CN113365716B - 用于深度过滤器的顶部空间及其使用方法 - Google Patents

Abstract

提供了具有优化顶部空间的深度过滤器，以及优化深度过滤器中的顶部空间的方法，以及用具有优化顶部空间的深度过滤器过滤的方法，包括絮凝进料流的澄清，其中预处理可包括降低细胞培养物pH、加入聚合物(不带电荷或带电荷)、或加入盐以沉淀出可溶性杂质中的任一种，从而导致高不溶性生物质。

Description

用于深度过滤器的顶部空间及其使用方法

相关申请

本申请要求于2019年3月28日提交的美国临时申请No.62/825,505的权益，其全部内容以引用的方式全文并入本文。

技术领域

本文所公开的实施方案涉及深度过滤器，特别是具有优化顶部空间的深度过滤器，尤其是用于高固体进料应用中的封装或封闭的深度过滤器，最通常与含有沉淀物的进料的澄清和后病毒灭活相关。实施方案还涉及优化深度过滤器的方法以及具有优化深度过滤器的过滤样品的方法。

背景技术

深度过滤器对于多种多样的初级和二次澄清应用是理想的，包括细胞培养物、酵母和细菌如大肠杆菌(E.coli)离心后裂解物、大肠杆菌重折叠物、培养基、疫苗、血浆蛋白、经由低pH的絮凝物、盐絮凝、聚合絮凝物和血清。深度过滤器利用其深度或厚度进行过滤。过滤介质通常是以梯度密度构造的材料，一般在顶部附近具有较大的孔并且在底部具有较小的孔。与绝对过滤器不同，深度过滤器将颗粒保留在整个多孔介质中，从而允许同时保留大于和小于孔径的颗粒。深度过滤中的颗粒保留被认为利用了多种颗粒保留方法，包括尺寸排阻、疏水吸附、离子吸附和其他相互作用。该多种保留方法允许同时保留大于和小于限定孔径的颗粒。

在许多情况下，深度过滤器可以串联运行，使得在第一过滤阶段期间移除大部分较粗颗粒，而在第二阶段中滤出较细颗粒。因此，在存在诸如来自细胞和细胞碎片的宽粒度分布的细胞培养物中，深度过滤器旨在保留大部分悬浮颗粒。

深度过滤器三维基体创建了样品通过其中的迷宫样路径。在各种实施方案中，过滤膜或过滤片可为卷绕棉、聚丙烯、人造丝纤维素、玻璃纤维、烧结金属、瓷器、硅藻土或其他已知的组分，诸如二氧化硅、聚丙烯酸纤维(HC Pro介质，得自EMD MilliporeCorporation,Burlington,MA,USA)。可对包含深度过滤介质的组合物进行化学处理，以允许过滤介质通过离子或静电相互作用捕获带电颗粒，诸如DNA、宿主细胞蛋白或聚集体。

在传统的深度过滤中，控制深度过滤器的负载容量的限制因素是深度过滤介质的结垢，并因此尚不知道深度过滤装置内的顶部空间体积或物理污垢保持能力(也称为滤饼过滤)是否起着重要作用。深度过滤器的结垢机制可包括孔堵塞、滤饼形成和/或孔缩窄。最近在细胞培养物方面的改进导致了具有提高的细胞活力的高生物质。这些进料流可以存在降低水平的通常导致深度过滤介质结垢的细胞碎片或胶体物质。

传统上，封装深度过滤器被设计成具有最小的顶部空间以减小系统滞留体积和总体装置尺寸，以允许改进回收并限制冲洗体积(缓冲液和水)。因此，增强深度过滤器的性能的焦点已集中在使装置尺寸最小化以减少滞留体积和装置占地面积，这导致可用顶部空间的间接减少。然而，本发明人已确定，尤其是当过滤器用于澄清含有高固体的进料时，减小顶部空间可不利地影响深度过滤器性能(负载容量)。

因此，本文所公开的实施方案的目的在于优化深度过滤器的顶部空间以提高性能。

发明内容

现有技术的问题已经通过本文所公开的实施方案得到解决，这些实施方案涉及具有优化顶部空间的深度过滤器、优化深度过滤器中的顶部空间的方法，以及使用具有优化顶部空间的深度过滤器的过滤方法。

本发明人已经意料不到地发现，深度过滤器内可用的顶部空间体积是设计用于移除例如细胞、细胞碎片、絮凝细胞培养物或沉淀物的封闭或封装深度过滤器的关键变量。因此，过滤器的顶部空间体积或污垢保持能力(滤饼过滤能力)是深度过滤器封装装置的关键设计变量。该变量的影响是显著的，特别是对于具有高固体(细胞/生物质)浓度的进料流，以及对于其中可在不使过滤介质结垢的情况下处理显著较大进料体积的低结垢进料流。可由顶部空间控制深度过滤器能力的合适应用包括絮凝进料流的澄清，其中预处理可包括降低细胞培养物pH、加入聚合物(不带电荷或带电荷)、或加入盐以沉淀出可溶性杂质中的任一种，从而导致高不溶性生物质。变量对于可缩放性的评估也是至关重要的。

在一些实施方案中，优化的顶部空间用于初级澄清装置，该初级澄清装置旨在用于细胞培养物澄清，其中收获物含有2500万至1亿个细胞/mL，其转换为大约3.5％至11.5％的生物质。

因此，在一些实施方案中，提供一种深度过滤器，该深度过滤器包括具有入口、与入口间隔开的出口、以及含有过滤介质的内部体积和内部体积中的顶部空间的封装壳体，其中顶部空间的体积为每平方米过滤介质面积4至14升，优选地每平方米过滤介质面积4至10升。在一些实施方案中，过滤介质包括非织造纤维、纤维素和硅藻土、或聚丙烯酸纤维和二氧化硅(合成)、或活性炭、聚丙烯、尼龙、玻璃纤维、以及它们的组合的分级层的复合材料。在一些实施方案中，深度过滤装置的最小深度过滤介质面积>0.1m²。在一些实施方案中，深度过滤介质面积为0.1m²至1.1m²。

在一些实施方案中，提供一种通过深度过滤来澄清包含感兴趣的目标生物分子和多个细胞碎片和/或胶态颗粒的进料的方法。在根据本公开的一些实施方案中，该方法包括提供具有顶部空间和多孔深度过滤介质的深度过滤装置，其中顶部空间的体积为装置中每平方米深度过滤介质面积4至14升；提供包含感兴趣的目标生物分子和多个细胞碎片和/或胶态颗粒的进料；将进料引入到顶部空间中并且使深度过滤介质与进料接触；以及从进料中的细胞碎片和胶态颗粒中分离感兴趣的目标生物分子。在一些实施方案中，该方法是在不使用初级澄清离心步骤或初级澄清切向流微滤步骤的情况下进行的。在一些实施方案中，感兴趣的目标生物分子包括在哺乳动物细胞培养物、植物细胞培养物、细菌细胞培养物、昆虫细胞培养物和感兴趣的类似培养物中表达的单克隆抗体(mAb)、酶、病毒、缀合多糖、生物治疗剂、多克隆抗体和其他双分子细胞物质中的一种或多种。

在一些实施方案中，提供一种确定过滤一定体积的细胞培养物所需的深度过滤器的最佳面积的方法，其中细胞培养物包含具有一定细胞直径(d)且具有一定总细胞密度的多个细胞，该方法包括：

1、计算单个细胞所占据的体积(V_c)；

2、将V_c乘以总细胞密度以确定每体积细胞培养物的细胞体积(L细胞/L细胞培养物)；

3、确定每单位面积过滤器的顶部空间(L顶部空间/m²深度过滤器面积)。

4、将每深度过滤器面积的过滤器顶部空间除以每体积细胞培养物的细胞体积以确定过滤量(L细胞培养物/m²深度过滤器面积)。

在一些实施方案中，在确定细胞所占据的体积时，将细胞所占据的空隙体积纳入考虑。

根据本文所公开的实施方案的深度过滤器中的优化顶部空间将有助于利用深度过滤介质的全部容量，并且与常规设计相比，可以导致针对不污结介质的高达70％的改进。工艺经济性结果得到改进，因为需要较少的面积，这转换成较低的缓冲液要求和提高的产物回收。

下面更具体地描述了本公开的这些和其他非限制性方面和/或特征。为了更好地理解本文所公开的实施方案，参考构成本公开的一部分的附图和具体实施方式。

附图说明

本文所公开的实施方案可以采用各种部件和部件布置方式，以及各种工艺操作和工艺操作布置方式。附图示出了例示的实施方案并且不应被解释为限制。本公开包括以下附图。

图1A是根据一些实施方案的深度过滤器的透视图；

图1B是图1A的深度过滤器的剖视图；

图2是根据本公开的一些实施方案的替代性深度过滤器如透镜状封装的深度过滤器的前剖视图；

图3是根据一些实施方案的将总细胞密度与进料流中的生物质/细胞团块体积百分比相关联的图；

图4是示出最大进料负载容量作为深度过滤器顶部空间和进料中总细胞密度(％生物质)的函数的图；

图5是示出根据一些实施方案的处理2000L收获物所需的深度介质面积作为顶部空间和总细胞密度的函数的图；

图6是示出根据一些实施方案的可通过相对于2L/m²顶部空间所需的深度介质面积而言增加顶部空间体积而实现的深度介质面积减少百分比的图；

图7A-7F是根据实施例1的各种深度过滤装置的压力分布曲线；以及

图8A-8C是根据实施例2的各种深度过滤装置的压力分布曲线。

具体实施方式

通过参考附图，可以获得对本文所公开的部件、工艺和设备的更全面的理解。这些图仅仅是基于方便和易于展示本公开的示意图，并因此不旨在指示装置或其部件的相对尺寸和尺寸和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语旨在仅指选择用于在附图中例示的实施方案的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中，应当理解，类似的数字标号是指类似功能的部件。

出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另外指明，否则表示成分的量、材料的百分比或比例、反应条件以及说明书和权利要求书中所用的其他数值的所有数字应理解为在所有情况下由术语“约”或“大约”修饰，无论是否明确指示。术语“约”或“大约”通常是指认为等同于所述值(即具有相同的功能或结果)的数字范围。在许多情况下，这些术语可包括四舍五入到最接近有效数位的数字。

因此，除非有相反的指示，否则说明书和权利要求书中阐述的数值参数为近似值，其可根据试图通过本文所公开的实施方案获得的期望特性而变化。在最低程度上，并且不尝试将等同原则的应用限制于权利要求的范围，每个数值参数应当至少根据所报告的有效数位的数字并通过应用惯常四舍五入技术来解释。

单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指代，除非上下文另外明确规定。

如在说明书中所用，各种装置和部件可描述为“包括”其他部件。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“可以”、“包含”以及它们的变体旨在是开放式过渡短语、术语或词语，其不排除附加部件的可能性。

本文所公开的所有范围包括所述端点并且可独立地组合(例如，“2英寸至10英寸”的范围包括端点2英寸和10英寸，以及所有中间值)。

如本文所用，可应用近似语言来修饰任何定量表示，该定量表示可变化而不导致与其相关的基本功能的变化。因此，在一些情况下，由一个或多个术语诸如“约”和“基本上”修饰的值可不限于指定的精确值。修饰语“约”也应当被认为公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“约2至约4”也公开了内插值“2至4”的范围。

应当指出的是，本文使用的许多术语是相对术语。例如，术语“顶部”和“底部”在位置上相对于彼此，即上部部件位于比下部部件更高的高度处，并且不应解释为需要结构的特定取向或位置。作为进一步实例，术语“内部”、“外部”、“向内”和“向外”相对于中心，并且不应解释为需要结构的特定取向或位置。

术语“顶部”和“底部”是相对于绝对基准，即地球表面。换言之，针对地球表面，顶部位置总是位于比底部位置更高的高度处。

术语“水平”和“竖直”用于指示相对于绝对基准即地平面的方向。然而，这些术语不应解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。

术语克可以缩写为gm，术语升可以缩写为L，术语毫升可以缩写为mL，术语立方厘米可以缩写为cm²，术语升可以缩写为L，术语升/平方米可以缩写为L/m²，术语升/平方米/小时可以缩写为L/m²/H或LMH。

如本文所用，术语“深度过滤器”(例如梯度密度深度过滤器)实现了过滤材料的深度内的过滤。此类过滤器的常见类别是包括随机纤维基体的那些，所述纤维粘结(或以其他方式固定)以形成流动通道的复杂曲折迷宫。这些过滤器中的颗粒分离通常由纤维基体的截留或吸附至纤维基体产生。纤维基过滤材料可为垫子或垫的形式。用于生物处理细胞培养液和其他原料的最常使用的深度过滤介质由纤维素纤维、助滤剂诸如硅藻土(DE)和树脂基料组成。与绝对过滤器不同，深度过滤介质将颗粒保留在整个多孔介质中，从而允许同时保留大于和小于孔径的颗粒。颗粒保留被认为涉及通过疏水、离子和其他相互作用的尺寸排阻和吸附。结垢机制可包括孔堵塞、滤饼形成和/或孔缩窄。深度过滤器是有利的，因为它们移除污染物，而且采用一次性(即单次使用)形式，从而消除了验证问题。

初级澄清深度过滤器能够移除完整细胞和细胞碎片，从而实现含有感兴趣的目标生物分子以及多个细胞碎片和胶态颗粒的进料的初级澄清，而无需使用初级澄清离心步骤或初级澄清切向流微滤步骤。

合适的纤维素深度过滤器，例如可从EMD Millipore Corporation商购获得的+过滤器，是包括紧密结构化纤维素深度介质层的复合过滤器，并且可针对特定应用进行优化，诸如保留胶态颗粒和细胞碎片或保留完整细胞和较大碎片。它们将两个或更多个连续等级的介质结合在单个过滤器滤筒或壳体中。这些过滤器最常用于抛光或二次澄清过程，以从含水产物(蛋白质)流中移除少量的悬浮物质。这些过滤器的一个功能是保护或延长更昂贵的下游分离工艺的使用寿命，诸如无菌过滤和亲和色谱，即这些过滤器的常见应用是作为“预过滤器”来保护下游处理能力(在其堵塞之前可通过过滤器的流体的体积)免受胶体污染物和其他细胞碎片的影响，这可极大地延长下游工艺的寿命。此外，此类深度过滤器也用于通过移除痕量的凝聚蛋白来保护病毒清除过滤器。

在传统的深度过滤应用中，深度过滤介质的结垢控制了能够通过给定面积的“封闭”或“封装”深度过滤器处理/过滤多少体积的细胞培养收获物。该体积称为深度过滤器负载量，通常表示为深度过滤器的负载容量(L/m²)。近来细胞密度的增加导致了细胞培养流体中固体/细胞团块/生物质负载的增加。另外，深度过滤介质设计的优化，包括但不限于新型深度介质组成以及梯度分层深度过滤器，导致了可使用这些深度过滤介质处理的细胞培养流体的体积显著更高。这两个因素独立地或与封闭或封装深度过滤器设计相结合可以导致可用上游顶部空间被细胞/生物质完全占据，从而限制了总容量并且未充分利用深度过滤介质本身。此外，不同规模装置之间的顶部空间的差异可引入可缩放性挑战。缺乏顶部空间也可导致可能对深度过滤器的性能有害的介质压缩。

本领域的技术人员可用的任何深度过滤系统均可用于本文所公开的实施方案中。在特定实施方案中，深度过滤器可以是可缩放的、一次性的或单次使用的形式，诸如可从EMDMillipore Corporation购得的Pod过滤器系统，该系统是可从5至12,000升或更高缩放的模块化设计。这些深度过滤器结合了多个分级密度层和吸附过滤介质。例如，DE由选定等级的纤维素纤维和硅藻土构成；/>CE系列是具有纤维素纤维的单层介质，其适用于粗过滤应用(例如1至30微米)；并且/>HC系列致力于通过组合增强过滤量和保留的两种不同技术来提高产量。根据本公开的一些实施方案的介质可为带电荷的或不带电荷的。可从EMD Millipore商购获得并且可用作具有特别设计用于预处理进料流的粒度分布的梯度密度结构的澄清工具的/>深度过滤器也是合适的。

可获得用于澄清应用的市售深度过滤装置。如上所述，这些包括来自EMDMillipore Corporation的HC、/>HC Pro和/>深度过滤器。这些深度过滤装置能够以多种装置尺寸获得，这取决于预期的应用和待过滤的工艺流体的体积。对于较小体积(<3L)，使用23cm²微舱(micropod)装置。对于中等体积(3-10L)，可使用135cm²、270cm²和540cm²装置尺寸的实验室规模装置。对于中试和生产规模体积(10-2000L)，可使用0.11m²、0.33m²、0.55m²、0.77m²和1.1m²装置尺寸的工艺规模装置。

在一些实施方案中，深度过滤器可用于使进料澄清的方法中。在某些实施方案中，提供进料、进料流、原料、细胞培养液等的澄清深度过滤，其利用具有优化顶部空间的澄清深度过滤装置，任选地无需使用初级澄清离心步骤或初级澄清切向流微滤步骤。在一些实施方案中，提供化学处理的进料的初级澄清深度过滤，其中细胞团块已絮凝成较大的聚集体。在某些实施方案中，此类进料的澄清在一个或多个色谱操作的上游进行。

在一些实施方案中，深度过滤介质包含在壳体(例如，封装壳体，其中壳体是过滤器模块的部件)内，该壳体配备有流体入口和与该流体入口间隔开的流体出口。如本文所用，过滤模块是自备式组件，其包括封装在外壳如塑料外壳中的深度介质，具有被设计成执行过滤的流动路径。模块可以独立地或与保持器一起使用。在一些实施方案中，过滤模块被设计成使得其可以直接附接到管道等上并且用于实验室规模过滤，诸如圆荚体(pod)。较大的模块可以装配在保持器中。壳体和任何适当的密封件确保了流体在通过出口离开壳体之前过滤经过深度过滤介质。在一些实施方案中，形成了一体式过滤装置，其中所有待过滤流体从入口到出口都必须经过深度过滤介质。入口可被定位在壳体的外表面上或壳体的中心定位的部分内，而出口被定位成远离入口以实现如上所述的流体通道。在一些实施方案中，壳体可以是模制塑料压力容器。在一些实施方案中，壳体可以是本领域技术人员已知的滤筒。

图1A是根据一些实施方案的深度过滤器10的透视图。现在转向图1A和1B，示出了根据一些实施方案的深度过滤器10。深度过滤器10包括合适的壳体12，该壳体具有入口13和与入口13间隔开的出口14。在一些实施方案中，入口13由圆柱体13A形成，该圆柱体13A从盘状主体构件12A的顶表面轴向延伸并终止于其自由端处的开口。出口14由圆柱体14A形成，该圆柱体14A从盘状主体构件12A的底表面轴向延伸并终止于其自由端处的开口。壳体12可以由对该过程无害的任何合适的材料形成，例如聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯，以及包含聚乙烯和/或聚丙烯的共混物。壳体12可为滤筒。本领域技术人员理解，图1A和1B中所示的壳体12的形状或构造仅仅是示例性的，并且其他形状或构造包括圆荚体在本文所公开的实施方案的范围之内。深度过滤器可为单次使用装置。

图1B是图1A的深度过滤器10的剖视图。图1B示出了壳体12的内部体积，该内部体积在过滤期间的流动方向上(由箭头19A、19B表示)从入口13到出口14包括顶部空间15、深度过滤器基体16和下游滞留体积17，其中顶部空间15在深度过滤器基体16和下游滞留体积17的上游。

图2是根据本公开的一些实施方案的替代性深度过滤器如透镜状封装的深度过滤器的前剖视图。图2示出了封装透镜状设计的深度过滤器，其中堆叠的盘式过滤器封装在壳体12′中。壳体12′的内部体积包括顶部空间15′、深度过滤器基体16′和滞留体积17′。在封装装置的情况下，入口13'的位置可为围绕出口14′的同心环，但是其他设计是可能的并且在本文所公开的实施方案的范围之内。在一些实施方案中，进料进入入口13′，由深度过滤介质16′过滤，然后经过滤流体流向滞留体积区域17′。可以看出，与深度过滤介质16，16′和滞留体积17，17的设计/布置无关，进料首先穿过顶部空间15，15′。

在一些实施方案中，可基于过滤器的物理尺寸或通过使用实验方法来测量顶部空间。过滤器的物理尺寸可使用诸如游标卡尺、标尺等仪器来测量，或者在更复杂的过滤器几何形状诸如封装透镜状深度过滤器和Pod过滤器的情况下，可以从由诸如Solidworks(Dassault Systèmes)、Pro/Engineering、Creo(PTC)等软件生成的过滤器的计算机辅助设计(CAD)绘图导出。

例如，图1A所示的深度过滤器的顶部空间的计算如下：

在一些实施方案中，用于量化顶部空间的实验方法可以使用已知颗粒浓度的浆料来执行。用于该工作的颗粒的粒度使得它们在深度过滤器的顶表面上形成半多孔滤饼而不使深度介质结垢。合适粒度的胶乳或聚苯乙烯微球或膨润土是可使用的颗粒的实例。合适的粒度可在15-100微米的范围内。该范围的低限度取决于过滤器等级/孔隙度。

实验量化顶部空间的合适实例如下。对两个已知面积(各自为“A”m²)的封装深度过滤器装置进行预称重，重量分别为W₁和W₂。深度介质应当是类似的，并且在每个装置中具有类似的流动分布。使含有适当尺寸的颗粒的含水浆液过滤通过两个封装深度过滤器装置，直至达到25(磅/平方英寸)psi的最终压力。颗粒浓度应当较低(低于5％)，以确保固体均匀分布，并且应当保持大约150升/m²·hr的过滤通量。第二装置可为第一装置按比例缩小的型式，从而便于剖开以从顶部空间回收浆料。

在第一装置中，执行空气排放以移除截留在过滤介质中的任何水和下游滞留物。将空气排放后装置在受控的温度和湿度环境中进行干燥。当实现稳定的重量时，测量装置的最终重量(W₃)。

剖开第二装置并且回收来自顶部空间的浆料。测量湿浆料的重量(W₄)，使其在受控的温度和湿度环境中干燥并测量其最终重量(W₅)。顶部空间可使用公式2和3来计算：

装置1的空重量＝W₁

装置2的空重量＝W₂

空气排放和干燥后装置1的最终重量＝W₃

浆料的湿重＝W₄

浆料的干重＝W₅

来自装置1的干燥颗粒物的重量＝W₃–W₁

浆料的水含量分数＝((W₄–W₅)/W₅)(水重量/干浆料重量)

公式2：

总装置顶部空间H＝(W₃–W₁)*(1+(W₄–W₅)/W₅)

公式3：

每单位面积的顶部空间＝H/A＝((W₃–W₁)*(1+((W₄–W₅)/W₅))))/A

表1示出了确定顶空体积的实验方法的数值实例：

表1

澄清应用通常含有高细胞团块或生物质含量或进料流，其导致深度过滤介质有限的结垢或没有结垢。在这些情况下，在过滤期间有可能最终用尽顶部空间。因此，顶部空间是可处理的进料体积的限制因素，而不是典型的介质结垢。因此，通过根据本文所公开的实施方案优化顶部空间，可以设计出这样的装置：其不表现出归因于顶部空间的容量限制，并且导致深度介质被充分利用。这在设计按比例缩小的装置时也是可用的，因为不一致的顶部空间与面积的比率可导致装置无法按比例缩放。

在一些实施方案中，可使用以下过程来限定用于初级澄清装置的最佳顶部空间：

定量作为细胞密度函数的进料流中的细胞团块含量

假设细胞是平均直径为13微米的刚性球体。每个细胞的体积为：

将该体积乘以总收获细胞密度(TCD)，其通常表示为细胞/ml：

例如，总细胞密度＝TCD＝12*10⁶个细胞/ml细胞培养物。

这提供总细胞密度与每单位体积进料的细胞团块体积之间的相关性。不同的细胞系可具有不同的直径。因此：

细胞体积V_细胞＝V*TCD

＝1.15*10^-9ml/细胞*12*10⁶个细胞/ml细胞培养物

＝0.0138ml细胞/ml细胞培养物

因此，％生物质计算为V_细胞*100＝1.38％细胞体积/细胞培养物体积

另外，在细胞团块的球形假设不适用的情况下，或者在可能存在具有不同球度的显著较宽颗粒分布的情况下，生物质/细胞团块可以通过对已知体积的进料材料离心并且计算沉降生物质(在底部以粒料分离)的体积相对于进料的总体积(例如，沉淀物、絮凝物等)来实验定量。图3绘制了总细胞密度与进料流中生物质/细胞团块体积百分比的相关性。

假设整个细胞团块被保留在过滤器装置的顶部空间中(在过滤介质的一个或多个顶层具有非常高的空隙度并且具有开放结构以容纳生物质的时候，在可用的顶部空间下，一个或多个顶层的空隙体积也可量化)。当限定几何形状的颗粒随机填充在限定空间中时，存在与该填充相关的空隙体积。对于球形几何形状的倾注随机填充，假设空隙体积分数为0.375。对于该假设，合适的空隙体积分数ф包括0.5-0.38。因此，细胞所占据的体积为：

V_细胞*(1+ф)＝0.0138*(1+0.375)

＝0.0189ml/ml细胞培养物

深度过滤器中的顶部空间体积为X并且以L顶部空间/m²深度过滤器面积的单位表示。

在该实例中，我们假设顶部空间体积(X)为2L顶部空间/m²深度过滤器面积。

可通过过滤器处理的细胞培养物的体积，即过滤量，以L细胞培养物/m²深度过滤器面积的单位表示。

该值可如下计算：(过滤量)＝X/V_细胞*(1+ф)＝2/0.0189＝105.8L细胞培养物/m²深度过滤器面积。

相似地，如果顶部空间体积为4L顶部空间/m²深度过滤器面积，则可处理的细胞培养物体积＝X/V_细胞*(1+ф)＝4/0.0189＝211.8L细胞培养物/m²深度过滤器面积。

相似地，如果顶部空间的体积为12L顶部空间/m²深度过滤器面积，则可处理的细胞培养物体积＝X/V_细胞*(1+ф)＝12/0.0189＝634.9L细胞培养物/m²深度过滤器面积。

接下来，确定过滤2000L批料所需的面积：

A＝V_批料/(X/V_细胞)＝2000/105.8＝18.9m²(顶部空间2L/m²)

＝2000/211.8＝9.44m²(顶部空间4L/m²)

＝2000/634＝3.15m²(顶部空间12L/m²)

因此，随着顶部空间增加，深度过滤器面积减少的百分比为：

(A_2l/m2–A_2l/m2)*100/A_2l/m2＝(18.9–18.9)*100/18.9＝0％

(A_2l/m2–A_4l/m2)*100/A_2l/m2＝(18.9–9.44)*100/18.9＝50％

(A_2l/m2–A_12l/m2)*100/A_2l/m2＝(18.9–3.15)*100/18.9＝83％

将最大进料负载容量绘制为顶部空间和总细胞密度(或生物质)的函数，并示于图4中。所示的最大负载容量假设过滤介质表现出有限的结垢或没有结垢，并且容量由可用的顶部空间控制。这些负载容量用于计算处理2000L所需的相应面积。批料体积是随意选择的。通过将批料体积除以相应的负载容量获得结果，并绘制在图5中。

计算了用于处理2000L批料的深度过滤介质面积减少，其可通过相对于2L/m²顶部空间增加顶部空间来实现。由于百分比与总细胞密度无关，仅显示一条曲线。该面积减少百分比在图6中示出。

结果表明，最佳的顶部空间体积为每平方米深度过滤器面积约4升顶部空间(4L/m²)至每平方米深度过滤器面积约14升顶部空间(14L/m²)，优选地约4L/m²至约10L/m²。其他最佳顶部空间体积包括以下范围(均以L/m²计)；4-13、4-12、4-11、4-10、4-9、4-8、4-7、4-6、4-5；5-14、5-13、5-12、5-11、5-10、5-9、5-8、5-7、5-6；6-14、6-13、6-12、6-11、6-10、6-9、6-8、6-7；7-14、7-13、7-12、7-11、7-10、7-9、7-8；8-14、8-13、8-12、8-11、8-10、8-9；9-14、9-13、9-12、9-11、9-10；10-14、10-13、10-12、10-11；11-14、11-13、11-12；12-14、12-13；和13-14L/m²。顶部空间体积与深度过滤器面积的过高比率导致流动分布挑战、装置过重等。

实施例1

絮凝细胞培养物的澄清

通过添加水溶性聚合物使CHO-S细胞培养收获物絮凝。至少一种合适的水溶性聚合物是聚(二甲基二烯丙基氯化铵)(pDADMAC)聚合物絮凝剂。使用表2所述的六个深度过滤装置来过滤絮凝细胞培养物。在这些实验中，通过组装包含上部流量分配器和入口软管倒钩的顶部部件、过滤介质层以及包含下部流量分配器和出口软管倒钩的底部部件来构造23cm²深度过滤装置。通过在过滤器装置的顶部部件与过滤器装置的底部部件之间安装塑料间隔环来改变装置顶部空间。利用热塑性材料的超模压夹套将部件保持在一起并且提供防水密封。如下测定装置内部体积。将组装的干燥装置称重，完全填充水，并再次称重。深度过滤介质体积确定为介质层总厚度(1.6-2.0cm)与过滤器正面面积(23cm²)的乘积。装置顶部空间计算为装置内部体积与深度过滤介质体积之间的差值的一半。装置顶部空间定义为位于深度过滤装置内的深度过滤介质床上方的装置内部体积。装置尾部空间定义为位于深度过滤装置内的深度过滤介质床下方的装置内部体积。

通过各深度过滤装置以150LMH的流速处理絮凝CHO-S细胞培养收获物，直至获得20psi的最终压力。图7A-7F是根据实施例1的各种深度过滤装置的压力分布曲线。

在实施例1-1中获得了462L/m²的过滤量。该装置不存在可用的顶部空间，并且计算出过滤介质的轻微压缩。实施例1-2的装置利用间隔环将装置内部体积定位在深度过滤介质床的下方(尾部空间)。过滤量为574L/m²。相比之下，实施例1-4的装置利用相同数量的间隔环将装置内部体积定位在深度过滤介质床的上方。对于该装置观察到675L/m²的增加的深度过滤量。实施例1-3、1-4、1-5和1-6表示增加的装置顶部空间的进展以及对装置过滤量的相应影响。图7A-7F示出了实施例1-1至1-6的过滤器装置的装置阻力与过滤器通量的曲线图，如表2所示。过程通量为150LMH。这些曲线图示出实施例1-2和1-3的过滤器装置提供了比实施例1-1略微较高的絮凝进料流的过滤量。实施例1-4、1-5和1-6的过滤器装置提供了比实施例1-1进一步提高的絮凝进料流的过滤量。

表2.深度过滤装置配置

实施例2

絮凝细胞培养物的澄清

通过添加水溶性聚合物使CHO-S细胞培养收获物絮凝。至少一种合适的水溶性聚合物是聚(二甲基二烯丙基氯化铵)(pDADMAC)聚合物絮凝剂。使用表3所述的三个深度过滤装置来过滤絮凝细胞培养物。在这些实验中，通过组装包含上部流量分配器和入口软管倒钩的顶部部件、过滤介质层以及包含下部流量分配器和出口软管倒钩的底部部件来构造23cm²深度过滤装置。通过在过滤器装置的顶部部件与过滤器装置的底部部件之间安装塑料间隔环来改变装置顶部空间。利用热塑性材料的超模压夹套将部件保持在一起并且提供防水密封。如下测定装置内部体积。将组装的干燥装置称重，完全填充水，并再次称重。深度过滤介质体积确定为介质层总厚度(1.9-2.0cm)与过滤器正面面积(23cm²)的乘积。装置顶部空间计算为装置内部体积与深度过滤介质体积之间的差值的一半。

通过各深度过滤装置以150LMH的流速处理絮凝CHO-S细胞培养收获物，直至获得20psi的最终压力。图8A-8C是根据实施例2的各种深度过滤装置的压力分布曲线。

在实施例2-1中获得了544L/m²的过滤量。该装置不存在可用的顶部空间，并且计算出过滤介质的轻微压缩。对于实施例2-2和2-3观察到深度过滤量的增加。这两个装置呈现增加的顶部空间并且存在过滤介质的最小压缩。图8A-8C示出了实施例2-1、2-2和2-3的过滤器装置的装置阻力与过滤器通量的曲线图，如表3所示。过程通量为150LMH。这些曲线图示出实施例2-2和2-3的过滤器装置提供了比实施例2-1更高的絮凝进料流的过滤量。

表3.深度过滤装置配置

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Claims (17)

1.包括壳体的深度过滤器，所述壳体具有入口、与所述入口间隔开的出口、含有过滤介质的内部体积以及所述内部体积中的顶部空间，其中所述顶部空间在所述壳体中并且在过滤期间处于流体流动的方向上所述深度过滤介质的上游，所述顶部空间的体积为所述内部体积中每平方米过滤介质面积4至10升。

2.根据权利要求1所述的深度过滤器，其中所述过滤介质包括非织造纤维、纤维素和硅藻土的分级层的复合材料。

3.根据权利要求1所述的深度过滤器，其中最小过滤介质面积为0.1m²。

4.用于从液体中过滤颗粒的过滤器组件，其包括：

壳体，所述壳体具有用于引入待过滤的液体的入口以及用于已过滤的液体的出口，所述出口与所述入口间隔开，

所述壳体中的深度过滤介质；

顶部空间，所述顶部空间在所述壳体中并且在过滤期间处于流体流动的方向上所述深度过滤介质的上游，其中所述顶部空间的体积为所述壳体中每平方米深度过滤介质面积4至10升。

5.根据权利要求4所述的过滤组件，其中所述过滤介质包括非织造纤维、纤维素和硅藻土的分级层的复合材料。

6.从生物样品中除去杂质的方法，其包括通过包含壳体的深度过滤器过滤所述样品，所述壳体具有体积、所述体积中的介质以及所述体积中的顶部空间，其中所述顶部空间在所述壳体中并且在过滤期间处于流体流动的方向上所述深度过滤介质的上游，所述顶部空间的体积为每平方米过滤介质面积4至10升。

7.通过深度过滤来澄清包含感兴趣的目标生物分子和多个细胞碎片和/或胶态颗粒的进料的方法，所述方法包括：

a)提供具有顶部空间和多孔深度过滤介质的深度过滤装置，其中所述顶部空间在所述壳体中并且在过滤期间处于流体流动的方向上所述深度过滤介质的上游，所述顶部空间的体积为所述装置中每平方米所述深度过滤介质面积4至10升；

b)提供包含感兴趣的目标生物分子和多个细胞碎片和/或胶态颗粒的进料；

c)将所述进料引入所述顶部空间中并且使所述深度过滤介质与所述进料接触；及

d)从所述进料中的所述细胞碎片和胶态颗粒分离所述感兴趣的目标生物分子。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述深度过滤是在不使用初级澄清离心步骤或初级澄清切向流微滤步骤的情况下进行的。

9.优化深度过滤器的性能的方法，所述深度过滤器具有壳体，所述壳体具有流体入口、与所述流体入口间隔开的流体出口、内部体积、所述内部体积中的多孔深度过滤介质、以及所述流体入口与所述多孔深度过滤介质之间的顶部空间，所述顶部空间在所述壳体中并且在过滤期间处于流体流动的方向上所述深度过滤介质的上游，所述方法包括将所述顶部空间的体积配置为所述壳体中每平方米所述多孔深度过滤介质4至10升。

10.确定过滤一定体积的细胞培养物所需的深度过滤器的面积的方法，所述细胞培养物包含具有细胞直径且具有总细胞密度的多个细胞，所述方法包括：

计算单个细胞所占据的体积(V_c)；

将V_c乘以总细胞密度以确定每体积细胞培养物的细胞的体积(L细胞/L细胞培养物)；

确定每单位面积过滤器的顶部空间(L顶部空间/m²深度过滤器面积)以限定每深度过滤器面积的过滤器顶部空间，所述顶部空间在所述壳体中并且在过滤期间处于流体流动的方向上所述深度过滤介质的上游；

将每深度过滤器面积的过滤器顶部空间除以每体积细胞培养物的细胞的体积以确定过滤量(L细胞培养物/m²深度过滤器面积)；及

将细胞培养物的所述体积除以所述过滤量以确定足以过滤所述体积的细胞培养物的所述过滤器的面积。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个细胞所占据的体积包括一个细胞的体积乘以所述总细胞密度。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个细胞所占据的体积进一步包括细胞之间的空隙体积。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述空隙体积为约0.5-0.38。

14.确定待由具有限定的顶部空间体积的深度过滤器过滤的细胞培养物的最佳体积的方法，其中细胞培养物的所述体积包括具有细胞直径且具有总细胞密度的多个细胞，所述方法包括：

计算一个细胞所占据的体积；

将一个细胞所占据的体积乘以细胞培养基的总细胞密度；

将每单位深度过滤面积的顶部空间除以一个细胞所占据的体积与细胞培养基的总细胞密度的乘积，以获得可在每单位面积限定的顶部空间体积的情况下由单位深度过滤器面积处理的最佳体积，其中所述顶部空间在所述壳体中并且在过滤期间处于流体流动的方向上所述深度过滤介质的上游，所述顶部空间体积为每平方米所述深度过滤介质面积4至14升。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个细胞所占据的体积包括一个细胞的体积乘以所述总细胞密度。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个细胞所占据的体积进一步包括细胞之间的空隙体积。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述空隙体积为约0.5-0.38。