ES2322370T3 - Unidad filtrante integral desechable. - Google Patents

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ES2322370T3 ES05105183T ES05105183T ES2322370T3 ES 2322370 T3 ES2322370 T3 ES 2322370T3 ES 05105183 T ES05105183 T ES 05105183T ES 05105183 T ES05105183 T ES 05105183T ES 2322370 T3 ES2322370 T3 ES 2322370T3
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Gregory Straeffer
David P. Yavorsky
Leonard D. Decoste Jr.
Ralph Stankowski
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Abstract

Una unidad filtrante integral desechable (10) que tiene una entrada (40) y una salida (60), y que consta de una pluralidad de placas filtrantes (20n) interpuestas entre un par de placas de extremos (24, 26); en donde cada una de dichas placas filtrantes (20n) incluye un armazón de material termoplástico (28) y un paquete filtrante de gradiente profundo (35) empotrado en dicho armazón de material termoplástico (28); en donde las placas filtrantes (20n) y las placas de extremos (24, 26) están formadas de material termoplástico y están soldadas por fusión formando una pila integral sustancialmente fija, siendo dicha pila integral sustancialmente fija totalmente estanca al agua desde dicha entrada (40) hasta dicha salida (60) de modo que el fluido que entra en la unidad filtrante integral desechable (10) a través de dicha entrada (40) pasa por el paquete filtrante de gradiente profundo (35) de cada placa filtrante (20n) sustancialmente al mismo tiempo antes de salir de dicha unidad a través de dicha salida (60); y en donde cada placa filtrante (20n) se fabrica por un procedimiento de empotramiento de dos etapas, cuyo procedimiento de dos etapas consta de las etapas de: (a) formar por moldeo de una primera parte importante del dicho armazón de material termoplástico (28) a partir de material termoplástico, proporcionando dicha primera parte al menos una zona de filtración (216); (b) colocar dicho paquete filtrante de gradiente profundo (35) en dicha zona de filtración (216); y (c) formar por moldeo una restante segunda parte menor del dicho armazón de material termoplástico (28) a partir de dicho material termoplástico, completando dicha segunda parte dicho armazón de material termoplástico (28) y empotrar en su lugar dicho paquete filtrante de gradiente profundo (35).

Description

Unidad filtrante integral desechable.
Campo de la invención
En general, la presente invención se refiere a unidades filtrantes desechables, y en particular, a una unidad filtrante integral desechable a través de la que el fluido fluye en "paralelo" a través de una pluralidad de paquetes filtrantes de gradiente profundo.
Antecedentes
Las buenas prácticas de fabricación y las reglamentaciones gubernamentales son básicas en muchos procedimientos de fabricación de productos biofarmacéuticos. Tales procedimientos de fabricación tienen que someterse frecuentemente a métodos de validación largos y costosos.
Por ejemplo, el equipo utilizado para la separación y purificación de productos biofarmacéuticos tiene, por razones obvias, que cumplir con requisitos de limpieza rigurosos. La validación de la limpieza de equipo nuevo o revisado (tales como unidades de filtración primarias y secundarias) puede requerir tantas como 50 torundas de ensayo de las superficies expuestas y los subsiguientes ensayos biológicos de dichas torundas de ensayo. Para una sola pieza de un equipo de filtración, el coste asociado que se produce de nuevo para una sola validación de limpieza puede fácilmente ser del orden de varios miles de dólares.
Para reducir dichos costes y gastos de validación de limpieza, y/o reducir las ocasiones en que es necesaria o requerida la limpieza, las industrias farmacéuticas y biotecnológicas están explorando de modo creciente soluciones de filtración desechables modulares pre-validadas.
En línea con lo anterior, existe últimamente un considerable interés en desarrollar una solución desechable para la clarificación primaria y/o secundaria de volúmenes industriales de fluidos en bruto, sintetizados farmacéuticamente (por ejemplo, cultivos celulares). Los requerimientos, por el elevado volumen y el elevado rendimiento de tales procedimientos de filtración, suponen generalmente el empleo de costosos aparatos de filtración instalados de acero inoxidable, en los que los cartuchos o portafiltros reemplazables (por ejemplo, que comprenden pilas de elementos filtrantes o lenticulares) están instalados dentro de un alojamiento de acero inoxidable o receptáculo similar. Al final de una operación de filtración, y retirada del cartucho o portafiltros gastado, el aparato tiene que ser limpiado y validado, con un considerable coste y esfuerzo, antes de utilizarse de nuevo.
Por tanto existe la necesidad de una unidad de filtración desechable que pueda ser pre-esterilizada y pre-validada y que pueda llevar a cabo clarificaciones primarias y secundarias, comparables en cuanto a volumen y rendimiento a las proporcionadas y esperadas de los procedimientos de filtración convencionales, pero con necesidades sustancialmente reducidas de costosas instalaciones de tuberías fijas, equipo y otro tipo de utillaje de filtración similar.
Aunque se han descrito unidades filtrantes integrales desechables -tales como las que se sugieren en la Patente de EE.UU. Nº 5.492.742, concedida a Richard G. Gutman et al., el 4 de Julio de 1995- estas y otras tecnologías conocidas no pueden utilizarse con total seguridad para, o ser fácilmente aplicables en, filtración en lecho profundo (en general) ni en clarificación primaria o secundaria de volúmenes y rendimientos elevados (en particular).
El documento US-A-5069791 describe un aparato de filtración que tiene una pluralidad de elementos filtrantes, que están dispuestos unos sobre otros, y que tiene incorporado al menos un canal común de fluido sin filtrar y al menos un canal común de filtrado. Cada elemento del filtro está hecho de metal y tiene al menos una hoja filtrante, sirve para la deposición de una capa de torta formada por al menos un coadyuvante de filtración, y separa una zona de recogida de filtrado que se abre al canal de filtrado desde un espacio de llenado dispuesto encima de la hoja filtrante. Cada elemento filtrante está provisto adicionalmente de un espacio anular de distribución que llega aproximadamente hasta el eje central del filtro, se abre sobre el espacio de llenado en su periferia exterior, y en la región del eje central del filtro se comunica con el canal del fluido no filtrado. Los elementos filtrantes están situados entre una tapa superior fija y una tapa inferior movible verticalmente que, presionando los elementos filtrantes uno contra otro para mantenerlos juntos, actúa hidráulicamente impulsada por un mecanismo compresor.
El documento US-A-3241678 describe otro aparato filtrante en el que las varias placas filtrantes y los miembros del bastidor están apilados alternativamente unas sobre otras y colocadas entre miembros de extremos rígidos mantenidos ensamblados por varillas o barras en ambos lados de los miembros de placa y del bastidor. Los conductos de entrada unidos en los distintos elementos unidos están en coincidencia con una tubería de alimentación. Las placas filtrantes individuales tienen capas filtrantes unidas a caras exteriores circunferenciales de un elemento del bastidor que rodea un miembro interno compuesto de un material que tiene canales de drenaje. Las capas filtrantes se prolongan hasta las superficies periféricas exteriores de las placas filtrantes y el montaje completo se sella a continuación en su zona periférica para eliminar fugas por los bordes.
Sumario de la invención
Constituye un objeto de la presente invención proporcionar una unidad filtrante integral desechable útil para la clarificación primaria y/o secundaria de fluidos farmacéuticos y similares.
Para resolver este problema la presente invención proporciona una unidad filtrante integral desechable, tal como se define en la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones subordinadas.
En respuesta a la necesidad antes citada, la presente invención proporciona una unidad filtrante integral desechable 10, que tiene una entrada 40 y una salida 60, y que se compone de una pluralidad de placas filtrantes 20n interpuestas entre un par de placas de extremos 24, 26. Cada una de las placas filtrantes 20n consta de un armazón de material termoplástico 30 con un paquete filtrante de gradiente profundo 35 empotrado en dicho armazón. Las placas filtrantes y las placas de extremos están soldadas formando una pila integral sustancialmente fija y sustancialmente estanca al agua. El fluido que entra en la unidad filtrante integral desechable 10 a través de dicha entrada 40 atraviesa el paquete filtrante de gradiente profundo 35 de cada placa filtrante 20n sustancialmente al mismo tiempo antes de salir de dicha unidad 10 a través de dicha salida 60, (compárese, flujo "paralelo").
La trayectoria del flujo "paralelo" a través del paquete filtrante de gradiente profundo 35 favorece el uso de la unidad filtrante 10 para la clarificación primaria y/o secundaria de, por ejemplo, fluidos biofarmacéuticos. En una realización preferida, la unidad filtrante integral desechable, 10, es relativamente pequeña y compacta - características estructurales deseables que favorecen una instalación y manipulación más fáciles en comparación con la mayoría de las unidades típicas más voluminosas ampliamente utilizadas actualmente. La unidad filtrante está configurada de manera que no se necesita ningún alojamiento externo para su uso en filtración. La unidad filtrante 10 puede instalarse directamente en una corriente fluida de proceso. Cuando está agotada, la unidad filtrante se retira y se sustituye por una nueva.
En una realización particular de la presente invención, el armazón de material polímero 28 de la unidad filtrante: (a) es monolítico, (b) tiene un borde exterior, con superficies que dan al interior 214 y superficies que dan al exterior 217 que circunscriben una zona interna de dicho armazón; y (c) proporciona un orificio de alimentación 210, un orificio de filtrado 212, y una zona de filtración 216 dentro de dicha superficie que da al exterior 214. Un paquete filtrante de gradiente profundo 35 está empotrado en la zona de filtración 216. El paquete 35 se compone de estratos o capas de material de filtración apilado o depositado de otra manera unos contra otros formando un material compuesto almohadillado unitario. Dependiendo de los materiales y de la metodología de fabricación, el material compuesto es o autoportante y/o unificado encapsulado con una envolvente, criba o tamiz exterior poroso.
Es un aspecto de la presente invención proporcionar una unidad filtrante integral desechable que tiene incorporados en ella varios paquetes filtrantes de gradiente profundo relativamente gruesos, estando los paquetes empotrados en la unidad con una distorsión estructural minimizada.
Es otro aspecto de la presente invención proporcionar una unidad filtrante sustancialmente estanca al agua útil para la clarificación primaria y/o secundaria de, por ejemplo, fluidos biofarmacéuticos, sin necesidad durante dicho uso de un alojamiento externo del filtro.
Para una mayor comprensión de la naturaleza de estos y otros objetos de la presente invención, debe hacerse referencia a la siguiente descripción considerada conjuntamente con los dibujos que la acompañan.
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Breve descripción de los dibujos
Las Figuras proporcionan ilustraciones representativas esquemáticas. Las localizaciones, formas y tamaños relativos de los objetos se han exagerado para facilitar su estudio y su representación.
La Figura 1 es una vista diagramática de una unidad filtrante integral desechable, 10, según una realización de la presente invención, comprendiendo la unidad filtrante, 10, una pila de placas filtrantes 20n, en cada una de las cuales está empotrado un paquete filtrante de gradiente profundo.
La Figura 2 es una vista diagramática de un paquete filtrante de gradiente profundo, 35, útil para la construcción de una unidad filtrante integral desechable.
La Figura 3a es una vista en corte transversal de una placa filtrante individual, 20, útil para la construcción de una unidad filtrante integral desechable.
La Figura 3b es una vista en corte transversal de placas filtrantes pareadas 20_{I}, 20_{II}, útiles en la construcción de una unidad filtrante integral desechable.
La Figura 3c es una vista en planta de una realización de una placa filtrante, 20, útil en la construcción de una unidad filtrante integral desechable.
La Figura 3d es una vista en planta de otra realización de una placa filtrante, 20, útil en la construcción de una unidad filtrante integral desechable.
La Figura 4a es una vista en planta de otra realización de una placa filtrante, 20, siendo dicha realización fabricada de acuerdo con un procedimiento de moldeo en dos etapas y empotramiento.
La Figura 4b es una vista en corte transversal de la placa filtrante, 20 ilustrada en la Figura 4a, vista por el eje B-B.
La Figura 5 es una vista en corte transversal de una realización particular de placas filtrantes pareadas 20_{I}, 20_{II}, útiles en la construcción de una unidad filtrante integral desechable.
La Figura 6 es una vista en corte transversal de una unidad filtrante integral desechable 10 según una realización particular de la presente invención, cuyo unidad filtrante 10 consta de una pila de placas filtrantes 20n, dentro de cada una de las cuales está empotrado un paquete filtrante de gradiente profundo 35.
Descripción detallada
La presente invención, como se representa en la Figura 1, proporciona una unidad filtrante integral desechable 10 que tiene una entrada 40, una salida 60 y que consta de una pluralidad de placas filtrantes 20n interpuestas entre un par de placas de extremos 24, 26. La unidad filtrante integral desechable 10 está caracterizada particularmente porque cada una de dichas placas filtrantes 20n consta de un armazón de material termoplástico 28 y de un paquete filtrante de gradiente profundo 35 empotrado en dicho armazón de material termoplástico. Juntas, las placas filtrantes 20n y las placas de extremos 24, 26, forman una pila integral sustancialmente fija, dispuesta y configurada de tal manera que el fluido que entra en la unidad filtrante integral desechable 10 a través de la entrada 40, pasa por el paquete filtrante de gradiente profundo 35 de cada placa filtrante 20n sustancialmente al mismo tiempo (es decir, en "paralelo") antes de salir de la unidad 10 a través de su salida 60.
Entre sus ventajas, la unidad filtrante integral desechable 10, -debido a su configuración integral- elimina la necesidad de un alojamiento exterior fijo, tales como los relativamente caros alojamientos de acero inoxidable de amplio uso actualmente. Con respecto a esto, el caudal de fluido a través de la unidad filtrante está sustancialmente contenido dentro de la pila integral de placas - una nueva configuración estructural que permite una construcción sustancialmente estanca al agua. Aunque dependiendo de una aplicación particular también podría emplearse un alojamiento externo fijo.
La unidad filtrante integral desechable 10 puede fabricarse a un coste relativamente bajo. En particular, la unidad filtrante integral desechable 10 puede fabricarse como elemento "de un solo uso" en el sentido de que al final de la operación de filtración de fluido deseada (o predeterminada) la unidad filtrante 10 puede ser desechada (por ejemplo, como a veces requiere la ley después de filtrar ciertas sustancias medioambientalmente reglamentadas) o parcial o completamente revitalizada o reciclada (por ejemplo, después de filtrar sustancias no reglamentadas).
La unidad filtrante integral desechable permite la clarificación de un volumen relativamente elevado de fluidos (por ejemplo, la denominada "clarificación primaria") a un caudal o rendimiento comparable al conseguido por grandes unidades de filtración, con un equipo similar pero más pequeño y más compacto. Esta funcionalidad se atribuye en parte a la nueva configuración del dispositivo y a la utilización de varios paquetes filtrantes de gradiente profundo dispuestos en una trayectoria de "flujo paralelo" dentro de la unidad 10, de manera que cada paquete contribuye al conjunto de área de membrana disponible de la unidad. Las realizaciones preferidas de la unidad filtrante 10 de la invención pretenden conseguir elevados volúmenes de filtración de fluidos que contengan partículas de tamaño dentro del intervalo de aproximadamente 10 micrómetros hasta 100 micrómetros.
Aunque la realización mostrada en la Figura 1 ilustra la unidad filtrante 10 que consta de placas filtrantes 20a-n interpuestas en una relación sustancialmente normal entre las placas de extremos 24, 26, tal configuración no debe interpretarse como limitante. Están disponibles otras configuraciones. Por ejemplo, la pila de placas filtrantes 20a-n puede estar interpuesta entre las placas de extremos 24, 26 en una relación sustancialmente ortogonal. Esto puede conseguirse por ejemplo, situando entradas y salidas adecuadas sobre o próximas a las superficies que bordean cada placa filtrante 20, y configurando las placas de los extremos como un colector con las correspondientes trayectorias de flujo que se acoplan apropiadamente con dichas entradas y salidas de dichas placas 20a-n. Naturalmente, teniendo en cuenta la presente descripción los expertos en la técnica pueden considerar otras configuraciones.
Aunque se espera que la unidad filtrante 10, pueda ser diseñada de manera que lo único que se necesite para crear una adecuada trayectoria de flujo estanca al agua desde la entrada a la salida sea que estén permanentemente combinadas las placas filtrantes 20a-n y las placas de extremos 24, 26, para cierta aplicación, por ejemplo, que implique presiones y temperaturas del fluido relativamente elevadas, pudiera ser deseable una estructura más robusta. En tales situaciones se puede moldear sobre la unidad filtrante 10, un molde exterior 80 opcional que proteja las superficies exteriores de las placas filtrantes 20a-n. El molde exterior 80, si se desea, puede extenderse al menos parcialmente a las placas de extremos 24 y 26, para afianzar o de otro modo fijar esos componentes. El molde exterior 80 puede funcionar, por ejemplo, para hacer la unidad filtrante más robusta (cf., estanca al agua) en el caso de más elevadas presiones y/o temperaturas del fluido.
Como se ha indicado, cada una de las placas filtrantes 20n consta de un paquete filtrante de gradiente profundo 35 empotrado fijamente en un armazón de material polímero 28, preferiblemente plástico, más preferiblemente termoplástico. Como se ve en la Figura 3a el armazón de material polímero 28 tiene una configuración sustancialmente lisa y plana, como el paquete filtrante de gradiente profundo 35. El paquete 35 está empotrado en el armazón de material polímero 28 en una orientación sustancialmente perpendicular o coplanar. La placa filtrante resultante por tanto adopta generalmente una configuración similar a una plancha muy adecuada para apilarse adyacentemente una encima de otra.
Como se muestra en las Figuras 3a, 3b y 3c, independientemente de su realización particular, el armazón de material polímero 28 está estructurado específicamente para definir al menos tres zonas no solapantes, es decir, una zona de filtración 216, una zona de orificio de entrada 210, y una zona de orificio de salida 212. El paquete de filtración de gradiente profundo 35 está empotrado y "enmarcado" dentro del armazón de material polímero 28 específicamente dentro de su zona de filtración 216.
Como se muestra en las Figuras 3a, 3b, y 3c, no existe ninguna limitación particular en relación con la forma, posiciones relativas y tamaños de las zonas 216, 210, y 212. Con relación a forma y tamaño, los expertos en la técnica pueden elegir formas y tamaños apropiados a la filtración particular pretendida. Aunque solamente se muestran en las Figuras 3a, 3b, y 3c unas únicas específicas zonas de orificios de salida y entrada, 210, 212, puede emplearse, si de desea, una pluralidad de dichas zonas. Véase por ejemplo, la Figura 4a.
Aunque en las realizaciones principales de la presente invención las zonas de entrada y salida están localizadas una frente a la otra en los extremos opuestos del armazón de material polímero 28, con la zona de filtración sustancialmente centrada a mitad de camino entre las dos (véanse, por ejemplo las Figuras 3a y 3b), esto no es un requerimiento. Por ejemplo, como se muestra en la Figura 3c, es posible construir una placa filtrante 20 operable, en la que la zona del orificio de entrada 210 y la zona del orificio de salida 212 estén próximas una a la otra y sustancialmente rodeadas por la zona de filtración 216.
Las extensiones estructurales del armazón de material polímero 28 están limitadas por una pared exterior que tiene una superficie de pared exterior 217 y una superficie de pared interior 214. En ciertas realizaciones de la presente invención, cuando una pluralidad de placas filtrantes 20n están apiladas juntas formando una unidad filtrante 10, las superficies de pared exterior 217 de cada componente armazón de material polímero 28 forman colectivamente las superficies del lado exterior de la unidad filtrante 10. En ciertas realizaciones principales de la presente invención, la pared exterior resultante de material compuesto de la unidad filtrante 10 es suficientemente estanca al agua, duradera, y robusta para permitir la filtración sin el empleo de un alojamiento externo.
La trayectoria del flujo a través de la unidad filtrante 10 viene determinada en gran parte por la configuración estructural del armazón de material polímero 28. En una disposición típica, la pila de placas filtrantes 20n consta de varios pares de placas filtrantes 20n. Como se muestra en la Figura 3b, en cada par, dos placas filtrantes idénticas 20_{I} y 20_{II} están colocadas juntas y unidas "parte trasera con parte trasera" en coincidencia. Cuando se introduce fluido en el dicho par durante la realización de una operación de filtración, el fluido entra primero en la entrada combinada en el canal formado entre los paquetes filtrantes de gradiente profundo. El fluido pasa a continuación a través del, y es filtrado por el paquete filtrante de gradiente profundo 35, y luego fluye por el orificio combinado de salida.
La llamada "filtración en flujo paralelo" (es decir, flujo sustancialmente simultáneo a través de cada paquete filtrante componente de la unidad) puede llevarse a cabo uniendo varios de los dichos pares de manera que todas las entradas y todas las salidas estén alineadas y en coincidencia. Aunque se prefiere el uso de pares de placas filtrantes -y por lo tanto un número par de placas individuales-, los expertos en la técnica pueden comprender que puede establecerse una trayectoria de flujo de filtración del fluido empleando una única placa filtrante interpuesta entre placas de los extremos adecuadamente estructuradas. Por lo tanto la presente invención no está limitada a si se utilizan pares, números pares o números impares de placas. La presente invención admite flexibilidad en dicha selección.
Una realización útil de un par de placas filtrantes se muestra en la Figura 5. El par de placas filtrantes en dicha Figura se compone de dos placas filtrantes idénticas 20_{I,II} que una consta de un armazón de material polímero 28_{I,II} que define una zona de orificio de entrada 210_{I,II}, una zona de orificio de salida 212_{I,II}, y una zona de filtración 216_{I,II} sustancialmente entre ellas. Los paquetes de filtración de gradiente profundo 35_{I,II} están empotrados en las respectivas zonas de filtración 216_{I,II}. Las placas de filtración 20_{I,II} están unidas para formar un canal de alimentación 50 entre los paquetes filtrantes 35_{I,II} y los canales filtrantes 52 fuera de los paquetes filtrantes 35_{I,II}. Las zonas combinadas de orificios de entrada 210_{I,II} proporcionan aberturas que permiten que el acceso del fluido inmediatamente al canal de alimentación 50. De forma similar, las zonas combinadas de orificio de salida 210_{I,II} proporcionan aberturas que permiten el acceso del fluido inmediatamente a los canales de filtrado 52.
El paquete filtrante de gradiente profundo 35 empotrado dentro del armazón de material polímero 28 está caracterizado por su disposición estratificada gruesa de material de filtración (preferiblemente de base fibrosa). Los estratos o capas de materiales de filtración están apilados unos contra otros formando una estructura compuesta almohadillada que -dependiendo de la técnica de fabricación elegida- es o "autoportante" o normalizada encapsulada dentro de una envoltura, tamiz o criba exterior porosa. Adicionalmente pueden emplearse capas de un material membranoso moldeado o de un material de filtración no tejido en lugar de los materiales fibrosos preferidos como es conocido por los expertos en la técnica.
Cada una de las capas que constituyen el paquete filtrante puede estar hecha del mismo o de diferentes materiales. Sin embargo, cada capa -con respecto a su funcionalidad- se hace progresivamente más retentiva que la anterior, a medida que se avanza aguas abajo a través del paquete. En una realización particularmente útil para filtración biofarmacéutica, la(s) capa(s) situada(s) aguas arriba proporciona(n) una función llamada "pre-filtración" (es decir, una retención de aproximadamente de 25 a aproximadamente 1 micrómetro); la(s) capa(s) centrales proporciona(n) una función llamada "filtración primaria" (es decir, una retención de aproximadamente de 1 a aproximadamente 0,3 micrómetros); y la(s) capa(s) situadas aguas abajo proporciona(n) la función llamada "afinado del fluido" (es decir, una retención de aproximadamente de 0,3 a aproximadamente 0,1 micrómetros).
Cada capa o estrato puede estar hecha del mismo o diferente material. Los tipos de materiales básicos que pueden emplearse para este propósito incluyen polipropileno, poliéster, vidrio, poli(cloruro de vinilo), policarbonato, politetrafluoroetileno, poli(fluoruro de vinilideno), celulosa, amianto, nilón, polietersulfona, y otros materiales polímeros (o no polímeros).
Aparte de los materiales básicos también pueden considerarse los materiales y medios filtrantes descritos en las siguientes patentes: Patente de EE.UU. Nº 4.645.567 concedida a K. C. Hou et al., el 24 de febrero de 1987; Patente de EE.UU. Nº 4.606.824 concedida a C. K. Chu et al., el 19 de agosto de 1986; Patente de EE.UU. Nº 4.511.473 concedida a K. C. Hou el 16 de abril de 1985; Patente de EE.UU. Nº 4.488.969 concedida a K. C. Hou el 18 de diciembre de 1984; Patente de EE.UU. Nº 5.283.106, concedida a K. Seller et al., el 1 de febrero de 1994; Patente de EE.UU. Nº 4.661.255, concedida G. Aumann et al., el 28 de abril de 1987; y Patente de EE.UU. Nº 3.353.682, concedida a D. B. Pall et al., el 21 de noviembre de 1967.
Los materiales fibrosos son generalmente preferidos, debido a su versatilidad, relativa facilidad de deposición, sus propiedades de resistencia, su relación superficie interna a peso, su coste, y porque las fibras pueden orientarse en diversas posiciones y ángulos. Los materiales fibrosos típicos incluyen vidrio y cuarzo, amianto, titanato de potasio, óxido de aluminio coloidal, silicato alumínico, lana mineral, celulosa regenerada, celulosa microcristalina, poliestireno, poli(cloruro de vinilo), poli(cloruro de vinilideno), poliacrilonitrilo, polietileno, polipropileno, caucho, polímeros del ácido tereftálico y etilenglicol, poliamidas, fibras de caseína, fibras de zeína, acetato de celulosa, rayón viscosa, yute de cáñamo, lino, algodón, seda, lana, mohair, papel, fibras metálicas, tales como de hierro, cobre, aluminio, acero inoxidable, latón, plata, y titanio, y arcillas con partículas aciculares tipo listón o aguja, tales como montmorillonita, sepiolita, paligorskita, y arcillas de atapulgita de este tipo.
La presente invención no está limitada a ninguna morfología particular para las capas que constituyen la zona de pre-filtración. Por ejemplo, en una realización, el material está formado como almohadilla de un fieltro sintético no tejido tratado con agujas. Si se usa polipropileno es preferiblemente fibra "virgen". En otras palabras, las fibras están esencialmente libres de aglutinantes, agentes de acabado, y otros coadyuvantes que se añaden o revisten frecuentemente las fibras de polipropileno durante o después de su formación. El polipropileno "virgen" esencialmente no contiene ningunos aditivos distintos de los inherentes a la síntesis del polipropileno.
La formación de una alfombrilla o esterilla filtrante puede llevarse a cabo por medio de varias técnicas convencionales, de las que la formación de trama mecánica, aerodinámica, o hidrodinámica se utiliza para fibras y filamentos cortados y la formación electrostática para fibras de denier muy fino.
Los materiales unidos por centrifugación pueden formarse a partir de filamentos fundidos-centrifugados de termoplásticos, por ejemplo, polietileno, polipropileno, poliamida, o poliéster, que se consolidan sustancialmente por medio de un tratamiento con agujas, un tratamiento de contracción o por adición de un aglutinante. Puede comprenderse la ventaja del procedimiento de unión por centrifugación en el que los polímeros formadores de filamento son fundidos y centrifugados en una sola operación y enfriados en corrientes de aire, estirados y a continuación directamente dispuestos en forma de alfombrilla o esterilla. Los materiales no tejidos unidos por centrifugación son deseables frecuentemente para su uso como material filtrante debido a sus ventajas comerciales y cualitativas sobre otros materiales no tejidos.
Para materiales de base celulosa, un método de fabricación comienza primeramente preparando una suspensión que consta de fibras de celulosa, aditivos de filtración, y un aglutinante polímero termoestable. La suspensión se enfieltra a vacío y luego se cura a temperatura elevada. La resina catiónica, una vez curada, forma una estructura permanente, interconectada rígida. El resultado es una estructura compuesta que tiene una estructura tortuosa de canales de flujo y que comprende los aditivos de filtración empotrados en una matriz de celulosa.
Los materiales no tejidos usados para la fabricación del filtro se usan deseablemente en su estado consolidado. Los materiales pueden consolidarse de cualquier manera convencional, por ejemplo por unión térmica bajo presión, en la cual el material se somete a un tratamiento por calandrado, o por tratamiento con agujas o por unión térmica utilizando aglutinantes, tales como adhesivos termofusibles, por ejemplo en forma de fibras o polvo, en cuyo caso el adhesivo termofusible tiene que tener un punto de fusión que sea menor que el del material de fibra de la trama, o la pre-consolidación puede efectuarse usando una combinación de las medidas antes mencionadas.
El material de filtración bajo ciertas circunstancias puede mejorarse por la incorporación de aditivos no fibrosos, es decir, los llamados "coadyuvantes de filtración". Estos pueden incorporarse empleando resinas aglutinantes, aniónicas, catiónicas o no iónicas adecuadas. Los ejemplos de aditivos incluyen, pero sin limitación, tierra de diatomeas lavadas con ácidos, perlita, sílice precipitada y de pirólisis (para absorción hidrófoba); y carbón activo (para absorción de ciertas hormonas y pirógenos).
Membranas tales como las moldeadas por colada o las no tejidas o membranas microporosas estiradas son útiles como una o más de las capas finales (tamaño de poro 0,45 o 0,2 micrómetros) que proporcionan una elevada retención de impurezas a medida que el material fluye a través del paquete 35 de lecho profundo. Los materiales adecuados para tales membranas incluyen, aunque sin limitación, celulosas, incluyendo celulosa regenerada y ésteres de celulosa mixtos, poli(fluoruro de vinilideno), polisulfona, polietersulfona, poliarilsulfona, nilones, poliéster, policarbonato, poliestireno, resina PTFE, polipropileno, polietileno y similares. Ejemplos de materiales comercialmente disponibles y adecuados son un producto éster celulósico mixto conocido como membrana RW, una membrana de PVDF conocida como membrana Durapore® y una membrana de PES conocida como la membrana Millipore Express®, todas ellas disponibles en Millipore Corporation of Billerica, Massachussets.
La incorporación del paquete filtrante 35 de gradiente profundo en el armazón de material polímero 28 se lleva a cabo preferiblemente por moldeo por inyección. Aunque para ciertas aplicaciones pueden emplearse las metodologías convencionales de moldeo por inyección, las bien documentadas inestabilidades estructurales del pre-curado y la post-conformación de muchos materiales termoplásticos (por ejemplo, la contracción) pueden tener una influencia no intencionada sobre la integridad estructural del material de filtración incorporado. Por ejemplo, si el paquete filtrante 35 de gradiente de densidad que se pretende incorporar es del tipo diseñado para permitir separaciones de alta resolución (tal como es común en separaciones de fluidos biofarmacéuticos), incluso una ligera permutación estructural del armazón de material polímero 28 circundante, aún de corta duración y temporal, puede comprometer inaceptablemente la integridad estructural del dicho paquete filtrante 35. Ciertas materias primas termoplásticas, como es el caso también de armazones grandes y voluminosos, pueden producir tan severas contorsiones estructurales durante el curado que la integridad funcional y estructural incluso de robustos paquetes filtrantes de gradiente de densidad pudiera no ser inmune a tales influencias.
En la presente invención el armazón de material polímero 28 proporciona una mayor funcionalidad, si se diseña con suficiente grosor para resistir la fuerza de la presión interna durante la operación del dispositivo completo. Sin embargo, cuanto más grueso se moldee el armazón, mayor será la tendencia a contraerse. Los problemas de deformación y contracción también pueden limitar la selección del material.
Para resolver tales problemas en la fabricación, cuando sea relevante, se puede emplear un procedimiento de moldeo en dos etapas en el que se fabrica una primera parte sustancial del armazón y se la deja que se contraiga a su estado natural, moldeándose la parte restante menor durante o al mismo tiempo que el empotramiento del paquete filtrante de gradiente profundo. Mas particularmente, un procedimiento de moldeo en dos etapas comprende las etapas de: (a) formar por moldeo una primera parte sustancial del dicho armazón de material polímero a partir de un polímero termoplástico, proporcionando dicha primera parte exterior al menos dicha zona de filtración; (b) colocar dicho paquete filtrante de gradiente profundo en dicha zona de filtración; y (c) formar por moldeo una segunda parte restante y menor de dicho armazón de material polímero a partir de dicho polímero termoplástico, completando dicha segunda parte dicho armazón de material polímero; y empotrar dicho paquete filtrante de gradiente profundo en su sitio.
Las ventajas del procedimiento de moldeo en dos etapas se deben principalmente al efecto estabilizante y de refuerzo proporcionado por la primera parte formada. A medida que el material termoplástico de la segunda parte formada se enfría (o de otro modo se endurece), probablemente se contraerá o alabeará, pero el efecto estará mucho más limitado debido a las restricciones espaciales impuestas por la primera parte dimensionalmente estabilizada y su masa relativamente menor. Así el paquete filtrante 35 de gradiente de densidad queda empotrado firmemente en el armazón de material polímero, bajo condiciones que son relativamente suaves y por tanto es menos probable que se comprometa su integridad estructural y funcional.
Detalles adicionales en relación con el procedimiento de moldeo en dos etapas utilizado para empotrar el paquete filtrante 35 de gradiente profundo se describen en la solicitud de Patente de EE.UU. 10/870.802 presentada en la misma fecha que la solicitud prioritaria que la presente, titulada "Method for the Manufacture of a Composite Filter Plate" ("Método para la fabricación de una placa filtrante de un material compuesto".
Aunque en el ejemplo anterior los materiales termoplásticos se han destacado para su empleo en la formación del armazón de material polímero 28, también pueden utilizarse otros materiales, tales como los termoendurecibles y los cauchos como parte o todo del armazón si se desea o se necesita por la aplicación y como se describe más adelante.
Un ejemplo representativo de un paquete filtrante 35 de gradiente profundo se muestra en la Figura 3. El paquete filtrante 35 de gradiente profundo consta de una pluralidad de capas filtrantes adyacentes 355, 357, y 359 interpuestas entre las tamices 352 y 354, siendo la retención de cada una de dichas placas filtrantes mayor (es decir, más selectiva) que la de la capa precedente. Más particularmente, el paquete filtrante de gradiente profundo está compuesto como se indica a continuación:
1
LMH = Litros por metro cuadrado por hora
\vskip1.000000\baselineskip
En el montaje preferido de la unidad filtrante integral desechable 10, cada uno de los pares de placas filtrantes pre-unidos antes mencionados se reúnen secuencialmente, se posicionan en la coincidencia apropiada, luego se unen entre sí permanentemente, formando cierres estancos al agua. Después de completada la pila, las tapas de extremos 24 y 26 se posicionan en los lados aguas abajo y aguas arriba de la pila, respectivamente, y se unen permanentemente de manera que formen cierres estancos al agua. Las uniones permanentes pueden conseguirse empleando, por ejemplo, acoplamientos mecánicos, adhesivos, sellado térmico, y sistemas similares.
Con respecto a los procedimientos de sellado térmico -particularmente para el montaje de realizaciones del tipo ilustrado en la Figura 4a- la soldadura por vibración proporciona resultados particularmente buenos con materiales termoplásticos.
La soldadura por vibración y sus diversas variantes son tecnologías bien conocidas. Durante la soldadura por vibración, los componentes que se ha de unir se hace vibrar en ciertos puntos de contacto pre-diseñados a frecuencias, por ejemplo, superiores a 20.000 ciclos por segundo (es decir, 20 Hz). Se genera un intenso calor en unos microsegundos suficiente para fundir el material termoplástico y soldar las capas en dichos puntos de contacto. La soldadura por vibración se prefiere a otros procedimientos de soldadura térmica porque el calor generado está relativamente estrechamente localizado y se disipa rápidamente, con lo que se elimina la necesidad de emplear costosos sistemas de eliminación del calor.
La soldadura por vibración es el método preferido para unir térmicamente configuraciones rectangulares, "no encamisadas" de la unidad filtrante de la invención. Esta configuración consta esencialmente de varias placas filtrantes rectangulares (por ejemplo, del tipo mostrado en la Figura 4a) interpuestas integralmente entre un par de placas de extremos. Las placas filtrantes rectangulares se construyen y unen entre las placas de extremos para eliminar cualquier necesidad, deseo o ventaja de utilizar una camisa exterior. Los materiales termoplásticos con una elevada estabilidad dimensional (por ejemplo, polipropileno o polisulfona cargados con vidrio) son los materiales preferidos para tal realización. Con respecto a las consideraciones económicas relativas a la "desechabilidad", habrá de tenerse en cuenta que los costes generalmente más elevados de emplear materiales termoplásticos cargados con vidrio se compensan con los menores costes asociados a la soldadura por vibración, combinados con la eliminación de la etapa del moldeo de una molde exterior.
La unidad filtrante "no encamisada" resultante puede emplearse para la filtración de volúmenes industriales de fluidos en cualquier posición, vertical u horizontal, con requerimientos relativamente mínimos en cuanto a alojamiento e instalación. El uso de placas de compresión, entradas, salidas y controles de flujo asociados comunes sería probablemente todo lo que se necesitaría estructuralmente con respecto a la instalación.
Tres variantes de la soldadura por vibración útiles para fundir todos o algunos de los componentes considerados aquí (en particular para la construcción de unidades filtrantes rectangulares "no encamisadas" verticales u horizontales) son: Soldadura angular (que usa frecuencias de hasta 100 Hz, y ángulos de hasta 15 grados); soldadura lineal (que usa frecuencias de 100 a 300 Hz y amplitudes de 0,5 a 2,5 mm); y movimientos oscilantes biaxiales (que usan frecuencias de 80 a 250 Hz, y amplitudes de hasta 0,7 mm).
También pueden utilizarse métodos alternativos para unir componentes entre sí, tales como el calentamiento por radiación, la unión por medio de adhesivos, la unión por medio de disolventes, medios mecánicos, tales como mordazas, tornillos y tuercas, remaches (plásticos o de metales) o materiales endurecibles, tales como productos termoendurecibles.
Como se indicó, las tapas de los extremos 24 y 26 obturan los extremos aguas arriba y aguas debajo de la pila de placas filtrantes. Generalmente están hechas de los mismos materiales polímeros que el armazón de material polímero de las placas filtrantes, y pueden moldearse o fundirse como una sola pieza monolítica unitaria individual o pueden ser un conglomerado de piezas ensambladas. Preferiblemente, las tapas de los extremos 24 y 26 habrán formado íntegramente en ellas la entrada 40 y la salida 60 de la unidad filtrante, respectivamente.
También pueden usarse tapones de los orificios de entrada y salida, cuando sea apropiado, para cerrar o de otra forma bloquear los extremos de aguas arriba y aguas abajo de los conductos de alimentación y filtrado que atraviesan ortogonalmente la pila de placas filtrantes 20n. Véase por ejemplo, la Figura 6. Las tapones de los orificios pueden ser formados íntegramente como parte de las tapas de los extremos 24 y 26 o pueden ser componentes independientes que, más tarde, durante la construcción se posicionan para apoyarse contra las placas de los extremos 24 y 26, y por tanto -como un tapón- obturar enérgicamente las aberturas de los conductos de alimentación y filtrado.
Los materiales y el montaje estructural de los tapones de los orificios, las tapas de los extremos 24, 26, y el armazón de material polímero 28 deben seleccionarse sin perder de vista el carácter integral y de desechabilidad buscado por la invención. Teniendo en cuenta estos objetivos, los componentes estructurales y/o rígidos de la unidad filtrante, -esencialmente todos los componentes, excepto los materiales filtrantes- deben en general conformarse monolíticamente (es decir, como una pieza individual, homogénea, unitaria, no ensamblable) a partir de un material polímero, por ejemplo, por medio de procedimientos de moldeo por inyección bien conocidos.
Los ejemplos de material polímero generalmente adecuado incluyen, aunque sin limitación, policarbonatos, poliésteres, nilones, resinas PTFE y otros fluoropolímeros, resinas y copolímeros acrílicos y metacrílicos, polisulfonas, polietersulfonas, poliarilsulfonas, poliestirenos, poli(cloruros de vinilo), poli(cloruros de vinilo) clorados, ABS y sus aleaciones y mezclas, poliolefinas (por ejemplo, polietileno de baja densidad, polietileno de alta densidad, y polietileno de peso molecular ultra-elevado y sus copolímeros), polipropileno y sus copolímeros, y poliolefinas producidas con metaloceno así como productos termoendurecibles, cauchos y otros materiales polímeros endurecibles, tal como poliuretanos, epóxidos, cauchos sintéticos, tal como siliconas y similares.
La Figura 6 ilustra una realización de una unidad filtrante 10 integral desechable según la presente invención. La unidad filtrante 10 integral desechable consta de una pluralidad de placas filtrante cilíndricas 20a-n interpuestas entre las placas de los extremos 24 y 26. La placa del extremo 24 (que tiene una configuración de forma de concha) y la placa del extremo 26 (que tiene una configuración compacta) tienen integralmente conformadas en ellas una entrada 40 y una salida 60, respectivamente. Una camisa externa 80, moldeada sobre la pila de placas, "engancha" los bordes exteriores de cada una de las placas de los extremos 24 y 26. Las placas filtrantes 20a-n están configuradas y dispuestas para proporcionar los canales de alimentación "x" y los canales de filtrado "y" que conducen a y alejan de cada uno de los paquetes filtrantes 35 de gradiente profundo empotrados en cada placa. Los canales de alimentación "x" están en "comunicación" inmediatamente con el conducto principal de alimentación FD que pasa ortogonalmente a través de las placas; el flujo en el extremo más alejado del conducto principal de alimentación FD está obstruido por el tapón de orificio 84. Los canales de filtrado están en "comunicación" inmediatamente con el conducto principal de filtrado FT que pasa ortogonalmente a través de las placas; el flujo de retroceso a las zonas superiores del conducto principal de filtrado FT está obstruido por el tapón de orificio 82. El material de los tamices-soporte 65 -tal como una tamiz-soporte de polipropileno de "malla abierta" de un grosor entre aproximadamente 5,08 mm (0,2 pulgadas) hasta aproximadamente 10,16 mm (0,40 pulgadas)- se utiliza en ambos canales de alimentación "x" y de filtrado "y".

Claims (9)

1. Una unidad filtrante integral desechable (10) que tiene una entrada (40) y una salida (60), y que consta de una pluralidad de placas filtrantes (20n) interpuestas entre un par de placas de extremos (24, 26);
en donde cada una de dichas placas filtrantes (20n) incluye un armazón de material termoplástico (28) y un paquete filtrante de gradiente profundo (35) empotrado en dicho armazón de material termoplástico (28);
en donde las placas filtrantes (20n) y las placas de extremos (24, 26) están formadas de material termoplástico y están soldadas por fusión formando una pila integral sustancialmente fija, siendo dicha pila integral sustancialmente fija totalmente estanca al agua desde dicha entrada (40) hasta dicha salida (60) de modo que el fluido que entra en la unidad filtrante integral desechable (10) a través de dicha entrada (40) pasa por el paquete filtrante de gradiente profundo (35) de cada placa filtrante (20n) sustancialmente al mismo tiempo antes de salir de dicha unidad a través de dicha salida (60); y
en donde cada placa filtrante (20n) se fabrica por un procedimiento de empotramiento de dos etapas, cuyo procedimiento de dos etapas consta de las etapas de:
(a) formar por moldeo de una primera parte importante del dicho armazón de material termoplástico (28) a partir de material termoplástico, proporcionando dicha primera parte al menos una zona de filtración (216);
(b) colocar dicho paquete filtrante de gradiente profundo (35) en dicha zona de filtración (216); y
(c) formar por moldeo una restante segunda parte menor del dicho armazón de material termoplástico (28) a partir de dicho material termoplástico, completando dicha segunda parte dicho armazón de material termoplástico (28) y empotrar en su lugar dicho paquete filtrante de gradiente profundo (35).
2. La unidad filtrante integral desechable de la reivindicación 1, en donde el paquete filtrante de gradiente profundo (35) consta de una pluralidad de capas de material de filtración, siendo la permeabilidad de la primera capa de filtración mayor que la permeabilidad de la última capa de filtración.
3. La unidad filtrante integral desechable de la reivindicación 2, en donde el paquete filtrante de gradiente profundo (35) consta de tres capas de material de filtración, y en donde:
(a) la primera capa de material de filtración está compuesta de celulosa y tierra de diatomeas, y tiene una permeabilidad de aproximadamente 261,07 LMH/kPa (1.800 LMH/psi);
(b) la segunda capa de material de filtración está compuesta de celulosa y tierra de diatomeas, y tiene una permeabilidad de aproximadamente 43,51 LMH/kPa (300 LMH/psi); y
(c) la tercera capa de material de filtración es una membrana microporosa, y tiene una permeabilidad de aproximadamente 29 LMH/kPa (200 LMH/psi).
4. La unidad filtrante integral desechable de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el armazón de material termoplástico (28) es:
(a) monolítico;
(b) tiene una pared, con superficies que dan al interior y al exterior (214, 217), que delimita una zona interna de dicho armazón (28);
(c) proporciona un orificio de alimentación (210), un orificio de filtrado (212), y una zona de filtración (216) dentro de la superficie que da al exterior (217).
5. La unidad filtrante integral desechable de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el armazón de material termoplástico (28) es monolítico, sustancialmente rectangular y provisto de orificios.
6. La unidad filtrante integral desechable de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde dicha pluralidad de placas filtrantes (20n) están unidas adyacentemente por fusión.
7. La unidad filtrante integral desechable de la reivindicación 6 en donde dichas placas filtrantes (20n) unidas adyacentemente por fusión están adyacentemente unidas por soldadura de vibración.
8. La unidad filtrante integral desechable de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el dicho armazón de material termoplástico está formado de material termoplástico cargado con vidrio, preferiblemente de polipropileno cargado con vidrio o polisulfona cargada con vidrio.
9. La unidad filtrante integral desechable de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que consta además de una camisa exterior duradera que cubre fijamente las superficies que dan al exterior de dichas placas filtrantes (20n) y mantiene fijamente dichas placas de extremos (24, 26).
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