CN110756051B - 过滤器元件、切向流过滤系统、产生进料筛网的方法 - Google Patents

Abstract

过滤器元件、切向流过滤系统、产生进料筛网的方法。本发明提供具有盒样性能的紧凑螺旋缠绕过滤器元件。本发明进一步提供采用具有盒样性能的紧凑螺旋缠绕过滤器元件的过滤系统(例如，TFF系统)和工艺(例如，SPTFF工艺)。

Description

过滤器元件、切向流过滤系统、产生进料筛网的方法

本申请是原案申请号为201580000461.1的发明专利申请(国际申请号：PCT/US2015/037780，申请日：2015年6月25日，发明名称：过滤器元件、切向流过滤系统、液体过滤工艺)的分案申请。

技术领域

本发明涉及过滤器元件、切向流过滤系统、产生进料筛网的方法、进料隔离物。

背景技术

生物制药过滤系统通常利用盒式过滤器进行高分子、例如单克隆抗体的超滤和透析过滤。盒式过滤器(例如

3盒(EMD密理博公司(EMD Millipore Corp.)，比尔里卡，马萨诸塞州))由于其紧凑性、高质量转移率、低交叉流要求和可接受的低压力降而用作所需系统性能的标准。然而，盒式过滤器必须在压缩夹持器组合件中运行，所述组合件通常由厚不锈钢夹持器板和对齐杆组成。通过拧紧螺母或向液压活塞赋能来向过滤器施加压缩。对于一次性应用，通常将这些盒与昂贵的壳体组合件分离，以防止这些壳体组合件与工艺流体接触。所述分离是通过使用封装这些盒的衬层板或塑料夹套来实现。这些壳体组合件和衬层板/塑料夹套二者都使用不便并且增加了过滤系统的成本和复杂性。

因为螺旋缠绕膜模块不需要使用压缩夹持器组合件，所以其是一种有吸引力的盒式过滤器的替代品。然而，常规螺旋缠绕膜元件的通量远低于盒式过滤器，并且要以相同交叉流率获得与盒式过滤器类似的通量会需要不实用的大泵或长过滤流径，导致一个系统既不紧凑也不易使用。因此，需要有效、紧凑、可缩放并且改良的螺旋缠绕过滤器元件和提供盒式过滤器的性能优点的元件。

发明内容

本发明部分地是基于提供盒式过滤器的性能属性的改良的螺旋缠绕过滤器元件。因此，在一个实施例中，本发明涉及一种螺旋缠绕过滤器元件，其所具有的渗透物通量为一个在相同交叉流通量下操作的参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少约70％，并且进料通道压力降不超过在相同交叉流通量下操作的该参照盒式过滤器的进料通道压力降的约1.2倍。在其他实施例中，渗透物通量为该参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少约80％或90％。在其他实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的进料通道长度为约6英寸(15.24cm)到约18英寸(45.72cm)。在一个特定实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的进料通道长度为约12.5英寸(31.75cm)或更小。

在另一个实施例中，本发明涉及一种TFF系统，其包括至少一个本发明的螺旋缠绕过滤器元件。在一个特定实施例中，该TFF系统可以一种单程模式操作。在一些实施例中，该TFF系统中可包括两个或更多个串联或并联流体连接的螺旋缠绕过滤器元件。该TFF系统一般可包括一个阀或流量计，其定位于一个渗余物出口或将渗余物从该系统运送到一个渗余物容器的管道上，以控制再循环的渗余物的量。该TFF系统还可包括一个用于透析过滤溶液的储器和一个用于将透析过滤溶液输送到进料储器的管道。

在另一个实施例中，本发明涉及一种用于过滤一种液体进料的工艺，其包括使一种液体进料通过至少一个本发明所述的螺旋缠绕过滤器元件，在该过滤器元件中将该液体进料分离为渗透物和渗余物，并且从该过滤器元件回收该渗透物和至少一部分的该渗余物。该工艺可为一种切向流过滤(TFF)工艺(例如，一种单程TFF(SPTFF)工艺)。在某些实施例中，可在该TFF系统中将该液体进料通过至少两个流体连接的本发明的螺旋缠绕过滤器元件。该渗余物的一部分(包括该渗余物的约10％或更少)可再循环通过这些过滤器元件中的至少一者。该工艺可进一步包括一个透析过滤步骤，其包括浓缩和稀释步骤。

在另一个实施例中，本发明涉及一种产生一种高湍流促进性进料筛网的方法，其包括通过沿该编织纤维进料筛网的一个外表面使切向点变平或移除这些切向点将该进料筛网热辊压延到最终高度为约350μm。

本发明提供具有若干个优点的改良的螺旋缠绕过滤器元件。例如，本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件可实现接近或约为盒式过滤器在相同交叉流下操作时提供的渗透物通量的渗透物通量。另外，本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件能在没有进料通道压力降显著增加的损失的情况下实现所述渗透物通量，这种损失在常规螺旋缠绕过滤器中出现。本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件还提供呈一种紧凑设计以确保易于纳入过滤系统中的盒的性能属性。另外，与盒不同，本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件不需要压缩壳体或衬层，并且尤其对于一次性系统，可置于与盒相比增加易用性的可弃式套管或衬层中。因此，本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件提供用于过滤系统和工艺(包括TFF系统和工艺)中的适宜的盒式过滤器替代品。图1将市售过滤装置(包括一个P3B030A01盒式过滤器(EMD密理博，比尔里卡，马萨诸塞州)和多种可得螺旋缠绕过滤器元件)的相对于本发明的螺旋缠绕过滤器元件的比较性质制表。

附图说明

如在附图中所说明，根据下文对本发明实例性实施例的更具体描述，以上内容将变得明显，其中在所有不同图中，相似参考符号是指相同部分。这些图不一定是按比例绘制，而是着重展示本发明的实施例。

图1是列示市售过滤装置(包括一个盒式过滤器和多种可得的螺旋缠绕过滤器元件)相对于本发明的螺旋缠绕过滤器元件的比较性质的表格

图2是一种参照盒式过滤器和一种比较螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对交叉流的图。

图3是图2中图的外推图。

图4是串联螺旋缠绕过滤器元件的示意图。

图5是一种参照盒式过滤器(P3B030A01)和一种比较螺旋缠绕过滤器元件(Prep/Scale，CDUF006，12”长度过滤器)的压力降对交叉流的图。

图6是一个螺旋缠绕过滤器元件的横截面图。

图7是围绕一个常规螺旋缠绕膜元件的旁通流(环形)空间的横截面图。

图8是描绘一种气胀机制的示意图。

图9是描绘具有一个厚渗透物筛网(隔离片)的气胀的示意图。

图10是描绘具有一个薄渗透物筛网的气胀的示意图。

图11是描绘比较在用厚(左)和薄(右)渗透物筛网进行气胀后的旁通的示意图。

图12是描绘将一个进料筛网压印到一个膜中和气胀减轻的示意图。

图13是描绘一个膨胀进料筛网和气胀减轻的示意图。

图14是描绘进料流如何渗透穿过最外层进料通道中的一个膜并渗透穿过一个内部进料通道中的两个膜的示意图。

图15是一个螺旋缠绕过滤器元件的透视图。

图16是一个螺旋缠绕过滤器元件的膜包封的示意图。

图17是一个切向流过滤(TFF)系统的图式。

图18是显示不同构造因素对螺旋缠绕过滤器效率的影响的图。

图19是在一个螺旋缠绕过滤器中获得36lmh所需的交叉流比率对跨膜压力(TMP)的图。

图20是一个常规盒式过滤器、一个常规prep/scale螺旋缠绕过滤器和根据本发明多个实施例的螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对交叉流的图。

图21是一个未改变、未压延的a型筛网(a-screen)进料筛网的图像。

图22是一个经改变a型筛网进料筛网的图像，其已经过压延以移除切点并减小筛网高度。

图23是本发明的多个实施例的渗透物通量和压力降的图，这些实施例包括一个12”螺旋缠绕过滤器元件(从两个6”螺旋缠绕过滤器元件形成并且具有a型筛网用于进料隔离物)和一个6”螺旋缠绕过滤器元件(具有一个经压延的a型筛网用于进料隔离物)。

图24是根据本发明实施例的螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对压力降的图，这些实施例包括一个12”螺旋缠绕过滤器元件(从两个6”螺旋缠绕过滤器元件形成并且具有a型筛网)和一个6”螺旋缠绕过滤器元件(具有一个经过压延的a型筛网用于进料隔离物)，其各自具有Biomax膜。

图25是根据本发明多个实施例并且包括PLCTK膜和a型筛网进料筛网的两个6”螺旋缠绕过滤器子元件的串联(形成一个12”螺旋缠绕过滤器元件)的渗透物通量对交叉流的图。

图26是根据本发明多个实施例并且包括PLCTK膜和c型筛网进料筛网的两个6”螺旋缠绕过滤器子元件的串联(形成一个12”螺旋缠绕过滤器元件)的渗透物通量对交叉流的图。

图27是根据本发明实施例的具有Biomax-30膜的12.5”螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对交叉流的图。

图28是根据本发明实施例的具有PLCTK(PLC30)膜的12.5”螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对交叉流的图。

图29是根据本发明实施例的两个6”PLCTK膜螺旋缠绕过滤器子元件的串联(形成一个12”螺旋缠绕过滤器元件)在暴露于γ辐照之前和之后的渗透物通量对交叉流的图。

图30是根据本发明实施例的螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对交叉流的图，所述元件包括一个6”PLCTK(标称30kD膜)和一个6”交联

100膜(PLCHK)以产生一个交联30kD膜。

图31是根据本发明实施例的具有0.22m²或按比例缩小的0.11m²大小的单一12.5”长螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对交叉流的图。

图32是根据本发明实施例的包括PET进料筛网的螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量对交叉流的图。

图33是在一个使用一种具有根据本发明实施例的螺旋缠绕过滤器元件的TFF系统的分批浓缩步骤中，通量对Bgg浓度的图。

图34是在一个使用一种具有根据本发明实施例的螺旋缠绕过滤器元件的TFF系统的分批浓缩步骤中，通量和压力降对Bgg浓度的图。

图35是根据本发明实施例的螺旋缠绕过滤器元件的残留盐分数对透析过滤体积数的图。

图36是根据本发明实施例的按比例缩小的螺旋缠绕过滤器元件的残留盐分数对透析过滤体积数的图。

具体实施方式

定义

除非另外指明，本文所用的所有科学技术术语具有如本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同意义。

除非上下文另有明确指示，否则如本文所用的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该”包括复数含义。

表述“螺旋缠绕过滤器元件”是指一个围绕一个核心螺旋缠绕的过滤膜。一个螺旋缠绕过滤器元件可含于一个壳体内并且可被替代地称作一个螺旋缠绕过滤器模块。

“盒样性能”或“盒式过滤器样性能”意指渗透物通量为一个参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少约70％，并且进料通道压力降不超过一个在相同交叉流通量下操作的参照盒式过滤器的进料通道压力降的约1.2倍的性能。

“压力降”是指在该过滤器元件的长度上的一个进料通道内的压力的降低(例如，psid)。

“通量”是面积归一化的流速。

“渗透物通量”是一个渗透物通道中渗透物的面积归一化流速(例如，升/hr/m2，lmh)。

“交叉流通量”是一个进料通道中渗余物的面积归一化平均流速(例如升/min/m2，lmm)。

“质量转移限制的通量”是不管跨膜压力多大，可达到的最大通量。其与质量转移系数成比例，该系数通常描述为溶质扩散性对边界层厚度的比率，通过进料通道中的流体力学条件来测定。

“跨膜压力降”是与一个膜的表面垂直的压力降。

“交叉流”是一个过滤器或一系列过滤器中进料通道的入口与出口之间的渗余物流速。除非另有陈述，否则“交叉流”是指一个平均交叉流。

术语“进料”、“进料样品”和“进料物流”是指引入一个过滤模块以供分离的溶液。

术语“分离”通常是指将进料样品分成两个物流，即渗透物物流和渗余物物流的行为。

术语“渗透物”和“渗透物物流”是指进料中已经渗透穿过膜的部分。

术语“透析过滤物”、“透析过滤缓冲液”和“透析过滤物物流”是指在一个透析过滤工艺期间用于从进料物流洗出渗透物溶质的溶液。

术语“渗余物”和“渗余物物流”是指溶液中被膜截留的部分，并且渗余物是富含被截留物质的物流。

“进料通道”是指一个过滤组合件、模块或元件中的一个用于一种进料的管道。

“渗透物通道”是指一个过滤组合件、模块或元件中的一个用于一种渗透物的管道。

表述“流径”是指一个包含一个过滤膜(例如，超滤膜、微孔过滤膜)的通道，所过滤的溶液通过该膜(例如，以一种切向流动模式)。该流径可以具有任何支持切向流动的拓扑结构(例如笔直的、卷曲的、以Z字形排列的)。一个流径可以是开放的，如在一个由中空纤维膜形成的通道的实例中；或具有一或多个流动障碍物，如在例如由编织或非织隔离片间隔开的由平片膜形成的矩形通道的情形中。

“TFF组合件”、“TFF系统”和“TFF设备”在本文中可互换使用，是指一种切向流过滤系统，其经配置以按一种单程模式和/或一种再循环模式(例如，完全或部分再循环)来操作。

“SPTFF组合件”、“SPTFF系统”和“SPTFF设备”在本文中可互换使用，是指一种TFF系统，其经配置以按单程TFF模式来操作。

“单程模式”和“单程TFF模式”是指用于一种TFF系统/组合件的操作条件，在所述条件下，全部或一部分渗余物不通过该系统再循环。

“单叶”螺旋是可形成有一个连续进料通道的螺旋缠绕过滤器元件。其一般是由一片膜制得。

“多叶”螺旋是具有多个进料通道的螺旋缠绕过滤器元件。其一般是由多于1片膜制得；但也可由1个膜片制得。

一个“盒夹持器”是指一个用于一或多个盒的压缩组合件。通常，在一个盒夹持器含有多于一个盒时，这些盒经配置以并联加工，但在一些实施例中，这些盒可经配置用于串联加工。

一个“盒”是指一个滤筒或平板模块，其包含一或多个适用于TFF工艺的过滤(例如，超滤或微孔过滤)膜片。

“滤膜”是指能用于一个过滤系统、例如一个TFF系统中的一个可选择性渗透的膜。

术语“超滤膜”和“UF膜”一般定义为一种孔径介于约1纳米到约100纳米范围内的膜，或替代地通过这些膜的“分子量截止值”来定义，该分子量截止值是以道尔顿(Dalton)为单位来表示，并且缩写为MWCO。在不同实施例中，本发明利用MWCO评级在约1,000道尔顿到1,000,000道尔顿范围内的超滤膜。

如本文中所用的术语“微孔过滤膜”和“MF膜”是指孔径介于约0.1微米到约10微米范围内的膜。

如本文所用术语“高湍流促进性筛网”是指一种筛网，其增加一个通道(例如，一个进料通道)中的交叉流速度并在膜表面附近促进混合。

术语“可膨胀进料筛网”或“膨胀进料筛网”意指一种进料筛网，其随着进料通道的气胀而膨胀以维持与一个膜面的接触。

术语“多个”是指两个或更多个单元、元件或模块。

“流体连接”是指多个通过一或多个用于一种液体的管道(例如一个进料通道、渗余物通道和/或渗透物通道)彼此连接的螺旋缠绕膜TFF模块。

“产物”是指一种存在于进料物流中的目标化合物。通常，一种产物将为一种存在于该进料物流中的所关注的生物分子(例如，蛋白质)，例如一种单克隆抗体(mAb)。

“加工”是指过滤(例如，通过TFF)一种含有一种所关注产物的进料，随后以一种浓缩和/或纯化形式回收该产物的行为。该浓缩产物可从过滤系统(例如，一个TFF组合件)的渗余物物流或渗透物物流中回收，这取决于该产物的大小和过滤膜的孔径。

表述“并联加工”、“以并联方式加工”、“并联操作”和“以并联方式操作”是指在一个含有多个流体连接的加工单元的TFF组合件(例如，SPTFF组合件)中加工一种产物，该加工是通过将进料从一个进料通道或歧管直接分配到该组合件中的每个加工单元来进行。

表述“串联加工”、“以串联方式加工”，“串联操作”和“以串联方式操作”是指在一个含有多个流体连接的加工单元的TFF组合件(例如SPTFF组合件)中加工一种产物，该加工是通过将进料从进料通道直接分配到该组合件中的仅第一加工单元来进行。在串联加工中，该组合件中的其他后续加工单元中的每一者从前一个加工单元的渗余物管线接收其进料(例如来自第一加工单元的渗余物用作相邻的第二加工单元的进料)。

表述“转化率”、“单程转化率”和“每程转化率”在本文中用于表示在一个通过多个流动通道的单程中渗透穿过膜的进料流动通量的分数，其表示为进料物流流动通量的百分比。

下文阐述本发明的实例性实施例。

常规螺旋缠绕过滤器元件与盒式过滤器的比较

常规螺旋缠绕过滤器元件的通量一般远低于盒式过滤器，使得其在若干个过滤应用中不如盒式过滤器。一个实例显示于图2中，其中将一个基准盒(P3B030A01C2JA48465-6945-.11m2)和一个常规螺旋缠绕过滤器元件(Prep/Scale CDUF006TT-C1KA07028-09-.54m2)的渗透物通量制图。对于图2中所示的实例，在一个TFF系统中使用40g/L牛γ球蛋白(Bgg)评估该常规螺旋缠绕过滤器元件随归一化平均交叉流率而变的质量转移限制的通量和压力降。该TFF系统是以完全再循环模式运行。将渗余物压力调节到15psi，以确保达到质量转移限制的通量。图2显示一个常规6”长盒式过滤器和一个常规12.5”长螺旋缠绕过滤器元件中的渗透物通量对交叉流。在一个6L/min-m2的典型交叉流下，该常规螺旋缠绕过滤器元件的通量比该常规盒式过滤器低约2.7倍。

图3显示图2中所示结果的外推。为了达到所需的6L/min·m²盒式过滤器通量，该常规螺旋缠绕过滤器模块的交叉流通量必须增加约4倍，达到24L/min·m²。

高于6L/min·m²的交叉流通量对于一次性TFF系统来说较不合意，因为其需要更大的泵(这并非总是可以得到的)和更大的管系，从而得到一个具有更大足迹、更高资金成本和更大滞留体积的系统。更大滞留体积减小最大浓度因子并且可降低产物回收率或导致最终产物池的稀释。

交叉流通量(例如，L/min·m²)可通过延长一个进料通道流径的长度来降低，这可通过串联置放过滤器元件或通过使用具有一个更长进料通道的过滤器元件来实现。对于典型的低每程转化率应用(例如，约10％的浓缩高分子)，两种方法都可在维持接近的进料速度的同时，针对一个给定泵送速率增加膜面积，并因此增加渗透物通量。

图4说明这种原理。例如，为使交叉流通量降低到四倍，进料通道路径长度必须增加4倍。然而，这会导致进料通道流径极长，通常伴随更多连接，并导致系统更复杂，这是人们所不需要的。

另外，加长进料通道流径成比例地增加过滤器元件两侧的压力降。图5显示图6和7中所示的参照盒(P3B030A01 C2JA48465-6945-.11m2)和常规螺旋缠绕过滤器元件(Prep/Scale CDUF006TT-C1KA07028-09-.54m2)随交叉流而变的压力降。如上文所讨论，为了满足盒式过滤器的6L/min·m²的渗透物通量，该螺旋缠绕过滤器元件需要高4倍的交叉流率。螺旋缠绕过滤器元件在高4倍的交叉流率下的压力降为约24psid。在该螺旋缠绕过滤器元件的进料路径长度增加4倍时(以将交叉流降低到4倍，降到6L/min·m²的盒式过滤器目标)，压力降成比例地增加。因此，在该常规螺旋缠绕过滤器元件中，4倍的压力降给予总进料通道路径96psid的压力降，这是该盒式过滤器的6.5倍。

具有盒样性能的螺旋缠绕过滤器元件

如本文所述，本发明提供紧凑螺旋缠绕过滤器元件，其提供盒样性能。在一个实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量为一个在相同交叉流通量下操作的参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少约70％(例如，至少70％、75％、80％、85％、90％、95％、98％、99％、100％、105％或110％)，并且进料通道压力降不超过在相同交叉流通量下操作的该参照盒式过滤器的进料通道压力降的约1.2倍(例如，1.2、1.1、1.0、0.8或0.5倍)。在一个特定实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量为一个在相同交叉流通量下操作的参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少约80％。在另一个实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的渗透物通量为一个在相同交叉流通量下操作的参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少约90％。

用于本发明的螺旋缠绕过滤器元件的典型操作条件包括在约0.1L/min·m²与约12L/min·m²范围内的交叉流通量。在4到8L/min·m²范围内的交叉流通量是用于再循环分批过滤的典型通量，而在0.1到2L/min·m²范围内的通量是用于单程过滤的典型通量。在一个特定实施例中，平均操作交叉流通量为约6L/min·m²。典型操作温度可在约15℃到约30℃范围内，或更通常为约20℃到约25℃。典型渗余物压力可在约10-20psig范围内。

交叉流通量可通过测量TFF装置(例如，一个螺旋缠绕过滤器元件或盒式过滤器)中的平均进料流速和将该平均值除以该TFF装置中的膜面积来测定。平均进料流速等于进料和渗余物流量的和除以二。平均进料流速通常是作为渗余物流速和渗透物流速的一半的和来测量。交叉流通量通常是以升/分钟/平方米(L/min-m²)的单位来表示。流速可用流量计来测量。流速可通过在一个器皿中经已知时间段收集已知体积(或对于已知密度，收集已知重量)来测量。

渗透物通量可通过测量TFF装置中的渗透物流速和将该流速除以该TFF装置中的膜面积来测定。渗透物流速可通过在一个器皿(例如一个量筒)中经已知时间段收集已知体积(或对于已知密度，收集已知重量)来测量。渗透物通量通常是以升/小时/平方米(例如，L/hr/m²)的单位来表示。

横跨TFF装置的进料通道压力降可通过从所测量的进料压力减去所测量的渗余物压力来测定。进料和渗余物压力可用压力计或压力传感器来测量。

在给定交叉流率下，对于给定进料溶液，一个TFF装置的质量转移限制的通量是通过增加所观察到的跨膜压力直到渗透物通量不再增加为止来测定。

跨膜压力降可通过取进料和渗余物压力减去渗透物压力的平均值来测定。

在一些实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的平均交叉流通量介于约2与约12L/min·m²之间，例如约0.1到约2L/min·m²。在其他实施例中，该螺旋缠绕过滤器元件的进料通道压力降可为约5到约30psid，例如约5到20psid。

参照盒式过滤器可用作基准，可相对于该基准测量本发明的紧凑螺旋缠绕过滤器元件的性能。所述盒可替代性地称为基准盒式过滤器。适宜参照盒的实例包括但不限于由EMD密理博公司(比尔里卡，马萨诸塞州)供应的各种TFF盒，例如具有

膜或

膜的

盒。参照盒的具体实例包括

3微型盒，0.11m²，经制备具有一个

-30膜、标称6”端口到端口进料路径、一个“a型筛网”进料筛网和一个“b型筛网”渗透物筛网(P3B030A01)；以及

3微型盒，0.11m²，经制备具有一个

-30膜，标称6”端口到端口进料路径，一个“c型筛网”进料筛网和一个“b型筛网”渗透物筛网(P3C030C01)。

本发明的螺旋缠绕过滤器元件的性能可相对于一个参照盒的性能来评估。例如，在约6L/min·m²交叉流下，基于40g/L Bgg，在23℃下，螺旋缠绕过滤器元件的性能可为至少30L/hr·m²渗透物通量和不超过14.5psid的进料通道压力降，以及大于99％的Bgg滞留，用于提供盒样性能。

螺旋缠绕过滤器元件通常包含例如一个渗透物排泄管(核心)、过滤膜、进料隔离物筛网、渗透物隔离物筛网和粘合剂(例如，胶水、环氧树脂)。该渗透物核心可为例如一个聚砜管，其具有多个沿该渗透物包封开口端的预期宽度定位的小孔，以容许从该过滤器元件排放渗透物。

图6显示根据本发明实施例的一个螺旋缠绕过滤器元件100的一个实例的横截面图。该螺旋缠绕过滤器元件100包括围绕一个多孔中空核心渗透物收集管140缠绕的膜层160、进料通道组件120(例如进料隔离物)和渗透物通道组件130(例如渗透物隔离物)。箭头150指示渗透物的流向。该过滤器膜层160与该进料隔离物120的外表面呈平面接触。该进料隔离物120用作一个用于通道几何结构的机械稳定器和一个用于降低该膜表面附近的极化现象的湍流促进器二者。该渗透物隔离片130为该过滤器膜层160提供支持并维持一个流动通道用于排放渗透物。

可用于本文所述的螺旋缠绕过滤器元件中的滤膜为业内已知并且包括例如超滤膜、微孔过滤膜、反渗透膜或纳米滤膜。所述膜一般具有一种非织背衬材料或微孔膜支持物。滤膜可由例如以下物质形成：再生纤维素、聚芳砜、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯、聚酯、聚醚砜(PES)、聚乙烯、聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、尼龙、乙烯-三氟氯乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、氟化乙丙烯、全氟烷氧基、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚硫化共二烯(polysynidilenesulfide)和聚碳酸酯。适宜过滤膜的具体实例包括

-30膜和

-30膜。

-30膜是在非织聚烯烃背衬上的经修饰聚醚砜膜，且标称分子量截止值为30千道尔顿。

-30膜是在高密度聚乙烯0.6μm微孔基材上的再生纤维素膜，且标称分子量截止值为30千道尔顿。

进料隔离物或筛网为业内已知且可包括多种适宜材料(例如，聚乙烯、聚丙烯和聚酯)，并且可具有多种几何结构(例如，挤出双面和编织单丝聚丙烯网，呈方织或斜织)。渗透物隔离片或筛网为业内已知并且材料和几何结构通常类似于进料筛网，但经环氧树脂浸渍的特里科(Tricot)双面针织聚酯除外。可用作进料隔离物和/或渗透物隔离物的筛网的具体实例包括例如a型筛网、b型筛网和c型筛网(

筛网，赛发(Sefar)，魁北克，加拿大)。一个a型筛网是一个编织的200μm(近似值)直径单丝聚丙烯纤维筛网，其采用以51股/英寸方斜织2盖1(2-over-1)右手编织，总标称编织厚度为420μm并且开放面积为约36％。一个b型筛网是一个编织的150μm(近似值)单丝聚丙烯纤维筛网，其采用以70股/英寸方斜织2盖1右手编织并且总标称编织厚度为320μm并且开放面积为约34％。一个c型筛网是一个编织的250μm(近似值)直径单丝聚丙烯纤维筛网，其采用以42股/英寸方斜织2盖1右手编织并且总标称编织厚度为525μm并且开放面积为约34％。

粘合剂为业内已知并且包括但不限于胶水、聚氨酯或环氧树脂。

在一些实施例中，本发明的螺旋缠绕过滤器元件具有与盒式过滤器大致相同的短路径长度，其长度可为约6”-18”(例如，6”、8”、10”、12”、12.5”、14”、16”和18”)。在一个特定实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的进料通道长度为约12.5”(例如，12”、12.5”和12.55”)或更短。在另一个实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件的进料通道长度为约6”(例如，5.95”、6”、6.25”)。

在一些实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件可包括长度较短的子元件，以形成所需的螺旋缠绕过滤器元件长度。例如，一个长度为12”的螺旋缠绕过滤器元件可由两个6”螺旋缠绕过滤器子元件形成。

如本文所述，提高进料通道效率可提升螺旋缠绕膜元件的性能，使得该螺旋缠绕过滤器元件可提供盒样性能。本发明实施例包括具有高湍流促进性进料筛网的螺旋缠绕过滤器元件。高湍流促进性筛网可为网状编织网筛，其增加该螺旋缠绕过滤器元件的进料通道中的交叉流速度并在膜附近促进混合。例如，上述a型筛网和c型筛网可为高湍流促进性进料筛网。高湍流促进性进料筛网可从赛发公司(希库蒂米，加拿大)购得。

为了在一个螺旋缠绕过滤器模块中在维持短路径长度的同时提高效率，过滤器元件可使用薄进料筛网和薄渗透物筛网来构造。例如，一个适宜的进料筛网的未压缩高度(厚度)可为约600μm或更小(例如，600μm、550μm、500μm、450μm、400μm、300μm等)。在一个特定实施例中，该进料筛网的未压缩高度为约350μm或更小(例如，350μm、320μm、300μm)。一个渗透物筛网的未压缩高度(厚度)可为约200μm到约800μm。在具体实施例中，该渗透物筛网的未压缩高度为约600μm或更小(例如，600μm、560μm、510μm)。在某些实施例中，该渗透物筛网的未压缩高度为约300μm或更小(例如，300μm、260μm、130μm)。在一些实施例中，该进料通道长度小于进料通道高度的约800倍。

一个渗透物通道或进料通道的高度通常将由含于该通道中的筛网(或“隔离片”)(如果存在)的高度来限定(例如，在不存在气胀时)。在一些情况下，一个筛网(例如，进料筛网)可压印到一个膜中，例如在每一侧上压印到一个相邻膜中至多65μm。一个压缩或压印筛网(例如，进料筛网)可为所需的，因为其在操作期间能弹开或膨胀以与相邻膜的表面维持接触并限制气胀。这可防止交叉流或一部分交叉流绕过该进料筛网。

或者或另外，厚和/或刚性进料渗透物筛网在操作期间提供极小压缩，也可用于确保高压进料不会引起渗透物通道崩塌。渗透物通道支持从该装置排放渗透物，并且可进一步提供支持以防止一个进料通道发生气胀。例如，使用一个压缩进料筛网或一个在每一侧上压印到一个相邻膜中至多65μm的进料筛网，支持性渗透物筛网应压缩小于130μm(例如，在23℃下约50psi)以在该进料通道经进料压力赋能时限制该进料通道的气胀和/或在气胀期间保持该进料筛网在该压痕内。

在操作温度(例如，23℃)下，在约50磅/平方英寸的压缩下，刚性进料筛网的高度一般压缩小于约130μm。更厚渗透物筛网一般需要更大刚度，以例如保持压缩低于所需水平。拉伸模量提供刚度的一个量度并且是通过用压缩压力(每面积的力)乘以筛网厚度并除以压缩分数(初始厚度中的压缩距离)来测定。例如，在一个260μm厚(薄)筛网上压缩到130μm的50psi压缩压力需要100psi的所需拉伸模量。更厚的筛网(例如一个520μm厚的筛网)需要更高的拉伸模量(例如200psi)，以保持压缩低于所需水平。

在另一个实施例中，本发明涉及一种产生一个可纳入一个螺旋缠绕过滤器元件中的高湍流促进性进料筛网的方法。在一些实施例中，该方法可用于产生一个进料筛网，其几何结构类似于盒式过滤器的进料通道几何结构。该方法包含将一个编织纤维进料筛网热辊压延到最终高度为约350μm或更小和沿该进料筛网的外表面使切向点变平或移除这些切向点的步骤。本文实例3中提供一个产生一个高湍流进料筛网的实例。

本文所述的螺旋缠绕过滤器元件具有在过滤期间减小或消除气胀的优点。如图7中所示，螺旋缠绕过滤器元件可在该螺旋过滤器元件与壳体之间含有一个旁通区域。图8中说明的气胀在进料通道中在从进料通道到渗透物通道的正跨膜压力(TMP)(用于驱使渗透物流动穿过该膜)下的高压向外推膜时发生，并且可容许该进料筛网周围的旁通流。如图9中所示，使用一个更厚和/或易于压缩的渗透物筛网可在操作期间增加气胀。如图10中所示，使用一个更薄和/或更硬渗透物筛网可降低气胀。另外，如图11右图中所示并且与图11左图中所示的一个厚渗透物筛网箱相比，使用一个薄渗透物筛网箱可降低进料隔离物材料与膜之间的间隙的产生。图12和13说明减少因气胀所致的进料筛网旁通的其他方法，包括将一个进料隔离物压印到膜中和在生产期间压缩进料隔离物材料。

因此，在一些实施例中，本发明提供螺旋缠绕过滤器元件，其具有预压缩、可膨胀和/或压印到膜中的进料筛网。

除了减少气胀以外，进料通道效率可通过阻断一个螺旋缠绕过滤器元件的最外层进料通道来改良。图14说明来自位于一个壳体内的膜层的进料流向和渗透物流向。外层进料流通道一般未充分利用，因为其仅驱使通量穿过一个膜壁。因此，在一些实施例中，阻断(例如用胶水、环氧树脂等)该螺旋缠绕过滤器元件的最外层进料通道层，使得进料选路到位置更接近该螺旋缠绕元件的核心的更有效进料通道。

通过降低气胀效应和使进料选路到螺旋缠绕过滤器元件中的更有效进料通道，可获得提高的效率。随着进料通道效率增加，具有一个短路径长度的螺旋缠绕过滤器元件可用于TFF系统(例如SPTFF系统)中。因此，在本发明的一些实施例中，将效率和紧凑性构建到该螺旋元件的设计中。可通过测量在所需平均交叉流通量下达到目标通量所需的压力降来提供估计效率。

装配螺旋缠绕过滤器元件的方法为业内已知。例如，一个螺旋缠绕过滤器元件可通过以下方式来装配：铺叠一个膜(通过围绕一个进料筛网折叠一个膜产生至少一个膜叶)，将该膜叶(或多个膜叶)附接到一个渗透物核心，并围绕该核心缠绕该膜叶。图15显示一个多叶螺旋缠绕过滤器元件的组合件，其中多个箭头指示进料流向并且多个箭头指示一个膜包封215内的渗透物流。可在引入该膜之前在缠绕期间围绕该核心缠绕其他渗透物隔离片层(即，核心包装)(图15中未显示)。螺旋缠绕过滤器元件可为单叶(含有一个单膜包封)或多叶(含有两个或更多个膜包封)。如图16中所示，制备侧边接缝和末端接缝以密封该膜包封，使得进料无法绕过该膜到达该渗透物通道。引导渗透物流动到该过滤器元件的该核心。

在本发明的实施例中，可能需要在螺旋缠绕过滤器元件装配期间减小或消除膜尾和/或筛网尾。减小或消除膜尾和筛网尾的方法为业内已知并且包括例如提供补偿、修整或折叠以减少在该螺旋缠绕过滤器元件的缠绕完成后残留的过多膜或筛网的量。减小或消除膜尾和筛网尾在本文中称作“精简”。

本发明实施例包括在一个壳体(例如，可重复使用的壳体、可弃式壳体)、套管或衬层中的螺旋缠绕过滤器元件。将螺旋缠绕过滤器元件置于壳体中，置放方式应使得能连接到一个过滤系统(例如一个TFF系统)，限制压力并使进料、渗余物和渗透物物流保持分离。基于诸如以下等考虑因素，壳体可为不锈钢、塑料或其他适宜材料：用于计划应用的可提取材料的强度、化学相容性和安全性。可将若干个个别模块在一个歧管网络中连接在一起。这些歧管提供进料、渗余物和渗透物通过该模块网络的并联、串联或混合流动。

本发明的可弃式或一次性螺旋缠绕过滤器元件尤其适合于生物技术工业中的应用，因为一次性使用可避免重复使用的过滤器的清洁、清洁验证和性能验证的需要。此外，一次性螺旋缠绕过滤器元件和模块完全消除了交叉污染的可能性，这是药剂加工中的重要方面。

包含本发明螺旋缠绕过滤器元件的切向流过滤系统

本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件适用于多种过滤系统和方法。在一个具体实施例中，一个螺旋缠绕过滤器元件用于一个TFF系统中。TFF系统为业内已知。在一个特定实施例中，该TFF系统可以一种单程模式(SPTFF)来操作。在另一个实施例中，该TFF系统是以一种再循环模式来操作。该TFF系统可具有一个或一个以上本文所述的螺旋缠绕过滤器元件。在具有一个以上螺旋缠绕过滤器元件的系统中，这些螺旋缠绕过滤器元件可串联或并联流体连接，或以两种方式流体连接。

TFF系统一般提供一个流径和控制器以输送有时候需要的浓缩和透析过滤过程，以将进料转化为一种所需的中间体或最终产物以及以可接受的浓度和纯度回收该产物。一个含有本发明螺旋缠绕过滤器模块的TFF装置一般将包括所需的连接、分离能力和膜面积，以在要求时间内完成切向流过滤。

一个实例性TFF系统显示于图17中。将来自再循环罐的加压进料连接到螺旋缠绕过滤器模块或歧管(TFF装置)的进料端口。进料在所施加的跨通道压力降下流动穿过所述TFF装置的衬有膜的进料通道，所述压力降通常是通过使用一个泵对该进料加压来实现。来自该进料物流的一些溶剂流动穿过该膜面进入该渗透物通道，并且载有一部分可渗透物质。剩余浓缩进料物流从该模块或歧管流出穿过渗余物端口。将从该模块的渗透物端口流出的渗透物引导到一个位置，根据该工艺，将其在该位置保留或弃去。

这些用于再循环TFF方法中的含有螺旋缠绕过滤器元件的TFF系统可包括至少一个泵或控制阀用于使渗余物再循环通过该系统的全部或一部分，并且包括至少一个管道用于再循环(例如，运送)渗余物。再循环渗余物的量可使用例如泵或阀来控制。可使用一个流量计来提供用于控制再循环渗余物的量的该泵或阀的工艺值。因此，在一些实施例中，本文所述的用于本发明的部分再循环TFF方法的TFF系统还可包含一个阀或泵和/或一个流量计，用于控制渗余物的再循环。优选地，将该阀或泵和/或流量计定位于渗余物出口或将渗余物从该系统中运送至渗余物容器的流动管线上。

在TFF系统操作期间可实现的最大通量是通过选择足够跨膜压力(TMP)用于渗透物排放来获得。这适用于操作的压力依赖性和质量转移限制性区域。对于螺旋缠绕过滤器，所需TMP的达到是通过在该模块末端处测量来测定。对于具有两个渗透物出口的盒，所需TMP的达到是通过平均进料通道压力来测定。跨膜压力必须足够以支持通过该膜的压力降和从该渗透物通道排放渗透物的最大压力二者。

本发明的TFF工艺

在一个实施例中，本发明涉及一种使一种液体进料通过本发明的一个螺旋缠绕过滤器元件，在该过滤器元件中将该液体进料分离为渗透物和渗余物；以及从该过滤器元件回收该渗透物和该渗余物的至少一部分的方法。

本文所述的该TFF系统通常还可用于单程TFF(SPTFF)方法和部分再循环TFF方法。在一个特定实施例中，该TFF工艺包含在单独容器中从该系统回收渗透物和该渗余物的一部分而不再循环通过该TFF系统，以及使该渗余物的剩余部分至少一次再循环通过该TFF系统。

在启动期间使该渗余物的全部或一部分再循环提供一种通过其来确保系统已达到平衡并且该渗余物在将其收集到产物器皿中之前已实现所需浓度的方法。还提供了一种在处理过程中响应系统扰乱的便捷方式而提供更稳固的工艺。再循环渗余物的分数可通过调整该泵或控制阀来调节，作为一种方式来调谐该系统，以确保即使原料蛋白质浓度、新膜渗透性、膜结垢、膜渗透性或膜质量转移或压力降在不同批次中变化，每次运行时渗余物浓度一致和/或渗余物进入产物收集器皿的流速一致。在连续加工，并且后续操作的成功取决于先前一次操作的输出的情况下，这种策略尤其有利。渗余物的再循环可通过增加交叉流速度来提高清洁有效性，并且通过再循环来减少清洁液。

通常，在单程后收集至少约50％的渗余物，而使该渗余物的剩余部分再循环。优选地，在第一次通过该TFF系统后使约10％或更少(例如，约0.5％、约1％、约2％、约5％、约10％)的渗余物再循环。

可使正在再循环的渗余物返回该TFF系统中或之前的任一上游位置。在一个实施例中，使该渗余物再循环到进料罐。在另一个实施例中，使该渗余物再循环到该TFF系统上在进料入口之前的进料泵附近的进料管线中。

在一些实施例中，本文所述的这些方法还包含执行透析过滤(例如，以移除或降低该液体进料中的盐或溶剂的浓度，或完成缓冲液交换)。在一个优选实施例中，该透析过滤是通过以下方式来执行：浓缩该液体进料(例如，通过TFF)以减小透析过滤体积，然后通过添加透析过滤溶液(例如透析过滤缓冲液)将该进料恢复到其起始体积，这种工艺在业内称为不连续或分批透析过滤。在另一个实施例中，该透析过滤是通过以下方式来执行：将该透析过滤溶液添加到渗余物以增加该透析过滤体积，随后浓缩样品以使其恢复到其初始体积。在另一个实施例中，该透析过滤是通过以下方式来执行：以与从该TFF系统移除该渗透物相同的速率将该透析过滤溶液添加到未过滤的进料，该工艺在业内称为连续或定容透析过滤。适宜透析过滤溶液为人所熟知，并且包括例如水和各种水性缓冲溶液。为执行透析过滤，该TFF系统可包括一个用于透析过滤溶液的储器或容器以及一或多个用于将透析过滤溶液从该透析过滤溶液容器运送到该液体进料罐的管道。

为了避免作为透析过滤工艺的一部分的浓缩和在线稀释的极端情况(例如，>90％)，优选地将透析过滤物注入过滤组合件的多个区段中以使渗余物区段中的流量恢复到与初始进料中相同的流量。这要求添加透析过滤缓冲液的速率与移除渗透物的速率相匹配。一个优选方法是使用单一泵，其具有多个泵压头，含有透析过滤物添加和渗透物移除流动管线(例如蠕动泵来自伊斯马特(Ismatec)(奥普菲孔，瑞士))。每一泵压头将具有密切匹配的泵送速率，因此使这个过程平衡并维持有效缓冲液交换。建议通过使用含有最多24个通道的泵来匹配多个区段中每一区段的流量。可将该透析过滤物注射到歧管或分隔板中的渗余物端口中。

本发明提供具有若干个优点的改良的螺旋缠绕过滤器元件。本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件可实现接近或约为盒式过滤器在相同交叉流下操作时提供的渗透物通量的渗透物通量。另外，本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件能在没有进料通道压力降显著增加的损失的情况下实现所述渗透物通量，这种损失在常规螺旋缠绕过滤器中出现。本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件还提供呈一种紧凑设计以确保易于纳入过滤系统中的盒的性能属性。另外，与盒不同，本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件不需要压缩壳体或衬层，并且尤其对于单程系统，可置于与盒相比增加易用性的可弃式套管或衬层中。因此，本发明的这些螺旋缠绕过滤器元件提供用于过滤系统和工艺(包括TFF系统和工艺)中的适宜的盒式过滤器替代品。

例证

出于测试本发明实施例的目的，参照以下基准盒式过滤器：

3微型盒，0.11m²，经制备具有一个

-30膜、标称6”端口到端口进料路径、一个“a型筛网”进料筛网和一个“b型筛网”渗透物筛网(P3B030A01)；和一个

3微型盒，0.11m²，经制备具有一个

-30膜标称6”端口到端口进料路径、一个“c型筛网”进料筛网和一个“b型筛网”渗透物筛网(P3C030C01)。

在螺旋缠绕过滤器元件中，还利用prep/scale(P/S)筛网。出于测试本发明实施例的目的，参照以下P/S筛网：一个高密度聚乙烯并且以33x 33股/英寸采用1盖1方平织的P/S进料筛网，其标称筛网厚度为508μm并且开放面积为约42％；以及一个以32.5x 32.5股/英寸具有双平面聚丙烯的P/S渗透物筛网，其标称筛网厚度为508μm并且开放面积为约39％，如通过扫描电子显微镜(SEM)所测量。

对于下文所述实例，使用一种典型TFF测试标准。该TFF标准设定用于总循环并且包括以下特征：一个标称4L倾斜排泄到底部的罐，其具有顶置式叶轮混合器；约0.4至4lpmQuattroflow隔膜泵；用于渗余物和渗透物物流的质量流量计；用于进料、渗余物和渗透物管线的压力计；隔膜型渗余物阀；以及进料管线中通过一个同心管热交换器作用的温度控制器和一个冷却器驱动的回路中的一个双壁进料罐，罐中具有一个热电偶温度计。管系为316L不锈钢，如果需要，具有分段三盖卫生连接器和倒钩到柔性管道的软管。TFF过滤器夹持器(EMD密理博，比尔里卡，马萨诸塞州)包括用于

微型盒的扭转至约190in-lbs的不锈钢

微型夹持器，和用于比较螺旋缠绕过滤器模块、Prep/Scale和安置在Prep/Scale壳体中的原型螺旋缠绕过滤器元件的Prep/Scale夹持器。

实例1：具有盒样性能的紧凑螺旋缠绕过滤器元件的实例

制备五个螺旋缠绕过滤器元件样品用于交叉流、能量和压力降比较。所有样品都装配有

-30膜和含有a型筛网(高湍流促进性筛网)的薄进料通道。此外，所有样品都具有在该螺旋与该壳体套管之间的环形空间，该空间内装有2部分固化胶水以防止该螺旋过滤器元件周围的旁通流并阻断进料流进入外层进料通道。紧凑螺旋1和2经制备有prep/scale(P/S)渗透物筛网。使螺旋2另外在胶水包封固化过程期间通过一系列在圆周周围并且沿过滤器元件的长度(不包括末端接缝区域)置放的软管夹经历压缩。螺旋3、4和5经制备具有特里科(“T”)渗透物筛网，其比螺旋1和2的P/S渗透物筛网更薄。样品3和4是在无压缩的情况下制备。在样品4和5制备期间，消除延伸超出渗透物包封末端接缝的进料筛网和膜尾片，以消除进料筛网尾中的流动。所有样品都是使用0.22μm过滤的40g/L±2g/L牛γ球蛋白(Bgg)磷酸盐缓冲盐水溶液来测试。操作条件为23℃±1℃和15psig的渗余物压力。

图18显示实现与参照盒(具有

-30膜的

3微型盒，P3B030A01)相同的通量所需的相对交叉流、压力降和能量。如通过图18中螺旋1和2之间的比较可见，压缩过滤器元件改良效率并且压力降几乎不减小。即使不经压缩，通过使用较薄渗透物筛网获得额外效率增益，如在螺旋3和4中可见，其中压力降和能量消耗二者都有所降低。通过精简该装置借助消除膜尾和筛网尾进一步提高薄渗透物筛网原型的效率，如螺旋4所指示。压缩一个流线化的薄渗透物筛网原型不会增加任何额外效率。

图19显示通过螺旋压缩或通过使用一个较薄进料筛网，使用一个较薄渗透物通道的益处。如图19中所指示，在螺旋1(未压缩P/S筛网)与螺旋3、4和5之间观察到气胀流量的2x降低。

实例2至12中所述的紧凑螺旋经构建具有与图18中的紧凑螺旋4类似的效率特征，其包括适用于这些膜的湍流促进性进料筛网、用于最小化膜尾(流线化)的膜折叠补偿、瓶装环形件(potted annulus)和渗透物通道中的特里科筛网。

实例2：两个6”紧凑螺旋缠绕过滤器元件的连续操作

在这个实验中，测试本发明的6”长

-30螺旋原型以测定随平均交叉流率而变的通量和压力降。将两个6”螺旋原型子元件串联置放以形成每个12”螺旋缠绕原型元件。对于比较，还在相同条件下测试一个参照盒(具有

-30膜的

3微型盒，0.11m²，P3B030A01)和一个常规螺旋缠绕过滤器(12.5”Prep/Scale螺旋过滤器，0.54m²，CDUF006TT)。所有样品都是使用40g/L±2g/L牛γ球蛋白(Bgg)的磷酸盐缓冲盐水溶液在23℃下测试。

盒样性能是通过串联连接两个该6”长螺旋原型来实现。如图20中所示，原型紧凑螺旋(紧凑螺旋串联1和2)实现比较常规螺旋缠绕过滤器的通量加倍和该参照盒的通量性能的80％并且压力降有所降低。

实例3：高湍流促进性进料筛网

在这个实验中，使一个进料筛网类似于在具有一个高湍流促进性进料筛网(a型筛网)的

3

-30盒式过滤器的盒样压缩下预期的进料通道几何结构。按该进料筛网高度来估计盒压缩后的通道高度，其小于a型筛网在

-30膜中的压痕深度的两倍。一个进料筛网是通过以下方式来产生：通过加热绞扭机热辊压延一个a型筛网，以熔除该筛网面上的切点并产生一个最终高度为约340μm的进料筛网。所测量高度为397.6μm的初始未压延筛网显示于图21中(在图21中标记为“长度”)，并且在两个位置所测量高度为331.1和343.0μm的最终经压延a型筛网显示于图22中(在图22中标记为“长度”)。

上文所述经制备具有该薄进料筛网的6”螺旋缠绕过滤器的所得性能类似于通过具有一个常规a型筛网进料筛网的12”长螺旋(从两个6”螺旋制得)所获得者，如图23和24中所示。

实例4：两个具有

-30膜的串联紧凑螺旋缠绕过滤器元件

在这个实验中，评估一个使用一个

30膜(与先前实例中的

-30膜相反)的紧凑、有效螺旋缠绕过滤器元件的发展。图25显示一个纳入一个a型筛网进料通道隔离片的紧凑螺旋的结果。发现该a型筛网进料筛网过紧，产生良好通量但高压力降不可接受。图26显示一个纳入一个c型筛网进料通道隔离片的紧凑螺旋的结果，该c型筛网进料通道隔离片比a型筛网进料通道隔离片更厚并且更开放。该c型筛网原型生成可接受的通量和压力降，从而提供盒样性能。

实例5：一个具有

-30膜的12.5”紧凑螺旋缠绕过滤器元件的操作

在这个实验中，使一个经制备具有

-30膜的标准进料筛网的螺旋缠绕过滤器元件更长，以排除串联运行两个6”螺旋缠绕过滤器元件以获得盒样性能的需要。对于给定直径，一个12.5”螺旋缠绕过滤器元件的膜面积约为一个经制备具有相同薄进料筛网的6”螺旋缠绕过滤器元件的两倍。在一个单一螺旋缠绕过滤器元件中，在维持相同直径的同时提供更大膜面积具有多个优点，例如减少用于按比例放大一个TFF系统的大小的连接和减少部件数。

结果显示于图27中。该12.5”紧凑螺旋缠绕原型实现足够通量和压力降，从而提供盒样性能，这与两个6”螺旋的串联的性能类似。

实例6：一个具有

-30膜的12.5”紧凑螺旋缠绕过滤器模块的操作

在这个实验中，使一个经制备具有一个c型筛网进料隔离物和

-30膜(PLCTK)的螺旋缠绕过滤器元件更长，以排除串联运行两个6”螺旋缠绕过滤器元件以获得盒样性能的需要。结果显示于图28中。如在先前实例中，结果指示足够通量和压力降，从而提供盒样性能，这类似于或略高于实例3中所示的两个6”螺旋的串联。

实例7：用于灭菌的γ辐照不影响具有

-30膜的6”长紧凑螺旋缠绕过滤器模块的性能

在这个实验中，测试本发明的原型螺旋胶囊在Bgg溶液上的性能，用0.1N NaOH清洁，冲洗，经历25kGyγ辐照(广泛接受的灭菌剂量下限)，然后再次在Bgg上测试。在用于一次性应用的预灭菌装置中存在价值；例如，其在使用前无需消毒，从而节省时间，降低成本，并减少消毒剂废物。由于在预灭菌后不需要防腐剂，因此可需要较少冲洗体积。因为γ辐照具有穿过大多数样品的极佳穿透性，所以其是用于灭菌程序的现行金标准。然而，γ辐照可影响构造材料以及生物负荷目标物质。

原型模块在辐照之前和之后的性能显示于图29中。在两个样品中都获得盒样性能。在辐照后，样品中的通量未减小并且维持压力降。

实例8：具有原位

-100膜的6”长紧凑螺旋缠绕过滤器模块的操作

使交联溶液在目标浓度和温度下通过一个原型螺旋缠绕过滤器模块循环，以将

-100膜转化为

-30膜。这个程序可用于产生

-30膜的在卷筒存货中无法得到的可能更强的形式。

由于仅得到一个6”交联

-100螺旋缠绕过滤器元件，将其与一个先前串联测试并显示盒样性能的6”

-30螺旋缠绕过滤器元件相比较。结果显示于图30中。一个

-100膜的交联形式的性能与该具有卷筒存货

-30膜的紧凑螺旋几乎相同，且滞留略有降低。

实例9：一个按比例缩小的紧凑螺旋缠绕过滤器模块

在这个实验中，缩短螺旋叶(渗透物包封)的长度以制备一个对于相同进料通道长度具有较小面积的按比例缩小的紧凑螺旋缠绕过滤器模块，用于与一个0.11m²的标准参照盒大小相比较，并容许较小体积的进料溶液的超滤。

评估

-30TFF装置，包括参照

3盒(P3C030C01)、0.22m²和0.11m²12.5”长原型螺旋缠绕过滤器模块。结果显示于图31中。该按比例缩小的原型螺旋缠绕过滤器模块紧凑螺旋3(0.11m²)具有盒样性能，但质量转移限制的通量比该大面积(0.22m²)原型紧凑螺旋1和2低约10％。

实例10：在γ和二甲基乙酰胺(DMAc)暴露后的具有

-30膜和替代材料进料筛网的12.5”长紧凑螺旋缠绕过滤器模块

由于高润湿表面积，进料筛网是来自经历γ辐照的一个装置的可提取物水平的一个重要因素。对于一次性TFF装置，低可提取物是优选的以减少所需冲洗量并防止产物池的污染。先前实例(实例1-8)中所用的基线进料筛网材料是聚丙烯(PP)，已知其可通过γ辐照来附接。

在这个实验中，使用一个类似于该c型筛网进料隔离物的聚酯(PET)进料筛网07-350/34(

筛网，来自赛发，魁北克，加拿大)来保持高质量转移系数，同时可能降低γ相关的可提取物。

结果显示于图32中。该PET进料筛网原型(紧凑螺旋3和4)显示盒样性能，Bgg滞留与具有PP进料筛网的紧凑螺旋1和2类似。

实例11：使用一个30kD再生纤维素12.5”长紧凑螺旋缠绕过滤器模块的Bgg溶液的分批浓缩

在这个实验中，使用一个渗余物再循环罐将牛γ球蛋白(Bgg)从4g/L浓缩到约40g/L，然后从40g/L浓缩到约200g/L。将渗透物输送到排泄管以浓缩，并输送回该再循环罐以稳定，用于测量和样品收集。将交叉流保持在5L/min·m²并将渗余物保持在10psi，以模拟典型的盒系统操作，直到进料压力达到约60psi的最大值为止。然后使交叉流降低到2.5L/min·m²，直到进料压力再次达到60psi为止。然后完全打开渗余物阀并继续浓缩，直到进料压力再次达到60psi为止。

图33显示大小为0.11m²和0.23m²的紧凑螺旋缠绕原型的极为类似但略低的通量概况。由于需要10psi渗余物，较长渗透物通道原型(0.23m²)的通量显著较低。在较低通量下，瓶颈消失并且通量仍为与较短渗透物通道原型(0.11m²)相同的水平。将渗余物压力升高到15psi可足以将0.22m²原型的通量维持在至多为最高通量的0.11m²水平，如图34中所示。

图34显示该紧凑螺旋缠绕原型(0.11m²)的极为类似的压力降概况，和即使在最高压力和压力降下，相当于该盒的通量。尽管该紧凑螺旋缠绕原型未经一个夹持器压缩，但其在最高压力和压力降下仍然能足够好地维持其进料通道几何结构以匹配盒通量。

实例12：用具有

-30膜的12.5”紧凑螺旋缠绕膜模块对模型盐水溶液进行的透析过滤

在这个实验中，将一个紧凑螺旋缠绕模块的盐移除效率与一个使用定容分批透析过滤的盒进行比较。将1升5g/L氯化钠溶液加载到该TFF系统再循环罐中。使渗余物再循环到充分混合的再循环罐，同时将渗透物排放到一个单独的收集罐。将纯化水以等于渗透物速率的目标速率添加到该再循环罐，由此在该系统中维持基本上恒定的体积。

用一个Oakton电导探针监测该罐中的浓度。将剩余盐分数的自然对数对渗透的透析过滤体积数绘图，产生斜率为负的筛分系数(即，ln(C/Co)＝-SN)的线。在对数标尺上对剩余盐分数绘图，使得可易于评价该盐的“对数减少值”，其中1对数减少为10倍，2对数减少为100倍，等等。图35和36显示，这些紧凑螺旋(紧凑螺旋1和紧凑螺旋2)得到与基准

3盒类似的盐减少率。这适用于所测试的两种紧凑螺旋原型设计，包括该0.11m²(短渗透物通道，紧凑螺旋2)和该0.24m²(长渗透物通道，紧凑螺旋1)原型。

本文中引用的所有专利、公开申请案和参考文献的相关教示内容都是全文以引用方式并入本文中。

虽然已参照本发明的实例性实施例具体显示并描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解，在不偏离由所附权利要求书所涵盖的本发明的范围的情况下，可以在其中做出形式和细节方面的多种改变。

相关申请的交叉引用

这一申请要求于2014年6月25日提交的美国临时申请案第62/017,084号的权益。上文申请案的全部教示内容是以引用方式并入本文中。

Claims (24)

1.一种螺旋过滤器元件，该螺旋过滤器元件包括进料隔离物，该进料隔离物包括编织纤维筛网，该编织纤维筛网的高度为600μm或更小并且沿该编织纤维筛网的外表面具有变平的或移除的切向点，其中：

a)所述螺旋过滤器元件具有渗透物通量，该渗透物通量是在相同交叉流通量下操作的参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少70％；并且

b)所述螺旋过滤器元件在所述参照盒式过滤器的进料通道压力降的1.2倍或更小的进料通道压力降下操作。

2.根据权利要求1所述的螺旋过滤器元件，其中，该渗透物通量为该参照盒式过滤器的质量转移限制的渗透物通量的至少80％。

3.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其中，该交叉流通量介于2L/min·m²与12L/min·m²之间或介于0.1L/min·m²与2L/min·m²之间。

4.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其中，该进料通道压力降为5psid到30psid。

5.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含长度为18英寸或更小的进料通道。

6.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含两个或更多个螺旋过滤器子元件。

7.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含高度小于600μm的进料通道。

8.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含高度介于450μm到600μm的进料通道。

9.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含高度小于800μm的渗透物通道。

10.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含高度介于200μm到800μm的渗透物通道。

11.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含进料通道，该进料通道的长度小于该进料通道的高度的800倍。

12.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含高湍流促进性进料筛网。

13.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含未压缩高度为600μm或更小的进料筛网。

14.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含在操作温度下在50psi压缩下，压缩到小于130μm的渗透物筛网。

15.根据权利要求1所述的螺旋过滤器元件，其包含封闭的最外层进料通道层。

16.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含被压到膜中、被预压缩或其组合的进料筛网。

17.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含能在操作期间膨胀并维持与膜表面的接触的进料筛网。

18.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其中，该螺旋过滤器元件位于壳体、套管或衬层中。

19.根据权利要求1或2所述的螺旋过滤器元件，其包含超滤膜、微孔过滤膜、反渗透膜或纳米滤膜。

20.根据权利要求1所述的螺旋过滤器元件，其中，所述编织纤维筛网的高度为350μm或更小。

21.一种切向流过滤TFF系统，其包含至少一个根据权利要求1所述的螺旋过滤器元件。

22.根据权利要求21所述的TFF系统，其中，该TFF系统能够以一种单程模式操作。

23.根据权利要求21或22所述的TFF系统，其包含至少两个根据权利要求1所述的螺旋过滤器元件，并且其中，所述螺旋过滤器元件以具有串联连接、并联连接、或串联连接和并联连接二者的配置流体连接。

24.根据权利要求21或22所述的TFF系统，其进一步包含用于透析过滤溶液的储器和用于将透析过滤溶液输送到该储器的通道。

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