CN114706430A - 一种自调节背压控制装置和采用该装置的过滤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自调节背压控制装置和采用该装置的过滤系统。所述自调节背压控制装置用于在通过感知通过过滤器的料液的粘度的变化自动适应和缓和压力变化。特别地，本发明涉及一种应用于过滤技术的压力自调节装置，该装置可以感知进料压力的变化，并根据感知到的压力变化自动调节跨膜压或缓和过滤过程中压力的变化，而无需另外的压力监测装置和过程控制系统。更具体地，本发明的装置通过挤压有弹性的软管以增加背压，并且弹性软管可在较高压力下膨胀以缓和压力变化。本发明的各种实施例可用于减少切向流过滤系统的跨膜压力变化，或在没有附加压力监测和压力控制机构的情况下调节直流过滤系统中的背压。

Description

一种自调节背压控制装置和采用该装置的过滤系统

技术领域

本发明涉及一种自调节背压控制装置和采用该装置的过滤系统，属于过滤压力控制装置领域。

背景技术

过滤膜两侧的压力差称为跨膜压(TMP)。跨膜压是过滤的驱动力，对于使用任何介质进行过滤都至关重要。当前的过滤过程控制经常需要压力测量设备和阀门来监测和调整背压以达到合适的压力范围。通常情况下，控制切向流过滤(TFF)至少需要3个压力传感器或压力计来监控进口、出口和滤液压力，然后根据测量的压力，采用滤液出口管道上的阀门来调整回流管压力。

然而，这些压力控制方法不仅增加了TFF应用的成本、使操作复杂化，而且增加了TFF流路的滞留体积。所述滞留体积是指填充过滤器、连接管、压力传感器和其他流路组成部分(例如接头或连接器)组成的流路的液体体积总和。对于需要低处理倍数。另外，机械控制小内径管路和小流量的背压极其困难，因为它需要对压力控制阀进行细微而精确的调整，才能避免过压和保持压力稳定。

进一步，在处理小量样品时，一次性压力传感器的成本对于一次性流动路径来说单位生产成本过高，而且自动背压控制系统也很昂贵并且使用起来并不总是容易和可靠。因此，特别是对于小体积TFF应用，非常需要一种简单的装置和简单的机制，特备是本身对压力控制要求不严格的情况下，无需压力监测机制，就可以使TMP达到适当的水平，然后将压力保持在最佳范围内。

此外，在直流过滤中，泵驱动材料使料液通过过滤器而无需再循环。如果泵以恒定流速驱动料液通过过滤器，过滤通量通常会减慢并且背压会增加。高背压不仅会压缩滤饼，进一步减慢过滤通量，而且存在安全隐患。这种情况下，也需要一个简单的装置来调节直流过滤的进料压力。

发明内容

为了解决目前存在的上述问题，本发明提供了一种自调节背压控制装置和适用该装置的过滤系统，所述技术方案如下：

本发明涉及一种自调节背压控制装置和采用该装置的过滤系统，所述过滤压力控制装置，用于在通过过滤器的过滤介质时建立和调节适当的压力变化。特别地，本发明涉及一种应用于过滤技术的压力自调节装置，该装置可以感知进料压力的变化，并根据感知到的压力变化自动调节跨膜压或缓和过滤过程中压力的变化，而无需另外的压力监测装置和过程控制系统。更具体地，本发明的装置通过挤压有弹性的软管以增加背压，并且弹性软管可在较高压力下膨胀以缓和压力变化。本发明的各种实施例可用于减少切向流过滤系统的跨膜压力变化，或在没有附加压力监测和压力控制机构的情况下调节直流过滤系统中的背压。

本发明涉及提供用于在跨膜压力升高到适当范围并在过滤过程中缓和跨膜变化以获得更好的操作结果，并无需通过额外的压力监测装置和压力控制系统的新颖设备和控制方法来解决上述未满足的需求。进一步，本发明还公开了在不使用压力传感器和附加压力控制机构的情况下使用所述设备来缓和直流过滤过程的背压变化和缓和过滤过程的TMP升高的方法。

所述技术方案如下：

根据本发明的用于切向流过滤系统的自调节背压控制装置，在一种实施方式中，该装置包括在回流管路上设置一小段弹性软管或有弹性的微孔，这段软管或微孔提高了流动阻力，可以提升TMP到适当的范围。在压力过高时并且可以膨胀，增加液体流道面积，缓和压力变化。简单改变微孔尺寸和材料都在本发明的范围内。

当液体通过软管时，挤压软管可以缩小管内的流道，从而可以增加液体通过流道的压力降。本发明包括一种带有弹性孔的装置，该装置具有弹性孔可以固定并挤压TFF回流软管以增加流体通过的流动阻力，从而在过滤过程开始时将TMP升高到适当的范围。如果在工艺过程中，料液流动阻力增加或跨膜压增加，具有弹性设计的孔可膨胀，增加液体流道面积，并部分调节压力增加，从而导致适度的压力变化。

根据本发明的技术方案，所述自调节背压控制装置包括由高分子聚合物材料形成的弹性孔或由金属、聚合物或金属、聚合物和其他材料的复合材料形成的弹性孔结构。该装置的孔可以固定并挤压一段软切向流过滤料液回流管以增加流动阻力并因此提高跨膜压力，并且它也可以在面对流体压力升高时，扩张而缓和压力升高的幅度以维持夸模压在较小的范围。所述装置的不同尺寸、结构和构造材料均在本发明的范围内。

根据本发明的技术方案，作为该装置的变体，另一种实施方式使用弹簧来提供弹性力，用刚性或半刚性的结构来固定并挤压一段软管以产生合适量的跨膜压或背压，并且在压力增加时，弹簧可以收缩来扩大管路的流道，减缓TMP增加并控制TMP到适当的范围。

根据本发明的技术方案，该装置在其他实施例中，该装置使用弹簧和弹性材料来保持和按压软管以实现合适的初始跨膜压力并抑制随着进料压力变化的跨膜压力变化。弹簧和弹性材料的组合可以协同工作，控制压力到更稳定的范围。

根据本发明的一种用于过滤系统的自调节背压控制装置，在一种实施方式中，所述装置包括刚性框架，图1所示为本发明的简单实施例之一，如图1所示的自调节背压控制装置包括：刚性框架，所述刚性框架由刚性金属或刚性聚合物或其它刚性材料或复合材料制成；所述刚性框架的一端设置有开口，并且所述刚性框架内部设置有用于置入软管的弹性孔口，所述弹性孔口与所述刚性框架固定连接，并且所述弹性孔口能够由橡胶、硅胶、复合材料或其他材料制成；所述弹性孔口在所述刚性框架的开口侧也设置有开口，所述弹性孔口的开口用于将过滤系统中，例如回流管路上的软管置入所述弹性孔口中；所述装置的弹性孔口能够用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且所述弹性孔口可以在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围；所述弹性孔口能够根据过滤系统所使用的管路设置不同大小的多个置入管路的位置，以适应不同的管路或压力要求。

在一种实施方式中，如图1所示的自调节背压控制装置，所述刚性框架和所述弹性孔口之间设置有中间层，所述中间层由弹性或刚性材料制成，所述中间层用于为所述弹性孔口增加弹性；所述弹性孔口和所述中间层能够由相同或不同的材料或复合材料制成，并且所述弹性孔口和所述中间层的材料能够采取不同的形态，包括中空结构、多孔结构或组合结构，以达到所需的压力控制效果。

在一种实施方式中，所述刚性框架能够设置为一端开口的方形结构，所述弹性孔口固定设置于方形的刚性框架内部。

在一种实施方式中，所述刚性框架内部的所述弹性孔口可以有多个不同的管路安装位置，适用于不同的应用需要。进一步，根据本发明的构思，还可以根据实际的需要简单地改变所述装置结构的几何形状、改变材料、结构及添加额外的部件。

在一种实施方式中，本发明一种用于过滤系统的自调节背压控制装置由如图2示出，如图2所示的自调节背压控制装置包括：所述装置包括：上框架、下框架、以及弹簧，所述上框架和下框的两端均设置有螺栓和螺母以进行固定连接，所述上框架和所述下框架之间形成孔口，并且能够在孔口内置入过滤系统中回流管路上的软管；所述螺栓和螺母用于在所述装置中置入软管之后将所述上框架和所述下框架固定连接；所述弹簧设置在所述螺栓上，并且被置于所述螺母与所述上框架之间；所述孔口用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且由于所述上框架和所述下框架的固定连接螺栓上设置有弹簧，从而所述孔口可以在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围；所述上框架及所述下框架为刚性或半刚性结构；并且所述装置能够选择一个弹簧或组合弹簧。

在一种实施方式中，本发明的一种用于过滤系统的自调节背压控制装置如图3所示；图3所示的自调节背压控制装置包括：一种自调节背压控制装置，其特征在于，所述装置包括背压控制装置包括：组合式框架；所述组合式框架的上框架和下框架为一体结构，所述上框架和所述下框架在功能段分别设置有弹性件，并且所述弹性件在所述上框架和下框架的功能段之间形成可置入并定位软管的空间；所述组合式框架的上框架和下框架在连接段由螺栓和螺母固定连接，并且在所述螺栓和螺母的连接处设置有弹簧，所述螺栓和所述螺母用于在所述上框架和所述下框架中置入软管之后将所述上框架和所述下框架固定连接，并且能够调整所述上框架和下框架之间的空间的距离以适应不同尺寸的软管，以及提供不同的背压水平；所述弹簧用于提供合适的弹性力以调节所述上框架和所述下框架之间置入并定位软管的空间的大小；

所述组合式框架能够用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且由于所述螺栓和所述螺母的连接处设置有弹簧，从而所述组合式框架能够在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围。

在一种实施方式中，图3所示的自调节背压控制装置，所述上框架和弹性件之间能够设置中间层，并且所述下框架和弹性件之间也能够设置中间层，以提高所述组合式框架的功能性，所述中间层可以是固定的，也可以是可拆卸或可变的；并且，所述弹性件和所述中间层可以采用不同的几何形状并使用不同的材料，包括复合材料，以实现适当的弹性，并用于安放和定位不同尺寸的软管，并适用于不同的压力控制需求。并且所述弹性件和/或中间层是可更换的，以适应于不同的过滤应用。

在进一步的实施例中，所述装置能够设置两个软管安置孔口，从而以在每个孔口安置一段软管，该软管安置口由固定件和可动件形成。由软管的压力变化引起的第一孔口内的可动件的运动可带动第二孔口的可动件的运动并改变第二孔口的大小。

在进一步的实施例中，本发明所述的自调节背压控制装置包括图4中所示的两个孔口以分别安置两个软管，所述第一孔口和所述第二孔口的可动件互相连接并协同移动，从而其中一个孔口中的管路压力可以通过联动机构影响另一孔口中软管的截面形状和流动阻力。图4中所示的自调节背压控制装置，所述装置包括框架，所述框架中设置有第一孔口和第二孔口，所述第一孔口和所述第二孔口的结构相同，并且每个内均设置有固定件和可动件，所述固定件和所述可动件之间能够置入软管；并且，所述框架在所述第一孔口和第二孔口的位置设置有开口，用于将软管置入所述第一孔口和所述第二孔口中；所述第一孔口中，所述可动件连接有传动杆；所述可动件与所述传动杆连接并一同移动，并且所述传动杆的另一侧由所述第一孔口伸出，并通过端部的滑块与摇杆活动连接；所述摇杆通过铰链固定在所述框架上，并且能够绕着所述铰链旋转。

由于所述第一孔口和所述第二孔口的结构相同，所述装置能够通过所述摇杆和传动杆的活动连接，将所述第一孔口中的可动件的运动传递至所述第二孔口，以驱动所述第二孔口中的可动件的运动，从而调节所述第二孔口的大小；通过将所述第一孔口中的可动件的运动传递至所述第二孔口，所述装置能够根据所述第一孔口中管道的流体压力，相应地调节第二孔中的管道中的流体压力。

在一种实施方式中，图4中所示的自调节背压控制装置，所述第一孔口和所述第二孔口的结构能够使用弹性材料；并且能够在所述传动杆上设置弹簧，并且所述弹簧位于所述可动件的弹簧基座和所述孔口的内壁之间，所述弹簧用于为所述可动件提供弹性力以调节置入所述装置的管路所需要的压力范围；由于所述第一孔口和所述第二孔口具有弹性，每个孔口都能够夹持软管以增加流动阻力，并且，根据所述弹簧的设置，即使所述可动件不移动的情况下，也可以调节压力变化。

本发明进一步提供采用用于TFF系统的TMP控制。根据本发明的一个实例，提供了一种切向流过滤器系统，包括切向过滤器、样品容器、再循环泵、将样品容器连接到泵和过滤器入口的进料管、包括将过滤器出口连接到样品容器的软管部分，以及导出透过膜的液体的滤液管。该装置的一个简单用途是将其应用于TFF回流管上以保持合适的跨膜压力分布。

根据本发明的技术方案，具有两个孔口的所述装置可以在切向流(TFF)过滤工艺中应用，TFF系统包括过滤器、样品容器、将样品容器连接到泵然后通过一段软管连接到过滤器的入口管道、连接过滤器出口和样品容器的回流管，以及收集滤液的管。在浓缩过程开始时，一个孔口使用在泵和过滤器之间的一段进料软管，另一个孔口用在回流管。

根据本发明的技术方案，在将该设备应用于TFF工艺的一个样品浓缩的示例中，其中料液的粘度在工艺过程中增加，在料液的粘度较低时，该设备可以在开始时适当地挤压回流管路以将TMP增加到合适的范围。随着过滤过程中样品粘度的增加，进料管中压力的增加会导致第一孔口中的弹性材料和可动件移动以形成更大的流道，并且回流管中的压力增加也会引起第二孔口扩大；进一步，第一个口的扩张会产生额外的力，并将力通过传动件传递至第二孔口，以帮助第二孔的扩张，从而进一步减少滞留压力变化并稳定TMP。

对于具有料液粘度在工艺过程中会降低情况，本发明的装置也有相应的应用。使用用具有两个孔口的压力控制装置可以在TFF工艺过程中，随着工艺过程中料液粘度的降低，进料端压力降低孔口开始收缩，同时通过联动的机构加大对回流管的挤压力，缓和跨膜压力的降低以将TMP保持在期望范围内。

根据本发明的技术方案，具有两个孔口的装置也可以在直流过滤系统中的应用中。所述直流过滤系统可以包括过滤器、样品容器、将流体从样品容器通过循环泵输送到过滤器的进料管、将泵输出流的一部分分流回样品容器的分支管线，以及用于收集滤液的滤液管。该装置的实施例的一个用途包括使用第一孔口在过滤器之前，但在料液支管之后的一段软管上以感测过滤器的入口压力，同时将第二孔口用于旁通的料液支管上。所述装置的第一孔口可以随着过滤器的入口压力的增加而膨胀，并且第一孔口的可动件的移动有助于第二孔口的膨胀，从而允许更高的支流量，并且能够减缓入口压力升高，以实现更多稳定和安全的过滤过程。

所述装置的实施例在前述末端过滤中的另一用途包括把第一孔口安置在泵之后但在旁通管之前的位置以检测泵输出压力，以及将第二孔口用于旁通管上。装置的第一孔口可随着过滤器的背压增加而膨胀，并且第一孔口的可移动部分的后使联动的第二孔的膨胀，从而允许更高的旁通流量并降低过滤器前的液体压力。

本发明有益效果是：

1.根据本发明的自调节背压控制装置，针对小规模的过滤应用，特别是切向流过滤的应用，能够采用具有弹性的孔口的设计，来保持和按压软管以实现合适的初始跨膜压力并且能够抑制随着进料压力变化的跨膜压力变化；并且采用弹簧和弹性材料的组合可以协同工作，将压力控制到更稳定的范围；从而不需要其它压力检测和压力控制装置，就可以维持过滤过程中压力的相对稳定，以降低设备中比如压力传感器等压力测试元件的成本。此外，本发明的装置方便使用，能够简化操作，节省操作时间。

2.根据本发明的自调节背压控制装置，还能够采用两个孔口以分别安置两个软管，并且两个孔口中设置互相连接的可动件，使两个孔口协同作用，使其中一个孔口中的管路压力可以通过联动机构影响另一孔口中软管的截面形状和流动阻力；并且两个孔口中设置互相连接的可动件采用连杆的活动连接，将第一孔口的扩张或膨胀传递至第二孔口，从而所述装置能够根据所述第一孔口中管道的流体压力，相应地调节第二孔中的管道中的流体压力；并且两个孔口中可采用弹性材料及弹簧，从而每个孔口都能够夹持软管以增加流动阻力，并且，根据所述弹簧的设置，即使所述可动件不移动的情况下，也可以调节压力变化。

3.根据本发明的自调节背压控制装置，由于免去了在系统中设置压力传感器或压力表，从而能够减少系统流路中的接头数量，以减少流路泄漏和样品污染的可能性。进一步，由于避免压力传感器或压力表和减少管路连接相关的流路体积，可以降低流路的滞留体积。可以提高样品的浓缩倍数，特备是少量样品的浓缩倍数，从而能够减少样品损失，提高收率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为根据本发明实施例一的一种自调节背压控制装置；

图2所示为根据本发明实施例二的一种自调节背压控制装置；

图3所示为根据本发明实施例三的一种自调节背压控制装置；

图4所示为根据本发明实施例四的一种自调节背压控制装置；

图5所示为采用本发明的实施例一，实施例二或实施例三的自调节背压控制装置的一种切向流过滤系统；

图6所示为采用本发明实施例四的一种自调节背压控制装置的一种切向流过滤系统；

图7所示为采用本发明实施例四的一种自调节背压控制装置的直流过滤系统；

图8所示为采用本发明实施例四的一种自调节背压控制装置的直流过滤系统；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。这里所解释的应用和所呈现的控制方法解释了本发明如何能够用于调节TFF应用中增加的跨膜压力和调节用于直流过滤的背压。本发明的应用和使用并局限在这里描述的情况，并且应该被认为可扩展到需要压力调节的任何其他流体管理过程。

在使用本发明前，针对某个需要重复的应用，如样品的前处理步骤，需要多长重复的生产或研发步骤，在有压力检测的情况下测试和确认好的合适的自动被压控制装置之后，以后无需再使用被压控制装置，从而可以简化操作，节省成本。

实施例一：

本实施例提供一种用于过滤系统的自调节背压控制装置，图1所示为本发明的简单实施例之一，如图1所示的装置10包括：刚性框架11，所述刚性框架由刚性金属或刚性聚合物或其它刚性材料或复合材料制成；所述弹性孔口13与所述刚性框架11固定连接，所述刚性框架11的一端设置有开口，并且所述刚性框架11内部设置有用于安置软管的弹性孔口13，所述弹性孔口13与所述刚性框架11固定连接，并且所述弹性孔口13能够由例如但不限于橡胶、硅胶、复合材料或其他材料制成；所述弹性孔口13在所述刚性框架11的开口侧也设置有开口，所述弹性孔口13的开口用于将过滤系统中，例如回流管路上的软管置入所述弹性孔口13中。

根据本实施例，所述弹性孔口13用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且所述弹性孔口13可以在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围；进一步，所述弹性孔口13能够根据过滤系统所使用的管路设置不同大小的多个设置管路14的位置，以适应不同的管路或压力要求。

根据本实施例，可选地，所述刚性框架11和所述弹性孔口13之间设置有中间层12，所述可选的中间层2由弹性或刚性材料制成，所述中间层12用于为所述弹性孔口13调整弹性。所述弹性孔口13和所述中间层12可以由相同或不同的材料或复合材料制成，这些材料可以采取不同的形态，包括中空结构、多孔结构或其他组合结构，以达到所需的压力控制效果。

根据本实施例，所述刚性框架11能够设置为一端开口的方形结构，所述弹性孔口13固定设置于方形的刚性框架11内部。

根据本实施例，所述刚性框架11能够设置为一端开口的方形结构，并且内部可以有多个不同的管路安装位置，适用于不同的应用需要。

进一步，根据本发明的构思，还可以根据实际的需要简单地改变所述装置结构的几何形状、改变材料、结构及添加额外的部件。

实施例二：

图2示出了本发明一种用于过滤系统的自调节背压控制装置的另一实施例，如图2所示的装置20，包括：上框架21、下框架22、以及弹簧25，所述上框架21和下框架22的两端均设置有螺栓26和螺母27，使所述上框架21和所述下框架22之间形成孔口，并且能够在孔口内安置一段软管24，例如为切向流过滤系统中的料液回流管；所述螺栓26和螺母27用于将所述软管24置入所述孔口后将所述上框架21和下框架22固定连接；所述弹簧25设置在所述螺栓26上，并且被置于所述螺母27与所述上框架21之间。

根据本实施例，所述孔口用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加料液流动阻力并提高所述系统的跨膜压，并且由于所述上框架21和所述下框架22的固定连接螺栓26上设置有弹簧25，从而所述孔口可以在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围。

根据本实施例，所述上框架21及所述下框架22为刚性或半刚性结构；并且能够选择合适的弹簧或弹簧的组合，及合适的材料制造所述上框架21及下框架22，通过合适的外形尺寸设计，本实施例的装置可以为各种应用获得更稳定的压力范围。

进一步，简单地改变本实施例的装置20的几何形状、改变结构的材料、添加额外的部件均属于本发明的发明构思。

实施例三：

图3所示为本发明的一种用于过滤系统的自调节背压控制装置的另一个实施例；图3所示的装置30包括：组合式框架31；所述组合式框架31的上框架和下框架为一体结构，所述上框架和所述下框架在功能段分别设置有弹性材料33，并且所述弹性材料33在所述上框架和下框架之间形成可设置并定位软管34的空间；所述组合式框架的上框架和下框架在连接段由螺栓36和螺母35固定连接，并且所述螺栓36和螺母35的连接处设置有弹簧；所述螺栓36和所述螺母35用于在所述上框架和所述下框架中置入软管之后将所述上框架和所述下框架固定连接，并且能够调整所述上框架和下框架之间的空间的距离以适应不同尺寸的软管34，以及提供不同的背压水平；所述弹簧用于提供合适的弹性力以调节所述上框架和所述下框架之间置入并定位软管的空间的大小。

根据本实施例，所述组合式框架能够用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且由于所述螺栓和所述螺母的连接处设置有弹簧，从而所述组合式框架能够在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围。

根据本实施例，所述弹性件33和所述组合式框架的上下框架之间设置有中间层32以提高功能性，所述中间层可以是固定的，也可以是可拆卸或可变的。所述弹性件33和/或中间层32可以采用不同的几何形状并使用不同的材料，包括复合材料，以实现适当的弹性，并用于安放和定位不同尺寸的软管，并适用于不同的压力控制需求。并且所述弹性件33和/或中间层32是可更换的，以适应于不同的过滤应用。

进一步，本实施例所述的装置30的简单结构变化，包括将装置安装在流动路径或过滤系统或其他工艺设备上的附加固定部件，都被认为在本发明的发明构思范围内。

实施例四

在进一步的实施例中，本发明所述的自调节背压控制装置包括图4中所示的两个孔口以分别安置两个软管，其中一个孔口中的管的压力可以通过联动机构影响另一孔口中软管的截面形状和流动阻力。

图4所示的装置40的一个实施例中，包括框架41，所述框架41中设置有第一孔口和第二孔口，并且每个孔口内均设置有固定件42和可动件43；所述固定件42可以是固定的，也可以是可更换的以适合特定的控制要求；所述固定件42和所述可动件之间能够设置软管44。

如图4所示，两个孔口的结构相同，所述框架41的第一孔口中，所述可动件43连接有带有弹簧45的传动杆48；所述可动件43与所述传动杆48连接并协同移动，所述弹簧45设置在所述传动杆48上，并且位于所述可动件43的弹簧基座49和所述孔口的内壁之间，并且所述传动杆48能够由所述第一孔口伸出，并且沿着所述孔口水平移动。所述传动杆48进一步通过端部的滑块与摇杆47活动连接；所述摇杆47通过铰链轴46固定在所述装置的框架41上，并且能够绕着所述铰链轴46旋转，通过所述摇杆47和所述传动杆48的活动连接，可以将第一孔口中的可动件43的运动传递至第二孔口来驱动第二孔口中的可动件的运动，从而调节第二孔口的大小。通过传动杆连接两个孔口，该装置可以感测或检测第一孔口中管道的流体压力，并相应地调节第二孔中的管道中的流体压力。

本实施例公开了本发明的最佳实施例，改变装置框架的形状和材料以及连接这两个孔的装置和机构均属于本发明的构思。并且，根据本发明的构思，还能够选择其他的传动机制将运动从一个孔口传递至另一个孔口，包括改变摇杆47的结构和铰链轴46的相对位置；同时，增加装置中这些相关孔的数量并不构成新发明。

实施例五

图5中所示为使用实施例一，实施例二或实施例三所公开的装置在TFF系统中控制跨膜压力的方法，即在回流管设置所述自调节背压控制装置。所述TFF系统包括：样品容器1，TFF过滤器3，再循环泵2；进口管4将样品容器1到泵2，并进一步连接到TFF过滤器3；回流管5由TFF过滤器3的出口连接到样品容器1；TFF过滤器3设置有滤液管6以收集渗透流体或滤液。图1，图2或3所示的装置可以被安置到回流管5上。本发明所描述的控制装置，在TFF系统的过滤过程中可以将料液如病毒样品浓缩至最终体积(小于1ml)。

例如，所应用的TFF系统能够包括：1)使用15ml锥形离心管作为样品容器；2)Repligen公司的中空纤维过滤器(部件号：C02-E100-05-N)；3)的Masterflex L/S数字MINIFLEX泵作为再循环泵；4)的Masterflex L/S#13硅胶软管(8英寸)作为进料管；5)的Masterflex L/S尺寸#13硅胶软管(8英寸)作为回流管；6)的Masterflex L/S#13硅胶软管(12英寸)作为滤液管道；其中循环回路包括过滤器进料管的总滞留体积和回流管，约0.5ml，到达或小于目前最小TFF的直流体积。再循环泵流量为约27ml/分钟。在图2所示的压力调节装置被设置到回流管道上。在过滤过程的开始，病毒溶液粘性较小时，该装置可以挤压回流管，以增加TMP到合适的范围，例如3PSI～6.5PSI。在样品随着过滤过程变得到更粘稠时，该装置可以在从25ml浓缩至0.5ml的全过程内将TMP控制在3PSI～7PSI。

本发明的装置的另一个应用是在浓缩含有病毒或外泌体的培养基的工艺过程中调节TMP，例如将外泌体或病毒样品从500ml浓缩到小于10ml。所使用的TFF流路包括：1)使用50ml封闭的锥形离心管的样品容器，样品容器配有补料管并可以通过真空吸入其余样品容器中不能容纳的样品；2)Repligen(Waltham,MA)中空纤维过滤器(部件号：D02-E300-05-N)；3)Masterflex L/S泵作为循环泵；4)Masterflex L/S#16铂金固化硅胶管(长度为9英寸)作为进料管；5)Masterflex L/S#14铂固化硅胶管，长约8英寸，作为回流管；6)Masterflex L/S尺寸#14铂固化管，12英寸做为滤液管。这个包含过滤器、进料管、回流管的流路的再循环回路的总滞留体积小于7ml。本发明的自调节压力控制装置的设置可以为过程控制提供稳定的跨膜压，而无需额外的压力监测和控制装置。

实施例六

图6中描述了使用具有如图4所示的两个联动的孔口的装置40来调节TFF工艺的跨膜压的系统。所述TFF系统包括：1)样品容器1；2)过滤器3；3)再循环泵2；4)连接样品容器1，再循环泵2，和过滤器3的进口管4；5)至少包括一截软管的将过滤器3出口连接到样品容器1的回流管5；6)将过滤器3出口收集到样品容器的滤液管6。所述系统中，过滤器3为TFF过滤器；该系统使用第一孔口来固定进口管4，第二孔口用于设置回流管5以实现稳定的压力分布。

本实施例还提供根据实施例四所示的装置在浓缩纳米颗粒悬浮液中的应用实例，纳米颗粒悬浮液粘度一般随着TFF工艺过程而增加。在该过程开始时，当悬浮液样品的粘度较低时，该装置的第一孔口使用在过滤器入口管路上感知过滤器入口压力，第二孔口使用在回流管路上可以挤压回流管，并在工艺过程开始时将TMP增加到3PSI～6.5PSI。随着浓缩过程的进行，悬浮液的粘度随着纳米颗粒浓度的增加而增加。在循环泵流量恒定时，增加的料液粘度将增加流路中增流动阻力和压力降，包括从过滤器入口到过滤器出口的压降，也会提高过滤器进口压力。过滤器进口压力的升高会导致弹性的孔口扩张，并在软管中为进料管和回流管创建更大的流动通道。回流管孔的扩大可以降低回流管的流动阻力，从而缓和扩膜压的升高。另外，随着进料压力的增加，固定进料管的孔(第一孔)也膨胀，从而推动连接到可动件43的传动杆48，并且第一孔口中传动杆水平位移的传递到第二孔口中的可动部件，进一步扩大回流管孔径，从而实现抑制TMP和回流管压力增加，以进一步缓和TMP变化。

实施例七

根据实施例四所述的两孔装置也适用于用泵驱动流体的直流过滤系统，特别是使用恒流泵，做为过滤驱动泵的情况，可以缓解料液在过滤器堵塞，导致系统过压，流路因压力过高破裂，料液泄漏的风险。直流过滤器可以是但不限于深层过滤器、采用直流过滤模式的中空纤维膜过滤器，膜包，或任何其他过滤器的种类。根据本发明的这种应用，提供了一种直流过滤器系统，如图7和图8所示，包括：1)直流模式操作的过滤器3；2)样品容器1；3)泵2；4)进口管4将样品容器1连接到过滤器入口，然后连接到过滤器；5)进口管4将泵输出料液的一部分分流，由料液支管5输送回样品容器1；6)用于收集滤液的渗透液或滤液管6；使用具有两个孔口的压力自调控装置40的实施例来调节背压增加。本系统中的过滤器背压，就是过滤器入口处的压力，与跨膜压正相关。在该应用中，该装置的第一孔口设置在进口管和过滤器之间的过滤器入口管上，而相关的第二孔口使用于分流料液的料液支管5上。在过滤过程开始时，过滤器的背压相对较低，料液支管5分流的流量较小；在过滤的工艺过程中，随着背压随着过程的增加而增加，设置于进口管的第一孔口扩张，其中的可动件移动，第一个孔中传动杆的运动导致第二孔口的可动件移动，使回流管的流道扩张，因此更多的流量可以流回样品容器，从而缓和过滤器背压的升高。

作为控制方法的替代方案，第一孔口可用于在泵之后但在料液支管接头和过滤器之间的过滤器进料管处，如图8所示，其中第二孔仍可应用于料液支管。改变应用该装置的过滤路径的位置并不构成新的发明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自调节背压控制装置，其特征在于，所述装置包括：刚性框架，所述刚性框架由刚性金属或刚性聚合物或其它刚性材料或复合材料制成；所述刚性框架的一端设置有开口，并且所述刚性框架内部设置有用于固定软管的弹性孔口，所述弹性孔口与所述刚性框架固定连接，并且所述弹性孔口能够由橡胶、硅胶、复合材料或其他材料制成；所述弹性孔口在所述刚性框架的开口侧也可设置有开口，所述弹性孔口的开口用于将过滤系统中回流管路上的软管置入所述弹性孔口中；

所述装置的弹性孔口能够用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且所述弹性孔口可以在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围；所述弹性孔口能够根据过滤系统所使用的管路设置不同大小的多个置入管路的位置，以适应不同的管路或压力要求。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刚性框架和所述弹性孔口之间设置有中间层，所述中间层由弹性或刚性材料制成，所述中间层用于调节所述弹性孔口的弹性；

所述弹性孔口和所述中间层能够由相同或不同的材料或复合材料制成，并且所述弹性孔口和所述中间层的材料能够采取不同的形态，包括中空结构、多孔结构或组合结构，以达到所需的压力控制效果。

3.一种自调节背压控制装置，其特征在于，所述装置包括：上框架、下框架、以及弹簧，所述上框架和下框的两端均设置有螺栓和螺母以进行固定连接，所述上框架和所述下框架之间形成孔口，并且能够在孔口内置入过滤系统中回流管路上的软管；所述螺栓和螺母用于在所述装置中置入软管之后将所述上框架和所述下框架固定连接；所述弹簧设置在所述螺栓上，并且被置于所述螺母与所述上框架之间；

所述孔口用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且由于所述上框架和所述下框架的固定连接螺栓上设置有弹簧，从而所述孔口可以在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围；

所述上框架及所述下框架为刚性或半刚性结构；并且所述装置能够选择一个弹簧或组合弹簧。

4.一种自调节背压控制装置，其特征在于，所述装置包括背压控制装置包括：组合式框架；所述组合式框架的上框架和下框架为一体结构，所述上框架和所述下框架在功能段分别设置有弹性件，并且所述弹性件在所述上框架和下框架的功能段之间形成可置入并定位软管的空间；所述组合式框架的上框架和下框架在连接段可由螺栓和螺母固定连接，并且在所述螺栓和螺母的连接处设置有弹簧，所述螺栓和所述螺母用于在所述上框架和所述下框架中置入软管之后将所述上框架和所述下框架固定连接，并且能够调整所述上框架和下框架之间的空间的距离以适应不同尺寸的软管，以及提供不同的背压水平；所述弹簧用于提供合适的弹性力以调节所述上框架和所述下框架之间置入并定位软管的空间的大小；

所述组合式框架能够用于固定并挤压切向流过滤系统中的料液回流管以增加流动阻力并提高跨膜压，并且由于所述螺栓和所述螺母的连接处设置有弹簧，从而所述组合式框架能够在所述回流管内流体压力升高时扩张，进而缓和压力升高的幅度以维持所述跨膜压的范围。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述上框架和弹性件之间能够设置中间层，并且所述下框架和弹性件之间也能够设置中间层，以提高所述组合式框架的功能性，所述中间层可以是固定的，也可以是可拆卸或可变的；

并且，所述弹性件和所述中间层可以采用不同的几何形状并使用不同的材料，包括复合材料，以实现适当的弹性，并用于安放和定位不同尺寸的软管，并适用于不同的压力控制需求。并且所述弹性件和/或中间层是可更换的，以适应于不同的过滤应用。

6.一种自调节背压控制装置，其特征在于，所述装置包括框架，所述框架中设置有第一孔口和第二孔口，所述第一孔口和所述第二孔口的结构相同，并且每个内均设置有固定件和可动件，所述固定件和所述可动件之间能够置入软管；并且，所述第一孔口和所述第二孔口的可动件互相连接并协同移动；并且，所述框架在所述第一孔口和第二孔口的位置设置有开口，用于将软管置入所述第一孔口和所述第二孔口中；

所述第一孔口中，所述可动件连接有传动杆；所述可动件与所述传动杆连接并一同移动，并且所述传动杆的另一侧由所述第一孔口伸出，并通过端部的滑块与摇杆活动连接；所述摇杆通过铰链轴固定在所述框架上，并且能够绕着所述铰链轴旋转；

由于所述第一孔口和所述第二孔口的结构相同，所述装置能够通过所述摇杆和传动杆的活动连接，将所述第一孔口中的可动件的运动传递至所述第二孔口，以驱动所述第二孔口中的可动件的运动，从而调节所述第二孔口的大小；

通过将所述第一孔口中的可动件的运动传递至所述第二孔口，所述装置能够根据所述第一孔口中管道的流体压力，相应地调节第二孔中的管道中的流体压力。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一孔口和所述第二孔口的结构能够使用弹性材料；并且能够在所述传动杆上设置弹簧，并且所述弹簧位于所述可动件的弹簧基座和所述孔口的内壁之间，所述弹簧用于为所述可动件提供弹性力以调节置入所述装置的管路所需要的压力范围；

由于所述第一孔口和所述第二孔口具有弹性，每个孔口都能够夹持软管以增加流动阻力，并且，根据所述弹簧的设置，即使所述可动件不移动的情况下，也可以调节压力变化。

8.一种采用自调节背压控制装置的过滤系统，其特征在于，所述过滤系统为切向流过滤系统，所述切向流过滤系统包括样品容器，TFF过滤器，再循环泵；所述样品容器通过进口管连接到所述再循环泵，并连接到所述TFF过滤器；回流管由所述TFF过滤器的出口连接到样品容器；所述TFF过滤器上还设置有滤液管以收集渗透流体或滤液；权利要求1-5的任一项所述的自调节背压控制装置能够被设置到所述回流管上。

9.一种采用自调节背压控制装置的过滤系统，其特征在于，所述过滤系统为切向流过滤系统，所述切向流过滤系统包括样品容器，TFF过滤器，再循环泵；所述样品容器通过进口管连接到所述再循环泵，并连接到所述TFF过滤器；回流管由所述TFF过滤器的出口连接到样品容器；所述TFF过滤器上还设置有滤液管以收集渗透流体或滤液；所述过滤系统采用如权利要求6或7所述的自调节背压控制装置；并且所述进口管被置入第一孔口，回流管被置入第二孔口，以实现稳定的压力分布。

10.一种采用自调节背压控制装置的过滤系统，其特征在于，所述系统包括直流模式操作的过滤器，样品容器和泵；所述样品容器通过进口管连接到泵，并连接到所述过滤器的入口；并且所述系统在所述进口管上采用料液支管将泵输出的料液分流，并输送回所述样品容器，所述过滤器上还设置有用于收集滤液的渗透液或滤液管；

所述过滤系统采用如权利要求6或7所述的自调节背压控制装置；所述装置的第一孔口设置在所述进口管和所述过滤器之间的过滤器入口管上，第二孔口设置在分流料液的料液支管上；在过滤过程开始时，所述过滤器的背压相对较低，料液支管分流的流量较小；在过滤过程中，随着背压的增加，设置在进口管上的第一孔口扩张，其可动件移动，第一孔口中传动杆的运动导致第二孔口的可动件移动，使回流管的流道扩张，从而更多的流量可以流回样品容器，以缓和所述过滤器背压的升高。

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