CN113785123A - 交替切向流泵送方法 - Google Patents

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Abstract

本公开总体上涉及交替切向流(ATF)灌注泵送方法，包括用于在使用时产生正压和负压的新方法，并且更具体地涉及设备、系统和使用该设备、系统的方法。

Description

交替切向流泵送方法
优先权
本申请根据35U.S.C.§119要求于2019年5月21日提交的美国临时专利申请No.62/850,718的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及交替切向流(ATF)灌注泵送方法，并且更具体地涉及设备、系统以及使用该设备、系统的方法。
背景技术
通常执行过滤以分离、澄清、改性和/或浓缩流体溶液、混合物或悬浮液。在生物技术和制药行业，过滤对于新药、诊断和其他生物产品的成功生产、处理和测试至关重要。例如，在制造生物制品的过程中，使用动物细胞培养物，进行过滤以从培养介质中澄清、选择性去除某些成分和浓缩某些成分，或者在进一步处理之前对培养介质进行改性。过滤也可以用于通过在高细胞浓度下维持灌注培养来提高生产率。
已经对过滤化学、构造和使用模式进行了研发，以便于根据材料的化学和物理性质来分离材料。尽管过滤技术有了广泛的发展，但是过滤器通常受到其易于阻塞的限制。例如，当用于过滤培养的哺乳动物细胞的悬浮液时，它们容易被死细胞、细胞碎片、聚集体、纤维生物分子或在培养物的复杂“汤液”中发现的其他成分阻塞。在这方面，过滤的方法会对过滤效率和隔膜的寿命产生深远的影响。在一种通常称为“死端”过滤的过滤过程中，整个流体垂直于隔膜表面穿过该隔膜。碎片迅速聚集在表面处，导致隔膜迅速堵塞。通常，使用死端过滤的应用涉及小样本。该工艺简单且相对便宜。另一种通常被称为切向流过滤(也称为TFF)的过滤过程提供了对死端过滤的改进。在TFF中，待过滤的流体通过泵再循环，通常从贮液器通过过滤器并返回贮液器。通过过滤器的流动平行于过滤器的表面。通过循环流体的“冲刷”作用有效地清除碎屑的任何积聚；然而，其限制之一是倾向于在过滤器表面上形成凝胶状沉积物，这可能会限制过滤器的有效性并最终阻塞它。另一种被称为交替切向流过滤(ATF)的过程提供了又一种过滤的模式。ATF与TFF相似，它产生平行于过滤隔膜表面的流动模式；然而，它与TFF的不同之处在于，流动的方向在过滤器表面上反复交替或反转。Shevitz的美国专利No.6,544,424(其全部内容并入本文)中描述的交替切向流过滤系统包括过滤器元件(通常是中空纤维筒)，其在一个端部连接到包含待过滤内容物的贮液器并且在另一端部处连接到隔膜泵，该隔膜泵能够接收并可逆地排出未过滤液体，所述未过滤液体在贮液器和泵之间可逆地流动通过过滤器元件。所述系统示出了维持过滤的复杂混合物的能力，所述复杂混合物包括细胞培养介质，即使该介质担负有高细胞浓度和其他细胞产物。然而，该系统的应用范围有限。
存在适用于对各种应用中的介质进行大规模过滤的各种各样的过滤系统。然而，这种系统需要正压和负压供应。正压和负压可以由设施提供，在该设施中，正压和负压被其他用户共享，并且由于距离压力源的距离而导致一致性上的变化。正压和负压也可以由发生器提供，在实验室环境中，发生器可能是吵闹且突兀的。目前的系统不能精确地调节正气流和负气流之间过渡的持续时间或气流的量。此外，目前的系统通常涉及复杂组件中的许多部件，这很难维护。另一方面，本公开的实施例允许精确控制所述过渡的持续时间和量，如下面更详细描述的。
发明内容
附图说明
图1是连接到带有活塞的缸的过滤器的图像。
图2A-B是示出压力与真空产生活塞的位置以及隔膜的对应位置的示意图。
图3是示出联接到同一空气与真空产生缸的双过滤器激活的示意图，其中隔膜在离面模式下工作。
具体实施方式
综述
本申请公开了一种交替切向流(ATF)泵送方法，在该方法中，使用时产生正压和负压。该方法使用了气压缸，该气压缸连接至ATF过滤器的隔膜泵。该气压缸包含活塞，该活塞允许在隔膜上受控地产生正压和负压。隔膜的移动允许流体通过ATF过滤器进入与排出。图1示出了本公开的实施例。如图1所示，过滤器100通过基座锁定特征101连接到缸102。缸102还经由连接件103连接到线性伺服机构。
缸的没有活塞连接连杆的端部在中心具有开口，该开口通向缸的功能腔室。过滤器半球体基座的底部具有开口，该开口与缸端部的开口相匹配。缸面具有锁定系统，该锁定系统与过滤器上的接收器相对应，以允许过滤器和压力与真空源之间的牢固连接。在连接时，压力与真空源中的开口由线性伺服机构或电动线性致动器激活。
图2A示出了装置的一个实施例，其中隔膜200a处于顶部位置。在缸204内，活塞210通过向过滤器212移动而产生正压。图2B示出了该装置的一个实施例，其中隔膜200b处于底部位置，活塞210通过朝向线性伺服机构206向下移动而产生负压。
线性伺服机构或电动线性致动器连接至活塞，该活塞通过与连接至过滤器的端部相反的端部进入缸。随着活塞移动离开过滤器基座，产生真空并且细胞培养物被吸到过滤器壳体中。当活塞向过滤器移动时，产生压力并且细胞培养物被推出过滤器壳体。
活塞移动的速度和控制可以通过线性伺服机构或电动线性致动器来控制，所述线性伺服机构或电动线性致动器则通过PLC或PC机指示的算法来控制。为了克服空气的可压缩性，对包含隔膜泵的过滤器半球体基座施加连续、均匀的压力与真空。
线性伺服机构或电动线性致动器配备有编码器，该编码器允许随时知道活塞的准确位置。这允许活塞根据系统的需要以全冲程或部分冲程来移动。因此，在使用不同尺寸过滤器的系统中，活塞系统可以进行调节以提供所需的适当水平的压力或真空。
在本公开的实施例中，单个活塞和缸可以连接到多个ATF过滤器单元，以并行地提供正压和负压。例如，当两个过滤器按顺序排列时，缸可以附接至两个过滤器，使得当活塞移动以向一个过滤器提供压力时，相等的真空被施加至第二过滤器，并且反之亦然。图3示出了所描述的多过滤器的系统300的实施例。缸302中产生正压/负压，从而导致隔膜306不同步。线性伺服机构304附接到缸302。
活塞的移动可以由于系统内的改变的条件而被调节，比如泵送液体的粘度的改变。

Claims (21)

1.一种交替切向流压力装置，包括：
气压缸，所述气压缸具有近侧端部和远侧端部，并且包括腔室，所述近侧端部串联连接到过滤器系统，其中所述近侧端部包括通向所述腔室的开口；以及
活塞连接连杆，所述活塞连接连杆通过所述远侧端部进入所述气压缸。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述活塞还包括线性伺服机构。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述线性伺服机构还包括编码器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述线性伺服机构的位置提供关于在所述过滤器系统内发生的动作的信息。
5.一种交替切向流泵送方法，包括：
将气压缸连接到过滤器球体基座，所述气压缸具有包括中心开口的近侧端部、包括活塞的远侧端部、以及腔室，所述过滤器球体基座具有中心开口，使所述近侧端部的开口与球体基座的开口对齐；
用线性伺服机构驱动所述活塞；以及
使所述活塞移入和移出所述缸，产生正压和负压。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括通过连接到所述线性伺服机构的编码器追踪所述活塞的移动。
7.一种交替切向流泵送系统，包括：
气压缸，所述气压缸具有近侧端部和远侧端部，并且包括腔室，所述近侧端部串联连接到过滤器系统，其中所述近侧端部包括在所述近侧端部的中心的开口，所述开口通向所述腔室；
活塞连接连杆，所述活塞连接连杆通过所述远侧端部进入所述气压缸；
所述过滤器系统，其中所述系统包括球体，所述球体包括第一半球和第二半球，其中隔膜处于所述第一半球和第二半球之间，所述第一半球连接到缸的远侧端部，其中所述缸的近侧端部连接到液体源，并且所述缸包含过滤器。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述过滤器系统包括多于一个的球体和缸。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述过滤器系统连接两个过滤器，并且所述活塞的移动使得一个过滤器的移动与另一个过滤器的移动不同步。
10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述活塞还包括线性伺服机构。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述线性伺服机构还包括编码器。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述编码器提供关于所述系统的状态的信息。
13.一种交替切向流泵送系统，包括：
第一气压缸，所述第一气压缸具有近侧端部、远侧端部，并包括腔室，所述近侧端部串联连接到第一过滤器系统，其中所述近侧端部包括在所述近侧端部的中心的开口，所述开口通向所述腔室；
第二气压缸，所述第二气压缸具有近侧端部、远侧端部，并包括腔室，所述近侧端部串联连接到第二过滤器系统，其中所述近侧端部包括在所述近侧端部中心的开口，所述开口通向所述腔室；
活塞连接连杆，所述活塞连接连杆通过每个气压缸的所述远侧端部进入所述气压缸；
所述过滤器系统，其中所述系统包括包含隔膜的半球，所述半球连接到缸的远侧端部，其中所述缸的近侧端部连接到液体源，并且所述缸包含过滤器；
其中所述活塞移动以向所述第一过滤器提供压力，从而在所述第二过滤器上产生相等的真空。
14.一种控制交替切向流过滤过程的方法，所述方法包括：
选择隔膜泵的体积或尺寸；
选择在给定时间段内由所述隔膜泵排出的流体的体积；
选择泵送操作的持续时间，所述持续时间与在所述持续时间内排出的流体的期望体积一起产生适合于特定应用的性能曲线；
通过使用线性伺服机构交替向所述隔膜泵供应正气流和负气流来致动泵送操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述线性伺服机构包括编码器。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括在交替的正气流和负气流的至少一个周期期间，从所述线性伺服机构的编码器接收位置信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将所述位置信号与测量的过程变量进行比较，并基于所述比较来修改所述周期的幅度、持续时间或其他特征。
18.一种致动隔膜泵的方法，包括：
选择隔膜泵的体积或尺寸；
选择在给定时间段内由所述隔膜泵排出的流体的体积；
选择泵送操作的持续时间，所述持续时间与在所述持续时间内排出的流体的期望体积一起产生适合于特定应用的性能曲线；
通过使用附接到线性伺服机构的活塞在连接到所述隔膜泵的腔室内交替供应正气流和负气流来致动泵送操作；
监控所述线性伺服机构的运动，以保持或改变每单位时间的腔室的正气流或负气流；
可选地，监测所述隔膜泵的隔膜在其位移的一个端部或两个端部处的位置；以及
可选地，使所述腔室内的正气流或负气流交替，以影响所述隔膜在其位移的一个端部或两个端部处的位置，或者影响部分位移周期或整个位移周期的持续时间，或者影响两者。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括通过两个过滤器同时过滤从生物反应器抽吸的流体，其中所述隔膜泵在异相模式下启动二者。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括使用活塞位置来模拟系统的当前状态。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括使用所述活塞位置来计算所述系统中的跨膜压力。
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