CN114768537A - 一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置和应用，所述单程切向流过滤装置中，中空纤维膜过滤器的设计，特别是无侧面的滤液通道的设计，降低了对过滤器对占用空间的要求；优化中空纤维的孔内径，可降低对料液泵通量的要求，并且能够提高单程切相流过滤的浓缩倍数；本发明通过改变所述中空纤维膜管的排布与连接方式，使多个中空纤维膜管串联，以降低过滤器对泵流量的要求。使用多个中空纤维膜管先并联再串联的模式，以达到更高的浓缩比，同时也可以优化剪切率。本发明的单程切向流过滤装置还能够在所述中空纤维膜管中设置柱芯，以优化料液流型，提高单程切向流过滤的浓缩倍数和效率，降低对料液泵的要求，提高使用的方便性。

Description

一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置和应用

技术领域

本发明涉及一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置和应用，属于切向流过滤技术领域或生物工艺领域。特别地，本发明涉及一种基于中空纤维膜或中空管的单程切向流过滤装置和应用

背景技术

切向流过滤(TFF)是一种根据分子或颗粒尺寸的膜过滤分离方法。该分离方法基于分子或颗粒的大小或分子量的差异来实现液体和大分子活大颗粒与小分子或溶液的分离。在切向流分离过程中：料液的流动方向平行于膜表面，在跨膜压力的作用下部分液体和小分子穿过滤膜成为滤液；在切向流过滤过程中料液对膜的表面不停进行“冲刷”，这种操作有效缓解了大颗粒和分子在膜表面富集；能够提高过滤通量，避免或缓解滤孔堵塞。TFF可以应用于一系列包括蛋白质，疫苗，细胞，病毒，外泌体，等大分子或颗粒的分离或纯化。

单程切向流过滤(SPTFF)是一种料液以单程模式穿过单程切向流过滤系统的操作，单程切向流过滤系统简单，不需要样品容器，减少设备体积，降低设备成本，且特别适用于连续生产工艺。

然而，常见的切向流过滤膜是需要将通过循环泵样品多次反复过滤器能够实现浓缩；并且，常见的中空纤维膜也是基于循环式切向流过滤，中空纤维膜的内径一般在0.5mm或以上，需要较大的循环流量。对泵的通量的要求意味着更大的设备投资、能耗和风险。由于一般中空纤维膜的循环流量(CrossFlow)较大，料液一次通过中空纤维膜的浓缩倍数较低，使用目前中空纤维膜单程切向过滤操作的优势不明显。并且，目前的中空纤维过滤器是为了循环式切向流过滤而设计，滤液管道在中空纤维膜的侧面，而且接口尺寸较大，不利于进行紧凑安置和单程过滤模式的操作。

平面膜包由于单位膜面积需要相对较小的循环流量(CrossFlow)。基于上述原因，目前的一般的单程切向流过滤器都是采用平面膜包的形式。由于平面膜包的操作和安装都比较复杂。需要使用不锈钢的夹具，并涉及到较多的手动操作，从而须具有的泄露的风险。而且，有些样品特别是颗粒较大的样品或者是对剪切不稳定的样品不适合用平面膜包过滤器。

发明内容

为了解决目前存在的上述问题，本发明提供了一种基于中空纤维膜或中空膜管的单程切向流过滤装置和应用，所述一种基于中空纤维膜/中空管的单程切向流过滤装置中，中空纤维膜过滤器的设计，特别是无侧面的滤液通道的设计，降低了对过滤器对占用空间的要求；通过优化中空纤维的孔内径，可降低对料液泵通量的要求，并且能够提高单程切相流过滤的浓缩倍数；进一步，本发明的一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置和应用还能提高单位过滤器占用体积的膜面积，并且提高使用的方便性和空间利用率。

这里所描述的中空纤维膜可以是狭义柔性的中空纤维膜(hollowfiber)也可以是内径较大的中空管，其壁厚可以从20微米到8毫米，可以是柔性的也可以是刚性的，其截面一般是圆形，但也可以是其它形状。

所述技术方案如下：

本发明首先提供一种基于中空纤维膜管的单程切向流过滤装置，如图1所示，所述装置包括过滤器本体，第一端盖，中空纤维膜管，第二端盖均设置；其中，所述中空纤维膜管被灌封于所述过滤器壳体内，并且穿过灌封的树脂或聚氨酯层设置有滤液管。所述中空纤维膜管的端部由聚氨酯或树脂灌封并固定至所述过滤器壳体内，从而所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中形成料液通道。所述第一端盖和第二端盖可拆卸的连接设置于所述过滤器壳体的两端，穿过灌封层的滤液管和端盖上的滤液管在安装端盖时结合，并采用树脂和粘合剂辅助密封，形成独立的滤液通道。

根据本发明的技术方案，在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进口和料液出口；所述第一端盖的料液进口连通至所述中空纤维膜管；并且所述中空纤维膜管中的料液通道连通至所述第二端盖的料液出口；所述第一端盖上设置有滤液进口管，所述滤液进口管穿过所述第一端盖的外壁向内延伸，和穿过所述中空纤维膜管的灌封层的滤液管结合，延伸至所述过滤器壳体内；所述第二端盖上设置有滤液出口管，所述滤液出口管从所述第二端盖的外壁向内延伸，和穿过所述中空纤维膜管灌封层的滤液管结合，延伸至所述过滤器壳体内，形成独立的滤液通道。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，所述过滤器壳体中可设置一根或更多的所述中空纤维膜管，所述两根或者以上的中空纤维膜管在所述装置的过滤器壳体中并联设置，形成多个单程的料液通道。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，料液由所述第一端盖的料液入口进入所述中空纤维膜管中的料液通道，并由第二端盖的料液出口流出；并且在流动的过程中由于跨膜压的作用使部分液体穿过所述中空纤维膜管的管壁，汇入所述过滤器壳体内，由所述过第二端盖中的滤液出口管流出；从而实现料液的分离，浓缩，或提纯。

根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述单程切向流过滤装置中，料液也可由所述第二端盖的料液出口进入所述中空纤维膜管中的料液通道，并由第一端盖的料液入口流出；并且在流动的过程中由于跨膜压的作用使部分液体穿过所述中空纤维膜管的管壁，汇入所述过滤器壳体内，由所述过第一端盖中的滤液进口管流出。换言之，所述单程切向流过滤装置中，所述料液入口和料液出口可相互替代使用，并且所述滤液进口管也可作为滤液出口管使用，进一步，在一种实施方式中，所述滤液进口管一个可关闭或停止使用。在所述过滤装置的过滤器内部需要反冲等作用时，可以通过所述滤液管，并通入液体。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置创新的使用中空纤维膜在过滤器中的封装结构和接头形式；通过改变中空纤维膜的滤液进出口，及料液的进出口的管道连接点的位置和连接模式，可避免设置在侧面的滤液接口。这种结构可以降低过滤器的占用的空间，有效地让多个过滤器实现并行排布以及灵活排布，减少设备体积，提高工艺的可放大性。

针对目前需要大孔径的中中空管过滤介质的应用，本发明进一步提供一种基于中空膜管的切向流过滤装置，如图2所示，所述装置包括过滤器壳体，第一端盖，多个串联的中空膜管，第二端盖；其中，所述中空膜管设置于所述过滤器壳体内，所述中空膜管的两端由聚氨酯或树脂灌封并固定至所述过滤器壳体内，从而所述中空膜管在所述过滤器壳体中形成料液通道，所述第一端盖和第二端盖设置于所述过滤器壳体的两端，并且在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进/出口和滤液出口；所述第一端盖的料液进口连通至所述中空膜管；并且所述中空膜管中的料液通道连通至所述第二端盖的料液出口；所述端盖上设置有滤液管，所述滤液在过滤器壳体内富集，并穿过所述中空纤维膜管的灌封层，经过端盖的滤液口，可以流出所述过滤器；每个端盖上设置有滤液口管，可以使用一个，或同时使用两个。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，所述过滤器壳体中可设置两根或更多所述中空纤维膜管，并且所述两根或以上的中空纤维膜管由U型管接头连接，在所述过滤器壳体中形成多个中空管串联的料液通道。所述U型管接头与多个串联的所述中空纤维膜管之间也能够采用粘合剂进行密封连接。

根据本发明的技术方案，在所述过滤器壳体中，可以有多个并列的中空纤维膜管串联的料液通道。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，料液由所述第一端盖的料液入口进入所述串联的中空纤维膜管中的料液通道，并且在流动的过程中由于跨膜压的作用使部分液体穿过所述中空纤维膜管的管壁，进入所述过滤器壳体内，所述滤液在过滤器壳体内富集，并由穿过所述中空纤维膜管的灌封层的滤液管，并经过端盖的滤液出口管流出；从而实现料液的分离，浓缩，或提纯。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，可以通过改变所述过滤器壳体内中空纤维膜或中空纤维膜管的排布与连接方式，使多个中空纤维膜管串联，以降低过滤器对泵流量的要求。进一步，也可以使用多个中空纤维膜管并连然后再串联的模式，这样可以达到更高的浓缩比，同时也可以优化剪切率。保持适当的剪切对切向流过滤操作至关重要，适当的剪切能保证对膜表面的清洗作用。

针对目前需要大孔径的中中空管过滤介质的应用，本发明进一步提供一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，如图3所示，所述装置包括过滤器壳体，第一端盖，多个中空纤维膜管，第二端盖；其中，多个所述中空纤维膜管设置于所述过滤器壳体内，多个所述中空纤维膜管的由聚氨酯灌封，并固定至所述过滤器壳体内，进一步，多个中空纤维膜管采用先多个并联后串联的方式连接，从而所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中形成单程的料液通道，所述第一端盖和第二端盖设置于所述过滤器壳体的两端，并且可拆卸的连接至所述过滤器壳体，并且在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进口和料液出口；所述第一端盖的料液进口连通至所述中空纤维膜管；并且所述中空纤维膜管中的料液通道连通至所述第二端盖的料液出口；所述过滤器壳体上设置有一个或多个滤液出口，所述滤液出口设置在所述过滤器壳体的侧面。

根据本发明的技术方案，所述过滤器壳体中可设置多根所述中空纤维膜管进行先并联后串联的多级连接，其中，料液从所述第一端盖的料液进口进入第一端盖内的空间，并流入到由多个所述中空纤维膜管并联的第一级膜管之中，流入第一级膜管的料液在进入第二端盖内的空间后改变流动方向，进入由串联形成的第二级膜管，从第二级膜管流出的料液通过连接管路，改变流动方向，并汇入到第三级膜管，第三级膜管延伸至第二端盖的料液出口，在第三级膜管汇集后的料液通过第二端盖上的料液出口流出；料液在流经三级膜管的过程中，穿过膜管管壁的滤液在过滤器壳体内汇集并通过滤液出口管流出。

根据本发明的技术方案，所述中空纤维膜管的内径可以在3mm～5mm，截流孔径的孔径为2um～8um，膜管的壁厚为2mm～5mm。

根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述过滤器壳体中可设置七根所述中空纤维膜管，分成三级膜管，并且三级膜管先并联后串联，其中，第一级膜管由外侧的四根并联，第二级将中部的两根膜管串联，第三级为中央的一根膜管；并联的第一级膜管的料液通道连通至串联的二级膜管，再连通至第三级膜管；第二级膜管中料液的流动方向和第一级膜管、第三级膜管的流动方向相反；第二级的两根膜管通过W型管接头汇入到第三级的一根膜管；并且第三级膜管延伸至所述第二端盖的料液出口，形成三级复合的单程料液通道。

针对目前需要大孔径的中空纤维膜或中空膜管的应用，本发明提供的另外一种解决方式是通过在中空纤维膜管内设置柱芯。所述柱芯设置在中空纤维膜管或中空膜管的中间，可缩小流体在中空膜管内的有效截面流道面积降低对泵循环流量的要求。由于中空膜管中柱芯的设置，所述中空纤维膜管中流体的流动可以为层流状态。

本发明进一步提供一种基于中空纤维膜管的单程切向流过滤装置，如图4(a)和图5所示，所述装置包括过滤器壳体，第一端盖，中空纤维膜管，第二端盖；其中，所述中空纤维膜管设置于所述过滤器壳体内，所述中空纤维膜管的两端由聚氨酯或树脂灌封并固定至所述过滤器壳体内，从而所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中形成料液通道，并且所述中空纤维膜管中设置有柱芯；所述柱芯的一端设置有固定结构，并通过密封件在所述过滤器壳体和端盖之间固定连接；并且所述柱芯的另一端插入所述中空纤维膜管中并贯穿所述中空纤维膜管；所述第一端盖和第二端盖设置于所述过滤器壳体的两端，并且在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进出口和料液出口；料液从所述第一端盖的料液进口进入所述中空纤维膜管中；并且所述中空纤维膜管中的料液通过第二端盖的料液出口流出过滤器；所述过滤器壳体上设置有一个或多个滤液出口。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，所述柱芯为圆柱形的结构。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，所述柱芯的固定结构上设置有开口，所述中空纤维膜管中的料液通过所述开口连通至料液进出口。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，所述柱芯的外壁沿周向均匀设置有多个突出部或筋条，所述突出部或筋条与所述中空纤维膜管的内壁接触，可以使得所述柱芯与所述中空纤维膜管之间形成的料液通道，并影响料液的流型，增加湍流程度，提高对管壁的切向流冲洗效果。

根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置中，所述柱芯表面可以有小的突出部或凹处，提高湍流程度，提高对管壁的切向流冲洗效果。

根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，所述单程切向流过滤装置中，所述圆柱形的柱芯的直径沿着所述中空纤维膜管逐渐变化，使流道横截面也有相应变化。

目前的中空纤维管由于进料流量太大很难达到合适的浓缩比，本发明通过在真空纤维管中加入柱芯可以缩小流道的横截面积，如图5所示，能够进一步降低对泵的通量的要求；由于能有效降低进料流量同时维持透过液的流量可以提高浓缩比或浓缩因子；浓缩因子是指进料流量和过滤器出料流量的比例，浓缩因子越高浓缩体积降低的就越大。

现有的大孔膜管为了提供足够的强度和和过滤效果，膜管壁的厚度一般在几毫米，且内径一般在3mm左右。根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，例如在3mm的中空膜管内加入一个2mm外径柱芯，在达到相同的剪切的情况下，可以将需求的循环流量降低80％以上。如果每根无内芯膜管需要2L/min的循环流量，每根膜管可以降低到500mL/min或更低每根膜管。如此以来在同样的泵的输出的情况下，可以使用的膜面积可以扩大的5倍，相应的处理能力可以扩大5倍。

在没有柱芯的情况下，由于膜管的内径较大(3mm)，需要的流量较大2L每分钟。即使使用比较长的膜管1.5m，在过滤通量1000升/平米/小时(LMH)的条件下，单程通过一个膜管(有效过滤面积130cm2)，滤液的流量约为200mL/min，只有10％的料液能被通过膜，浓缩因子为1.1左右。根据本发明的技术方案，采用有柱芯的中空膜管，需要的料液进口通量可以降低到300mL/min。在滤液通量200mL/min的情况下，单程的浓缩因子可以达到2或3更高；并且能够充分利用泵的输出流量，对泵的流量的要求可以降到原来的1/5，或更小。

根据本发明的技术方案，在所有实施方式中，所述过滤装置的过滤器壳体内，中空纤维膜管可以由聚氨酯层灌封或同等替代方法固定在壳体内。

根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，针对目前单程过滤器效率低的缺点，可使用粒径0.5毫米或更小的中空纤维膜作为过滤介质。减小中空纤维的内径，可以有效降低每根中空纤维膜对切向流流量的要求。降低对泵的输出通量的要求，能够使系统小型化或提高过滤系统的操作产能。同时使用内径较小的中空纤维膜，可以使过滤器的封装体积更小；换言之，能够在单位体积过滤器的面积内容纳更大的膜面积。

根据本发明的技术方案，采用小内径的中空纤维膜的过滤器也可以进一步提高浓缩因子。采用0.5mm或1mm内径的中空纤维膜一般情况下它的浓缩因子不会超过1.2；在使用0.25微米的中空纤维膜的情况下，浓缩因子可以达到2甚至更高，从而使中空纤维膜单程切向流过滤器具有实际优势。

根据本发明的技术方案，还提供所述单程切向流过滤装置在切向流过滤系统中的应用，具体包括：使用无侧管设计的切向流过滤器及带有U形接头的中空纤维膜管在切向流过滤系统中的应用，使用带有柱芯的中空纤维膜管切向流过滤器在切向流过滤系统中的应用，特别是在单程切向流过滤方面的应用。

根据本发明的技术方案，还提供带有以上所述的切向流过滤器的一次性使用流路和操作系统。具体而言，所述系统可使用一次性磁悬浮泵或蠕动泵；使用所述的过滤器及其他配套的压力传感器。

根据本发明的技术方案，也可以在常规循环料液的切向流过滤方面的应用。

本发明有益效果是：

1.根据本发明的技术方案，所述单程切向流过滤装置采用无侧管设计的中空纤维膜过滤器，可以实现密集的过滤器布置，减少管路的长度，和过滤器占用体积；并且所述单程切向流过滤装置中料液通道简单，能够降低滞留体积，提高过滤效率。此外，还可以使过滤装置小型化，降低对实验室或工厂的空间要求，从而降低成本。

2.降低过滤器对系统硬件的要求；在泵的输出流量一样的情况下可以提高过滤系统的产能。在使用大口径中空膜管的过滤器中，膜管的内径在3mm左右，每个膜管需要的料液流量要2升每分钟或更多，才能保够足够的切向由效应对膜面积有足够的冲洗作用。本发明的所述单程切向流过滤装置中，通过在过滤器壳体内部采用多个U型接头可以将多个所述中空纤维膜管串联形成Z型的通道结构；从而，例如串联3个所述中空纤维膜管，料液的循环流量可以降到原来需求的1/3；在同样过滤面积的情况下对泵的要求约为原来的1/3。特别对于目前一次性使用的磁悬浮离心泵，其最大的输出流量约为100L/min。由于泵的通量的限制，只能够支持2000L的反应器。本发明采用的串联设计让多根所述中空纤维膜管串联可以将过滤系统的产能提高至支持5000L反应器的生产。

3.优化单程切向流过滤器的工艺参数；在切向流过滤时通常要求适合的剪切范围，以达到料液对于膜表面的冲刷效果，同时需要对泵等硬件没有特别高的要求；并且也要避免过高剪切下对料液大分子或颗粒的破坏。根据本发明的另一种模式是同时采用串联和并联的复合结构。在单程切向流过滤的过程中，通常由于滤液透过膜会导致实际料液的流量逐渐变小和剪切的变小的问题，因此，本发明的单程切向流过滤装置同时采用串联和并联的复合结构，还可以在一个过滤器内形成多级复合通道，比如第一级可以有2个或更多的膜管并联，并且在下一级减少并联膜管的数量，并形成串联，如此类推；根据上述多级连接的复合结构，使料液通道逐级缩减，能够解决上述问题，从而提高效率。

4.通过在中空膜管中加入柱芯；所述单程切向流过滤装置采用在中空膜管中加入柱芯，在达到同样剪切效果的情况下，降低单根膜管对料液流量的要求，从而降低对泵循环流量的要求，或者提高过滤系统的处理能力。进一步，所述圆柱形的柱芯的直径沿着所述中空纤维膜管变化；例如在料液的进口柱芯的内径可以比较小，在膜管料液出口处，柱芯片的内径可以逐渐加大，这样可以保持比较一致的剪切率，有助于提高过滤通量。这种渐变式内芯直径的设计，可以避免切向流过滤中，由于滤液透过膜管导致的料液在膜管中的流量逐渐降低，剪切率随着滤液的透过而减小的情况。进一步，本发明的过滤装置中，在柱芯的表面，还能够设置有不平整的结构，引导料液的流型，提高切向流对过滤介质表面的冲洗效果。

5.使用较小内径的真空纤维膜过滤器；对同样的中空纤维过滤器，如果中空纤维的内径减少1倍，单位膜面积对泵循环流量的要求可以变为原来的1/4；对同样的真空纤维过滤器的体积如果膜的内径减小到原来的1/2，膜封装在单位过滤器体积内的膜的面积可以提高60％或更多；同时如果中空纤维膜的内径减少到原来的1/2，膜的耐压性能就会提高，可以采用更高压力的操作条件提高过滤通量；在维持膜原有的力学强度的情况下可以将膜做得更薄，从而带来更高的通透率。

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是本发明实施例一提供的所述单程切向流过滤装置的示意图；

图2是本发明实施例二提供的串联结构的单程切向流过滤装置的示意图；

图3是本发明实施例三提供的多级结构的单程切向流过滤装置的示意图；

图4(a)是本发明实施例四提供的单程切向流过滤装置的示意图；

图4(b)是本发明实施例四提供的单程切向流过滤装置中，中空纤维膜管及柱芯的截面示意图；

图5是本发明实施例四提供的单程切向流过滤装置中，中空纤维膜管的柱芯的结构示意图。

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。

实施例一：

本实施例首先提供一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，如图1所示，所述装置包括过滤器壳体11，第一端盖10，中空纤维膜管16，第二端盖12；其中，中空纤维膜管16设置于过滤器壳体11内，中空纤维膜管16的两端由聚氨酯层15灌封并固定至过滤器壳体11内，使中空纤维膜管16在过滤器壳体11中成为料液通道，第一端盖10和第二端盖12设置于过滤器壳体的两端，并且可拆卸的连接固定在过滤器壳体11，并且在第一端盖10和第二端盖12上分别设置有料液进口7和料液出口8；第一端盖10的料液进口7连通至中空纤维膜管16；并且流过中空纤维膜管16中的料液连通至第二端盖12的料液出口8；第一端盖10上设置有滤液进口管13，滤液进口管13从第一端盖10的外壁向内延伸，并穿过中空纤维膜管16的聚氨酯层15延伸至过滤器壳体11内；第二端盖12上设置有滤液出口管14，滤液出口管14从二端盖12的外壁向内延伸，并穿过中空纤维膜管16的聚氨酯层15延伸至过滤器壳体11内，形成独立的滤液通道。

根据本实施例，所述过滤装置的过滤器壳体的设计可以上下对称或不对称。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置中，过滤器壳体11中可设置两根或者以上中空纤维膜管16，两根或者以上的中空纤维膜管在装置的过滤器壳体11中并联设置，形成多个单程的料液通道。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置中，料液由第一端盖10的料液入口7进入中空纤维膜管16中的料液通道，并由第二端盖12的料液出口8流出，并且在流动的过程中由于跨膜压的作用使滤液穿过中空纤维膜管的管壁，进入过滤器壳体内，由过滤器中的滤液带走，并从第二端盖12上的滤液出口管14流出；从而实现料液的分离，浓缩，或提纯。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置创新的使用中空纤维膜或中空膜管在过滤器中的封装结构和接头形式；通过改变中空纤维膜的滤液进出口，及料液的进出口的管道连接点的位置和连接模式，可避免设置在侧面的滤液接口。这种结构可以降低过滤器的使用空间，有效地让多个过滤器实现并行排布以及灵活排布，提高工艺的可放大性。

实施例二

本实施例提供一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，如图2所示，所述装置包括过滤器壳体21，第一端盖20，多个串联的中空纤维膜管26，第二端盖22；其中，中空纤维膜管26设置于过滤器壳体21内，中空纤维膜管26的两端由聚氨酯层25密封并固定至过滤器壳体21内，从而中空纤维膜管26在过滤器壳体中形成料液通道，第一端盖20和第二端盖22设置于过滤器壳体21的两端，并且安装在过滤器壳体21，并且在第一端盖20和第二端盖22上分别设置有料液进口7和料液出口8；第一端盖10的料液进口7连通至中空纤维膜管26；并且中空纤维膜管26中的料液通道连通至第二端盖22的料液出口8；第一端盖20上设置有滤液进口管23，滤液进口管23从第一端盖20的外壁向内延伸，并穿过中空纤维膜管26的聚氨酯层25延伸至过滤器壳体21内；第二端盖22上设置有滤液出口管24，滤液出口管24从第二端盖22的外壁向内延伸，并穿过中空纤维膜管26的密封件25延伸至过滤器壳体21内。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置中，过滤器壳体21中可设置3个中空纤维膜管26，并且两根中空纤维膜管的料液进口和上一根的料液出口由U型管接头连接，在过滤器壳体21中设置成中空纤维膜管串联，形成单一的料液通道。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置中，料液由第一端盖20的料液入口7进入中空纤维膜管26中的料液通道，并且在流动的过程中由于跨膜压的作用使部分液体穿过中空纤维膜管26的管壁，进入过滤器壳体21内，在过滤器壳体中汇集的滤液通过滤液出口管24流出过滤器；从而实现料液的分离，浓缩，或提纯。

根据本实施例，单程切向流过滤装置中，可以通过改变过滤器壳体内中空纤维膜或中空纤维膜管的排布与连接方式，使更多个中空纤维膜管串联，以降低过滤器对泵流量的要求。也可以增加串联的膜管数量，提高总膜面积和处理能力。进一步，也可以使用多个中空纤维膜管并连然后再串联的模式，这样可以达到更高的浓缩比，同时也可以优化剪切率。保持适当的剪切对切向流过滤操作至关重要，适当的剪切能保证对膜表面的清洗作用。

实施例三

针对目前需要大孔径的中空纤维膜或中空膜管的应用，本实施例提供一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，如图3所示，装置包括过滤器壳体31，第一端盖30，多个中空纤维膜管36，第二端盖32；其中，多个中空纤维膜管36设置于过滤器壳体31内，多个中空纤维膜管36的两端由聚氨酯层35密封并固定至过滤器壳体31内，进一步，多个中空纤维膜管36采用先并联后串联的方式连接，从而中空纤维膜管36在过滤器壳体31中形成单程的料液通道，第一端盖30和第二端盖32设置于过滤器壳体31的两端，并且可拆卸的连接至过滤器壳体31，并且在第一端盖30和第二端盖32上分别设置有料液进口7和料液出口8；第一端盖30的料液进口7连通至中空纤维膜管36；并且中空纤维膜管36中的料液通道连通至第二端盖32的料液出口8；过滤器壳体31上设置有多个滤液出口33，多个滤液出口可以设置在过滤器壳体的侧面。

根据本发明的技术方案，所述中空纤维膜管的内径在2mm～5mm，截流孔径的孔径为2um～8um，膜管的壁厚为2mm～5mm。

根据本发明的技术方案，所述过滤器壳体中可设置多根所述中空纤维膜管进行先并联后串联的多级连接，在一种实施方式中，所述过滤器壳体31中可设置七根所述中空纤维膜管36，分成三级膜管连接，其中第一级膜管由外侧的四根膜管并联，第二级将中部的两根膜管串联，第三级为中央的一根膜管；其中，并联的第一级膜管的料液通道连通至串联的二级膜管，并连通至第三级膜管；第二级膜管中料液的流动方向和第一级膜管、第三级膜管的流动方向相反；第二级的两根膜管通过W型管接头汇入到第三级的一根膜管；并且第三级膜管延伸至所述第二端盖的料液出口，形成三级复合的单程料液通道。

根据本实施例，上述三级复合的单程料液通道中，料液从所述第一端盖的料液进口进入第一端盖内的空间，并流入到由多个所述中空纤维膜管并联的第一级膜管之中，流入第一级膜管的料液在进入第二端盖内的空间后改变流动方向，进入由串联形成的第二级膜管，从第二级膜管流出的料液通过串联的连接管路，改变流动方向，并汇入到第三级膜管，第三级膜管延伸至第二端盖的料液出口，在第三级膜管汇集后的料液通过第二端盖上的料液出口流出；料液在流经三级膜管的过程中，穿过膜管管壁的滤液在过滤器壳体内汇集并通过滤液出口管流出。

实施例四

目前的中空纤维管由于进料流量太大很难达到合适的浓缩比，本发明通过在真空纤维管中加入柱芯可以缩小流道的横截面积，如图4和5所示，能够进一步降低对泵的通量的要求；由于能有效降低进料流量同时维持透过液的流量可以提高浓缩比或浓缩因子；浓缩因子是指进料流量和过滤器出料流量的比例，浓缩因子越高浓缩体积降低的就越大。

本实施例提供一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，如图4(a)及图5所示，所述装置包括过滤器壳体41，第一端盖40，中空纤维膜管46，第二端盖42；其中，中空纤维膜管46设置于过滤器壳体41内，中空纤维膜管46的两端由聚氨酯层45密封并固定至过滤器壳体41内，从而中空纤维膜管46在过滤器壳体41中形成料液通道，并且中空纤维膜管46中设置有柱芯44；柱芯44的一端设置有固定结构48，可以在过滤器端盖42和者过滤器壳体41固定通过可拆卸的连接如卡箍和垫圈(图中未显示)固定；柱芯44的另一端插入中空纤维膜管46中并上下贯穿中空纤维膜管46；第一端盖40和第二端盖42设置于过滤器壳体41的两端，并且可拆卸的连接至过滤器壳体41，并且在第一端盖40和第二端盖42上分别设置有料液进口7和料液出口8；第一端盖40的料液进口7连通至中空纤维膜管46；并且中空纤维膜管46中的料液通道连通至第二端盖42的料液出口8；过滤器壳体41上设置有多个滤液出口43。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置中，所述柱芯44为圆柱形的结构。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置中，所述柱芯的固定结构48上设置有多个开口49，中空纤维膜管46中的料液通过开口49连通至料液出口8。

根据本实施例，所述单程切向流过滤装置中，所述柱芯44的外壁沿周向均匀设置有多个突出部或筋条47，突出部47与中空纤维膜管46的内壁接触，在柱芯44与中空纤维膜管46之间形成的料液通道，并影响料液的流动形态，和方向。如图4(b)所示的突出部，可以提高料液的湍流程度，提高对膜管内表面的冲刷效果。

根据本实施例，在一种实施方式中，通过按入螺旋形的筋条，料液在柱芯44与中空纤维膜管46之间形成的螺旋形的料液通道流动，可以增加料液在膜管中的流道长度，进一步减少对泵通量的要求。

根据本实施例，在一种实施方式中，所述单程切向流过滤装置中，所述圆柱形的柱芯44的直径沿着中空纤维膜46管逐渐变小，如图5所示。

现有的大孔膜管为了提供足够的强度和和过滤效果，膜管壁的厚度一般在几毫米，且内径一般在3mm左右。根据本发明的技术方案，在一种实施方式中，例如在3mm的中空膜管内加入一个2mm直径柱芯，在达到相同的剪切的情况下，可以将需求的循环流量降低80％以上。如果平时需要2L每根膜管可以降低到500mL每根膜管。如此以来在同样的泵的输出的情况下，可以使用的膜面积可以扩大的5倍，相应的处理能力可以扩大5倍。

在没有柱芯的情况下，由于膜管的内径较大(3mm)，需要的流量较大2L每分钟。即使使用比较长的膜管1.5m，在过滤通量1000LMH的条件下，单程通过一个膜管，滤液的流量约200mL/min，只有10％的料液能被通过膜，浓缩因子为1.1左右。根据本发明的技术方案，采用有柱芯的中空膜管，需要的料液进口通量可以降低到300mL/min。在滤液通量200mL/min的情况下，单程的浓缩因子可以达到2或更高；并且能够充分利用泵的输出流量，对泵的流量的要求可以降到原来的1/5，或更小。

实施例五

本实施例提供根据实施例一，实施例二、实施例三及实施例四的单程切向流过滤装置的应用：

1.如实施例一的一种无侧管设置的单程切向过滤装置用于CHO细胞灌流生产单克隆抗体的应用。在收获的含有单抗的培养基经过深层过滤和0.22um的微滤膜澄清后的浓缩。一次性反应器的体积为2000L。在灌流体积为2.5VVD时一天需要处理的培养基的体积为5000L。用0.25毫米内径30KD的中空纤维膜过滤器并联，总膜面积为10m²，每个柱芯过滤器有3千根长度为60cm的中空纤维滤膜。使用单程切向流过滤可进一步将体积降为原来的1/2。膜的长度为60cm，单根纤维膜的泵通量可以为0.4毫升每分钟或更低。可以使用在循环切向流过滤模式。

2.一种无侧管的中空纤维膜过滤器用于干细胞培养基中外泌体的浓缩；中空纤维的内径为0.25mm，节流分子量为500KD。过滤通量为40LMH。在使用单层切向流过滤的情况下如果膜的长度为60cm，单级可实现的浓缩因子为3。可以使用在循环切向流过滤模式。

3.针对循环的切线流操作模式，使用如图2所示TFF过滤器(截流孔径2～5微米)，膜管的长度为1.1米，使用Z字型3根膜管串联，对泵流量的要求从2L/m²降低至0.7L/m²，和单个膜管在同样的环境下相比，单位膜面积的料液循环流量降低到约1/3，对同样的泵的流量情况下，可以提高泵的产能；具体一个应用是用于生物反应器样品的浓缩的分批补料。可以使用在循环切向流过滤模式。

目前的磁悬浮一次性泵头能输出的最大流量为100L/min，只能支持一个小于50根膜管的中空膜管过滤器(有效过滤膜面积大约为0.5m²)，可以适用于2000L的生物反应器；而本发明的串联膜管的技术方案Z字型3根膜管串联的模式，一个同样大小的泵可以支持3个0.5平米过滤面积中空膜管过滤器，适用于5000升的生物反应器，用于细胞的浓缩和慢病毒的收集等应用。可以使用在循环切向流过滤模式。

4.通过使用有内芯的模管，需要的循环流量可以降到原来的1/5或更小就能够提供足够的剪切。使用带有内芯的膜管的过滤器，同样的泵可以支持5倍的膜的过滤面积，提供提高泵的产能到原来的5倍。通过本发明的技术方案可以用100升/分钟的一次性磁悬浮泵，用于1万升的反应器的细胞灌流或或细胞产物的收集操作。

通过使用有内芯的模管，需要的循环流量可以降到原来的1/5或更小就能够提供足够的剪切。使用这样的膜管带有内芯的过滤器，同样的泵可以支持5倍的膜的过滤面积，提供提高泵的产能到原来的5倍。通过使用图3结构的真空膜管带有膜芯的过滤器，通过3级的Z字型结构，第一级，4根膜管；第2级2根膜管；第3级1根膜管，总的过滤面积有1平方米。可以通过一个反应器将料液的体积浓缩到原来的1/5或更小。并且，需要的泵的循环流量可以小于2.5升/分钟，每小时处理量可以达到750升或更高。如果使用100升每分钟的循环流量，可以支持40平米左右的膜面积，每小时可以处理3000升左右的滤液。可以支撑5000升到1万升的生物反应器的细胞培养和细胞产品的收获工艺。

以上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，简单使用在循环切向流过滤模式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述装置包括过滤器壳体，第一端盖，中空纤维膜管，第二端盖；其中，所述中空纤维膜管设置于所述过滤器壳体内，所述中空纤维膜管的两端采用聚氨酯或树脂灌封并固定至所述过滤器壳体的内壁，使所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中形成单程的料液通道，所述第一端盖和所述第二端盖设置于所述过滤器壳体的两端，并且通过可连接固定至所述过滤器壳体；并且在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进出口和滤液进出口；所述第一端盖的料液进口连通至所述中空纤维膜管内的料液通道，并且所述中空纤维膜管中的料液通道连通至所述第二端盖的料液出口；所述第一端盖上设置有滤液进口管，所述滤液进口管从所述第一端盖的外壁向内延伸，并且可和穿过所述中空纤维膜管的灌封层并延伸至所述过滤器壳体内的滤液管相连接，所述第二端盖上设置有滤液出口管，所述滤液出口管从所述二端盖的外壁向内延伸，并和穿过所述中空纤维膜管的灌封层的滤液管结合，延伸至所述过滤器本体内，形成独立的滤液通道。

2.根据权利要求1所述的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述过滤器壳体中可设置两根或者以上所述中空纤维膜管，两根或者以上的所述中空纤维膜管在所述装置的过滤器壳体中并联设置，形成多个料液通道。

3.一种基于中空纤维膜管的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述装置包括过滤器壳体，第一端盖，中空纤维膜管，第二端盖；其中，所述中空纤维膜管设置于所述过滤器壳体内，所述中空纤维膜管的两端采用聚氨酯或树脂灌封并固定至所述过滤器壳体的内壁，使所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中形成单程的料液通道，所述第一端盖和所述第二端盖设置于所述过滤器壳体的两端，并且可连接固定在所述过滤器壳体；并且在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进出口和料液出口；所述第一端盖的料液进口连通至所述中空纤维膜管内的料液通道，并且所述中空纤维膜管中的料液通道连通至所述第二端盖的料液出口；所述第一端盖上设置有滤液进口管，所述滤液进口管从所述第一端盖的外壁向内延伸，并且和穿过所述中空纤维膜管的灌封层并延伸至所述过滤器壳体内的滤液管相连接，所述第二端盖上设置有滤液出口管，所述滤液出口管从所述二端盖的外壁向内延伸，并和穿过所述中空纤维膜管的灌封层的滤液管结合，延伸至所述过滤器本体内，形成独立的滤液通道；

所述过滤器壳体中可设置两根或者以上所述中空纤维膜管，两根或以上的所述中空纤维膜管由U型管接头连接，使所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中串联设置，形成单一的料液通道。

4.根据权利要求1或3的任一项所述的单程切向流过滤装置，其特征在于，料液由所述第一端盖的料液入口进入所述中空纤维膜管中的料液通道，并且在流动的过程中由于跨膜压的作用使滤液穿过所述中空纤维膜管的管壁，进入所述过滤器壳体内汇集，并由所述过滤器壳体中形成的滤液通道流出，实现料液的分离，浓缩，或提纯。

5.一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述装置包括过滤器壳体，第一端盖，多个中空纤维膜管，第二端盖；其中，多个所述中空纤维膜管设置于所述过滤器壳体内，多个所述中空纤维膜管的两端由聚氨酯或树脂灌封并固定至所述过滤器壳体内，并且多个所述中空纤维膜管采用先并联后串联的方式连接，使所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中形成多级串联的料液通道，所述第一端盖和第二端盖设置于所述过滤器壳体的两端，并且连接至所述过滤器壳体，在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进口和料液出口；所述第一端盖的料液进口连通至所述中空纤维膜管的料液通道；并且所述中空纤维膜管中的料液通道连通至所述第二端盖的料液出口；所述过滤器壳体上设置有滤液出口。

6.根据权利要求5所述的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述过滤器壳体中可设置多根所述中空纤维膜管进行先并联后串联的多级连接，其中，料液从所述第一端盖的料液进口进入所述第一端盖内的空间，并流入到由多个所述中空纤维膜管并联的第一级膜管之中，流入所述第一级膜管的料液在进入所述第二端盖内的空间后改变流动方向，进入由串联形成的第二级膜管，从所述第二级膜管流出的料液通过串联的连接管路，改变流动方向，并汇入到第三级膜管，第三级膜管延伸至第二端盖的料液出口，在第三级膜管汇集后的料液通过第二端盖上的料液出口流出；料液在流经三级膜管的过程中，穿过膜管管壁的滤液在过滤器壳体内汇集并通过滤液出口管流出。

7.根据权利要求5所述的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述中空纤维膜管的内径在2mm～5mm，截流孔径的孔径为1um～8um，膜管的壁厚为2mm～5mm。

8.一种基于中空纤维膜的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述装置包括过滤器壳体，第一端盖，中空纤维膜管，第二端盖；其中，所述中空纤维膜管设置于所述过滤器壳体内，所述中空纤维膜管的两端由聚氨酯或树脂灌封固定至所述过滤器壳体内，使所述中空纤维膜管在所述过滤器壳体中形成料液通道，并且所述中空纤维膜管中设置有柱芯；所述柱芯的一端设置有固定结构，并通过密封件在所述过滤器壳体和端盖之间固定；并且所述柱芯的另一端插入所述中空纤维膜管中并贯穿所述中空纤维膜管的料液通道；

所述第一端盖和第二端盖设置于所述过滤器壳体的两端，并且可连接安装于所述过滤器壳体，并且在所述第一端盖和所述第二端盖上分别设置有料液进口和料液出口；并且所述柱芯的固定结构上设置有开口，所述中空纤维膜管中的料液通道通过所述开口连通至料液进口和料液出口；所述过滤器壳体上设置有滤液出口。

9.根据权利要求8所述的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述柱芯为圆柱形的结构；并且所述柱芯的直径沿着所述中空纤维膜管的轴向逐渐变小。

10.根据权利要求8所述的单程切向流过滤装置，其特征在于，所述柱芯的外壁沿周向均匀设置有多个筋条或突出部，所述筋条或突出部与所述中空纤维膜管的内壁接触，使得所述柱芯与所述中空纤维膜管之间形成的料液通道，能够通过所述筋条的形状和尺寸，引导料液的流动路径和流动形态，增加湍流，提高过滤效率。

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