EP3439768A1 - Crossflow-filtrationseinheit zur kontinuierlichen diafiltration - Google Patents

Crossflow-filtrationseinheit zur kontinuierlichen diafiltration

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EP3439768A1
EP3439768A1 EP17719481.8A EP17719481A EP3439768A1 EP 3439768 A1 EP3439768 A1 EP 3439768A1 EP 17719481 A EP17719481 A EP 17719481A EP 3439768 A1 EP3439768 A1 EP 3439768A1
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EP
European Patent Office
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retentate
diafiltration
gap
filtration unit
feed liquid
Prior art date
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Pending
Application number
EP17719481.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Leuthold
Ulrich Grummert
Peter Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sartorius Stedim Biotech GmbH
Original Assignee
Sartorius Stedim Biotech GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Sartorius Stedim Biotech GmbH filed Critical Sartorius Stedim Biotech GmbH
Publication of EP3439768A1 publication Critical patent/EP3439768A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23C—DAIRY PRODUCTS, e.g. MILK, BUTTER OR CHEESE; MILK OR CHEESE SUBSTITUTES; MAKING THEREOF
    • A23C9/00—Milk preparations; Milk powder or milk powder preparations
    • A23C9/14—Milk preparations; Milk powder or milk powder preparations in which the chemical composition of the milk is modified by non-chemical treatment
    • A23C9/142—Milk preparations; Milk powder or milk powder preparations in which the chemical composition of the milk is modified by non-chemical treatment by dialysis, reverse osmosis or ultrafiltration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M1/00—Suction or pumping devices for medical purposes; Devices for carrying-off, for treatment of, or for carrying-over, body-liquids; Drainage systems
    • A61M1/34—Filtering material out of the blood by passing it through a membrane, i.e. hemofiltration or diafiltration
    • A61M1/3413—Diafiltration
    • A61M1/3417—Diafiltration using distinct filters for dialysis and ultra-filtration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/149—Multistep processes comprising different kinds of membrane processes selected from ultrafiltration or microfiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
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    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B01D63/084—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes at least one flow duct intersecting the membranes
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
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    • A61M2205/33—Controlling, regulating or measuring
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2319/00—Membrane assemblies within one housing
    • B01D2319/06—Use of membranes of different materials or properties within one module

Definitions

  • the present invention relates to a crossflow filtration unit for continuous diafiltration of a feed liquid for obtaining a retentate and a permeate, a corresponding method for diafiltration and the use of the crossflow filtration unit.
  • cross-flow filtration which can also be referred to as crossflow or tangential flow filtration
  • a feed fluid to be filtered overflows tangentially the surface of a filter material, which is usually a membrane, thereby becoming a retentate (concentrate) and a Permeate (filtrate) of different compositions split.
  • the retentate flows over the surface of the filter material and can be removed after a single pass ("single-pass" operation), but can also be recirculated so that it repeatedly flows over the membrane surface, permeate flows through the membrane perpendicular to the surface
  • Target substances to be obtained may be present in the permeate (permeate) and / or in the retentate (retentate)
  • Crossflow filtration units are frequently used in the form of filter cartridges, as described, for example, in DE-PS 34 41 249.
  • Filter cassettes comprise a plurality of adjacent crossflow filtration units (filter cells), which generally consist of repeated arrangements of a retentate gap for the feed liquid or retentate to be filtered, a flat membrane layer and a permeate collection gap Membrane layer delimited by the retentate of the next filter cell.
  • Each retentate slit is fluidly communicated with an inlet for the feed liquid to be filtered and with an outlet for the retentate, and each permeate collection slit is with an outlet fluidly connected to the permeate.
  • a feed liquid is separated into a retentate and a permeate.
  • this separation is combined with a step of adding a diafiltration medium to the feed / retentate.
  • This makes it possible, for example, to free a common solution of target substance (s) and one or more further substances from the other substances.
  • a buffer exchange or a desalting optionally combined with a concentration, can be achieved.
  • volume variable diafiltration sometimes referred to in the art as “discontinuous” diafiltration
  • volume constant diafiltration sometimes referred to in the art as “continuous” diafiltration
  • variable volume diafiltration filtration steps and steps of adding a diafiltration medium alternate. Consequently, in the course of this process variant, the volume of the retentate, from which the term “discontinuous diafiltration” is caused to fluctuate, in the volume-constant diafiltration, the volume of the retentate is kept constant by both the filtration and the addition of the diafiltration medium being carried out continuously
  • both the variable volume and volume constant diafiltration are batch processes, and in a batch diafiltration process, a fixed volume of feed liquid must be completely subjected to a process run before a new process run can be started (,, batch "process).
  • continuous processes in which material flows can be continuously added and removed are preferable to discontinuous processes. Therefore, there is a need for a continuous diafiltration process.
  • the object of the present invention is therefore to provide a crossflow filtration unit which is suitable for continuous diafiltration.
  • the present invention relates to a cross-flow filtration unit for continuously diafiltering a feed liquid to obtain a retentate and a permeate, comprising at least a diafiltration nip, a sheet-like first filter material, a retentate slit, a sheet second filter material, and a permeate collection slit arranged such that the sheet-like first Filter material delimits the diafiltration gap and the retentate gap and the two-dimensional second filter material delimits the retentate gap and the permeate collection gap, wherein the diafiltration gap fluidly with at least one inlet for the diafiltration medium, the retentate gap fluidieit with at least one inlet for the feed liquid and at least one outlet for the Retentate and the Permeatsammelspait fluidieitend is connected to at least one outlet for the Permeai, and wherein the pore size or the Molekulargewic Exclusion limit of the flat first filter material is at least as large as
  • the sheet-like first filter material has a molecular weight cut-off (MWCO) in the range of 30 kDa to 1500 kDa.
  • the sheet second filter material preferably has a molecular weight cutoff in the range of 5 kDa to 1500 kDa.
  • the determination of molecular weight cut-off can be made according to US standard ASTM E1343-90 ("Standard test method for molecular weight cutoff evaluation of flat sheet ultrafiltration membranes").
  • the planar first filter material preferably has a pore size of 0.01 to 50 ⁇ ⁇ , preferably 0.01 to 0.5 mm.
  • the flat second filter material preferably has a pore size of less than 0.01 ⁇ .
  • the determination of the pore size which is also referred to as the "largest pore diameter" or "dp" and in English as “maximum pore size", can according to US Standard AST F316-03 TEST METHOD A ("Standard test methods for pore size characteristics of membrane filters by bubble point and mean flow pore test ").
  • the filming medium is introduced between series-connected cross-flow filtration units or the feed liquid is diluted with diafiltration medium, combined with precursor or subsequent concentration by cross-flow filtration.
  • the crossflow filtration unit according to the invention, however, it is possible to introduce a certain amount of diafiltration medium into the retentate gap by means of suitable pressurization for optimal diafiltration.
  • the volume of the diafiltration medium can be 0.1 to 15 times the volume of the feed liquid.
  • the diafiltration medium is introduced into the retentate gap in such a way that the entire available surface of the flat first filter material is covered with the diafiltration medium.
  • the crossflow filtration unit according to the invention By means of the crossflow filtration unit according to the invention, it is possible to obtain a diafiltration result which is improved compared with discontinuous diafiltration. In addition, the invention leads to a reduction of the process times and the expenditure on equipment. In continuous diafiltration, both feed liquid and diafiltration medium are continuously added, so that the process does not have to be interrupted. As a result, the Crossfiow filtration unit according to the invention enables efficient and economical process control.
  • fluids such as liquids, emulsions, suspensions, drinks such as beer, wine, juice, water, milk and whey, beer wort, industrial and waste water, solutions in the pharmaceutical, medical, cosmetic, Chemical, biotechnology, genetic engineering, environmental protection and laboratory area are used as a feed liquid and diafiltered. They can be used for the recovery of valuable materials, eg separation of macromolecules and biomolecules, depyrogenation and sterilization of solutions, removal of pollutants from the fluids, filtration and concentration of biological solutions, separation of microorganisms such as bacteria, yeasts, viruses and cell components used for the desalting of protein solutions and other biological media.
  • the cross-fiow filtration unit according to the invention can be used particularly advantageously for filtration, diafiltration, concentration (reduction of the solvent or water content), and / or modification of the ion composition (eg desalting or buffer exchange) of a solution, preferably a protein solution.
  • a solution preferably a protein solution.
  • feed liquid and retentate can be used synonymously.
  • area indicates that the respective filter material lies substantially in a single plane, and preferably all filter materials lie substantially in planes that are substantially parallel to one another.
  • the planar first Filter material a first filtration membrane.
  • the flat second filter material is preferably a second filtration membrane.
  • the areal first filter material is a first filtration membrane and the areal second filter material is a second filtration membrane.
  • a porous membrane in the ultrafiltration and microfiltration range is suitable as the first filter material.
  • the second filter material may advantageously be used an ultrafiltration membrane.
  • the ultrafiltration membranes are characterized by pore sizes of less than 0.01 pm, or characterized by molecular weight cut-off limits which are approximately in the molecular weight range of 5 to 1500 kDa, while the microfiltration membranes pore sizes in the range of 0.01 to 50 pm, preferably 0.01 to 0 , 5 pm, or molecular weight exclusion limits of 30 to 1500 kDa.
  • the filtration membranes may, for example, consist of polyvinylidene fluoride, cellulose and derivatives thereof, polyethersulfone or polysulfone, with crosslinked cellulose hydrate being particularly preferred.
  • the inlet for the feed liquid is mounted in a first edge area of the crossflow filtration unit and the outlet for the retentate is located in a second edge area of the crossflow filtration unit facing the first edge area.
  • a substantially uniform flow direction of the retentate from the inlet for the feed liquid is defined as the starting point for the exit of the retentate as an end point.
  • the flow direction of the retentate is thereby carried out largely parallel to the flow path along the flat filter material, that is substantially without deflections, whereby a stable and reliable flow of the retentate through the Crossflow filtration unit can be guaranteed.
  • the largely linear flow path without deflections, loops or the like can minimize the pressure drop in the filtration unit as well as undesirable effects of non-linear flows on target substances contained in the feed liquid.
  • the inlet for the diafiltration medium be mounted in the first edge region of the crossflow filtration unit.
  • the outlet for the permeate is mounted in the second edge region of the crossflow filtration unit.
  • at least one outlet for the permeate is attached both in the first and in the second edge region of the crossflow filtration unit.
  • the outlets for the permeate are mounted alternatively or additionally in the third and / or fourth edge region of the crossflow filtration unit.
  • the third edge region is located on the side of the flow direction in a plan view of the crossflow filtration unit from the side of the diafiltration sample.
  • the fourth edge region is accordingly on the right side and thus lies opposite the third edge region.
  • the first edge region comprises the outer third of the length of the filtration unit opposite to the direction of flow.
  • the second edge region comprises the outer third of the length of the filtration unit along the flow direction.
  • the marginal areas include the respective outer 20%, more preferably the respective outer 10%, and most preferably the respective outer 3%.
  • the inlets and outlets may be arranged so that the feed liquid already enters the retentate gap in the direction of flow and leaves it in the direction of flow.
  • the outlet for the permeate may be arranged such that the permeate leaves the permeate collection gap in the flow direction and / or the inlet for the diafiltration medium may be arranged so that it enters the diafiltration gap in the flow direction.
  • the inlets and outlets are arranged so that the diafiltration medium enters the diafiltration gap perpendicular to the flow direction and the feed liquid initially enters the retentate gap perpendicular to the flow direction and leaves it as a retentate perpendicular to the flow direction.
  • Such attachment of the inlets and outlets facilitates the arrangement of a plurality of filtration units according to the invention to a filter cartridge.
  • the crossflow filtration unit has a plurality of feed liquid inlets, a plurality of retentate outlets, and a plurality of permeate outlets.
  • the free volume of the diafiltration gap and / or the retentate gap decreases in the direction of flow from the inlet for the feed liquid to the outlet for the retentate. Due to the decreasing volume A and the flatness of the filter materials, the crossflow filtration unit has a low pressure drop and a substantially non-deflection flow path of the diafiltration medium and the retentate. This makes it possible to increase the area performance of the crossflow diafiltration unit and to operate the crossflow diafiltration unit in single-pass operation (only a single pass of the retentate takes place without recycling).
  • the decrease in the free volume along the flow direction is realized in that the width of the diafiltration gap and / or the width of the retentate gap decreases in the flow direction.
  • the width runs along the flat first filter material and perpendicular to the flow direction.
  • the width of the entire crossflow filtration unit decreases in the direction of flow.
  • the retentate gap or the crossflow filtration unit is preferably trapezoidal in a plan view along a normal of the plane in which the flat first filter material lies.
  • the trapezoidal basic shape of the diafiltration gap and / or the retentate gap or the crossflow filtration unit may be unequal in shape, for example at right angles, and is preferably isosceles.
  • the height of the diafiltration gap and / or the retentate gap or the crossflow filtration unit in the flow direction may decrease.
  • the diafiltration gap and / or the retentate gap can be wedge-shaped.
  • the height of the diafiltration gap and / or the retentate gap or the crossflow filtration unit is perpendicular to the flat first filter material and perpendicular to the flow direction.
  • the length runs parallel to the flow direction and along the flat first filter material.
  • the crossflow filtration unit has a length of at least 50 mm, preferably at least 150 mm, more preferably 500 mm, particularly preferably 750 mm or more.
  • Such a length can be achieved, for example, by connecting several, for example at least 2, at least 3 or at least 4, crossflow filtration units in series. Due to a longer length, a particularly high efficiency can be achieved.
  • the free volume of the permeate collection gap changes in the flow direction. Particularly preferably, the free volume of the permeate collection gap decreases in the flow direction. Thereby can for example, maintaining the outer dimensions of the filtration cassette.
  • Free volume decreasing in the direction of flow means that a cross-sectional area Ai which can be traversed by the diafiltration medium or the retentate lies in a plane which has a normal parallel to the flow direction and a corresponding cross-sectional area A2 which is parallel to A1 is further away from the inlet for the diafiltration medium or the feed liquid than Ai, wherein the area Ai through which the diafiltration medium or the retentate flows is greater than A 2 and there are no correspondingly defined planes ⁇ and A 2 'for which the Area of ⁇ - is smaller than that of A 2 '.
  • the decrease in the free volume can be continuous (for all Ai and A 2 , A> A 2 ) or continuous (for all Ai and A 2 , Ai> A 2 ). It is also possible that the Voiumenabddling is discontinuous, that is, along the Fiussoplasty at least one discontinuous drop or crack in the cross-sectional area occurs.
  • the change in the free volume of the retentate gap in the flow direction is preferably in the range from 20 to 1 to 1.2 to 1, preferably 10 to 1, depending on the filtration task.
  • the term "change in the free volume of the retentate gap in the flow direction" is understood to mean the ratio of the cross-sectional area Ai at the inlet for the feed liquid to the cross-sectional area A 2 at the outlet for the retentate.
  • the thickness of the diafiltration gap and / or the thickness of the retentate gap and optionally the thickness of the permeate collection gap decreases / decreases in the direction of flow.
  • the diafiltration gap, the retentate gap and the permeate collection gap are usually kept open by spacers for the respective media.
  • a flat spacer is / are mounted in the diafiltration gap and / or in the retentate gap of the crossflow filtration unit such that the free volume of the retentate gap decreases in the direction of flow.
  • Suitable spacers for crossflow filtration units are known in the art and may be used in the diafiltration nip, retentate nip and / or permeate collection nip of the crossflow filtration unit of the present invention.
  • the spacers are preferably modified such that their volume increases in the direction of flow, in order to achieve a decrease in volume of the free volume available for the diafiltration medium or the retentate.
  • Preferred spacers may be textile materials of organic or non-organic materials, such as woven, knitted, nonwoven or extruded nets.
  • the spacer may be a non-planar plate.
  • the non-planar plate may be a plate having at least one non-planar main surface.
  • the main surfaces of a slab are the opposing surfaces with the largest surface area.
  • the at least one non-planar major surface may have unevenness in the form of a corrugated or serrated surface.
  • the uneven surface may have protruding elements such as kegei (stumps), pyramids (stumps), nubs or other geometric figures.
  • the non-planar plate may also be similar to a corrugated sheet in a corrugated or serrated form, with the corrugations or serrations preferably extending parallel to the direction of flow. Suitable materials for the non-planar plate are the same as those listed below for open-meshed matrix spacers.
  • the spacer consists of an open-meshed matrix or of an extruded net.
  • Such spacers are known in the art and have been described for example in the publication of the German patent application DE 100 22 259 A1.
  • the spacers according to the invention are preferably modified such that their volume in the direction of flow increases in order to achieve a decrease in volume of the free volume available for the diafiltration medium or the retentate.
  • ordinary spacers can also be installed in the crossflow filtration unit according to the invention, for example in the permeate collection gap and / or in the diafiltration gap or in all columns of the filtration unit with decreasing width in the direction of flow.
  • a decreasing width can be achieved, for example, by a trapezoidal configuration of the gaps or the crossflow filtration unit.
  • the mesh width of the open-meshed matrix or of the extruded mesh can decrease in the direction of flow in order to achieve a decrease in the free volume along the direction of flow.
  • the mesh number at the inlet for the diafiltration medium or at the inlet for the feed liquid is 5 / cm to 15 / cm, in the middle between the inlet for the Diafiitrationsmedium or the inlet for the feed liquid and the outlet for the retentate 10 / cm to 30 / cm and at the outlet for the retentate 20 / cm to 40 / cm.
  • the open-mesh matrix or the extruded mesh can be constructed of intersecting longitudinal and transverse threads and the number and / or thickness of the longitudinal and / or transverse threads in the flow direction increase.
  • the open-meshed matrix is preferably made of an organic polymer such as polypropylene, polyethylene, polyester, polyvinyl chloride or polyvinylidene fluoride or blends thereof. It is also possible that the open-meshed matrix is composed of fibers of different types of polymers.
  • several layers of textile materials are arranged one above the other in the retentate gap such that the free Channel volume decreases in the flow direction.
  • This can be achieved, for example, in that the layers arranged one above the other start offset in the direction of flow.
  • the superimposed layers preferably extend to the second edge region.
  • Knitted fabrics, fleeces ! or extruded meshes may be made of organic or non-organic materials.
  • the embodiments shown here for realizing the decrease in the free volume of the diafiltration gap or retentate gap can be combined with one another as desired.
  • the retentate gap is delimited by a flat first filter material and a flat second filter material.
  • the diafiltration gap is limited by at least one areal first filter material.
  • the Permeatsammelspalt is limited by at least one flat second filter material.
  • a retentate gap is adjoined by a diafiltration gap and a permeate collection gap.
  • a preferred Crossfiow filtration unit comprises of a plurality of stacked arrangements of Diafiitrationspalt, flat first filter material, retentate, planar second filter material, Permeatsammelspalt, planar second filter material, retentate and flat first filter material, preferably completed by a further Diafiltrationsspalt, so that the stacked arrangements to a Filter cassette are summarized.
  • Suitable embodiments for filter cartridges are known in the art.
  • each Diafiltrationsspalt these arrangements on both sides by a respective filter material which corresponds to the first filter material, delimited by two Retentatspalten.
  • each permeate collection gap of these arrangements is preferably delimited on both sides by a respective filter material, which corresponds to the second filter material, from two retentate gaps.
  • the first filter materials and second filter materials may each be different from each other. That means it can basically different first filter materials and different second filter materials are used.
  • similar first filter materials and / or similar second filter materials are used.
  • the flat first and second filter materials independently of each other each have a substantially uniform thickness of preferably 50 ⁇ to 10,000 ⁇ , more preferably 150 ⁇ to 1000 ⁇ , on. If the flat boundary of the Diafiltrationsspaltes by the flat first Filtermateria!
  • the free volume of the diafiltration gap and / or the retentate gap can be wedge-shaped so that the free volume decreases in the direction of flow.
  • the diafiltration gap, the retentate gap and the permeate collection gap are bounded on both sides by largely parallel surfaces.
  • the shape of the crossflow filtration unit is not particularly limited.
  • the crossflow filtration unit may be, for example, cuboid or cylindrical.
  • the present invention relates to a process for diafiltration of a feed liquid to obtain a retentate and a permeate, comprising the steps
  • the above-described crossflow filtration unit is preferably provided which comprises a plurality of stacked arrangements of diafiltration nip, areal first filter material, retentate gap, areal second filter material, permeate collection gap, areal second filter material, retentate gap and areal first filter material such that the stacked arrays are combined to a filter cartridge.
  • the diafiltration medium used is not particularly limited. In principle, any fluid is suitable, with water and aqueous salt solutions being preferred. Particularly preferred as the diafiltration medium is an aqueous buffer solution.
  • the volume flow of the supplied diafiltration medium is 0.1 to 15 times the volume flow of the supplied feed liquid.
  • the volume flow of the discharged retentate is preferably 0.05 to 10 times the volume flow of the supplied feed liquid.
  • the diafiltration medium is supplied at a pressure of 0.1 to 4 bar.
  • the diafiltration medium is fed at a pressure which is greater than the retentate release rate.
  • the process of the invention is operated continuously, that is, with constant / continuous addition of the diafiltration medium and the feed liquid, whereby a particularly efficient and economical filtration process can be provided.
  • continuous diafiltration is understood to mean a diafiltration process in which both the diafiltration medium and the feed liquid are added continuously.
  • step (A) several according to the invention and independent cross-flow filtration units provided and connected in series, that the outlet for the retentate of the respective upstream crossflow filtration unit is fluidly connected to the inlet for the feed liquid of a downstream crossflow filtration unit.
  • step (C) the feed liquid is fed into the inlet for the feed liquid of that crossflow filtration unit, which is not preceded by another crossflow filtration unit (first crossflow filtration unit), and in step (D), the retentate from the outlet for the retentate of that crossflow filtration unit, which no other crossflow filtration unit is downstream (last crossflow filtration unit) dissipated.
  • the retentate / feed liquid passes through the series-connected crossflow filtration units from the first to the last.
  • 2 to 10, more preferably 2 to 5 crossflow filtration units are connected in series.
  • the diafiltration medium in this embodiment is supplied separately to each of the series-connected cross-flow filtration units. While it is possible to use various diafiltration media, it is preferred to deliver the same diafiltration medium to each of the crossflow filtration units.
  • each of the series crossfiow filtration units as described above is in the form of a filter cassette.
  • a plurality of inventive and independent crossflow filtration units are provided in step (A) and connected in parallel. Parallel and series connection can be combined with each other.
  • the retentate removed in step (D) is at least partially returned to the inlet for the feed liquid.
  • a circulation process if a single pass through the crossflow filtration unit is not sufficient, an improved result of the process can be achieved.
  • the addition of the diafiltration liquid and the removal of the permeate take place here without recycling.
  • any retentate stream can be recycled to any inlet for the feed liquid, in series with crossflow filtration units.
  • the retentate of each individual crossflow filtration unit is returned to the inlet for the feed liquid of the same crossflow filtration unit.
  • the feed liquid or the retentate in the retentate gap is / are set in oscillation. This will cause the flow in the. Retentate gap overlaid by an oscillation (oscillation).
  • This may be accomplished by at least one oscillation generating device which may be attached to the feed liquid inlet and / or to the retentate outlet.
  • Such a device for generating oscillation moves the retentate back and forth in the retentate gap, that is to say the retentate is set into an oscillating movement which runs largely parallel to the flat first filter material.
  • the oscillation is generated by an oscillation generating device mounted at the feed liquid inlet and another oscillation generating device mounted at the retentate outlet.
  • An inventively suitable device for generating oscillation is, for example, a piston pump.
  • a device for generating oscillation comprises a reservoir, which is divided into two halves by an elastic membrane, and optionally a pressure source.
  • the reservoir is a reservoir (storage) for the feed liquid or the retentate.
  • the first half of the reservoir is via a valve control with a pressure source, such. B. a compressed air source or a pump connected.
  • the second half of the reservoir is fluid-conductively connected to the feed liquid inlet and the retentate outlet of the filtration device.
  • each one of the first halves of the two reservoirs with pressure (for example, with compressed air) so the retentate flow can be moved back and forth (in oscillation or oscillation).
  • pressure for example, with compressed air
  • the reservoirs described above can both be separate plant part (not part of the crossflow filtration unit), as well as be integrated as part of the crossflow filtration unit in the housing.
  • the crossflow filtration unit according to the invention preferably has at least one (preferably two) device (s) for generating an oscillation of the feed liquid or of the retentate in the retentate gap. It is inventively preferred that a device for generating oscillation having a reservoir with a Druckquelie.
  • the crossflow filtration unit according to the invention particularly preferably comprises a first reservoir, optionally with a first pressure source, and a second reservoir, optionally with a second pressure source, wherein the first reservoir is conductively connected to the inlet for the feed liquid and the second reservoir is conductively connected to the outlet for the retentate, with the proviso that at least one of the first and second pressure sources is present.
  • both the first and the second reservoir each have a pressure source.
  • Each of the reservoirs is preferably divided into two halves by an elastic and fluid impermeable (gas and liquid impermeable) membrane, the first half being connected to a pressure source.
  • the second half of the first reservoir is preferably fluidly connected to the inlet for the feed liquid.
  • the second half of the second reservoir is preferably fluidly connected to the outlet for the pension.
  • the method according to the invention further comprises the step (CO) of separating a feed liquid into a pre-retentate and a pre-permeate.
  • a liquid can first be concentrated, for example by filtration or diafiltration, and / or freed of impurities (part), in order then to be subjected to a subsequent diafiltration using the crossflow filtration unit according to the invention.
  • step (CO) is a filtration step or diafiltration step, in principle both the pre-retentate and the pre-permeate can be used as the feed liquid, but preferably the pre-retentate from step (CO) is used.
  • Step (CO) is advantageously carried out using a crossflow filtration (CO) unit to separate a feed liquid into a pre-retentate and a pre-permeate.
  • CO crossflow filtration
  • Such crossflow filtration units are known in the art.
  • the CO unit can, as described above for the series connection of the crossflow filtration units according to the invention, be connected upstream of the first crossflow filtration unit.
  • a CO unit is a crossflow filtration unit, comprising a Vorretentatspalt, a flat filter material and Vorpermeatsammelspalt arranged such that the flat filter material delimits the Vorretentatspalt and the Vorpermeatsammelspalt from each other, wherein the Vorretentatspalt fluid conducting with at least one inlet for the feed liquid and is connected to at least one outlet for the Vorretentat and the Vorpermeatsammelspalt is fluidly connected to at least one outlet for the Vorpermeat, the inlet for the feed liquid in a first edge region of the crossflow filtration unit is mounted and the outlet for the Vorretentat in a second edge region of the Crossflow -Filtration-unit, which is opposite to the first edge region, attached, and preferably the free volume of the Vorretentatspaltes in the flow direction from the inlet for the feed liquid to the outlet for the Pre-Retention decreases.
  • a CO unit with low pressure loss and high area utilization By decreasing the free volume in the flow direction, a CO unit with low pressure loss and high area utilization can be provided.
  • the sheet filter material of the CO unit may be a microfiltration membrane and preferably an ultrafiltration membrane.
  • the CO unit can be expanded to a filter cartridge. The process according to the invention is preferably operated under the following conditions:
  • Pretentat the retentate outlet pressure is, d. H. the pressure with which the retentate leaves the filtration device,
  • VRententat is the volume flow of the retentate
  • VDF is the volume flow of the diafiltration medium
  • VFeed is the volume flow of the feed liquid
  • x is the so-called DF ratio
  • k is the so-called concentration factor.
  • the method according to the invention is particularly suitable for filtration, diafiltration, concentration and / or modification of the ionic composition of a protein solution or combinations thereof.
  • the process according to the invention can be part of a more comprehensive process.
  • the diafiltration process can be followed by a pretreatment and / or preceded by an aftertreatment.
  • suitable pre- and post-treatments are reaction of starting materials to products by biological or chemical means, thermal and mechanical separation methods and chemical analysis methods.
  • the present invention relates to an apparatus for carrying out a chemical or biological process which comprises the above-described crossflow diafiltration unit.
  • a device can, for example, a bioreactor, a cell separation unit, a unit for diafiltration with the inventive Crossflow diafiltration unit and a unit for chromatography include.
  • Suitable chemical and biological processes are, for example, the production of vaccines or biopharmaceuticals.
  • the present invention relates to the use of the crossflow filtration unit for continuous diafiltration within a chemical or biological process, wherein the continuous diafiltration step is preceded by at least one feed liquid preparation step and / or at least one retentate follow-up step.
  • Suitable preparation or post-treatment steps are, for example, reaction in a bioreactor, optionally followed by cell separation, chromatography, filtration, concentration and dilution (see FIG. 4).
  • a solution of albumin and NaCl (5.2% by weight of albumin in 0.9% by weight aqueous NaCl solution) was subjected to diafiltration.
  • the determination of the albumin concentration was carried out photometrically at a wavelength of the light of 280 nm.
  • the conductivity of the starting solution was 14 mS.
  • Demineralized water was used as the diafiltration medium.
  • the diafiltration unit was designed as a filter cassette, wherein 13 arrangements of diafiltration gap, areal first filter material, retentate gap, areal second filter material, permeate collection gap, areal second filter material, retentate gap and areal first filter material were stacked on top of each other and supplemented by a further diafiltration gap.
  • the flat second filter material used was a 10 kDa Hydrosart® membrane from Sartorius Stedim Biotech GmbH.
  • the flat first filter material was a 30 kDa polyethersulfone membrane from Sartorius Stedim Biotech GmbH used.
  • the DF ratio (volume of diafiltration medium / volume of feed liquid) was about 5.5: 1.
  • the conductivity of the starting solution was 15.9 mS.
  • the diafiltration medium (DF) used was 10 millimolar KPI solution with a conductivity of 2.05 mS.
  • the diafiltration units used were in the form of a filter cassette, with each of the diafiltration units having 8 arrays of diafiltration gap, flat first filter material, retentate gap, areal second filter material, permeate collection gap, areal second filter material, retentate gap and flat first filter material stacked on top of one another and supplemented by a further diafiltration gap.
  • the flat second filter material used was a 10 kDa Hydrosart® membrane from Sartorius Stedim Biotech GmbH.
  • As a flat first filter material a 30 kDa Hydrosart® membrane from Sartorius Stedim Bioiech GmbH was used.
  • the total filter area of all three flat second filter materials was 0.2 m 2 .
  • the DF ratio (volume diafiltration medium / volume of feed liquid) was about 4.5: 1.
  • the result of the above example is shown in the following Table 2. During the trial, the settings of the pumps and valves did not change readjusted. The diafiltration unit operated for a period of 2 hours with constant and stable performances.
  • the effectiveness of diafiltration was calculated from the decrease in conductivity (LF) in the feed stream and is referred to in the table as "clearance.”
  • the percent clearance was calculated according to the formula
  • the calculated clearance value was compared with the theoretically achievable value.
  • Example 2 shows that with the device according to the invention an extremely effective continuous diafiltration is possible, which can reach the theoretical (maximum possible) clearance value of 99%.
  • a clearance value of 78% can be achieved.
  • each subsequent concentration on the starting volume would result in a clearance value of only 96%. Even this is still significantly below the achievable clearance of 99% according to the invention.
  • FIG. 1 shows a possible construction of a crossflow diafiltration unit (1) according to the invention with a flat second filter material in the form of an ultrafiltration membrane (6) and a flat first filter material in the form of a microfiltration membrane (4), wherein the flows of diafiltration medium (3), feed liquid ( 5), retentate (7) and permeate (2) are illustrated by arrows.
  • the diafiltration gap, the retentate gap and the permeate collection gap are kept open by spacers (8) for the respective media.
  • FIG. 2 shows by way of example schematically the performance of the diafiltration process according to the invention with a crossflow diafiltration unit, which is designed as a diafiltration cassette (1).
  • the feed liquid (5) is fed via a pump (14) at the inlet for the feed liquid.
  • the pressure of the diafiltration medium (3) or of the retentate (7) is measured by manometer (16).
  • the respective composition of the retentate (7) and the permeate (2) is monitored by a measuring device, for example a conductometer (19).
  • the volume flow of the retentate (7) is controlled by a throttle valve (17).
  • FIG. 3 shows by way of example schematically the implementation of the diafiltration process according to the invention, wherein three diafiltration cassettes (1) are connected in series.
  • Upstream is a step of separating a liquid into a pre-retentate and a pre-permeate by means of a conventional cross-flow filtration cassette (11).
  • the feed liquid (5) is supplied via a pump (14).
  • the diafiltration medium (3) is fed to the three diafiltration cassettes (1) via a pump (12).
  • the Vorretentat from the respective upstream filtration unit is fed via channel (10) of the respective downstream filtration unit as a feed liquid.
  • the pressure of the diafiltration medium (3) or of the retentate (7) is measured by manometer (16).
  • the composition of the retentate (7) is monitored by a measuring device, for example a conductometer (19).
  • the volume flow of the retentate (7) is controlled by a throttle valve (17).
  • the permeate (2) from all modules (1 1,) is discharged via the manifold (20).
  • FIG. 4 shows by way of example schematically the performance of the diafiltration process according to the invention and a crossflow diafiltration unit according to the present invention, wherein the feed liquid / the retentate (5) is / are oscillated in the retentate gap.
  • the feed liquid (5) is introduced via a pump (14) into a reservoir (30a) and subsequently into the retentate gap. Thereafter, the feed liquid / retentate (5) passes through a second oscillation generating device and a second reservoir (30b), respectively.
  • the diafiltration medium (3) is introduced into the diafiltration gap via a pump (12).
  • the illustrated cross-flow diafiltration unit has two devices for generating oscillation, wherein the first device comprises a first reservoir (30a) and the second device comprises a second reservoir (30b) different therefrom.
  • Reservoir (30a) is fluidly connected to the inlet for the feed liquid (5).
  • Reservoir (30b) is fluidly connected to the outlet for the retentate (7).
  • Each reservoir is separated into two halves by an elastic and fluid impermeable membrane.
  • the first half of the first reservoir (30a) (not shown hatched in FIG. 4) is connected to a pressure source via a valve control.
  • the second half of the first reservoir (30a) (shown hatched in Figure 4) is fluidly connected to the inlet for the feed liquid.
  • the second reservoir (30b) is separated into two halves by an elastic and fluid impermeable membrane.
  • the first half of the second reservoir (30b) (not shown hatched in FIG. 4) is connected via a valve control to a pressure source.
  • the second half of the second reservoir (30b) (shown hatched in FIG. 4) is fluid-conductively connected to the outlet for the retentate.
  • FIG. 5 shows, by way of example, various sections A to C of process diagrams for carrying out a method for producing biopharmaceuticals, wherein the processes each comprise the provision of at least one crossflow diafiltration unit (1) according to the invention.
  • the dashed square brackets and the preceding or following arrows indicate that further process steps can be upstream or downstream.
  • FIG. 5A comprises a crossflow diafusion unit (1) according to the invention, wherein a bioreactor (41) and a cell separation unit (42) are connected upstream. Downstream of the crossflow diafiltration unit (1) is a chromatography unit / chromatography step (44). The stream of product solution from bioreactor (1) is illustrated by arrows.
  • FIG. 5B comprises a crossflow diafiltration unit (1) according to the invention between two chromatographic steps (44), d. H. Diafiltration is preceded by a chromatography step and followed by a chromatography step.
  • FIG. 5C comprises a crossflow diafiltration unit (1) according to the invention before a final filtration step (45).
  • the process steps illustrated in FIGS. 5A to 5C can be arbitrarily extended by further process steps or combined as desired.
  • the crossflow filtration according to the invention is preferably used for filtration, diafiltration, concentration and / or modification of the composition of a solution. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Crossflow-Filtrationseinheit zur kontinuierlichen Diafiltration einer Speiseflüssigkeit zum Erhalten eines Retentats und eines Permeats, ein entsprechendes Verfahren zur Diafiltration und die Verwendung der Crossflow-Filtrationseinheit.

Description

Crossflow-Filtrationseinheit zur kontinuierlichen Diafiltration
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Crossflow-Filtrationseinheit zur kontinuierlichen Diafiltration einer Speiseflüssigkeit zum Erhalten eines Retentats und eines Permeats, ein entsprechendes Verfahren zur Diafiltration und die Verwendung der Crossflow-Filtrationseinheit.
Bei der Crossflow-Filtration, welche auch als Querstrom- oder Tangentialstromfiltration bezeichnet werden kann, überströmt eine zu filtrierende Speiseflüssigkeit („Feed") tangential die Oberfläche eines Filtermaterials, welches üblicherweise eine Membran ist, und wird dabei in ein Retentat (Konzentrat) und ein Permeat (Filtrat) unterschiedlicher Zusammensetzungen aufgespalten.
Das Retentat überströmt die Oberfläche des Filtermaterials und kann nach lediglich einmaligem Überströmen entnommen werden (,,Single-Pass"-Betrieb), aber auch im Kreislauf wieder zurückgeführt werden, so dass es die Membranoberfläche wiederholt überströmt. Das Permeat durchströmt die Membran senkrecht zur Oberfläche und wird danach abgeführt. Zu gewinnende Zielsubstanzen können im Permeat (Permeatstoffe) und/oder im Retentat (Retentatstoffe) enthalten sein. Crossflow-Filtrationseinheiten werden häufig in Form von Filterkassetten eingesetzt, wie sie beispielsweise in der DE-PS 34 41 249 beschrieben sind. Filterkassetten umfassen mehrere benachbarte Crossflow-Filtrationseinheiten (Filterzellen), die in der Regel aus wiederholten Anordnungen eines Retentatspalts für die zu filtrierende Speiseflüssigkeit bzw. das Retentat, einer flächigen Membranlage und einem Permeatsammelspalt bestehen. Der Permeatsammelspalt der vorstehenden Filterzelle wird durch eine weitere flächige Membranlage von dem Retentatspalt der nächsten Filterzelle abgegrenzt. Jeder Retentatspalt ist mit einem Einlass für die zu filtrierende Speiseflüssigkeit und mit einem Auslass für das Retentat fluidleitend (kommunizierend) verbunden und jeder Permeatsammelspalt ist mit einem Auslass für das Permeat fluidleitend verbunden.
Durch herkömmliche Filtration wird eine Speiseflüssigkeit in ein Retentat und ein Permeat aufgetrennt. In der Diafiltration wird diese Auftrennung mit einem Schritt des Zugebens eines Diafiltrationsmediums zu der Speiseflüssigkeit/dem Retentat kombiniert. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine gemeinsame Lösung von Zielsubstanz(en) und einer oder mehrerer weiterer Substanzen von den weiteren Substanzen zu befreien. Beispielsweise kann durch Diafiltration an einer Proteinlösung ein Pufferaustausch oder eine Entsalzung, gegebenenfalls kombiniert mit einer Aufkonzentration, erzielt werden.
Es wird zwischen zwei grundlegenden Arten der Diafiltration unterschieden, der volumenvariablen Diafiltration (im Stand der Technik gelegentlich als „diskontinuierliche" Diafiltration bezeichnet) und der volumenkonstanten Diafiltration (im Stand der Technik gelegentlich als„kontinuierliche" Diafiltration bezeichnet).
In der volumenvariablen Diafiltration wechseln sich Filtrationsschritte und Schritte des Zugebens eines Diafiltrationsmediums ab. Folglich schwankt im Verlauf dieser Verfahrensvariante das Volumen des Retentats, woher auch der Begriff der „diskontinuierlichen Diafiltration" rührt, in der volumenkonstanten Diafiltration wird das Volumen des Retentats dadurch konstant gehalten, dass sowohl die Filtration als auch die -Zugabe des Diafiltrationsmediums kontinuierlich erfolgen. Allerdings erfolgt die Zugabe der Speiseflüssigkeit diskontinuierlich und in der Regel ausschließlich zu Beginn des Verfahrens. Daher sind sowohl die volumenvariable als auch die volumenkonstante Diafiltration diskontinuierliche Verfahren. Bei einem diskontinuierlichen Diafiltrationsverfahren muss ein festgelegtes Speiseflüssigkeitsvolumen komplett einem Verfahrensdurchlauf unterzogen werden, bevor ein neuer Verfahrensdurchlauf begonnen werden kann (,,Batch"-Verfahren). Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Effizienz sind kontinuierliche Verfahren, in denen laufend Stoffströme zu- und abgeführt werden können, diskontinuierlichen Verfahren vorzuziehen. Daher besteht der Bedarf an einem kontinuierlichen Diafiltrationsverfahren. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Crossflow-Filtrationseinheit bereitzustellen, welche für die kontinuierliche Diafiltration geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Crossflow-Filtrationseinheit zur kontinuierlichen Diafiltration einer Speiseflüssigkeit zum Erhalten eines Retentats und eines Permeats, mindestens umfassend einen Diafiltrationspalt, ein flächiges erstes Filtermaterial, einen Retentatspalt, ein flächiges zweites Filtermaterial und einen Permeatsammelspalt, derart angeordnet, dass das flächige erste Filtermaterial den Diafiltrationspalt und den Retentatspalt voneinander abgrenzt und das flächige zweite Filtermaterial den Retentatspalt und den Permeatsammelspalt voneinander abgrenzt, wobei der Diafiltrationspalt fluidieitend mit mindestens einem Einlass für das Diafiltrationsmedium, der Retentatspalt fluidieitend mit mindestens einem Einlass für die Speiseflüssigkeit und mit mindestens einem Auslass für das Retentat und der Permeatsammelspait fluidieitend mit mindestens einem Auslass für das Permeai verbunden ist, und wobei die Porengröße beziehungsweise die Molekulargewichts- ausschlussgrenze des flächigen ersten Filtermaterials mindestens so groß wie die Porengröße beziehungsweise die Molekulargewichtsausschlussgrenze des flächigen zweiten Filtermaterials ist. Vorzugsweise ist die Porengröße beziehungsweise die Molekulargewichtsausschlussgrenze des flächigen ersten Filtermaterials größer als die Porengröße beziehungsweise die Molekulargewichtsausschlussgrenze des flächigen zweiten Filtermaterials.
Vorzugsweise weist das flächige erste Filtermaterial eine Molekulargewichtsausschlussgrenze (molecular weight cut-off, MWCO) im Bereich von 30 kDa bis 1500 kDa auf. Das flächige zweite Filtermaterial weist vorzugsweise eine Molekulargewichtsausschlussgrenze im Bereich von 5 kDa bis 1500 kDa auf. Die Bestimmung der Molekulargewichtsausschlussgrenze kann gemäß US-Standard ASTM E1343-90 („Standard test method for molecular weight cutoff evaluation of flat sheet Ultrafiltration membranes") erfolgen.
Das flächige erste Filtermaterial weist vorzugsweise eine Porengröße von 0,01 bis 50 μιη, vorzugsweise 0,01 bis 0,5 Mm auf. Das flächige zweite Filtermaterial weist vorzugsweise eine Porengröße von weniger als 0,01 μιη auf. Die Bestimmung der Porengröße, welche auch als „größter Porendurchmesser" oder „dp" und im Englischen als „maximum pore size" bezeichnet wird, kann gemäß US-Standard AST F316-03 TEST METHOD A („Standard test methods for pore size characteristics of membrane filters by bubble point and mean flow pore test") erfolgen.
Grundlegende Verfahren zur Charakterisierung von Membranen sind in der Dissertationsschrift von Melanie Sossna „Strukturausbildung von Celluloseestermembranen", Universität Hannover 2006, Abschnitt 2.5 auf Seiten 10f, insbesondere in Tabelle 2-4, beschrieben.
Gemäß dem Stand der Technik (diskontinuierliche Diafiltration) wird das Diafütrationsmedium zwischen in Reihe geschalteten Crossfiow-Fiitrationseinheiten eingetragen oder die Speiseflüssigkeit mit Diafiltrationsmedium verdünnt, kombiniert mit vorgelagerter oder anschließender Konzentrierung durch Crossflow-Filtration. Durch die erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit besteht jedoch die Möglichkeit, mittels geeigneter Druckbeaufschlagung eine bestimmte Menge an Diafiltrationsmedium für eine optimale Diafiltration in den Retentatspalt einzubringen. Beispielsweise kann erfindungsgemäß das Volumen des Diafiitrationsmediums das 0,1- bis 15-fache des Volumens der Speiseflüssigkeit betragen. Vorzugsweise wird das Diafiltrationsmedium derart in den Retentatspalt eingebracht, dass die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des flächigen ersten Filtermaterials mit dem Diafiltrationsmedium bedeckt ist. Durch die erfindungsgemäße Crossflow-Filtrations- einheit kann ein im Vergleich zur diskontinuierlichen Diafiltration verbessertes Diafiltrationsergebnis erhalten werden. Außerdem führt die Erfindung zu einer Reduzierung der Prozesszeiten und des apparativen Aufwandes. In der kontinuierlichen Diafiltration werden sowohl Speiseflüssigkeit als auch Diafiltrationsmedium laufend zugegeben, so dass das Verfahren nicht unterbrochen werden muss. Dadurch ermöglicht die erfindungsgemäße Crossfiow-Filtrationseinheit eine effiziente und wirtschaftliche Verfahrensführung.
Mit der erfindungsgemäßen, verbesserten Crossfiow-Filtrationseinheit können Fluide wie Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen, Getränke, wie Bier, Wein, Saft, Wasser, Milch und Molke, Bierwürze, Brauch- und Abwasser, Lösungen im Pharma-, Medizin-, Kosmetik-, Chemie-, Biotechnologie-, Gentechnik-, Umweltschutz- und Laborbereich als Speiseflüssigkeit eingesetzt und diafiltriert werden. Sie können zur Wertstoffgewinnung, Stofftrennung beispielweise von Makromolekülen und Biomolekülen, zur Entpyrogenisierung und Sterilisierung von Lösungen, zur Abtrennung von Schadstoffen aus den Fluiden, für die (Dia)filtration und Aufkonzentrierung biologischer Lösungen, für die Abtrennung von Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefen, Viren und von Zellbestandteilen, für die Entsalzung von Proteinlösungen und anderen biologischen Medien verwendet werden.
Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Crossfiow-Fiitrationseinheit zur Filtration, Diafiltration, Aufkonzentrierung (Reduktion des Lösemittel- bzw. Wassergehaltes), und/oder Änderung der lonenzusammensetzung (z. B. Entsalzung oder Pufferaustausch) einer Lösung, vorzugsweise einer Proteinlösung, verwendet werden. Für die im Retentatspalt befindliche Flüssigkeit können die Begriffe Speiseflüssigkeit und Retentat gleichbedeutend verwendet werden.
Der Begriff „flächig" zeigt an, dass das jeweilige Filtermaterial im Wesentlichen in einer einzigen Ebene liegt. Vorzugsweise liegen alle Filtermaterialien im Wesentlichen in Ebenen, die weitgehend parallel zueinander sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das flächige erste Filtermaterial eine erste Filtrationsmembran. Das flächige zweite Filtermaterial ist vorzugsweise eine zweite Filtrationsmembran. Besonders bevorzugt ist das flächige erste Filtermaterial eine erste Filtrationsmembran und das flächige zweite Filtermaterial ist eine zweite Filtrationsmembran.
Als erstes Filtermaterial ist insbesondere eine poröse Membran im Ultrafiltrationsund Mikrofiltrationsbereich geeignet. Als zweites Filtermaterial kann vorteilhaft eine Ultrafiltrationsmembran eingesetzt werden. Durch diese Ausgestaltung kann mittels geeigneter Druckbeaufschlagung eine bestimmte Menge an Diafiltrationsmedium für eine optimale Diafiltration in den Retentatspalt eingebracht werden. Bei Druckbeaufschlagung ist die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des flächigen ersten Filtermaterials mit dem Diafiltrationsmedium bedeckt.
Die Ultrafiltrationsmembranen sind durch Porengrößen von kleiner als 0,01 pm gekennzeichnet, beziehungsweise durch Molekulargewichtsausschlussgrenzen charakterisiert, die etwa im Molmassenbereich von 5 bis 1500 kDa liegen, während die Mikrofiltrationsmembranen Porengrößen im Bereich von 0,01 bis 50 pm, vorzugsweise 0,01 bis 0,5 pm, beziehungsweise Molekulargewichts- ausschiussgrenzen von 30 bis 1500 kDa aufweisen. Die Fiitrationsmembranen können beispielsweise aus Polyvinylidenfiuorid, Cellulose und deren Derivaten, Polyethersulfon oder Polysulfon bestehen, wobei vernetztes Cellulosehydrat besonders bevorzugt ist.
Vorzugsweise ist der Einlass für die Speiseflüssigkeit in einem ersten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht und der Ausiass für das Retentat in einem zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit, welcher dem ersten Randbereich gegenüberliegt, angebracht. Durch diese Anordnung wird eine weitgehend einheitliche Flussrichtung des Retentats vom Einlass für die Speiseflüssigkeit als Startpunkt zum Ausiass für das Retentat als Endpunkt definiert. Die Flussrichtung des Retentats erfolgt dadurch weitgehend parallel zum Strömungsweg entlang des flächigen Filtermaterials, das heißt im Wesentlichen ohne Umlenkungen, wodurch ein stabiler und zuverlässiger Fluss des Retentats durch die Crossflow-Filtrationseinheit gewährleistet werden kann. Zudem können durch den weitgehend geradlinigen Strömungsverlauf ohne Umlenkungen, Schleifen oder ähnlichem der Druckabfall in der Filtrationseinheit sowie unerwünschte Einwirkungen nicht geradliniger Strömungen auf in der Speiseflüssigkeit enthaltene Zielsubstanzen minimiert werden. Aus den vorstehenden Gründen ist zudem bevorzugt, dass der Einlass für das Diafiltrationsmedium im ersten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht ist. Es ist allerdings auch möglich, den Einiass für das Diafiltrationsmedium im zweiten Randbereich anzubringen, beziehungsweise im dritten und/oder vierten Randbereich.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Auslass für das Permeat im zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht. Besonders bevorzugt ist sowohl im ersten als auch im zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit jeweils mindestens ein Auslass für das Permeat angebracht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Auslässe für das Permeat alternativ oder ergänzend im dritten und/oder vierten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht. Der dritte Randbereich befindet sich bei einer Draufsicht auf die Crossflow-Filtrationseinheit von der Seite des Diafiitrationsspaites auf der iinken Seite der Flussrichtung. Der vierte Randbereich befindet sich entsprechend auf der rechten Seite und liegt somit dem dritten Randbereich gegenüber. Durch vorstehende Anordnung des Auslasses oder der Auslässe können eine besonders hohe Permeatleistung erzielt und konstruktionstechnische Vorteile erreicht werden. Vorzugsweise umfasst der erste Randbereich das äußere Drittel der Länge der Filtrationseinheit entgegen der Flussrichtung. Entsprechend umfasst der zweite Randbereich das äußere Drittel der Länge der Filtrationseinheit entlang der Flussrichtung. Entsprechendes gilt für die dritten und vierten Randbereiche. Es ist von Vorteil, die ersten bis vierten Randbereiche so klein wie möglich zu gestalten. Daher umfassen die Randbereiche besonders bevorzugt die jeweiligen äußeren 20%, noch mehr bevorzugt die jeweiligen äußeren 10% und am meisten bevorzugt die jeweiligen äußeren 3%. Grundsätzlich besteht hinsichtlich der Anbringung der Ein- und Auslässe keine besondere Einschränkung. Zum Beispiel können die Ein- und Auslässe so angebracht sein, dass die Speiseflüssigkeit bereits in Flussrichtung in den Retentatspalt eintritt und ihn in Flussrichtung verlässt. Entsprechend kann der Auslass für das Permeat so angebracht sein, dass das Permeat den Permeatsammelspalt in Flussrichtung verlässt und/oder der Einlass für das Diafiltrationsmedium kann so angebracht sein, dass es in Flussrichtung in den Diafiltrationsspalt eintritt. Vorzugsweise sind die Ein- und Auslässe jedoch so angebracht, dass das Diafiltrationsmedium senkrecht zur Flussrichtung in den Diafiltrationsspalt eintritt und die Speiseflüssigkeit zunächst senkrecht zur Flussrichtung in den Retentatspalt eintritt und diesen senkrecht zur Flussrichtung als Retentat verlässt. Eine derartige Anbringung der Ein- und Auslässe erleichtert die Anordnung einer Mehrzahl der erfindungsgemäßen Filtrationseinheiten zu einer Filterkassette.
Vorzugsweise weist die Crossflow-Filtrationseinheit mehrere Einlässe für die Speiseflüssigkeit, mehrere Auslässe für das Retentat und mehrere Auslässe für das Permeat auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt das freie Volumen des Diafiltrationsspaltes und/oder des Retentatspaltes (für das Diafiltrations- medium/Retentat zur Verfügung stehender Raum, Tot- oder Leervolumen) in der Flussrichtung vom Einlass für die Speiseflüssigkeit zum Auslass für das Retentat ab. Durch das/die abnehmenden VolumenA olumina und die Flächigkeit der Filtermaterialien weist die Crossflow-Filtrationseinheit einen niedrigen Druckverlust und einen im Wesentlichen umlenkungsfreien Strömungsweg des Diafiltrationsmediums und des Retentats auf. Dadurch ist es möglich, die Flächenleistung der Crossflow-Diafiltrationseinheit zu erhöhen und die Crossflow-Diafiltrationseinheit im„Single-Pass"-Betrieb zu betreiben (es findet nur ein einziger Durchgang des Retentats ohne Kreislaufführung statt). In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Abnahme des freien Volumens entlang der Flussrichtung dadurch realisiert, dass die Breite des Diafiltrationsspaltes und/oder die Breite des Retentatspaltes in Flussrichtung abnimmt. Die Breite verläuft entlang des flächigen ersten Filtermaterials und senkrecht zur Flussrichtung. Besonders bevorzugt nimmt die Breite der gesamten Crossflow-Filtrationseinheit in Flussrichtung ab. Vorzugsweise ist der Retentatspalt bzw. die Crossflow-Filtrationseinheit in einer Draufsicht entlang einer Normalen der Ebene, in der das flächige erste Filtermaterial liegt, trapezförmig. Die Trapez-Grundform des Diafiltrationsspaltes und/oder des Retentatspaltes bzw. der Crossflow-Filtrationseinheit kann ungleichschenklig, beispielsweise rechtwinklig, sein und ist vorzugsweise gleichschenklig.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Höhe des Diafiltrationsspaltes und/oder des Retentatspaltes bzw. der Crossflow-Filtrationseinheit in Flussrichtung abnehmen. Beispielsweise können der Diafiltrationsspalt und/oder der Retentatspalt keilförmig ausgestaltet sein. Die Höhe des Diafiltrationsspaltes und/oder des Retentatspaltes bzw. der Crossflow-Filtrationseinheit verläuft senkrecht zum flächigen ersten Filtermaterial und senkrecht zur Flussrichtung. Hinsichtlich der Breite, Länge und Höhe der Crossflow-Filtrationseinheit besteht keine besondere Einschränkung. Die Länge verläuft parallel zur Flussrichtung und entlang des flächigen ersten Filtermaterials. Vorzugsweise weist die Crossflow-Filtrationseinheit eine Länge von mindestens 50 mm, bevorzugt mindestens 150 mm, besonders bevorzugt 500 mm, insbesondere bevorzugt 750 mm oder , mehr, auf. Eine derartige Länge kann beispielsweise durch Hintereinanderschalten mehrerer, beispielsweise mindestens 2, mindestens 3 oder mindestens 4, Crossflow-Filtrationseinheiten erzielt werden. Durch eine höhere Länge kann eine besonders hohe Effizienz erzielt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ändert sich das freie Volumen des Permeatsammelspaltes in der Flussrichtung. Besonders bevorzugt nimmt das freie Volumen des Permeatsammelspaltes in der Flussrichtung ab. Dadurch können beispielsweise die äußeren Dimensionen der Filtrationskassette beibehalten werden.
Die Erläuterungen zur Ausgestaltung des Retentatspaltes gelten entsprechend für den Permeatsammelspalt und umgekehrt.
„In Flussrichtung abnehmendes freies Volumen" bedeutet, dass eine Querschnittsfläche Ai , welche von dem Diafiltrationsmedium beziehungsweise dem Retentat durchströmt werden kann und die in einer Ebene liegt, welche eine parallel zur Flussrichtung verlaufende Normale aufweist, und eine entsprechende Querschnittsfläche A2, die parallel zu A1 ist und weiter vom Einlass für das Diafiltrationsmedium beziehungsweise die Speiseflüssigkeit entfernt ist als Ai , wobei der von dem Diafiltrationsmedium beziehungsweise dem Retentat durchströmbare Flächeninhalt Ai größer ist als A2, existieren und keine entsprechend definierten Ebenen Α- und A2' existieren, für die der Flächeninhalt von Α- kleiner als der von A2' ist.
Die Abnahme des freien Volumens kann stetig (für alle Ai und A2 gilt A > A2) oder kontinuierlich (für alle Ai und A2 gilt Ai > A2) sein. Es ist auch möglich, dass die Voiumenabnahme diskontinuieriich ist, das heißt, dass entlang der Fiussrichtung mindestens ein unstetiger Abfall oder Sprung in der Querschnittsfläche auftritt.
Die Änderung des freien Volumens des Retentatspaltes in Flussrichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 20 zu 1 bis 1 ,2 zu 1 , bevorzugt bei 10 zu 1 , abhängig von der Filtrationsaufgabe. Dabei wird unter der„Änderung des freien Volumens des Retentatspaltes in Flussrichtung" das Verhältnis der Querschnittsfläche Ai am Einlass für die Speiseflüssigkeit zur Querschnittsfläche A2 am Auslass für das Retentat verstanden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung nimmt/nehmen die Dicke des Diafiltrationsspaltes und/oder die Dicke des Retentatspaltes und gegebenenfalls die Dicke des Permeatsammelspaltes in Flussrichtung ab. Der Diafiltrationsspalt, der Retentatspalt und der Permeatsammelspalt werden üblicherweise durch Abstandshalter für die entsprechenden Medien offengehalten. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist/sind im Diafiltrationsspalt und/oder im Retentatspalt der Crossflow-Filtrationseinheit ein flächiger Abstandshalter angebracht, derart, dass das freie Volumen des Retentatspaltes in Flussrichtung abnimmt.
Geeignete Abstandshalter für Crossflow-Filtrationseinheiten sind im Stand der Technik bekannt und können im Diafiltrationsspalt, Retentatspalt und/oder Permeatsammelspalt der erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheit verwendet werden. Vorzugsweise sind die Abstandshalter erfindungsgemäß so modifiziert, dass ihr Volumen in Flussrichtung zunimmt, um eine Volumenabnahme des für das Diafiltrationsmedium bzw. das Retentat zur Verfügung stehenden freien Volumens zu erzielen. Bevorzugte Abstandshalter können textile Materialien aus organischen oder nicht-organischen Werkstoffen sein, wie Gewebe, Gewirke, Vliese oder extrudierte Netze.
Vorteilhaft kann der Abstandshalter eine nicht ebene Platte sein. Die nicht ebene Platte kann eine Piatte sein, die zumindest eine nicht ebene Hauptoberfiäche aufweist. Die Hauptoberflächen einer Platte sind die sich gegenüberstehenden Oberflächen mit dem größten Flächeninhalt. Die zumindest eine nicht ebene Hauptoberfläche kann Unebenheiten in Form einer gewellten oder gezackten Oberfläche aufweisen. Daneben kann die unebene Oberfläche vorstehende Elemente wie Kegei(stümpfe), Pyramiden(stümpfe), Noppen oder andere geometrische Figuren aufweisen. Die nicht ebene Platte kann auch ähnlich einem Wellblech in gewellter oder gezackter Form vorliegen, wobei sich die Wellen oder Zacken vorzugsweise parallel zur Flussrichtung erstrecken. Geeignete Materialien für die nicht ebene Platte sind die gleichen wie nachstehend für Abstandshalter in Form einer offenmaschigen Matrix aufgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Abstandshalter aus einer offenmaschigen Matrix oder aus einem extrudierten Netz. Derartige Abstandshalter sind im Stand der Technik bekannt und wurden beispielsweise in der Veröffentlichung der deutschen Patentanmeldung DE 100 22 259 A1 beschrieben. Wie bereits vorstehend erwähnt, sind die Abstandshalter erfindungsgemäß vorzugsweise so abgewandelt, dass ihr Volumen in Flussrichtung zunimmt, um eine Volumenabnahme des für das Diafiltrationsmedium bzw. das Retentat zur Verfügung stehenden freien Volumens zu erzielen. Grundsätzlich können in der erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheit auch gewöhnliche Abstandshalter verbaut werden, beispielsweise im Permeatsammelspalt und/oder im Diafiltrationsspalt oder in allen Spalten der Filtrationseinheit mit in Flussrichtung abnehmender Breite. Eine abnehmende Breite kann, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise durch eine trapezförmige Ausgestaltung der Spalten beziehungsweise der Crossflow-Filtrationseinheit erzielt werden.
In einer Ausgestaltung kann die Maschenweite der offenmaschigen Matrix beziehungsweise des extrudierten Netzes in Flussrichtung abnehmen, um eine Abnahme des freien Volumens entlang der Fiussrichtung zu erzielen. Beispielsweise beträgt die Maschenzahl am Einlass für das Diafiltrationsmedium beziehungsweise am Einlass für die Speiseflüssigkeit 5/cm bis 15/cm, in der Mitte zwischen dem Einiass für das Diafiitrationsmedium beziehungsweise dem Einlass für die Speiseflüssigkeit und dem Auslass für das Retentat 10/cm bis 30/cm und am Auslass für das Retentat 20/cm bis 40/cm.
Alternativ oder ergänzend dazu kann die offenmaschige Matrix beziehungsweise das extrudierte Netz aus sich kreuzenden Längs- und Querfäden aufgebaut sein und die Anzahl und/oder Dicke der Längs- und/oder Querfäden in Flussrichtung zunehmen. Die offenmaschige Matrix besteht vorzugsweise aus einem organischen Polymer wie beispielsweise Polypropylen, Polyethylen, Polyester, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenfluorid oder Blends daraus. Ferner ist möglich, dass die offenmaschige Matrix aus Fasern verschiedenartiger Polymere aufgebaut ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind im Retentatspalt mehrere Lagen textiler Materialien derart übereinander angeordnet, dass das freie Kanalvolumen in Flussrichtung abnimmt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die übereinander angeordneten Lagen in Flussrichtung versetzt beginnen. Die übereinander angeordneten Lagen erstrecken sich vorzugsweise bis zum zweiten Randbereich. Dadurch wird im Retentatspalt in Flussrichtung ein zunehmendes Volumen von den textilen Materialien in Anspruch genommen, sodass das freie Volumen in Flussrichtung abnimmt. Die textilen Materialien, wie Gewebe,
i
Gewirke, Vliese ! oder extrudierte Netze, können aus organischen oder nicht-organischen Werkstoffen bestehen. Die hier dargestellten Ausgestaltungen zur Realisierung der Abnahme des freien Volumens des Diafiltrationsspaltes bzw. Retentatspaltes sind beliebig miteinander kombinierbar.
Erfindungsgemäß wird der Retentatspalt von einem flächigen ersten Filtermaterial und einem flächigen zweiten Filtermaterial begrenzt. Der Diafiltrationsspalt wird durch mindestens ein flächiges erstes Filtermaterial begrenzt. Der Permeatsammelspalt wird durch mindestens ein flächiges zweites Filtermaterial begrenzt. Einem Retentatspalt ist ein Diafiltrationsspalt und ein Permeatsammelspalt benachbart. Eine bevorzugte erfindungsgemäße Crossfiow-Fiitrationseinheit besieht aus einer Mehrzahl übereinandergestapelter Anordnungen von Diafiitrationspalt, flächigem erstem Filtermaterial, Retentatspalt, flächigem zweitem Filtermaterial, Permeatsammelspalt, flächigem zweitem Filtermaterial, Retentatspalt und flächigem erstem Filtermaterial, vorzugsweise abgeschlossen von einem weiteren Diafiltrationsspalt, sodass die gestapelten Anordnungen zu einer Filterkassette zusammengefasst sind. Geeignete Ausgestaltungen für Filterkassetten sind im Stand der Technik bekannt. Vorzugsweise ist jeder Diafiltrationsspalt dieser Anordnungen an beiden Seiten durch jeweils ein Filtermaterial, welches dem ersten Filtermaterial entspricht, von zwei Retentatspalten abgegrenzt. Entsprechend ist vorzugsweise jeder Permeatsammelspalt dieser Anordnungen an beiden Seiten durch jeweils ein Filtermaterial, welches dem zweiten Filtermaterial entspricht, von zwei Retentatspalten abgegrenzt. Die ersten Filtermaterialien und zweiten Filtermaterialien können jeweils voneinander verschieden sein. Das heißt, es können grundsätzlich verschiedenartige erste Filtermaterialien und verschiedenartige zweite Filtermaterialien verwendet werden. Vorzugsweise werden gleichartige erste Filtermaterialien und/oder gleichartige zweite Filtermaterialien verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die flächigen ersten und zweiten Filtermaterialien unabhängig voneinander eine jeweils weitgehend einheitliche Dicke von vorzugsweise 50 μι bis 10000 μιη, insbesondere bevorzugt 150 μιη bis 1000 μιη, auf. Sofern die flächige Begrenzung des Diafiltrationsspaltes durch das flächige erste Filtermateria! und die weitere flächige Begrenzung des Diafiltrationsspaltes und/oder die flächigen Begrenzungen des Retentatspaltes durch das erste und zweite Filtermaterial nicht parallel zueinander verlaufen, kann das freie Volumen des Diafiltrationsspaltes und/oder des Retentatspaltes keilförmig ausgestaltet werden, so dass in Flussrichtung das freie Volumen abnimmt. Besonders bevorzugt sind der Diafiltrationsspalt, der Retentatspalt und der Permeatsammelspalt beidseitig von weitgehend parallelen Flächen begrenzt.
Die Form der Crossflow-Filtrationseinheit unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Die Crossflow-Filtrationseinheit kann beispielsweise quaderförmig oder zylinderförmig sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Diafiltration einer Speiseflüssigkeit zum Erhalten eines Retentats und eines Permeats, umfassend die Schritte
(A) Bereitstellen einer erfindungsgemäßem Crossflow-Filtrationseinheit;
(B) Zuführen eines Diafiltrationsmediums in den Einlass für das Diafiltrationsmedium;
(C) Zuführen der Speiseflüssigkeit in den Einlass für die Speiseflüssigkeit;
(D) Abführen des Retentats aus dem Auslass für das Retentat; und
(E) Abführen des Permeats aus dem Auslass für das Permeat.
Die Erläuterungen in Bezug auf die Crossflow-Filtrationseinheit und das Diafiltrationsverfahren sind wechselseitig aufeinander anwendbar. In Schritt (A) wird bevorzugt die vorstehend beschriebene Crossflow-Filtrationseinheit bereitgestellt, welche eine Mehrzahl übereinandergestapelter Anordnungen von Diafiltrationsspalt, flächigem ersten Filtermaterial, Retentatspalt, flächigem zweiten Filtermaterial, Permeatsammelspalt, flächigem zweiten Filtermaterial, Retentatspalt und flächigem ersten Filtermaterial aufweist, sodass die gestapelten Anordnungen zu einer Filterkassette zusammengefasst sind.
Das verwendete Diafiltrationsmedium unterliegt keiner besonderen Einschränkung. Geeignet ist grundsätzlich jedes Fluid, wobei Wasser und wässrige Salzlösungen bevorzugt sind. Besonders bevorzugt ist als Diafiltrationsmedium eine wässrige Pufferlösung.
Vorzugsweise beträgt der Volumenstrom des zugeführten Diafiltrationsmediums das 0,1- bis 15-fache des Volumenstroms der zugeführten Speiseflüssigkeit. Der Volumenstrom des abgeführten Retentats beträgt vorzugsweise das 0,05- bis 10-fache des Volumenstroms der zugeführten Speiseflüssigkeit. in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Diafiitrationsmedium mit einem Druck von 0,1 bis 4 bar zugeführt. Besonders bevorzugt wird das Diafiltrationsmedium mit einem Druck zugeführt, der größer ist als der Rete n tata u sg a n g sd ru ck .
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich betrieben, das heißt unter konstanter/kontinuierlicher Zugabe des Diafiltrationsmediums und der Speiseflüssigkeit, wodurch ein besonders effizientes und wirtschaftliches Filtrationsverfahren bereitgestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird unter „kontinuierlicher Diafiltration" ein Diafiltrationsverfahren verstanden, in dem sowohl das Diafiltrationsmedium als auch die Speiseflüssigkeit kontinuierlich zugegeben werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden in Schritt (A) mehrere erfindungsgemäße und voneinander unabhängige Crossflow-Filtrationseinheiten bereitgestellt und so in Reihe geschaltet, dass der Auslass für das Retentat der jeweiligen vorgeschalteten Crossflow-Filtrationseinheit fluidleitend mit dem Einlass für die Speiseflüssigkeit einer nachgeschalteten Crossflow-Filtrationseinheit verbunden ist. In dieser Ausgestaltung wird zudem in Schritt (C) die Speiseflüssigkeit in den Einlass für die Speiseflüssigkeit derjenigen Crossflow-Filtrationseinheit, welcher keine andere Crossflow-Filtrationseinheit vorgeschaltet ist (erste Crossflow-Filtrationseinheit), zugeführt und in Schritt (D) das Retentat aus dem Auslass für das Retentat derjenigen Crossflow-Filtrationseinheit, welcher keine andere Crossflow-Filtrationseinheit nachgeschaltet ist (letzte Crossflow-Filtrationseinheit), abgeführt. Somit durchläuft das Retentat/die Speiseflüssigkeit die in Reihe geschalteten Crossflow-Filtrationseinheiten von der ersten bis zur letzten. Vorzugsweise werden 2 bis 10, besonders bevorzugt 2 bis 5 Crossflow-Filtrationseinheiten in Reihe geschaltet. Das Diafiltrationsmedium wird in dieser Ausgestaltung jeder der in Reihe geschalteten Crossflow-Filtrationseinheiten getrennt zugeführt. Es ist zwar möglich, verschiedenartige Diafiltrationsmedien zu verwenden, wobei bevorzugt ist, jeder der Crossflow-Filtrationseinheiten das gleiche Diafiltrationsmedium zuzuführen. Vorzugsweise liegt jede der in Reihe geschalteten Crossfiow-Fiitrationseinheiten, wie vorstehend beschrieben, in Form einer Fiiterkassette vor.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden in Schritt (A) mehrere erfindungsgemäße und voneinander unabhängige Crossflow-Filtrationseinheiten bereitgestellt und parallelgeschaltet. Parallel- und Reihenschaltung können miteinander kombiniert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das in Schritt (D) abgeführte Retentat zumindest teilweise in den Einlass für die Speiseflüssigkeit zurückgeführt. Durch einen Kreislaufprozess kann, sofern ein einziger Durchlauf durch die Crossflow-Filtrationseinheit nicht ausreicht, ein verbessertes Ergebnis des Verfahrens erzielt werden. Die Zugabe der Diafiltrationsflüssigkeit und die Entnahme des Permeats erfolgen hierbei ohne Rückführung. Sind mehrere Crossflow-Filtrationseinheiten in Serie geschaltet, kann grundsätzlich jeder Retentatstrom zu jedem Einlass für die Speiseflüssigkeit zurückgeführt werden. Vorzugsweise wird hierbei das Retentat jeder einzelnen Crossflow-Filtrationseinheit zum Einlass für die Speiseflüssigkeit derselben Crossflow-Filtrationseinheit zurückgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird/werden die Speiseflüssigkeit beziehungsweise das Retentat im Retentatspalt in Oszillation versetzt. Dadurch wird die Strömungsbewegung im . Retentatspalt durch eine Oszillation (Schwingung) überlagert. Bewerkstelligt werden kann dies durch mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation, die am Speiseflüssigkeitseinlass und/oder am Retentatauslass angebracht sein kann. Eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation bewegt das Retentat im Retentatspalt hin und her, das heißt, das Retentat wird in eine zum flächigen ersten Filtermaterial weitgehend parallel verlaufende oszillierende Bewegung versetzt. Vorzugsweise wird die Oszillation von einer Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation, die am Speiseflüssigkeitseinlass angebracht ist, sowie einer weiteren Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation, die am Retentatauslass angebracht ist, erzeugt. Eine erfindungsgemäß geeignete Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation ist beispielsweise eine Kolbenpumpe. Bevorzugt umfasst eine Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation ein Reservoir, das durch eine elastische Membran in zwei Hälften unterteilt ist, und gegebenenfalls eine Druckquelle. Das Reservoir ist ein Reservoir (Speicher) für die Speiseflüssigkeit beziehungsweise das Retentat. Die erste Hälfte des Reservoirs ist über eine Ventilsteuerung mit einer Druckquelle, wie z. B. einer Druckluftquelle oder einer Pumpe, verbunden. Die zweite Hälfte des Reservoirs ist fluidleitend mit dem Speiseflüssigkeitseinlass bzw. dem Retentatauslass der Filtrationsvorrichtung verbunden. In der zweiten Hälfte befindet sich außerdem vorzugsweise ein Entleerungs- bzw. Entlüftungsventil. Durch gegenläufiges (alternierendes bzw. abwechselndes) Beaufschlagen jeweils einer der ersten Hälften der beiden Reservoire mit Druck (beispielsweise mit Druckluft) kann so die Retentatströmung hin- und herbewegt (in Oszillation bzw. Schwingung versetzt) werden. Die vorstehend beschriebenen Reservoire können sowohl separater Anlagenteil (nicht Teil der Crossflow-Filtrationseinheit) sein, als auch als Teil der Crossflow-Filtrationseinheit in deren Gehäuse integriert sein.
Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Crossflow-Fiitrationseinheit mindestens eine (vorzugsweise zwei) Vorrichtung(en) zur Erzeugung einer Oszillation der Speiseflüssigkeit beziehungsweise des Retentats im Retentatspalt auf. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation ein Reservoir mit einer Druckquelie aufweist. Besonders bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit ein erstes Reservoir, gegebenenfalls mit einer ersten Druckquelle, und ein zweites Reservoir, gegebenenfalls mit einer zweiten Druckquelle, wobei das erste Reservoir fiuidleitend mit dem Einlass für die Speiseflüssigkeit verbunden ist und das zweite Reservoir fiuidleitend mit dem Auslass für das Retentat verbunden ist, mit der Maßgabe, dass zumindest eine der ersten und zweiten Druckquellen vorhanden ist. Vorzugsweise weisen sowohl das erste als auch das zweite Reservoir jeweils eine Druckquelle auf. Jedes der Reservoire ist vorzugsweise durch eine elastische und fluidundurchlässige (gas- und flüssigkeitsundurchlässige) Membran in zwei Hälften unterteilt, wobei die erste Hälfte mit einer Druckquelle verbunden ist. Die zweite Hälfte des ersten Reservoirs ist vorzugsweise fiuidleitend mit dem Einiass für die Speiseflüssigkeit verbunden. Die zweite Hälfte des zweiten Reservoirs ist vorzugsweise fiuidleitend mit dem Auslass für das Rententat verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren weiter den Schritt (CO) der Auftrennung einer Vorspeiseflüssigkeit in ein Vorretentat und ein Vorpermeat. Durch diesen vorgeschalteten Schritt kann eine Flüssigkeit zunächst beispielsweise durch Filtration oder Diafiltration aufkonzentriert und/oder von Verunreinigungen (teil)befreit werden, um dann einer nachfolgenden Diafiltration unter Verwendung der erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheit unterzogen zu werden. Sofern Schritt (CO) ein Filtrationsschritt oder Diafiltrationsschritt ist, können grundsätzlich sowohl das Vorretentat als auch das Vorpermeat als Speiseflüssigkeit verwendet werden, bevorzugt wird jedoch das Vorretentat aus Schritt (CO) verwendet. Schritt (CO) wird vorteilhaft unter Verwendung einer Crossflow-Filtrationseinheit (CO-Einheit) zur Trennung einer Vorspeiseflüssigkeit in ein Vorretentat und ein Vorpermeat durchgeführt. Derartige Crossflow-Filtrationseinheiten sind im Stand der Technik bekannt. Die CO-Einheit kann dabei, wie vorstehend für die Reihenschaltung der erfindungsgemäßen Crossflow-Filtrationseinheiten beschrieben, der ersten Crossflow-Filtrationseinheit vorgeschaltet werden.
Besonders vorteilhaft ist als CO-Einheit eine Crossflow-Filtrationseinheit, umfassend einen Vorretentatspalt, ein flächiges Filtermaterial und einen Vorpermeatsammelspalt, derart angeordnet, dass das flächige Filtermaterial den Vorretentatspalt und den Vorpermeatsammelspalt voneinander abgrenzt, wobei der Vorretentatspalt fluidleitend mit mindestens einem Einlass für die Vorspeiseflüssigkeit und mit mindestens einem Auslass für das Vorretentat verbunden ist und der Vorpermeatsammelspalt fluidleitend mit mindestens einem Auslass für das Vorpermeat verbunden ist, der Einlass für die Vorspeiseflüssigkeit in einem ersten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit angebracht ist und der Auslass für das Vorretentat in einem zweiten Randbereich der Crossflow-Filtrationseinheit, welcher dem ersten Randbereich gegenüberliegt, angebracht ist, und vorzugsweise das freie Volumen des Vorretentatspaltes in der Flussrichtung vom Einlass für die Vorspeiseflüssigkeit zum Auslass für das Vorretentat abnimmt. Durch die Abnahme des freien Volumens in Flussrichtung kann eine CO-Einheit mit geringem Druckverlust und hoher Flächenausnutzung bereitgestellt werden. Für die Ausgestaltung der CO-Einheit und insbesondere des Vorretentatspaltes und des Vorpermeatsammelspaltes gelten die Ausführungen in Bezug auf die erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit zur Diafiltration und insbesondere die Ausführungen in Bezug auf deren Retentatspalt und Permeatsammelspalt entsprechend. Das flächige Filtermaterial der CO-Einheit kann eine Mikrofiltrationsmembran und vorzugsweise eine Ultrafiltrationsmembran sein. Wie auch die erfindungsgemäße Crossflow-Filtrationseinheit, kann die CO-Einheit zu einer Filterkassette ausgebaut sein. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise unter den folgenden Bedingungen betrieben:
PDF S PRetentat!
x = VDF VFeed, vorzugsweise ist x 1 , besonders bevorzugt 3 bis 10; und k = VFeedA/Retentat, vorzugsweise ist k > 1 ;
wobei
PDF der Druck ist, mit dem das Diafiltrationsmedium zugegeben wird,
PRetentat der Retentatausgangdruck ist, d. h. der Druck mit dem das Retentat die Filtrationsvorrichtung verlässt,
VRetentat der Volumenstrom des Retentats ist,
VDF der Volumenstrom des Diafiltrationsmediums ist,
VFeed der Volumenstrom der Speiseflüssigkeit ist,
x das sogenannte DF-Verhältnis ist und
k der sogenannte Konzentrationsfaktor ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Filtration, Diafiltration, Aufkonzentrierung und/oder Änderung der lonenzusammensetzung einer Proteiniösung oder Kombinationen davon.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann Bestandteil eines umfassenderen Verfahrensablaufes sein. Beispielsweise kann das Diafiltrationsverfahren einer Vorbehandlung nachgeschaltet und/oder einer Nachbehandlung vorgeschaltet sein. Beispielhaft für geeignete Vor- beziehungsweise Nachbehandlungen sind Umsetzen von Edukten zu Produkten auf biologischem oder chemischem Wege, thermische und mechanische Trennverfahren und chemische Analyseverfahren.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt eine Vorrichtung zur Durchführung eines chemischen oder biologischen Verfahrens, welche die vorstehend beschriebene Crossflow-Diafiltrationseinheit umfasst. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise einen Bioreaktor, eine Einheit zur Zellabtrennung, eine Einheit zur Diafiltration mit der erfindungsgemäßen Crossflow-Diafiltrationseinheit und eine Einheit zur Chromatographie umfassen. Geeignete chemische und biologische Verfahren sind beispielsweise die Herstellung von Impfstoffen oder Biopharmazeutika. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der Crossflow-Filtrationseinheit für die kontinuierliche Diafiltration innerhalb eines chemischen oder biologischen Verfahrens, wobei dem Schritt der kontinuierlichen Diafiltration mindestens ein Aufbereitungsschritt für die Speiseflüssigkeit vorgelagert und/oder mindestens ein Nachbereitungsschritt für das Retentat nachgelagert ist. Geeignete Auf- bzw. Nachbereitungsschritte sind beispielsweise Umsetzen in einem Bioreaktor, gegebenenfalls gefolgt von Zellabtrennung, Chromatographie, Filtration, Aufkonzentrierung und Verdünnung (siehe Figur 4).
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
Beispiel 1
Eine Lösung von Albumin und NaCi (5,2 Gew.% Albumin in 0,9 Gew.% wässriger NaCI-Lösung) wurde einer Diafiltration unterzogen. Die Bestimmung der Albuminkonzentration erfolgte photometrisch bei einer Wellenlänge des Lichtes von 280 nm. Die Leitfähigkeit der Ausgangslösung betrug 14 mS. Als Diafiltrationsmedium wurde demineralisiertes Wasser verwendet. Die Diafiltrationseinheit war als Filterkassette ausgebildet, wobei 13 Anordnungen von Diafiltrationspalt, flächigem ersten Filtermaterial, Retentatspalt, flächigem zweiten Filtermaterial, Permeatsammelspalt, flächigem zweiten Filtermaterial, Retentatspalt und flächigem ersten Filtermaterial übereinandergestapelt waren und von einem weiteren Diafiltrationsspalt ergänzt wurden. Als flächiges zweites Filtermaterial wurde eine Hydrosart® Membran des Typs 10 kDa der Sartorius Stedim Biotech GmbH verwendet. Als flächiges erstes Filtermaterial wurde eine Polyethersulfonmembran des Typs 30 kDa der Sartorius Stedim Biotech GmbH verwendet. Das DF-Verhältnis (Volumen Diafiltrationsmedium / Volumen Speiseflüssigkeit) betrug etwa 5,5 : 1 .
Während der Versuchsdauer wurden die Einstellungen der Pumpen und Ventile nicht nachgeregelt. Die Diafiltrationseinheit arbeitete mit stabilen Leistungen. Die geringe Leitfähigkeit des Retentats von 2,2 mS zeigt an, dass eine hervorragende Diafiltrationsleistung erzielt wurde.
Das Ergebnis des vorstehenden Beispiels ist in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
PFeed Druck, mit dem die Speiseflüssigkeit zugegeben wird
Retentat Retentatausgangsdruck
PDF Druck, mit dem das Diafilrationsmedium zugegeben wird
VFeed Volumenstrom der Speiseflüssigkeit
VRetentat Volumenstrom des Retentats
Vpermeat Volumenstrom des Permeats
CProtein Konzentration von Albumin (Gewichtsprozente)
x DF-Verhältnis (Volumen Diafiltrationsmedium / Volumen Speiseflüssigkeit)
LFpermeat Leitfähigkeit des Permeats
LFRetentat Leitfähigkeit des Retentats
T Temperatur
Beispiel 2
Eine Lösung von ca. 22 g/l Albumin (1 g/l entspricht 0,1 Gew.-%) in 10 millimolarem KPi Puffer (10 mmol/i Kalimdihydrogenphosphat und 10 mmol/l Dikaiiumhydrogen- phosphat) und 0,9 Gew.-% NaCI wurde einer Diafiltration unterzogen. Die Bestimmung der Albuminkonzentration erfolgte photometrisch bei einer Wellenlänge des Lichtes von 280 nm. Die Leitfähigkeit der Ausgangslösung betrug 15,9 mS. Als Diafiltrationsmedium (DF) wurde 10 millimolare KPI Lösung mit einer Leitfähigkeit von 2,05 mS benutzt.
Die verwendeten Diafiltrationseinheiten waren als Filterkassette ausgebildet, wobei bei jeder der Diafiltrationseinheiten jeweils 8 Anordnungen von Diafiltrationspalt, flächigem ersten Filtermaterial, Retentatspalt, flächigem zweiten Filtermaterial, Permeatsammelspalt, flächigem zweiten Filtermaterial, Retentatspalt und flächigem ersten Filtermaterial übereinandergestapelt waren und von einem weiteren Diafiltrationsspalt ergänzt wurden. Als flächiges zweites Filtermaterial wurde eine Hydrosart® Membran des Typs 10 kDa der Sartorius Stedim Biotech GmbH verwendet. Als flächiges erstes Filtermaterial wurde eine Hydrosart® Membran des Typs 30 kDa der Sartorius Stedim Bioiech GmbH verwendet.
In diesem Beispiel waren drei der vorstehend beschriebenen Diafiltrationseinheiten mit Hilfe von Umlenkplatten für die Speiseflüssigkeit so in Reihe geschaltet, dass die Speiseflüssigkeit seriell durch alle drei Kassetten geleitet wurde. Dagegen wurde die Diafiltrationsflüssigkeit parallel in alle drei Diafiltrationseinheiten geleitet.
Die Gesamt-Filterfläche aller drei flächigen zweiten Filtermaterialien betrug 0,2 m2. Das DF-Verhältnis (Volumen Diafiltrationsmedium / Volumen Speiseflüssigkeit) betrug etwa 4,5:1 Das Ergebnis des vorstehenden Beispiels ist in der folgenden Tabelle 2 dargestellt. Während der Versuchsdauer wurden die Einstellungen der Pumpen und Ventile nicht nachgeregelt. Die Diafiltrationseinheit arbeitete über einen Zeitraum von 2 Stunden mit konstanten und stabilen Leistungen.
Die Effektivität der Diafiltration wurde aus der Abnahme der Leitfähigkeit (LF) im Feedstrom berechnet und ist in der Tabelle als „Clearance" bezeichnet. Die Berechnung der Clearance in Prozent erfolgte nach der Formel
Clearance = 100- ((LFRetentat - LFDF) / (LFFeed- LFDF)*100), wobei LF die Leitfähigkeit des jeweiligen Mediums ist.
Der so errechnete Clearance-Wert wurde mit dem theoretisch erreichbaren Wert verglichen. Die Berechnung der theoretisch erreichbaren Clearance erfolgte nach der Formel: theoretisch erreichbare Clearance = 100 - ((1/e)n · 100) wobei e die Euiersche Zahl ist und n das DF-Verhäitnis darstellt.
Beispiel 2 zeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine äußerst effektive kontinuierliche Diafiltration möglich ist, die den theoretischen (maximal möglichen) Clearance-Wert von 99% erreichen kann. Hierzu muss angemerkt werden, dass bei einer Verdünnung mit der im Beispiel genannten 4,5-fachen Menge an Diafiltrationslösung und einer anschließenden Aufkonzentrierung der Proteinlösung auf das ursprüngliche Volumen nach bekanntem Stand der Technik lediglich ein Clearance-Wert von 78% erreicht werden kann. Auch eine sukzessive Zugabe in 5 Einzelschritten mit jeweils anschließender Konzentrierung auf das Ausgangsvolumen ergäbe einen Clearance-Wert von lediglich 96%. Selbst dieser liegt noch deutlich unterhalb der erfindungsgemäß erzielbaren Clearance von 99%. Tabelle 2
PFeed Druck, mit dem die Speiseflüssigkeit (Feed) zugegeben wird
PRetentat Retentatausgangsdruck
PDF Druck, mit dem das Diafilrationsmedium zugegeben wird
VFeed Volumenstrom der Speiseflüssigkeit
VRetentat Volumenstrom des Retentats
Vpermeat Volumenstrom des Permeats
CProtein Konzentration von Albumin (g/l)
x DF-Verhältnis (Volumen Diafiltrationsmedium / Volumen Speiseflüssigkeit)
LFRetentat Leitfähigkeit des Retentats
Clearance Leitfähigkeitsabnahme in Prozent (100% = maximal mögliche Leitfähigkeitsabnahme) Clearance theoretisch maximal mögliche Leitfähigkeitsabnahme in Prozent
T Temperatur
Figur 1 zeigt einen möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Crossflow-Diafiltrationseinheit (1 ) mit einem flächigen zweiten Filtermaterial in Form einer Ultrafiltrationsmebran (6) und einem flächigen ersten Filtermaterial in Form einer Mikrofiltrationsmembran (4), wobei die Ströme von Diafiitrationsmedium (3), Speiseflüssigkeit (5), Retentat (7) und Permeat (2) durch Pfeile veranschaulicht sind. Der Diafiltrationsspalt, der Retentatspalt und der Permeatsammelspalt werden durch Abstandshalter (8) für die entsprechenden Medien offengehalten.
Figur 2 zeigt beispielhaft schematisch die Durchführung des erfindungsgemäßen Diafiltrationsverfahrens mit einer Crossflow-Diafiltrationseinheit, welche als Diafiltrationskassette (1 ) ausgebildet ist. Dabei wird am Einlass für die Speiseflüssigkeit die Speiseflüssigkeit (5) über eine Pumpe (14) zugeführt. Vor dem Einlass für das Diafiltrationsmedium und nach dem Auslass für das Retentat wird der Druck des Diafiltrationsmediums (3) beziehungsweise des Retentats (7) durch Manometer (16) gemessen. Die jeweilige Zusammensetzung des Retentats (7) sowie des Permeats (2) wird durch eine Messeinrichtung, beispielsweise ein Konduktometer (19), überwacht. Der Volumenstrom des Retentats (7) wird durch ein Drosselventil (17) gesteuert. Figur 3 zeigt beispielhaft schematisch die Durchführung des erfindungsgemäßen Diafiltrationsverfahrens, wobei drei Diafiltrationskassetten (1 ) in Reihe geschaltet sind. Vorgeschaltet ist ein Schritt der Auftrennung einer Flüssigkeit in ein Vorretentat und ein Vorpermeat mittels einer gewöhnlichen Crossflow-Filtrationskassette (1 1 ). Die Speisefiüssigkeit (5) wird über eine Pumpe (14) zugeführt. Das Diafiltrationsmedium (3) wird den drei Diafiltrationskassetten (1 ) über eine Pumpe (12) zugeführt. Das Vorretentat aus der jeweiligen vorgeschalteten Filtrationseinheit wird über Kanal (10) der jeweiligen nachgeschalteten Filtrationseinheit als Speiseflüssigkeit zugeführt. Vor dem Einlass für das Diafiltrationsmedium und nach dem Auslass für das Retentat wird der Druck des Diafiltrationsmediums (3) beziehungsweise des Retentats (7) durch Manometer (16) gemessen. Die Zusammensetzung des Retentats (7) wird durch eine Messeinrichtung, beispielsweise ein Konduktometer (19), überwacht. Der Volumenstrom des Retentats (7) wird durch ein Drosselventil (17) gesteuert. Das Permeat (2) aus allen Modulen (1 1 , ) wird über die Sammelleitung (20) abgeführt.
Figur 4 zeigt beispielhaft schematisch die Durchführung des erfindungsgemäßen Diafiltrationsverfahrens sowie eine Crossflow-Diafiltrationseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Speiseflüssigkeit/das Retentat (5) im Retentatspalt oszilliert wird/werden. Die Speiseflüssigkeit (5) wird über eine Pumpe (14) in ein Reservoir (30a) und nachfolgend in den Retentatspalt eingebracht. Danach durchläuft die Speiseflüssigkeit/das Retentat (5) eine zweite Vorrichtung zur Erzeugung von Oszillation bzw. ein zweites Reservoir (30b). Das Diafiltrationsmedium (3) wird über eine Pumpe (12) in den Diafiltrationsspalt eingebracht. Die dargestellte Crossflow-Diafiltrationseinheit weist zwei Vorrichtungen zur Erzeugung von Oszillation auf, wobei die erste Vorrichtung ein erstes Reservoir (30a) umfasst und die zweite Vorrichtung ein davon verschiedenes zweites Reservoir (30b) umfasst. Reservoir (30a) ist fluidleitend mit dem Einlass für die Speiseflüssigkeit (5) verbunden. Reservoir (30b) ist fluidleitend mit dem Auslass für das Retentat (7) verbunden. Jedes Reservoir ist durch eine elastische und fluidundurchlässige Membran in zwei Hälften getrennt. Die erste Hälfte des ersten Reservoirs (30a) (in Figur 4 nicht schraffiert dargestellt) ist über eine Ventilsteuerung mit einer Druckqueile verbunden. Die zweite Hälfte des ersten Reservoirs (30a) (in Figur 4 schraffiert dargestellt) ist fluidleitend mit dem Einlass für die Speiseflüssigkeit verbunden. Das zweite Reservoir (30b) ist durch eine elastische und fluidundurchlässige Membran in zwei Hälften getrennt. Die erste Hälfte des zweiten Reservoirs (30b) (in Figur 4 nicht schraffiert dargestellt) ist über eine Ventilsteuerung mit einer Druckquelle verbunden. Die zweite Hälfte des zweiten Reservoirs (30b) (in Figur 4 schraffiert dargestellt) ist fluidleitend mit dem Auslass für das Retentat verbunden. Durch Steuerung beziehungsweise Regelung des Druckniveaus der Druckluft (gegenläufiges Beaufschlagen der jeweils ersten Hälfte von 30a und 30b mit Druckluft) wird eine oszillierende Bewegung der Speiseflüssigkeit/des Retentats im Rententatspalt erzeugt. Ein Teil des Retentats wird kontinuierlich abgeführt, um eine kontinuierliche Verfahrensführung zu gewährleisten. Figur 5 zeigt beispielhaft verschiedene Ausschnitte A bis C von Prozessschemata zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung von Biopharmazeutika, wobei die Prozesse jeweils die Bereitstellung mindestens einer erfindungsgemäßen Crossflow-Diafiltrationseinheit (1 ) umfassen. Durch die gestrichelten eckigen Klammern und die vor- bzw. nachstehenden Pfeile wird angezeigt, dass weitere Verfahrensschritte vor- bzw. nachgeschaltet sein können.
Die in Figur 5A dargestellte Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Crossflow-Diafütrationseinheit (1 ), wobei ein Bioreaktor (41 ) sowie eine Zellabtrennungseinheit (42) vorgeschaltet sind. Der Crossflow-Diafiltrationseinheit (1 ) nachgeschaltet ist eine Chromatographieeinheit / ein Chromatographieschritt (44). Der Strom der Produktlösung aus Bioreaktor (1 ) ist durch Pfeile veranschaulicht.
Die in Figur 5B dargestellte Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Crossflow-Diafiltrationseinheit (1 ) zwischen zwei Chromatographieschritten (44), d. h. der Diafiltration ist ein Chromatographieschritt vorgeschaltet und ein Chromatographieschritt nachgeschaltet.
Die in Figur 5C dargestellte Ausführungsform umfasst eine erfindungsgemäße Crossflow-Diafiltrationseinheit (1 ) vor einem finalen Filtrationsschritt (45).
Die in Figuren 5A bis 5C dargestellten Prozessschritte können beliebig um weitere Prozessschritte erweitert oder beliebig kombiniert werden. Die erfindungsgemäße Crossflow-Filtration wird dabei vorzugsweise zur Filtration, Diafiltration, Aufkonzentrierung und/oder Änderung der Zusammensetzung einer Lösung eingesetzt. Bezugszeichenliste
1 Crossflow-Diafiltrationseinheit/Diafiltrationskassette
2 Permeat
3 Diafiltrationsmedium
4 Erstes Filtermaterial
5 Speiseflüssigkeit
6 Zweites Filtermaterial
7 Retentat
8 Abstandshalter
10 Kanal zur Umienkung der Speiseflüssigkeit
1 1 Standard Crossflow Cassette
12 Diafiltrations-Pumpe
14 Speiseflüssigkeits-Pumpe
16 Manometer
17 Drosselventil
19 Konduktometer
20 Sammelleitung
30a, 30b Reservoir
41 Bioreaktor
42 Zellabtrennung
44 Chromatographie
45 Filtrationsschritt/Filter

Claims

Ansprüche
1 . Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) zur kontinuierlichen Diafiltration einer Speiseflüssigkeit (5) zum Erhalten eines Retentats (7) und eines Permeats (2), mindestens umfassend
einen Diafiltrationspalt,
ein flächiges erstes Filtermaterial (4),
einen Retentatspalt,
ein flächiges zweites Filtermaterial (6) und
einen Permeatsammeispalt,
derart angeordnet, dass das flächige erste Filtermaterial (4) den Diafiltrationspalt und den Retentatspalt voneinander abgrenzt und das flächige zweite Filtermaterial (6) den Retentatspalt und den Permeatsammeispalt voneinander abgrenzt,
wobei
der Diafiltrationspalt fluidleitend mit mindestens einem Einlass für das Diafiltrationsmedium (3), der Retentatspalt fluidleitend mit mindestens einem Einlass für die Speiseflüssigkeit (5) und mit mindestens einem Auslass für das Retentat (7) verbunden ist und der Permeatsammeispalt fluidleitend mit mindestens einem Auslass für das Permeat (2) verbunden ist, und wobei die Porengröße beziehungsweise die Molekulargewichtsausschlussgrenze des flächigen ersten Filtermaterials (4) mindestens so groß wie die Porengröße beziehungsweise die Molekulargewichtsausschlussgrenze des flächigen zweiten Filtermaterials (6) ist.
2. Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) nach Anspruch 1 ,
wobei das flächige erste Filtermaterial (4) eine erste Filtrationsmembran ist und/oder das flächige zweite Filtermaterial (6) eine zweite Filtrationsmembran ist.
3. Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) nach Anspruch 2,
wobei die erste Filtrationsmembran eine Mikro- oder Ultrafiltrationsmembran ist und/oder die zweite Filtrationsmembran eine Ultrafiltrationsmembran ist.
4. Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) eine Mehrzahl übereinander- gestapelter Anordnungen von Diafiltrationspalt, flächigem ersten Filtermaterial (4), Retentatspalt, flächigem zweiten Filtermaterial (6), Permeatsammelspalt, flächigem zweiten Filtermateriai (6), Retentatspalt und flächigem ersten Filtermaterial (4) aufweist, sodass die gestapelten Anordnungen zu einer Filterkassette zusammengefasst sind.
5. Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das freie Volumen des Diafiltrationspaltes und/oder des Retentatspaltes in der Flussrichtung vom Einlass für die Speiseflüssigkeit (5) zum Auslass für das Retentat (7) abnimmt.
6. Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) nach Anspruch 5,
wobei im Retentatspalt mehrere Lagen textiler Materialien übereinander angeordnet sind, derart, dass das freie Volumen des Retentatspaltes in Flussrichtung abnimmt.
7. Verfahren zur Diafiltration einer Speiseflüssigkeit (5) zum Erhalten eines Retentats (7) und eines Permeais (2), umfassend die Schritte
(A) Bereitstellen einer Crossflow-Filtrationseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6;
(B) Zuführen eines Diafiltrationsmediums (3) in den Einlass für das Diafiltrationsmedium (3);
(C) Zuführen der Speiseflüssigkeit (5) in den Einlass für die Speiseflüssigkeit (5);
(D) Abführen des Retentats (7) aus dem Auslass für das Retentat (7); und
(E) Abführen des Permeats (2) aus dem Auslass für das Permeat (2).
8. Verfahren zur Diafiltration nach Anspruch 7, wobei
das Diafiltrationsmedium (3) und die Speiseflüssigkeit (5) kontinuierlich zugeführt werden.
9. Verfahren zur Diafiltration nach Anspruch 7 oder 8, wobei in Schritt (A) mehrere Crossflow-Filtrationseinheiten (1 ), jeweils nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bereitgestellt werden und so in Reihe geschaltet werden, dass der Auslass für das Retentat (7) der jeweiligen vorgeschalteten Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ) fiuidleitend mit dem Einlass für die Speiseflüssigkeit (5) einer nachgeschalteten Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ) verbunden ist, und
in Schritt (C) die Speiseflüssigkeit (5) in den Einlass für die Speiseflüssigkeit (5) derjenigen Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ), welcher keine andere Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ) vorgeschaltet ist, zugeführt wird und in Schritt (D) das Retentat (7) aus dem Auslass für das Retentat (7) derjenigen Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ), welcher keine andere Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ) nachgeschaltet ist, abgeführt wird.
10. Verfahren zur Diafiltration nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei
das in Schritt (D) abgeführte Retentat (7) zumindest teilweise in den Einlass für die Speiseflüssigkeit (5) zurückgeführt wird.
1 1 . Verfahren zur Diafiltration nach einem der Ansprüche 7 bis 10, weiter umfassend den Schritt:
(CO) Auftrennung einer Flüssigkeit in ein Vorretentat und ein Vorpermeat, wobei das Vorretentat oder das Vorpermeat als Speiseflüssigkeit (5) verwendet wird.
12. Verwendung der Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die Filtration, Diafiltration, Aufkonzentrierung und/oder Änderung der lonenzusammensetzung einer Lösung.
13. Verwendung der Crossflow-Fiitrationseinheit (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die kontinuierliche Diafiltration innerhalb eines chemischen oder biologischen Verfahrens, wobei dem Schritt der kontinuierlichen Diafiltration mindestens ein Aufbereitungsschritt für die Speiseflüssigkeit (5) vorgelagert und/oder mindestens ein Nachbereitungsschritt für das Retentat (7) nachgelagert ist.
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