CN116531952A - 螺旋卷绕的过滤装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种螺旋卷绕的膜模块，包括：具有轴向延伸的内部孔的穿孔芯；至少一个膜包，其包括限定第一外部面、第一内部面、第二外部面和第二内部面的折叠膜片，折叠膜片的折叠是膜包的前端；进料片，其被定位在第一和第二内部面之间以便被折叠膜片夹在之间；第一渗透筛网，其邻近膜片的第一外部面从而限定第一渗透通道；第二渗透筛网，其邻近膜片的第二外部面从而限定第二渗透通道；以及被联接到膜包的前缘的不可渗透流体的支撑件。也公开了一种制造螺旋卷绕的膜模块的方法。

Description

螺旋卷绕的过滤装置及其制造方法

本申请要求2018年12月14日提交的美国临时专利申请序列号62/779,860、2018年12月14日提交的美国临时专利申请序列号62/779,867、2018年12月17日提交的美国临时专利申请序列号62/780,634和2018年12月17日提交的美国临时专利申请序列号62/780,689的优先权，所有的以上美国临时专利申请的公开内容特此通过引用并入。

本申请是中国专利申请201980082409.3(申请日：2019年12月05日；名称：螺旋卷绕的过滤装置及其制造方法)的分案申请。

技术领域

本公开大体涉及螺旋卷绕的膜过滤器元件或模块及其制造方法。更具体地，公开了一种螺旋卷绕的过滤器模块，其中该模块包括一个或更多个特征来提供粘结剂迁移控制、防止进料通道几何形状变化并且最小化或消除空隙，从而导致螺旋卷绕的过滤器的更一致的制造工艺和一致的可再现性。也公开了制造方法，其基于一种新颖的组装工艺，凭此膜和筛网首先绕渗透排放芯卷绕以形成螺旋，之后粘结剂被施加以形成渗透封套，将螺旋体附着到芯，密封圆周，并且将环面填充到外壳或者提供承压圆周壳体。

背景技术

螺旋卷绕的过滤器模块通常被用于过滤，包括超过滤和反渗透。通常，通过围绕穿孔中空芯或者心轴螺旋卷绕多个膜片、间隔件材料和渗透片(permeate sheet)来制造这样的模块，其之后可以被居中地定位于外壳或者筒中。

更具体地，螺旋卷绕的过滤模块是多层装置，其可以包括一个或更多个渗透间隔件(其可以是多孔织物)、一个或更多个膜片和一个或更多个进料筛网或间隔件。可以通过围绕渗透芯、管或心轴螺旋卷绕所述一个或更多个膜、进料间隔件和渗透筛网来构造模块，所述渗透芯、管或心轴内具有多个诸如槽或孔洞的开口以与中央孔连通来收集渗透物。粘结剂可以被用于将得到的组件围绕心轴固定就位。得到的模块可以被定位在能够承受典型的操作压力的外壳中。

一些螺旋卷绕的过滤模块可以包括多个叶片，每个叶片均具有被夹在两个膜片之间的可以是多孔织物材料的一层渗透片或筛网。膜片可以对半折叠且进料筛网被定位在这两个半部之间以形成膜包。膜包和渗透片围绕心轴或芯卷绕，该心轴或芯内具有开口以收集渗透物。具有一个和四个叶片的模块是典型的，不过可以由任何数量的叶片构成。例如，0.1m²模块可以具有单个叶片；0.5m²模块可以具有四个叶片，并且具有大于1m²(例如，2.0m²)的膜面积的较大的螺旋装置可以具有多达16个叶片。

然而，膜包的螺旋缠绕导致在包前缘前方的楔形空隙(见图1)。此外，膜能够向后离开进料筛网，也会导致在进料筛网前方的间隙或空隙(图1)，这会导致围绕筛网产生旁通流。该旁通流会降低性能。

此外，粘结剂被手动引入到组件中以将层结合在一起并且至穿孔芯，并且这个工艺通常导致不规则的粘结剂边界，这进而能够导致膜面积的可变性以及更高风险的人为错误导致的完整性故障。

因此，期望减缓或者消除这些问题并改进螺旋卷绕的过滤模块的性能。

发明内容

通过此文中公开的实施例已经克服了现有技术的问题，所述实施例涉及螺旋卷绕的过滤模块及其制造方法。在某些实施例中，过滤模块包括支撑件，诸如楔形支撑件，其用于消除否则在组装期间会由于卷绕操作形成的一个或更多个空隙，并且用于消除膜运动离开进料筛网时的一个或更多个空隙。在某些实施例中，支撑件被定位成占据通常会形成这样的空隙的一些或全部区域，并且支撑将从芯径向向外卷绕的膜和筛网。这防止了上面每个层的进料通道在较高压力下改变几何形状。这种附加的优点保持了进料通道几何构造贯穿装置恒定，从而增加了性能并减小了压降可变性。此外，膜包的前缘的折痕、裂纹和折叠故障是螺旋中的保持损失的公知模式，并且被联接到膜包的前缘的支撑件能够减少操作中前缘的故障的可能性。

当在灌封工艺期间粘结剂被抽入或驱动到装置中时实现了支撑件的另一优点。支撑件防止了有害的灌封粘结剂通过楔形间隙迁移到装置中，特别是涉及多叶片螺旋模块的情况下。支撑件的存在还减少了所需的粘结剂的量。

在某些实施例中，公开了一种过滤器模块，其通过围绕芯螺旋卷绕多层材料以形成具有两个对置螺旋端表面的大体圆柱形构造来形成。层沿着纵向和横向边缘被粘附，以致在使用中通过一个螺旋端表面被供给到单元的未过滤流体在其通过对置螺旋端表面离开单元之前必须通过或切向跨过一个或更多个膜层。在卷绕的过滤器的每个螺旋表面处提供密封布置结构以便确保进入流体在离开单元之前通过膜表面。在某些实施例中，多层材料包括一个或更多个膜片、一个或更多个进料筛网以及一个或更多个渗透片或筛网。所述一个或更多个膜片可以沿其长度折叠一次以形成具有被一体连结在一起的两个半部的叶片，并且进料筛网被定位或夹在这两个半部之间以形成膜包。组件形成螺旋卷绕的渗透和浓缩流通道。支撑件被定位在膜包折叠的位置处，其在卷绕期间是其前缘，以便消除否则在绕芯卷绕包和渗透片时会形成的空隙区域。

为了过滤产品，产品可以在压力下在螺旋卷绕的膜模块的一个端面处被引入，并且轴向流动通过进料筛网，在此其然后切向流过膜并且其一部分流动通过膜，在此其到达被限定在每个膜和相邻渗透片之间的渗透通道。渗透物之后流动到穿孔芯并且最终从模块被移除。

在某些实施例中，公开了一种螺旋卷绕的膜模块，其包括：具有轴向延伸的内部孔的穿孔芯；至少一个膜包，其包括限定第一外部面、第一内部面、第二外部面和第二内部面的折叠膜片，所述折叠膜片的折叠是膜包的前端；进料片，其被定位在所述第一和第二内部面之间以便被折叠膜片夹在之间；第一渗透筛网，其邻近所述膜片的第一外部面从而限定第一渗透通道；第二渗透筛网，其邻近所述膜片的第二外部面从而限定第二渗透通道；以及被联接到所述膜包的所述前缘的不可渗透流体的支撑件。

在一些方面中，存在多个膜包，每个均具有前缘和被联接到每个相应前缘的不可渗透流体的支撑件。

在一些方面中，不可渗透的支撑件是楔形的。

在一些方面中，不可渗透的支撑件是可非均匀变形的以便填充非均匀空隙空间。

在一些方面中，模块的横截面是圆柱形的并且具有固化的粘结剂的外表面。

在某些实施例中，公开了一种灌封螺旋卷绕的膜的方法，该方法包括：将螺旋卷绕的膜定位成与模具空腔处于密封关系；将粘结剂引入到模具空腔中；向渗透芯、管或心轴施加真空，凭此真空将粘结剂驱动到渗透通道中并且围绕芯的外周边；以及允许粘结剂固化。在绕芯放置渗透筛网缠绕的情况下，粘结剂也被驱动到该渗透筛网中以便将螺旋锚定到芯。在这种方法中的螺旋仅包括带边界进料筛网，其被设计成在灌封工艺期间防止粘结剂侵入到进料通道中；它们在对应于渗透封套的三个侧面的所有侧面上包括不可渗透的边界。侧边界被制成比渗透封套侧接缝更窄；因此当它们在螺旋粘结剂固化之后被移除(例如切掉)时，进料通道针对切向流打开，同时渗透封套保持密封。进料筛网也可以具有四个边界，其中第四边界在进料筛网的前缘上(接近膜包中的折叠)；其可以防止进料筛网损坏前缘膜。

附图说明

图1是根据现有技术的示出在螺旋卷绕的过滤装置的膜和进料筛网之间形成的楔形空隙的相片；

图2是根据某些实施例的示出在螺旋卷绕的过滤装置的膜和渗透筛网之间以及在膜和进料筛网之间形成的楔形空隙中插入的支撑件的相片；

图3是根据某些实施例的支撑件的横截面图；

图4是在卷绕操作期间支撑件和膜包的示意图；

图5是根据某些实施例的灌封模具的横截面图；

图6是根据某些实施例的螺旋卷绕的膜模块的俯视图的相片；

图7是根据某些实施例的具有带边界的进料筛网的模块的相片；

图8是根据某些实施例的带四个边界的进料筛网的相片。

具体实施方式

通过参考附图可以获得对本文中公开的部件、工艺和装置的更完整的理解。附图仅是基于便利性和易于演示本公开的示意性表示，并且因此并不旨在限定或限制示例性实施例的范围。

尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在指代在附图中为了说明所选择的实施例的具体结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下的随后描述中，应理解，相似的附图标记指的是具有相似功能的部件。

单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数指代物，除非上下文另有明确说明。

如说明书中所使用的，各种装置和部分可被描述为“包括”其它部件。如本文中所使用的，术语“包括”、“包含”，“具有”、“有”、“可以”、“容纳”及其变型旨在为开放式的过渡短语、术语或词语，其不排除附加的部件的可能性。

在某些实施例中，过滤装置是过滤模块，其具有流体入口、与流体入口间隔开的流体出口、渗透出口、具有多个开口和沿着其整个长度轴向延伸孔的中央芯、一个或更多个膜包以及一个或更多个渗透片，每个所述膜包被夹在进料片或筛网之间，该进料片或筛网可以是诸如聚丙烯的聚烯烃片，并且也可以诸如一个或多个聚酯筛网的一个或更多个渗透片，其可以被环氧树脂浸渍以向其提供足够的强度来承受使用期间遇到的典型的操作压力。进料筛网为在将其夹在之间的对置膜之间的进料流提供空间。渗透片为至穿孔芯的渗透流提供流体路径。一个或更多个膜包和一个或更多个渗透片绕芯卷绕成螺旋构造。每个膜包内的膜可以是单层膜或多层膜，并且可以被用于过滤不希望的材料，所述材料包括污染物，诸如传染生物和病毒以及环境毒素和污物，其可以通过大小排除和其组合的化学或物理吸附被移除。膜可以由任何合适的材料组成，包括但不限于聚醚砜、聚酰胺例如尼龙、纤维素、聚四氟乙烯、聚砜、聚酯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯、碳氟化合物(例如聚(四氟乙烯-共-全氟(烷基乙烯基醚)))、聚碳酸酯、聚乙烯、玻璃纤维、聚碳酸酯、陶瓷和金属。它可以是微过滤、超过滤或反渗透膜。超过滤膜是特别优选的。

一种合适的螺旋卷绕的过滤装置是MilliporeSigma商售的胶囊。胶囊是单次使用的、单次通过切向流过滤装置，其使用/>复合耐溶剂膜并且适合于抗体-药物缀合物和单克隆抗体的生物加工。本领域技术人员将意识到其它螺旋卷绕的装置也是合适的，包括可再用和/或多次通过切向流装置。

通常，螺旋卷绕的装置是通过将由一个或更多个由折叠膜和夹在折叠膜之间的进料筛网构成的包以及一个或多个渗透片围绕穿孔芯或心轴卷绕到装置中来制造的。在一些实施例中，渗透片的一个完整圆周缠绕可以首先围绕芯卷绕以便提供适度的流体路径以用于渗透流体行进到芯中的开口。因为膜包通常比其它材料更厚，所以随着其卷绕在自身上，膜包的卷绕操作在膜包的前缘5的前方产生楔形空隙区域，如图1中能够看到的。

更具体地，图1图示了膜10的折叠前缘5，其中进料筛网12被夹在折叠膜10之间。具有被夹在折叠内的进料筛网的折叠膜10包括膜包14。随着膜包14在其自身上卷绕，空隙区域15恰如所见形成在膜包前缘5的左边，并且这个空隙区域15通常是楔形的。为了消除这个空隙区域15，常规地其被过量粘结剂填充以便将其密封，这是个繁冗的手动工艺并且不是总能够成功。例如，卷绕张力的随后压缩和夹力能够导致粘结剂被挤出空间，从而再次产生空隙区域，并可能使其周围区域变形。这产生了流体流的旁通区域并且降低了装置的产品产量和整体性能。

根据某些实施例，支撑件20被联接到膜包的前缘5，以致一旦卷绕包，则支撑件20占据否则会形成空隙区域15的空间，如图2和图4中所示。能够基于在给定大小的过滤器模块的典型卷绕操作期间形成的空隙区域15的大小和形状的先前经验来确定支撑件20的大小和形状。支撑件20能够使用粘结剂手段、超声波焊接手段、热焊接手段、紫外线胶手段或者任何其它的合适的手段被联接到前缘5。

图3图示了支撑件20的优选实施例，其中示出了楔形支撑件20。一旦膜包14卷绕，则支撑件20将占据通常会形成空隙区域15的区域，并且最小化或避免了流体旁通区域，这是因为膜10被迫保持与进料筛网12接触。

此外，根据如下所述的某些实施例，在灌封工艺期间，装置被浸入粘结剂中，并且在渗透流体流通道上抽真空。如果存在空隙15，则粘结剂迁移到渗透流体流通道中，从而导致堵住通道。因此支撑件20也用于减缓或者消除这样的粘结剂迁移，并且减少密封区域所必须的粘结剂的量。这也导致在芯或者心轴12附近的更均匀的渗透通道接缝并且最终导致在每个螺旋卷绕的过滤模块内具有更均匀的膜面积。

在某些实施例中，支撑件20使用合适的粘结剂(例如，环氧树脂或者聚氨酯)被附接到膜包14的前缘5，诸如在接缝位置处。在多个膜包14卷绕在单个芯上(例如以多叶组件)的情况下，每个膜包14可以具有被附接到其前缘5的一个支撑件20。例如，图6图示了四叶片组件，并且因此存在从中央穿孔芯12径向向外可见的四个支撑件20。

在一些实施例中，支撑件20是楔形的以便匹配在没有支撑件20时会形成的预期空隙。在一些实施例中，支撑件20的较厚端21是0.031英寸厚，并且朝向支撑件20的薄边缘22渐缩，该薄边缘22是0.003英寸厚，不过本领域技术人员将意识到该大小不是关键的，因为支撑件20是可压缩的并且将顺应空隙的形状。薄边缘22可以具有是倒圆角或圆整的角，以便消除在可能撕裂与其接触的材料的尖锐边缘。支撑件20的较厚端21可以使用合适的粘结剂被固定到膜包的前端5。在某些实施例中，支撑件20是细长的并且延伸膜包14的整个长度，如图8中最佳所见。在另一些实施例中，单独的支撑件20可以仅被定位在膜包14的相对面处以便阻挡粘结剂侵入渗透通道中，并且不延伸膜包14的整个长度。在某些实施例中，支撑件20由固体、不可渗透流体的材料制成，材料对于将要执行的模块的过滤操作无害，并且能够为用于引入粘合剂的模具上的真空密封提供足够的密封，如下面更详细地讨论的。合适的材料包括热塑性弹性体，诸如Pebax 5533SA01 Med Pantone 298C。优选地，材料具有足够柔性以顺应芯12的形状。

一旦支撑件20被固定到膜包15的前缘5，膜包15可以在张力下与渗透筛网16(图4)和粘结剂一起绕芯12紧紧卷绕以形成卷绕螺旋组件。随着支撑件20被卷绕在其内，其变成在任一侧上被渗透筛网14夹在之间，该渗透筛网14将支撑件20保持就位直到粘结剂被施加以将其固定就位。因为膜包14的前缘5被支撑件20支撑，所以膜10保持与进料筛网12接触并且在夹辊步骤期间防止膜10塌缩，这从该区域移除粘结剂并且导致有害的流体旁通。

然而，在卷绕期间用粘结剂结合组件是有些变化的，并且容易形成会导致装置故障的间隙。

因此，根据某些实施例，组件能够通过使用驱动力(诸如真空)或者一些压力差被结合在一起，以便将大体低粘性粘结剂均匀地分配到渗透片14中，以产生稳健且均匀的接缝而没有手动制造的接缝所导致的可变性。为了防止在灌封工艺期间灌封粘结剂进入进料通道，不可渗透流体的进料筛网边界可以如图7中所示地被使用。进料筛网边界也防止任何进料流到达边界之外的任何膜。这种效果限定了有效膜面积，从而显著降低了膜面积可变性。在前缘和后缘上应用进料筛网边界将到膜区域的流仅限制在这些边缘内部，并且因此限定每个膜包的有效膜长度，这也改善了进料通道几何形状和渗透通道几何形状。在某些实施例中，至少三个进料筛网侧面包括不可渗透流体的边界，以便在灌封期间防止粘结剂进入进料通道。在一些实施例中，不可渗透流体的边界中的一个在进料面上，一个在滞留物面上，并且一个在膜包的开口尾端(其是圆周的一部分)上。进料和滞留物边界被移除以激活进料流的螺旋。进料尾边界可以保留。在一些实施例中，在灌封期间进料筛网的所有四个侧面包括不可渗透流体的边界(图8)，并且同样地进料和滞留物边界被移除以激活进料流的螺旋。在进料通道中的粘结剂将导致进料通道流的灾难性损失，或者由于膜分层(例如，当膜在进料加压下分离时)而导致操作中的完整性损失。

一旦灌封粘结剂被施加并固化，则螺旋入口和出口面上的边界能够被移除，诸如通过将其切掉以重新打开进料通道。粘性聚氨酯粘结剂(或者热塑性塑料、硅树脂或者热塑性弹性体)适合于形成不可渗透固体的进料筛网边界。在某些实施例中，在将边界粘结剂分配到进料筛网上以形成不可渗透流体的边界期间，诸如聚乙烯膜的膜可以被用作进料筛网的背衬层。在一些实施例中，在所有粘结剂已经围绕周边沉积之后，第二层膜(例如聚乙烯膜)也被施加到进料筛网的顶部，并且得到的进料筛网夹层被压缩以使得粘结剂分布成边界的形状。

图5示出了适合的模具主体30，该模具主体30用于使用真空作为分布粘结剂的驱动力来灌封卷绕螺旋组件。在某些实施例中，干的卷绕螺旋组件25被放置在模具主体30中，该模具主体30具有与内部模具主体空腔32流体连通的粘结剂注射端口31，干的卷绕螺旋组件25被定位于该空腔32中。优选地，粘结剂注射端口31位于模具主体30的底部处或附近，以致在施加驱动力时粘结剂向上流动，使得在填充期间移除任何被困住的空气。在一些实施例中，干的卷绕螺旋组件25的穿孔芯12被放置成与模具主体30的渐缩或O形环界面33处于密封关系。O形环密封件36或类似件可以被提供在模具主体30的相对端处，以确保干的卷绕螺旋组件25与模具主体30处于密封关系，以致在施加真空时，不存在泄漏。

在一些实施例中，适合的灌封粘结剂(诸如环氧树脂或者聚氨酯)被引入到注射端口31中，并且在真空入口40处施加真空以便将粘结剂驱动到渗透筛网中，从而产生所有必要的装置接缝，并且围绕螺旋形组件25以完全地封装组件25。适合的真空水平范围是从1-300秒的从1-15汞柱。一旦粘结剂固化，则装置被覆盖在由渗透筛网35增强的环状硬壳体中(图6)，这会在高压降(例如高达100psig)情况下抵抗膨胀。这样的膨胀能够打开进料通道几何形状并且导致装置性能的降低。

在一些实施例中，模具主体30能够被构造成使得在固化的粘结剂的外表面上形成某些特征，诸如环状环以用于在形成的螺旋组件被用作独立模块(即没有任何外部外壳或者压力容器)的情况下接收O形环。这些特征也可以被机加工。

在一些实施例中，模具能够是形成最终产品的部分的外壳，诸如其内部定位有螺旋卷绕的过滤器的塑料外壳。

装置可诸如通过蒸汽、环氧乙烷气体或诸如β或γ辐射的辐射进行消毒。

虽然已经在此文中公开了各种方面和实施例，不过在阅读和理解前述具体描述之后，其它方面、实施例、修改和变化对本领域技术人员将是明显的。此文中公开的各种方面和实施例是用于说明目的并且不试图是限制性的。本公开试图被解释为包括所有这样的方面、实施例、修改和变化，只要它们落入所附权利要求及其等价物的范围内。

Claims (8)

1.一种形成过滤器模块的方法，包括提供至少一个膜片、至少一个进料筛网和至少一个渗透片；将所述至少一个膜片沿其长度折叠，以形成具有一体连结在一起的两个半部的叶片；将所述至少一个进料筛网定位于所述两个半部之间，以形成具有膜包折叠的膜包；在所述膜包折叠的位置定位不可渗透的支撑件，以形成所述膜包的前缘；以及将所述膜包和所述至少一个渗透片围绕芯螺旋地卷绕，所述不可渗透的支撑件的位置避免在所述膜包的所述前缘前面形成空隙区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不可渗透的支撑件为楔形。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模块的横截面是圆柱形的并且具有固化的粘结剂的外表面。

4.根据权利要求1所述的方法，包括提供多个膜包，每个均具有前缘和被联接到每个相应前缘的不可渗透流体的支撑件。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过将螺旋卷绕的膜模块定位成与模具空腔处于密封关系来灌封所述过滤器模块；将粘结剂引入到所述模具空腔中；将真空施加到所述模具空腔；凭此，所述真空将所述粘结剂驱动到第一渗透通道和第二渗透通道中；并且允许所述粘结剂固化。

6.一种通过具有端面的螺旋卷绕的膜模块过滤产品的方法，该模块包括：穿孔芯，所述穿孔芯具有轴向延伸的内部孔；至少一个膜包，所述至少一个膜包包括限定第一外部面、第一内部面、第二外部面和第二内部面的折叠膜片，所述折叠膜片的折叠是所述膜包的前端；进料片，所述进料片被定位在所述第一内部面和所述第二内部面之间以便被所述折叠膜片夹在之间；第一渗透片，所述第一渗透片邻近所述膜片的所述第一外部面，限定第一渗透通道；第二渗透片，所述第二渗透片邻近所述膜片的所述第二外部面，限定第二渗透通道；以及被联接到所述膜包的所述前缘的不可渗透流体的支撑件并且占据在所述前缘和所述第一渗透片和所述第二渗透片之间的空隙；该方法包括：

在压力下在所述端面引入所述产品，使所述产品轴向流动通过进料筛网，以及然后切向流过所述膜，其一部分流动通过膜，在此其到达被限定在每个膜和相邻渗透片之间的渗透通道。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括从所述模块中移除流动到穿孔芯的渗透物。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述不可渗透的支撑件为楔形。