构的高面积装置时。期望具有一种更精确的缩放工具。
因此，期望提供一种具有更能指示大型过滤装置的过滤特性并且考虑在所有测试流中精确地缩放到高面积褶皱装置的缩放装置。
还期望提供一种确定对精确预测大型过滤装置性能的缩放工具的要求的建模方法。
发明内容
现有技术的问题已被本文公开的涉及小型过滤缩放工具的实施例克服。在某些实施例中，提供了一种刚性壁框架，其能够呈各种缩放工具构型使用，以控制过滤特性。该刚性壁框架限定过滤件接收区域。在一些实施例中，该过滤件接收区域是楔形的。在某些实施例中，该缩放工具是一次性的并且包括刚性壁框架，该刚性壁框架将褶皱膜片的褶皱固定成允许工具按比例复制大型圆筒形过滤装置的过滤性能(例如，通过量)的定向上。在某些实施例中，所述按比例复制大型圆筒形过滤装置的过滤性能是1：1或者大致是1：1。在某些实施例中，该工具是包括内部刚性壁框架和由其支撑的褶皱膜片的一次性工具。在某些实施例中，刚性壁框架被构造成当测试流被引入装置时允许工具预测大型过滤装置的性能，从而有助于基于受到如此测试时的装置性能而进行放大。
在一些实施例中，缩放工具用于复制大型过滤装置的过滤特性，并且该缩放工具包括具有流体入口和流体出口的壳体，以及与该流体入口和该流体出口流体连通并且被构造成容纳诸如褶皱膜片的褶皱的过滤件的过滤件接收区域，该过滤件接收区域由刚性壁框架限定，该刚性壁框架被构造成保持过滤件(例如，膜片的一个或多个褶皱)并且将褶皱压紧成有效地按比例复制大型过滤装置的过滤性能的程度。在某些实施例中，刚性壁框架将过滤件保持在预定取向上。在一些实施例中，预定取向是楔形的。
在一些实施例中，过滤件接收区域的尺寸是基于大型装置的构型来确定的。例如，大型装置中的褶皱膜片的褶皱数量、这些褶皱的高度以及该装置中的褶皱膜片的压力是已知参数并且可用于基于缩放工具中使用的褶皱膜片的褶皱的数量和褶皱的高度确定按比例复制大型装置的性能所必需的缩放工具的过滤件接收区域的构型。在一些实施例中，一旦基于大型装置确定了过滤件接收区域的理论构型，就可以进行缩放工具的过滤件接收区域的进一步修改(例如，通过使用将传统缩放装置与大型装置进行对比而产生的数据与大型装置进行间接对比)。期望通过将缩放工具与传统缩放工具(例如
Figure BDA0001979905500000031
-25(“OS-25”)装置(之前已与大型装置相关联))的性能相关联而间接地将缩放工具的性能与大型装置的性能相关联，这是由于其消除了使用相对大的进料量来运行大型装置的需要。例如，可以将缩放工具的性能与传统缩放工具(例如，使用来自同一批次的膜片的
Figure BDA0001979905500000032
-25(OS-25)装置)的性能进行对比。随后评估当前缩放工具和OS-25装置之间的性能差异。如果缩放工具的性能不同于OS-25装置，则可以应用缩放系数，并且可以相应地修改缩放工具的过滤件接收区域的设计。例如，可以通过修改过滤件接收区域的角度以更多或更少地(这取决于缩放工具的性能与OS-25装置的性能如何不同)压紧膜片的褶皱来修改缩放工具。可以类似地修改当前缩放工具的过滤件接收区域的其它尺寸。
本文公开的实施例的缩放装置允许大约百分之一到千分之一地缩小大型装置。
附图说明
图1是根据某些实施例的缩放工具构件(“圆盘”设计)的透视图；
图1A是根据某些实施例的图1的缩放工具构件(“圆盘”设计)的俯视图，其包括褶皱膜片和套环；
图1B是根据某些实施例的包括图1的缩放工具构件(“圆盘”设计)的缩放工具壳体；
图2是图1的缩放工具构件(“圆盘”设计)的俯视图；
图3是图1的缩放工具构件(“圆盘”设计)沿着图2的线2-2截取的横截面图；
图4是图1的缩放工具构件(“圆盘”设计)的前视图；
图5是根据某些实施例的示出褶皱膜片就位的缩放工具构件(“圆盘”设计)的第二透视图；
图6是根据第一可选实施例的褶皱膜片就位的缩放工具(“杯”设计)的一部分的透视横截面图；
图7是图6的缩放工具(“杯”设计)的一部分的透视图；
图8是褶皱膜片插设到工具构件之前并且被示出为没有图14的入口盖的图6的缩放工具(“杯”设计)的一部分的分解图；
图9是根据第二可选实施例的缩放工具(“紧凑”设计)的分解图；
图10是处于组装状态的图9的缩放工具(“紧凑”设计)的侧视图；
图11是图9的缩放工具(“紧凑”设计)沿着图10的线A-A截取的横截面图；
图12是示出用于论证本文公开的实施例的缩放工具的测试流的粒径分布的图表；
图13是示出测试流的通过量值的图表；
图14是用于图6的缩放工具(“杯”设计)的入口盖的横截面图；
图15是示出各种装置的通过量值的图表；
图16是比较10”大型装置和根据某些实施例的缩放工具装置(“圆盘”设计)的水渗透性/穿透性缩放系数的图表；
图17是比较10”大型装置和根据某些实施例的缩放工具装置(“杯”设计)的水渗透性/穿透性缩放系数的图表；
图18是示出各种装置的通过量值的图表；
图19是示出各种装置的通过量值的图表；
图20A是根据某些实施例的过滤件接收区域的前视图；
图20B是根据某些实施例的过滤件接收区域的透视图；
图20C是根据某些实施例的过滤件接收区域的俯视图；
图21是具有M形褶皱的EMD Millipore
Figure BDA0001979905500000041
高面积大型过滤装置的透视图；
图22是根据某些实施例的各种过滤件接收区域构型的示意图；以及
图23是如图6到图8所示的根据某些实施例的被示出为紧固在卫生夹具配件中的缩放工具(“杯”设计)的透视图。
具体实施方式
通过参考附图可以获得对本文公开的部件、工艺和装置更完整的理解。附图仅是基于展示本公开的便利性和容易性的示意性表示，因此并非旨在指示装置或其部件的相对大小和尺寸，和/或并非旨在限定或限制示例性实施例的范围。
尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在表示选择用于在附图中说明的实施例的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在下面的附图和以下描述中，应理解到，相似的数字标记指代具有类似功能的部件。
除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”，“一个”和“该”包含复数形式的指示对象。
如说明书中所使用的，各种装置和部分可被描述为“包括”其它部件。如本文所用，术语“包括”，“包含”，“具有”，“有”，“可以”，“含有”及其变型旨在成为开放式过渡短语、术语或单词，其并不排除额外部件的可能性。
在某些实施例中，需要用缩放工具复制/复现/模拟其性能的大型装置是褶皱膜片滤筒。在一些实施例中，大型装置是诸如可以从EMD Millipore商购的10英寸高面积褶皱过滤装置。在一些实施例中，大型装置是诸如可以从EMD Millipore商购的以商品名MILLIPORE
Figure BDA0001979905500000051
High Area出售的10英寸高面积褶皱圆筒形过滤装置，其中褶皱膜片呈M形褶皱图案设置于该装置中。在一些实施例中，大型装置是诸如可以从EMDMillipore商购的20英寸高面积褶皱过滤装置。在一些实施例中，大型装置是诸如可以从EMD Millipore商购的30英寸高面积褶皱过滤装置。
这类装置是无菌级且高容量的，比传统褶皱膜片装置多约100％的膜片面积。在某些实施例中，大型过滤装置是过滤筒，其具有壳体、流体入口、与该流体入口间隔开的流体出口、芯体以及被容纳并密封在该壳体内且位于该入口和该出口之间的褶皱过滤膜片，所有被引入到流体入口中的流体必须在通过流体出口离开壳体之前流过该膜片。该滤筒可以由一种或多种热塑性树脂或其混合物构造而成。该膜片可以被形成为诸如褶皱或手风琴状构型或者螺旋褶皱构型的各种构型。
如本文所用的术语“过滤件”可以包括但不限于诸如膜片、片材、过滤体、过滤元件、过滤介质及其组合的一种或多种多孔材料。过滤件可以是褶皱的、平坦的、螺旋缠绕的以及其组合。过滤件可以是单层或多层膜片装置，并且可以用于过滤不期望的物料，不期望的物料包括诸如传染性生物体和病毒的污染菌以及可以通过尺寸排除和化学或物理吸附或者其组合而除去的环境毒素和污染物。过滤材料可以由任何合适的材料构成，包括但不限于：聚醚砜、聚酰胺(例如，尼龙)、纤维素、聚四氟乙烯、聚砜、聚酯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、碳氟化合物(例如聚(四氟乙烯-共-全氟(烷基乙烯基醚)))、聚碳酸酯、聚乙烯、玻璃纤维、聚碳酸酯、陶瓷和金属。
过滤装置可以是由非编织或编织支撑材料支撑以保持其结构刚性的单层过滤材料。装置中的过滤材料可以是由非编织或编织支撑材料支撑以保持其结构刚性的双层。装置中的过滤材料可以是由非编织或编织支撑材料支撑以保持其结构刚性的三层。筒式装置中的过滤材料的支撑材料可以在顶部或底部、或者在顶部和底部、和/或在过滤介质之间编织或非编织。
过滤材料可以是通过例如本领域已知的但不限于诸如浸没沉淀、热诱导相分离、酸/碱浸、静电纺丝、电吹炼等的方法形成的多孔结构。过滤介质可以呈是纤维垫形式或者是诸如在Millipore
Figure BDA0001979905500000061
和Millipore
Figure BDA0001979905500000062
膜片中找到的传统的多孔结构形式。
图1至图5示出了使得在缩放工具(“圆盘”设计)中结合合适的过滤件接收区域能接近地复制大型装置的过滤性能的实施例。用于保持褶皱膜片单元的过滤件接收区域由基部、高度(或壁高度)、壁角度以及长度限定。每个限定的部分可以从楔形被设计成用来模拟的大型装置计算得到。这被描绘在图20中。基部是过滤件接收区域的下游侧(较小侧)。基部尺寸由所模拟的大型滤筒的尺寸限定和计算。基部与芯体周长成比例。基部等于滤筒芯体周长除以与该芯体接触的褶皱的数量。随后，将该值乘以缩放工具中所需的褶皱数量。过滤件接收区域的高度由所模拟的滤筒的褶皱高度限定。过滤件接收区域的高度可以等于或大于所模拟的滤筒的褶皱高度。侧壁角度与缩放工具中的褶皱数量与整个圆形滤筒的褶皱数量之比成比例。利用已知的基部宽度的距离和已知的角度(相邻褶皱中心之间)和褶皱的高度(图20A)，得到不对称的梯形。该角度用于设定过滤件接收区域的壁的斜率。同样重要的是，壁由刚性材料制成，以便提供由设计的几何形状限定的压紧。除了褶皱的数量之外，可以操纵过滤件接收区域的长度(图20C)以实现目标有效过滤面积(EFA)。可以修改所有上述特性以调整缩放工具装置内所需的过滤特性。修改包括但不限于过滤件接收区域的壁几何形状。例如，如图22所示，壁几何形状可以是线性的、弯曲的、具有可以对称或可以不对称的偏移区域等。
在图1至图5中，示出了包括内孔12的环形构件10，该内孔12被构造成与流体出口(未示出)连通。在一些实施例中，构件10由环形刚性无孔内壁18和环形刚性无孔内壁16限定。在某些实施例中，内壁18和外壁16之间的空间(除了槽19的位置)可以是实心的，或者可以包括间隔开的径向肋，以提供尺寸稳定性。环形刚性无孔内壁18和环形刚性无孔外壁16具有由槽19形成的不连续区域，槽19从孔12径向向外延伸穿过外壁16。在某些实施例中，槽19随着其径向向外延伸而向外呈锥形，使得槽的宽度在环形内壁18处最小并且在环形外壁16处最大。因此，槽19是楔形的，并且限定过滤件接收区域15，其被构造成接收褶皱膜片20(图1A)的褶皱。重要的是环形构件10的过滤件接收区域15特征；而环形构件10的其余构型并不关键并且主要被设计为适应在合适的缩放工具中并考虑流过定位于过滤件接收区域15中的褶皱膜片的流体流动。具有基部宽度和已知壁角度的过滤件接收区域15提供了模拟大型滤筒中所见的褶皱压紧的最小单元。过滤件接收区域15的合适的壁角度θ包括8°和9°(取决于所模拟的大型装置中的褶皱膜片压紧)。类似地，楔形径向长度可以根据所模拟的大型装置中的褶皱膜片高度而发生变化。因此，褶皱膜片20定位于内壁18和外壁16之间，并且过滤从构件10外侧流到孔12的流体。褶皱膜片20的有效膜片面积小于产品或大型褶皱膜片的膜片面积。
在某些实施例中，环形外壁16靠近槽19的径向向外部分的外表面包括如图所示的切口22。这有利于将褶皱膜片20插设到槽19中并且一旦插设就将褶皱膜片20的端部密封，如图1A所示。合适的密封剂没有特别限制，并且包括环氧树脂、硅氧烷、丙烯酸树脂和聚氨酯。此外，可使用热粘合来固定过滤件。图1A示出了褶皱膜片20就位且被密封在过滤件接收区域15内的环形构件10。在所示实施例中，多个间隔开的径向肋24A-24N如图所示地从刚性环形内壁18延伸到环形外壁16。在一些实施例中，在环形构件的相反侧上设置类似图案的肋条，其被实心底板26与图1A中可见的肋条隔开。肋条起到加强环形构件10并提供尺寸稳定性的作用。图1A和图5还示出了围绕环形构件10的环形套环29，该环形套环29被形成有诸如槽的一个或多个开口30，以允许流体流入该工具并与过滤件接收区域15中的褶皱膜片20接触。
图1A和图5还示出了插设件28，其装配在切口22和环形套环29的内壁内。在某些实施例中，插设件28具有开口或槽(未示出)，以允许流体从套环29的槽或开口30流入过滤件接收区域15。插设件28用于帮助将过滤件接收区域15相对于套环29保持在正确位置。
在一些实施例中，用于褶皱膜片20的合适的过滤材料包括适用于微滤、纳滤或超滤的膜片过滤件，例如可从EMD Millipore商购的
Figure BDA0001979905500000081
Figure BDA0001979905500000082
NFP、
Figure BDA0001979905500000083
NFR和
Figure BDA0001979905500000084
纤维素介质。在一些实施例中，褶皱膜片20的褶皱可以被折叠成“M”形褶皱图案。
环形构件10被构造成附接到端盖35A、35B等，以形成如图1B所示的缩放工具壳体36。用于缩放工具的构造材料包括那些不会有害地干扰过滤期间使用的流体的材料，例如聚丙烯、尼龙、聚乙烯、聚砜、聚碳酸酯和其它热塑性塑料或热固性聚合物。
图6、图7、图8和图14示出了过滤件接收区域可以结合到其中以提供接近地复制大型装置的过滤性能的缩放工具的另一种装置(“杯”设计)。在所示的实施例中，缩放工具10'具有圆片形表面40，该圆片形表面40包括轴向延伸并且限定过滤件接收区域15'的槽19'，该过滤件接收区域15'与出口构件41流体连通。环形沟槽17可以正好在外圆周边缘的径向向内地形成在表面40中以容纳O形圈等，从而将顶部壳体或盖90(图14)密封到表面40，该表面40也具有与环形沟槽17对齐的对应的环形沟槽17'，以适应O形圈。例如，诸如三夹钳式
Figure BDA0001979905500000085
配件(图23)的卫生夹具配件85可用于紧固组件(图14、图7和图23)。如图23所示，通用于科学工业的1.5英寸三夹钳式连接便于使用且允许将缩放工具附接到其进给流的多种客户连接可能性。图14所示的通用缩放工具盖被设计有入口和通风端口以便用于测试。在某些实施例中，盖90具有在组装状态下与过滤件接收区域15'流体连通的一个或多个流体入口91、92(一个或多个可以是通气孔)。在一些实施例中，被构造成接收褶皱膜片的端部的切口42围绕槽19'的开口。切口42可以包括更深的狭缝43A、43B，褶皱膜片20可插设到其中以帮助将其固定就位。如图6所最佳示出的，褶皱膜片的褶皱或折叠插设到过滤件接收区域15'中，并且褶皱膜片20的端部可以用合适的粘合剂粘附到切口42。槽19'的构型正确地定向褶皱膜片20并且压紧褶皱膜片20，使得缩放工具10'复制大型过滤装置。用于缩放工具的构造材料包括那些不会有害地干扰过滤期间使用的流体的材料，例如聚丙烯、尼龙、聚乙烯、聚砜、聚碳酸酯和其它热塑性塑料或热固性聚合物。
图9至图11示出了过滤件接收区域可以结合到其中以提供接近地复制大型装置的过滤性能的另一种装置(紧凑设计)。在所示的实施例中，过滤件接收区域15”由第一压紧构件60和第二压紧构件61形成。第一压紧构件60和第二压紧构件61被成形为配合以形成过滤件接收区域15”。在一些实施例中，第一压紧构件60通常是弧形的，并且沿其轴向长度包括梯形切口区域70。第一压紧构件60中可设有一个或多个孔口72，以在流体入口配件73和过滤件接收区域15”之间提供流体连通。在一些实施例中，第二压紧构件61通常也是弧形的，并且包括被形成为轴向延伸的楔形切口的过滤件接收区域15”。第二压紧构件61中可设有一个或多个孔(未示出)，以在流体出口配件74(和/或通风口)与过滤件接收区域15”之间提供流体连通。在某些实施例中，褶皱膜片20的褶皱可以插设到过滤件接收区域15”中，其中褶皱膜片20的翼部或端部20A、20B折叠在第二压紧构件61的三角形耳部构件61A、61B上并延伸到第二压紧构件61的大致平坦区域61C、61D上。当褶皱膜片20被如此定位时，第一压紧构件60可以与第二压紧构件61对齐，从而将褶皱膜片20的端部20A、20B夹在第一压紧构件60和第二压紧构件61之间并且将褶皱膜片20紧固在过滤件接收区域15”中。在一些实施例中，第一压紧构件60和第二压紧构件61与容纳在过滤件接收区域15”中的褶皱膜片的组件可以用中空圆筒形套环80固定，该套环80包括内径足够大以紧密地接收该组件的内孔81。端盖82等可以密封在套环80中。套环80可以包括与第一压紧构件和第二压紧构件中的相应孔对准的孔口83A、83B，以允许流体流过工具。用于缩放工具的构造材料包括那些不会有害地干扰过滤期间使用的流体的材料，例如聚丙烯、尼龙、聚乙烯、聚砜、聚碳酸酯和其它热塑性塑料或热固性聚合物。
通过改变过滤件接收区域的褶皱高度、角度和基部宽度，小型装置可以缩放到任何特定褶皱构型的大型装置。例如，除了缩放到如下所论证的高面积产品之外，众所周知，EMD Millipore的Durapore II(聚偏二氟乙烯，PVDF)(一种高褶皱密度装置)在不同的流(例如Soy T和水)中也具有与平坦圆片膜片装置(例如OS-25)类似的过滤缩放现象。通过修改，本缩放工具设计能够在OS-25平坦圆片膜片装置在其中不能精确地缩放的流中对Durapore II(其也是高褶皱密度大型装置)进行缩放精确。
示例1.过滤件接收区域构型的理论确定
图21中示出了示例性的传统大型过滤装置100。大型装置套筒101的内径(ID)为2.62英寸。大型装置芯体102的外径(OD)为1.35英寸。大型装置100中总共有159个膜片褶皱。褶皱(标准褶皱)的全高度是0.63英寸。较短的M形图案褶皱是标准褶皱的高度的60％。标准褶皱与M形褶皱之比为2：1。总共有52个短褶皱(M形褶皱)和107个标准褶皱。
要构造的缩放工具将总共具有3个褶皱，包括1个M形图案褶皱和2个标准褶皱。在此基础上，过滤件接收区域的理论设计如下：
壁角度为360°/159*3＝6.8°。
大型装置中被褶皱占据的基部长度为2πr/(褶皱数量)，即1.35π/159。由于缩放工具中将总共有3个褶皱，因此缩放工具的基部长度(B)为1.35π/159*3＝0.08英寸。
过滤件接收区域的高度(H)为0.63英寸，以匹配大型装置100中的褶皱的全高度。
过滤件接收区域的宽度(L)根据缩小的膜片面积要求而被选择为1/2”至1”。目的是最小化缩放装置中的膜片面积，同时也最小化缩放工具进料体积，但仍具有足够的膜片面积和进料量以产生精确的过滤性能数据。因此，本领域技术人员可以修改缩放工具的过滤件接收区域的这个尺寸，以基于要使用的进料量获得合适的有效膜片面积。
所产生的理论设计构型作为基准并且能产生与大型装置100的过滤性能(例如，通过量)成比例的过滤性能。在一些实施例中，该比例是一比一或大致一比一。在其它实施例中，该比例不是一比一，并且可以应用缩放系数来基于实际缩放测试来修改过滤件接收区域的设计。
理论上，如果缩放工具提供正确的水缩放，则缩放工具也应该精确地缩放测试流。在实现正确的水缩放后，测试该理论以确保对各种工艺流的可缩放性。虽然缩放工具的不同实施例各自可以展示不同的过滤件接收区域角度，但是在缩放的情况下，它们在水渗透性上接近统一。
示例2.膜片的切割和插设到过滤件接收区域的角度的论证
从外部套筒中取出完整的10”Millipore
Figure BDA0001979905500000101
高面积SHC装置，并将其放入超声波滤包切割器中。滤包切割器转动褶皱膜片，同时超声波刀片将滤包切割成所需的横截面。通过手动切割具有用于将过滤区域相对于缩放工具固定就位的翼部的单个M形褶皱，宽度通常为1/2至1英寸的横截面被进一步减小。褶皱膜片被手动定位就位，以确保居中且完全地插设。
在整个缩放工具设计中使用这种单个M形褶皱以及楔角度的概念以用于缩放目的。所描述的例如楔部的过滤件接收区域被实现到如前所述的圆盘设计、杯设计和紧凑设计中。每种设计使用略微不同的方法将褶皱固定在刚性壁过滤件接收区域内。已经证明：无论装置设计如何，过滤件接收区域都是过滤性能的驱动因素。
示例3.刚性楔在图1的实施例(圆盘设计)中的组装
在插设到图1的缩放工具构件中之前，褶皱翼部在边缘处被缝合/接合，以将膜片层结合在一起，随后被插设到构件10的过滤件接收区域15中。褶皱膜片的翼部底部经由硅酮密封剂粘附到构件10。塑料插设件28也被粘附在翼部顶部，以确保牢固的装配。塑料套环29围绕构件10的外侧设置，以用于端封目的。随后使用定制夹具通过标准端封工艺密封褶皱的顶部和底部，以将装置保持就位。构件10的顶部和底部上的肋有助于端盖的结合强度和完整性。
示例4.刚性楔在图6的实施例(杯子设计)中的组装
褶皱膜片插设到图6的缩放工具10'中，膜片居中且完全被推入过滤件接收区域15”中。褶皱经由双组分环氧树脂粘合剂固定到工具10'上。环氧树脂首先被充入扁平针头注射器中。注射器将其从底部向上分配到位于褶皱膜片两侧的空隙中，直至充满。随后通过沿着楔的脊部分配环氧树脂滴来密封翼部。为便于使用，工具连接是标准的1.5”TC连接。
示例5.刚性楔在图9的实施例(紧凑设计)中的组装
图9的实施例装置由三部分组成：核心部分，其为第二压紧构件61中的过滤件接收区域；第一压紧构件60，其用于夹紧褶皱膜片20的翼部，以防止褶皱周围的流动；以及套环80，其保持第一压紧构件60和第二压紧构件61之间的压紧以及整个装置的完整性。套环80还用作该装置的入口和出口。
从如示例1所述的Millipore
Figure BDA0001979905500000111
高面积SHC褶皱滤筒中取出M形褶皱的一个重复单元。M形褶皱被切成1英寸长，以匹配过滤件接收区域15”的长度。该褶皱被设置在第一压紧构件60和第二压紧构件61之间。环氧树脂被施加到翼部，以帮助密封褶皱翼部。
当第一压紧构件60和第二压紧构件61包封褶皱时，它们被插设到套环80中。随后使用刮片技术将厚度均匀且已知的环氧树脂施加到膜上。随后，该装置被放入环氧树脂中，以密封/罐封褶皱的边缘。随后，该装置被固化。
示例6.测试流研究
本研究使用了三种测试流；它们列于下表1中。这些流代表小、中、大粒径和粒径分布。这些流的粒径分布绘制在图12中。这些测试流的浓度被设计为在工艺条件下在约30分钟内实现高度堵塞(在小于1000l/m2的滤出液下大于90％的通量衰减)。
表1-用于通过量测试的测试流的列表
Figure BDA0001979905500000121
其组分于2016年5月在www.emdmillipore.com的应用说明“高面积Millipore
Figure BDA0001979905500000122
筒式过滤器的性能”中公开，其公开内容通过引用整体并入本文。
测试方法：
Figure BDA0001979905500000123
25和10”高面积装置
所有的放大测试均使用
Figure BDA0001979905500000124
25囊(3.5cm2EFA)与包含来自同一批次的膜片的对应10英寸滤筒同时进行测试。滤筒被安装到具有1.5英寸直径的入口和出口卫生配件的Millipore系列3000单圆直列式不锈钢壳体(EMD Millipore,Billerica,MA)中。对于每个10英寸的滤筒，测试所获得的五个25毫米样品。
所有的洁净水渗透性测试均使用反渗透净化水。首先在封闭端(正常流动)构型中在约21-25℃、69kPad下测试25毫米圆片和10英寸滤筒的洁净水渗透性。所有渗透性值被调节至23℃。
使用微动式F系列科里奥利流量计测量10英寸子组件的水流动速率。对于25毫米的圆片，使用称重传感器(Tedea Huntleigh：Vishay Measurements Group,Malvern,PA,0.5千克)记录渗透水随时间的累积。对于25毫米和10英寸子组件测试，使用安德森直列式温度变送器测量水温，并使用0-344.7kPad差压传感器(Cole Parmer,Vernon Hills,NewJersey)测量进料-渗透压差。所有仪器都被连接到数据采集系统，该数据采集系统以10秒的间隔记录数据。运行水渗透性测试，直至达到基本呈稳态的通量条件(通常在5分钟内)。
涉及堵塞溶液的通过量测试以封闭端模式在69±7kPad的恒定压差下运行。对于25毫米圆片和10英寸滤筒，用于测量水流动速率和过滤体积的同一仪器被用于测量测试流的流动速率和过滤体积。使用数据采集系统收集进料-渗透压差、温度和累积的渗透物的质量随时间变化的数据。运行该测试，直至膜片渗透性与洁净水渗透性相比降低至少95％。通常在所述操作条件下在约30-45分钟内达到这种堵塞水平。
不具有结块现象的中到高堵塞流实现了OS-25与装置约为1的比率，而结块流的通过量值在OS-25囊和高面积装置之间不同。用于SHC-HA的每个流的结果参见图13。这种结块现象在OS-25缩放囊和高面积装置之间产生不同的通过量结果。如图15所示，与OS-25囊相比，在Millipore
Figure BDA0001979905500000132
高面积SHC中存在的压紧给出了低于预期的通过量值。
在渗透性和通过量测试后，通过拆卸滤筒、展开褶皱滤包并测量可用于过滤的表面积来验证每个10”滤筒的EFA。
表2中总结了膜片和装置类型中的每种的水渗透性数据。
表2-水渗透性的滤筒到圆片的缩放系数
Figure BDA0001979905500000131
与OS-25相比，SHC-HA的水渗透性缩放系数约为0.5。
测试方法：OptiScale 25和缩放工具
当测试与OS-25囊呈直列布置的缩放工具装置时，大型通过量数据此时用于比较目的。符合要求的缩放工具应提供与OS-25的水渗透性和通过量值比10英寸高面积装置的水渗透性和通过量值的比率类似的比率。
所有测试均使用
Figure BDA0001979905500000141
25囊(EFA为3.5cm2)和使用来自同一批次的膜片的缩放工具在歧管上同时进行测试。图1的实施例的缩放工具安装在Millipore 3000系列单圆直插式不锈钢壳体(EMD Millipore,Billerica,MA)中，该壳体具有直径为1.5英寸的入口和出口卫生配件。图6的实施例的缩放工具利用直径为8毫米至1.5英寸的适配器，该适配器具有垫圈和夹具以附接到测试歧管。图9所示的实施例的缩放工具是独立的，其利用鲁尔锁固定在歧管上。
对于OS-25圆片和缩放工具，称重传感器(Sentray,Santa Ann,CA)用于记录渗透水随时间的累积。对于25毫米和缩放工具测试，使用安德森直列式温度变送器测量水温，并使用0-344.7kpad差压传感器测量进料-渗透压差。所有仪器都被连接到数据采集系统，该数据采集系统以10秒的间隔记录数据。运行水渗透性测试，直至达到基本呈稳态的通量条件(通常在10分钟内)。
涉及堵塞溶液的通过量测试以封闭端模式在10psi的恒定压差下运行。对于25毫米圆片和缩放工具装置，用于测量水流动速率和过滤体积的同一仪器被用于测量测试流的流动速率和过滤体积。使用数据采集系统收集进料-渗透压差、温度和累积的渗透物的质量随时间变化的数据。运行该测试，直至膜片渗透性与洁净水渗透性相比降低至少95％。通常在所述操作条件下在约30-45分钟内达到这种堵塞水平。
图1和图6的实施例的缩放工具能够精确地缩放图16和图17所示的三种不同介质流的水渗透性和通过量。
测试方法：缩放工具和10”装置
测得水渗透性和通过量数据，将OS-25与10英寸高面积滤筒进行比较并将其比率与OS-25和缩放工具的比率相关联，应该清楚地指示缩放工具到10英寸高面积装置的正确缩放。由于已经安排了使用上述测试流的10英寸高面积装置的应用工作，这提供了直接将缩放工具与完整的10英寸滤筒进行比较的机会。对于申请人的测试，图6的实施例选用与所测试的10英寸滤筒的同一批次的膜片。
使用与在上述“测试方法：OptiScale 25和10”高面积装置”中相同的设置进行本实验的测试方法，图6的实施例的两个缩放工具设置在与OS-25囊相同的歧管中。
三种测试流在所有三个装置都在使用的情况下进行了测试。下表显示了使用来自同一批次的SHC膜片的所有三种装置(10英寸滤筒、OS-25和缩放工具)的EMD Soy通过量测试(如表3所示)。
表3：EMD Soy缩放(2g/L)：SHC
Figure BDA0001979905500000151
随后，比较
Figure BDA0001979905500000152
25、图6的实施例以及大型高面积装置的上述原始数据，以确定缩放精度。如前面部分所示，每单位面积10英寸高面积滤筒和OS-25装置之间的比例在水的情况下大约为0.5。将滤筒与图6的缩放工具进行比较，其示出了水渗透性值在5％以内。由于EMD Soy是一种非结块流，在这种情况下OS-25可以以99％的准确度正确地缩放到完整的SHC滤筒。将图6的缩放工具与完整的SHC滤筒进行比较，还示出了99％的准确度以内的缩放。这些数据表明：图6的缩放工具由于水渗透性和EMD Soy通过量测试的线性可缩放性(如表4所示)而在高面积应用中提供优于OS-25的缩放特性。
表4：EMD Soy缩放(2g/L)的缩放系数：SHC
水渗透性缩放系数 通过量缩放系数(@端点)
滤筒：OS25 0.59 0.99
滤筒：图6实施例 0.96 0.99
图18和图19示出了OS-25、缩放工具和10英寸高面积装置的通过量值的可选描绘。在图18中，该图表示出了每个装置的通过量与时间的关系，其中缩放工具和滤筒在整个实验中遵循几乎相同的通过量趋势，而OS-25与滤筒不同，但在运行结束时达到统一。图19示出了从开始到运行结束的绝对通量衰减的趋势，再次描绘了与OS-25的绝对通量衰减的不规则性相比，缩放工具对滤筒的线性缩放。
虽然本文已经公开了各种方面和实施例，但是在阅读和理解了前述详细描述之后，其它方面、实施例、修改和改变对于本领域技术人员将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是出于说明目的而非旨在进行限制。本公开旨在被解释为包括所有这些方面、实施例、修改和改变，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (8)

1.一种用于构造缩放工具的过滤件接收区域的方法，所述缩放工具用于按比例复制具有内部芯体和外部套筒的大型过滤装置的过滤性能，所述大型装置中的过滤件占据所述内部芯体和所述外部套筒之间的区域，所述方法包括：
确定所述大型装置中的所述过滤件的褶皱数量；
确定所述大型装置中的所述过滤件的跨越所述大型装置中的所述内部芯体和所述外部套筒之间的距离的褶皱的褶皱高度；
确定所述大型装置中的所述褶皱的相邻褶皱中心之间的角度；
确定所述大型装置中的由褶皱占据的基部宽度；
提供缩放装置过滤件，所述缩放装置过滤件的褶皱数量小于所述大型装置中的所述褶皱数量，并且所述缩放装置过滤件的高度对应于跨越所述大型装置中的所述内部芯体和所述外部套筒之间的距离的所述褶皱的褶皱高度；
将所述缩放装置的所述过滤件接收区域构造成具有：(a)宽度与所述大型装置中的由褶皱占据的所述基部宽度成比例的基部；(b)以与所述大型装置的所述褶皱的所述相邻褶皱中心的所确定的所述角度对应的角度从所述基部延伸的壁；以及(c)在1/2英寸和1英寸之间的长度，所述过滤件接收区域被构造成保持所述缩放装置过滤件的所述褶皱并且将所述褶皱压紧成有效地按比例复制所述大型过滤装置的过滤性能的程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述过滤件接收区域呈楔形形式。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缩放装置过滤件的所述褶皱呈M形褶皱图案定向。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按比例复制所述大型过滤装置的过滤性能是对通过量的1：1复制。
5.一种用于复制大型过滤装置的过滤特性的缩放工具，所述缩放工具包括壳体，所述壳体具有流体入口和流体出口以及根据权利要求1至4中任一项所述的方法构造的过滤件接收区域，所述过滤件接收区域与所述流体入口和所述流体出口流体连通，所述过滤件接收区域由刚性壁框架限定，所述缩放装置过滤件是包括一个或多个褶皱的膜片，所述过滤件接收区域容纳所述膜片，所述刚性壁框架保持所述膜片的所述一个或多个褶皱并且将所述褶皱压紧成有效地按比例复制所述大型过滤装置的过滤性能的程度。
6.根据权利要求5所述的缩放工具，其特征在于，所述膜片的褶皱呈M形褶皱图案定向。
7.根据权利要求5所述的缩放工具，其特征在于，其特征在于，所述按比例复制所述大型过滤装置的过滤性能是对通过量的1：1复制。
8.根据权利要求5所述的缩放工具，其特征在于，所述壳体包括具有所述流体入口的盖以及具有所述流体出口和所述过滤件接收区域的基部构件，所述盖和所述基部构件被密封在一起。
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