ES2925059T3

ES2925059T3 - Elementos de filtro de trayectoria radial, sistemas y métodos de uso de los mismos

Info

Publication number: ES2925059T3
Application number: ES17728414T
Authority: ES
Inventors: Jonathan Steen
Original assignee: EMD Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2037-05-26
Also published as: KR20190004785A; CN109195691A; CA3077712C; JP6722772B2; CA3077712A1; CA3023486A1; CA3023486C; CN109195691B; EP4066927A1; WO2017213892A1; CN114699922A; KR102213610B1; US20190134569A1; EP3468698A1; JP2019517383A; EP3468698B1; SG11201809311SA

Abstract

La presente invención proporciona un elemento de filtro (500) que tiene un camino de descarga de permeado radial (550). El elemento de filtro generalmente incluye una estructura de membrana cerrada (510) envuelta alrededor de un núcleo (530) en direcciones de vaivén en sentido horario y antihorario, formando pliegues semicirculares de membrana alrededor del núcleo. Los pliegues semicirculares de la membrana tienen extremos apicales opuestos (560) separados por un espacio. El interior de la estructura de membrana cerrada (510) define un canal de alimentación y el exterior de la estructura de membrana cerrada define al menos un canal de permeado (522). Un camino radial de descarga de permeado (550) se extiende a través del espacio entre los extremos apicales de los pliegues semicirculares de la membrana. También se proporcionan sistemas que contienen y métodos de uso de elementos de filtro que incluyen trayectorias de descarga de permeado radial. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Elementos de filtro de trayectoria radial, sistemas y métodos de uso de los mismos

Antecedentes

Los sistemas de fabricación biofarmacéuticos normalmente incluían dispositivos de Filtración de Flujo Tangencial (FFT) para proporcionar una concentración y diafiltración rápidas y suaves de las proteínas terapéuticas. Los formatos comunes de dispositivos de FFT incluyen formatos de fibra hueca, tubulares, de placa plana y de bobinado en espiral, como lo muestran Zeman y Zydney, "Microfiltration and Ultrafiltration Principles and Practices", Capítulo 6, 1996. Los dispositivos de FFT en espiral convencionales contienen una o más envolturas de membrana de permeado rectangulares, con el extremo abierto originado en el tubo de descarga de permeado perforado, y el extremo libre enrollado de manera continua alrededor de él para formar el elemento enrollado en espiral casi circular. El documento US 4.028.250 divulga un aparato de filtración que comprende al menos un miembro microporoso. Los documentos JP S55 109407 y JP H05 51435 divulgan diferentes disposiciones adicionales de membrana de filtración.

Sumario de la invención

La invención se define en las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes, se definen las realizaciones preferidas y aspectos adicionales. Cualquier aspecto, realización y ejemplo de la presente divulgación que no se encuentren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas no forman parte de la invención, y se proporcionan simplemente con fines ilustrativos. Los elementos de filtro de la presente invención incluyen una trayectoria de descarga radial, que proporciona longitudes de canal de permeado más cortas en comparación con los elementos de filtro enrollados en espiral convencionales. El trayectoria de descarga de permeado acortada puede facilitar la eliminación del permeado del filtro, permitiendo presiones operativas inferiores.

Por consiguiente, en una realización, la presente invención se dirige a un elemento de filtro como se define en la reivindicación 1 adjunta.

En otra realización, la invención se dirige a un sistema de filtración de flujo tangencial (FFT) como se define en la reivindicación 9 adjunta.

En otra realización adicional, la invención se refiere a un método para crear un elemento de filtro como se define en la reivindicación 11 adjunta.

En una realización adicional, la invención proporciona un método para filtrar un material de entrada líquido como se define en la reivindicación 14 adjunta.

Breve descripción de los dibujos

Lo expuesto anteriormente será evidente a partir de la siguiente descripción más concreta de realizaciones ilustrativas de la invención, como se ilustra en los dibujos adjuntos en los que los mismos caracteres de referencia hacen referencia a las mismas partes a lo largo de las diferentes vistas. Los dibujos mostrados no son necesariamente a escala, sino que pretenden ilustrar las realizaciones de la presente invención.

La FIG. 1 es una vista en sección transversal de un elemento de filtro enrollado en espiral convencional (técnica anterior).

La FIG. 2A es un esquema que ilustra el conjunto de un elemento de filtro enrollado en espiral de una sola hoja convencional (técnica anterior).

La FIG. 2B es un esquema de un elemento de filtro enrollado en espiral de una sola hoja montado (técnica anterior).

La FIG. 2C es un esquema que ilustra el conjunto de un elemento de filtro enrollado en espiral de varias hojas (técnica anterior).

La FIG. 2D es un esquema de un elemento de filtro enrollado en espiral de varias hojas montado (técnica anterior).

La FIG. 3 es una vista en alzado de un extremo de un elemento de filtro enrollado en espiral (técnica anterior). La FIG. 4 es un gráfico de productividad en litros por hora por metro cuadrado de membrana (lmh) frente a la Presión TransMembrana (pTm ) observada para un elemento de filtro enrollado en espiral convencional con una longitud del canal de permeado de 86,36 cm (34") y un elemento de filtro enrollado en espiral que tiene una mayor longitud del canal de permeado, de 172,72 cm (68").

La FIG. 5A es un esquema que ilustra el conjunto de un elemento de filtro de ejemplo de la presente invención. La FIG. 5B es un esquema de un ejemplo de un elemento de filtro de trayectoria radial montado.

La FIG. 5C es un esquema de un ejemplo de una estructura de membrana cerrada para usar con el elemento de filtro de las FIGS. 5A y 5B.

La FIG. 5D es un esquema de una estructura de membrana cerrada de ejemplo, alternativa, para usar con el elemento de filtro de las FIGS. 5A y 5B.

La FIG. 5E es un esquema de un ejemplo de una estructura de membrana cerrada plegada y un tamiz de perneado para usar con el elemento de filtro de las FIGS. 5A y 5B.

La FIG. 5F es un esquema de un ejemplo de un elemento de filtro de trayectoria radial que incluye un soporte de trayectoria radial.

La FIG. 6 es una vista en alzado de un extremo de un ejemplo de un elemento de filtro de trayectoria radial de la presente invención.

La FIG. 7 es una vista en alzado de un ejemplo de un elemento de filtro de trayectoria radial parcialmente montado de la presente invención.

La FIG. 8 es una vista en alzado del elemento de filtro de trayectoria radial de ejemplo de la FIG. 6 tras pegar y cortar.

La FIG. 9 es una vista en alzado de un extremo de un elemento de filtro de trayectoria radial montado de las FIGS. 7 y 8.

La FIG. 10 es un diagrama de un sistema de filtración de flujo tangencial (FFT) de ejemplo.

Descripción detallada de la invención

Definiciones

A menos que se definan de otro modo, todos los términos técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen el mismo significado que el que entiende normalmente un experto habitual en la materia a la que pertenece esta invención.

Como se utiliza en el presente documento, las formas en singular "un", "uno/a", y "el/la" incluyen el plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario.

La expresión "elemento de filtro enrollado en espiral" se refiere a una membrana de filtración que está enrollada en espiral alrededor de un núcleo. Un elemento de filtro enrollado en espiral puede estar contenido dentro de un alojamiento.

Las espirales de "una sola hoja" son elementos de filtro enrollados en espiral que se pueden formar con un canal de alimentación continuo. Las espirales de una sola hoja generalmente se fabrican con una hoja de membrana, pero se pueden fabricar con más de una hoja de membrana, tal como, por ejemplo, dos o más láminas de membrana conectadas en serie para formar una sola hoja.

Las espirales de "varias hojas" son elementos de filtro enrollados en espiral que tienen varios canales de alimentación. Las espirales de varias hojas generalmente se fabrican con más de una lámina de membrana, pero también se pueden fabricar con una lámina de membrana.

La expresión "estructura de membrana cerrada" se refiere a una lámina de membrana plegada sobre sí misma y unida a sí misma (por ejemplo, que tiene los extremos sellados entre sí), de modo que forma una estructura continua que define un espacio interior. Una estructura de membrana cerrada puede ser, por ejemplo, un bucle alargado formado a partir de una lámina de membrana, con el refuerzo de la lámina de membrana hacia fuera y la membrana hacia dentro. También se puede fabricar una estructura de membrana cerrada a partir de dos o más láminas de membrana conectadas en serie entre sí y unidas para formar una estructura continua y cerrada.

La expresión "trayectoria de descarga radial" se refiere a una parte de un elemento de filtro a través de la cual fluye el permeado en una dirección radial. La dirección del flujo radial normalmente es hacia dentro desde una circunferencia del elemento de filtro hacia el núcleo del elemento de filtro. Sin embargo, la dirección del flujo radial también puede ser hacia fuera, con el flujo alejándose del núcleo del elemento de filtro y hacia una salida ubicada en o cerca de un perímetro del elemento de filtro.

"Caída de presión transcanal" se refiere a la caída de presión (por ejemplo, kPad [psid]) dentro de un canal de alimentación a lo largo del elemento de filtro. La caída de presión transcanal se puede medir mediante la obtención de la diferencia entre una lectura de presión en el extremo de entrada de un canal de alimentación y una lectura de presión en el extremo de salida del canal de alimentación.

La "caída de presión transmembrana" es la caída de presión (por ejemplo, kPad [psid]) normal a la superficie de una membrana. La caída de presión transmembrana (PTM) se puede medir restando la presión del permeado de la presión de alimentación. La PTM observada para un módulo de filtro se mide restando la presión del permeado de salida de la suma de la presión de alimentación y la presión del material retenido dividida entre dos.

"Flujo" es el caudal normalizado por área. El flujo se puede obtener midiendo el volumen de flujo de un líquido sobre un área determinada durante un período de tiempo.

"Flujo de permeado" es el caudal normalizado por área de permeado en un canal de permeado (por ejemplo, litros/h/m2, Imh). El flujo de permeado se mide dividiendo la velocidad de permeado entre el área de la membrana del dispositivo de FFT. La velocidad de permeado se puede medir con un flujómetro o mediante la extracción de un volumen de permeado y dividiendo el volumen entre un tiempo de recogida.

El "flujo limitado por transferencia de masa" es el flujo de permeado máximo que se puede alcanzar independientemente de la presión transmembrana. Es proporcional al coeficiente de transferencia de masa, que se suele describir como la proporción entre la difusividad del soluto y el espesor de la capa límite determinada por las condiciones hidrodinámicas del canal de alimentación.

El "flujo cruzado" es el caudal entre la entrada y la salida del canal de alimentación en un filtro o una serie de filtros. Salvo que se indique lo contrario, "flujo cruzado" se refiere a un flujo cruzado promedio.

El término "material de entrada", y las expresiones "muestra de alimentación" y "corriente de alimentación" se refieren a la solución que se introduce en un módulo de filtración para su separación.

El término "separación" generalmente se refiere al acto de separar la muestra de alimentación en dos corrientes, una corriente de permeado y una corriente de material retenido.

Los términos "permeado" y "corriente de permeado" se refieren a la parte de la alimentación que ha atravesado la membrana.

Los términos "diafiltrado", "tampón de diafiltración" y "corriente de diafiltrado" se refieren a la solución que se utiliza para eliminar los solutos permeados de la corriente de alimentación durante un proceso de diafiltración.

La expresión "material retenido" se refiere a la parte del material de entrada que ha quedado retenida por la membrana. Al referirse a un sistema, elemento de filtro o módulo de filtro, "material retenido" o "corriente de material retenido" se refieren al material retenido que sale del sistema, elemento de filtro o módulo de filtro.

"Canal de alimentación" se refiere a un conducto en un conjunto, módulo o elemento de filtración para un material de entrada.

"Canal de permeado" se refiere a un conducto en un conjunto, módulo o elemento de filtración para un permeado. La expresión "trayectoria de flujo" se refiere a un canal que comprende una membrana de filtración (por ejemplo, membrana de ultrafiltración, membrana de microfiltración) a través de la cual pasa la solución que se filtra (por ejemplo, en un modo de flujo tangencial). La trayectoria del flujo puede tener cualquier topología que admita el flujo tangencial (por ejemplo, lineal, helicoidal, dispuesto en forma de zigzag). Una trayectoria de flujo puede estar abierta, como en un ejemplo de canales formados por membranas de fibras huecas, o tener una o más obstrucciones de flujo, como en el caso, por ejemplo, de los canales rectangulares formados por membranas de lámina plana separadas por separadores tejidos o no tejidos.

"Conjunto de FFT" "sistema de FFT" y "aparato de FFT" se utilizan indistintamente en el presente documento para referirse a un sistema de filtración de flujo tangencial que está configurado para funcionar en un modo de una sola pasada y/o un modo de recirculación (por ejemplo, recirculación total o parcial).

"Conjunto de FFTSP", "sistema de FFTSP" y "aparato de FFTSP" se utilizan indistintamente en el presente documento para referirse a un sistema de FFT que está configurado para funcionar en un modo de FFT de una sola pasada.

El "modo de una sola pasada" y el "modo de FFT de una sola pasada" se refieren a las condiciones operativas de un sistema/conjunto de FFT en las que la totalidad o una parte del material retenido no se hace recircular a través del sistema.

"Membrana de filtración" se refiere a una membrana permeable de manera selectiva capaz de utilizarse en un sistema de filtración, como un sistema de FFT.

Las expresiones "membrana de ultrafiltración" y "membrana de UF" se definen en general como una membrana que tiene tamaños de poro en el intervalo de entre aproximadamente 1 nanómetro y aproximadamente 100 nanómetros, o como alternativa, se definen por el "corte de peso molecular" de las membranas, expresado en unidades de dalton, y abreviado como MWCO. En diversas realizaciones, la presente invención utiliza membranas de ultrafiltración que tienen valores de MWCO en el intervalo de aproximadamente 1.000 dalton a 1.000.000 dalton.

Los términos "membranas de microfiltración" y "membranas de MF" se utilizan en el presente documento para referirse a membranas que tienen tamaños de poro en el intervalo entre aproximadamente 0,1 micrómetros y aproximadamente 10 micrómetros.

El término "pluralidad", se refiere a dos o más de, por ejemplo, una unidad, un elemento o un módulo. "Conectado de forma fluida" se refiere a una pluralidad de elementos de filtro que están conectados entre sí por uno o más conductos para un líquido, tal como, un canal de alimentación, canal de material retenido y/o canal de permeado.

"Producto" se refiere a una especie o compuesto diana que debe recuperarse mediante el procesamiento. Algunos ejemplos de productos incluyen proteínas de fusión, anticuerpos y fragmentos de anticuerpos, conjugados de anticuerpo-fármaco, albúmina, hemoglobina, inmunoglobulina intravenosa (IGIV), factores de coagulación, factores de crecimiento, hormonas, enzimas, antígenos, levadura, bacterias, células de mamíferos, células de insectos, virus, partículas similares a los virus, coloides, zumos, alcohol polivinílico, polietilenglicol, zumo de frutas, suero de la leche, vino y cerveza.

La expresión "material de entrada sin filtrar" se refiere al material de entrada que incluye cualquier producto de interés, antes del contacto con una membrana de filtración. Normalmente, un producto será una biomolécula (por ejemplo, una proteína) de interés, tal como un anticuerpo monoclonal (AcM) que reside en la corriente de alimentación.

"Procesamiento" se refiere a la acción de filtrar (por ejemplo, mediante FFT) un material de entrada que contiene un producto de interés y, posteriormente, recuperar el producto de una forma concentrada y/o purificada. El producto concentrado se puede recuperar del sistema de filtración (por ejemplo, un conjunto de fFt ) en la corriente de material retenido o en la corriente de permeado dependiendo del tamaño del producto y del tamaño de poro de la membrana de filtración.

A continuación, hay una descripción de las realizaciones ilustrativas de la invención.

Elementos de filtro convencionales (técnica anterior)

Los elementos de filtro enrollados en espiral son conocidos en general en la técnica, y se pueden producir tanto en formatos de una sola hoja como de varias hojas. La FIG. 1 muestra una vista en sección transversal de un ejemplo de un elemento de filtro enrollado en espiral 100, de una sola hoja, convencional. El elemento de filtro enrollado en espiral 100 incluye capas de membrana 160, componentes del canal de alimentación 120 (por ejemplo, separador de alimentación) y componentes del canal de permeado 130 (por ejemplo, separador de permeado) enrollados alrededor de un tubo de recogida de permeado de núcleo hueco perforado 140. Las flechas 150 indican la dirección de flujo del permeado. Las capas de membrana de filtro 160 están en contacto plano con las superficies externas del separador de alimentación 120. El separador de alimentación 120 sirve tanto de estabilizador mecánico para la geometría del canal como para potenciar las turbulencias a fin de reducir los fenómenos de polarización cerca de la superficie de membrana. El separador de permeado 130 proporciona soporte para las capas de membrana de filtro 160 y mantiene un canal de flujo para la descarga de permeado.

Los elementos de filtro enrollados en espiral generalmente se consideran fáciles de producir. En las FIGS. 2A y 2B, se ilustra el conjunto de un elemento de filtro enrollado en espiral 200 de una sola hoja. En la FIG. 2A, se muestra una hoja de membrana 210 que tiene una longitud L en un estado plano y colocada sobre un separador de permeado 220. La hoja de membrana 210 y el separador de permeado 220 se enrollan posteriormente alrededor de un núcleo 230 en, por ejemplo, una dirección en el sentido de las agujas del reloj, como indica la flecha curvada en la FIG. 2A. En la FIG. 2B, se muestra el elemento de filtro 200 en un estado enrollado y normalmente estará unido a lo largo de un perímetro exterior con, por ejemplo, pegamento y colocado dentro de un revestimiento o alojamiento 240. Una hoja de membrana 210 normalmente comprende una hoja de membrana plegada con un separador de alimentación insertado entre los pliegues de la membrana. La lámina de membrana plegada define así un canal de alimentación en el que se puede introducir el material de entrada. Para simplificar, la hoja de membrana 210 está representada en las FIG. 2A y 2B como una línea continua, con la estructura interna no mostrada. El permeado que se ha filtrado a través de una lámina de membrana se encuentra en el canal de permeado 222, que contiene un separador de permeado 220 opcional (representado por la línea de puntos en la FIG. 2B). Las trayectorias de descarga de permeado pueden iniciarse en cualquier lugar a lo largo de la trayectoria en espiral formada por la hoja de membrana 210 enrollada. Por ejemplo, se representa una trayectoria de descarga de permeado larga, que comienza en el punto de partida 224, con las flechas de la FIG. 2B. El permeado que llega al punto de partida 224 recorre una distancia proporcional a la longitud L de la hoja de membrana antes de llegar al núcleo 230, a través del cual puede salir del elemento de filtro 200. También son posibles trayectorias de descarga de permeado más cortas (no marcadas).

La FIG. 3 es una vista en alzado de un extremo de un elemento de filtro enrollado en espiral montado como se ha descrito anteriormente con respecto a las FIGS. 2A y 2B. Un elemento de filtro 300 incluye una hoja de membrana 310 enrollada alrededor de un núcleo 330. Se pueden ver la lámina de membrana 314, que forma la hoja de membrana 310 y el canal de alimentación 312, definido por las capas en espiral de la lámina de membrana 314. También se puede ver un canal de permeado, mantenido abierto por el separador de permeado 320. Se incluye un separador de permeado adicional 326 alrededor del núcleo 330. El elemento de filtro 300 se puede ubicar dentro de un revestimiento o alojamiento 340. El núcleo de permeado 330 puede ser, por ejemplo, un tubo de polisulfona con una serie de orificios pequeños ubicados a lo largo del ancho previsto del extremo abierto de la envoltura de permeado para permitir la descarga de permeado desde el elemento de filtro.

Convencionalmente, los elementos de filtro enrollados en espiral de varias hojas generalmente son más complicados de producir que los elementos de filtro de formato de una sola hoja. Las FIGS. 2C y 2D ilustran el conjunto de un elemento de filtro enrollado en espiral de varias hojas. En la FIG. 2C, se muestran las hojas de membrana 1210 encima o debajo de los separadores de permeado 1220. Las hojas de membrana 1210 tienen una longitud L', que normalmente sería más corta que la longitud L de la hoja de membrana 210 (FIG. 2A) para un elemento de filtro del mismo tamaño. Las hojas de membrana 1210 y los separadores de permeado 1220 se muestran dispuestos alrededor de un núcleo de permeado 1230. La hoja de membrana 1210 y, opcionalmente, los separadores de permeado 1220 se pueden enrollar alrededor del núcleo 1230 en, por ejemplo, una dirección en el sentido de las agujas del reloj, como indica la flecha curvada en la FIG. 2C. El elemento de filtro 1200 se muestra en un estado enrollado en la FIG. 2D y, al igual que el elemento de filtro 200 (FIG. 2B), se puede unir a lo largo de un perímetro exterior y colocarse en un revestimiento o alojamiento 1240. Varios canales de permeado 1222, que se extienden desde el perímetro exterior hacia el núcleo de permeado 1230 están contenidos dentro del elemento de filtro 1200. Aunque el elemento de filtro enrollado en espiral 1200 se ilustra en la FIG. 2C y 2D con ocho hojas de membrana 1210 y ocho separadores de permeado 1220, se pueden incluir más o menos hojas 1210 y separadores 1220 en un elemento de filtro de formato de varias hojas.

Las trayectorias de descarga de permeado pueden iniciarse en cualquier lugar a lo largo de los canales de permeado 1222. En la FIG. 2D, se muestra un ejemplo de una trayectoria de descarga de permeado larga, que comienza en el punto de inicio 1224 y se representa por las flechas de la FIG. 2D. El permeado que llega al punto de partida 1224 recorre una distancia aproximadamente proporcional a la longitud L' de la hoja de membrana 1210 antes de llegar al núcleo de permeado 1230. Las FIG. 2B y 2D ilustran que las trayectorias de descarga de permeado de los elementos de filtro enrollados en espiral con formato de varias hojas son generalmente más cortas que las de los elementos de filtro con formato de una sola hoja del mismo diámetro.

Los elementos de filtro enrollados en espiral se suelen utilizar en sistemas de FFT, y los filtros enrollados en espiral de una sola hoja generalmente se prefieren para aplicaciones que requieren espirales de diámetro pequeño, por ejemplo, filtros en espiral que tienen un diámetro de aproximadamente 50,8 mm (aproximadamente 2"). Normalmente, los elementos de filtro enrollados en espiral que tienen diámetros de aproximadamente 25,4 mm (aproximadamente 1'') a aproximadamente 101,6 mm (aproximadamente 4'') se caracterizan como elementos de filtro de diámetro pequeño. Los elementos de filtro de formato de varias hojas generalmente se prefieren para aplicaciones que requieren espirales de mayor diámetro. Los elementos de filtro enrollados en espiral que tienen diámetros superiores a aproximadamente 101,6 mm (aproximadamente 4'') se caracterizan como elementos de filtro de gran diámetro. La cantidad de área de filtración de un elemento de filtro enrollado en espiral se proporciona por la longitud de la(s) membrana(s) de filtración incluidas en el elemento en espiral.

Para determinadas aplicaciones, se requieren o se desean elementos de filtro mayores para proporcionar un área de membrana adicional. Sin embargo, el aumento de la longitud de la hoja de membrana en un elemento de filtro enrollado en espiral también aumenta la longitud de la trayectoria de descarga de permeado, lo que se ha demostrado que reduce la productividad del filtro y puede hacer que las condiciones operativas sean poco prácticas. En la FIG. 4, se muestra una prueba de agua en la que se compara un elemento de filtro enrollado en espiral de una sola hoja convencional que tiene una longitud de canal de permeado de 86,36 cm (34") con un prototipo de elemento de filtro enrollado en espiral de una sola hoja que tiene una longitud de canal de permeado de 172,72 cm (68"). Se muestra que la productividad, representada por el flujo de permeado y medida por los litros de filtrado por hora por metro cuadrado de membrana (lmh), cae significativamente entre la espiral convencional y el prototipo de espiral. La trayectoria de descarga de permeado más larga del prototipo de elemento de filtro aumenta la resistencia al flujo de permeado a medida que se requiere más trabajo, (es decir, la fuerza aplicada sobre una distancia) para que el permeado se desplace a través del canal más largo, lo que produce un aumento de la gota prensada. La FIG. 4 ilustra el flujo dependiente de la presión o la productividad dependiente de la presión. El flujo de permeado varía a lo largo de la hoja de la membrana debido a la presión transmembrana variable y a la falta de sólidos retenidos.

Para los sistemas de filtración de flujo tangencial (FFT) que implican, por ejemplo, la filtración de macromoléculas (por ejemplo, anticuerpos monoclonales), se aplica el flujo independiente de la presión, también conocido como flujo limitado por transferencia de masa. En dichos sistemas, la presión del material retenido debe ser mayor que la presión máxima del permeado, y debe estar dentro de un intervalo práctico. Un intervalo práctico para la presión del material retenido es de aproximadamente 172,4 kPa (25 psi) o menor. En los elementos de filtro enrollados en espiral, la presión del permeado generalmente se cuadruplica, o más, cuando se duplica la longitud de una hoja de membrana. Por ejemplo, el aumento de la longitud de la hoja de membrana de una membrana enrollada en espiral de 5,08 cm (2") de diámetro (aproximadamente 0,2 m2) a una membrana enrollada en espiral de 20,3 cm (8") de diámetro (aproximadamente 4,5 m2) requiere un aumento de 22,5 veces en la longitud de la hoja y produce un aumento de 506 veces en la presión del permeado. Dichas presiones no son prácticas y crean cuellos de botella en el proceso de filtración, ya que el material de entrada no puede filtrarse a través de una membrana debido al aumento de la presión en el canal de permeado.

Para los elementos de filtro en espiral de mayor diámetro, el cuello de botella creado por el aumento de la presión del permeado generalmente se evita mediante la incorporación de varias hojas de membrana, cada una de una longitud corta, tal como el elemento de filtro enrollado en espiral 1200 de varias hojas que se muestra en la FIG. 2D. Por ejemplo, un elemento de filtro en espiral de 20,32 cm (8") de diámetro puede incluir una sola hoja de membrana con una longitud de 19,05 m (750"), y tendría una distancia de descarga de permeado de aproximadamente la misma cantidad, o 19,05 m (750"). Como alternativa, un elemento de filtro en espiral de 20,32 cm (8") de diámetro puede incluir treinta hojas de membrana, cada una con una longitud de 63,5 cm (25"), creando distancias de descarga de permeado más cortas, de aproximadamente 63,5 cm (25"). Otro enfoque para reducir el cuello de botella descrito anteriormente incluye plisar una hoja u hojas de membrana, alrededor del núcleo de un elemento de filtro. Sin embargo, dichos enfoques implican procesos de montaje más complicados, que también tienen más probabilidades de producir elementos de filtro defectuosos.

Por tanto, aunque los elementos de filtro enrollados en espiral de una sola hoja convencionales se consideran fáciles de producir y, a menudo, se prefieren para su uso en aplicaciones donde basta con elementos de filtro de diámetro pequeño (por ejemplo, filtros de 5,08 cm [2"] de diámetro), puede que no se deseen dichos elementos de filtro para aplicaciones en las que se requieran o prefieran filtros de mayor tamaño debido a los cuellos de botella del flujo de filtrado que se producen como resultado de longitudes de canal de permeado mayores. Los elementos de filtro de membrana plisada y de varias hojas pueden proporcionar longitudes de canal de permeado reducidas en comparación con los elementos de filtro convencionales de una sola hoja, pero son más costosos y complicados de producir. Por consiguiente, existe la necesidad de mejorar la geometría de los elementos de filtro de una sola hoja, dando lugar a canales de permeado más cortos que se puedan utilizar en aplicaciones donde se requieran o se deseen elementos de filtro de mayor tamaño, y que además se puedan utilizar con los sistemas de filtración existentes que emplean elementos de filtro enrollados en espiral.

Elementos de filtro de trayectoria radial de la invención

Como se describe en el presente documento, la presente invención proporciona elementos de filtro que incluyen una trayectoria de descarga de permeado radial. Los elementos de filtro de la presente invención se pueden formar a partir de una sola hoja de membrana mientras se crean trayectorias de descarga de permeado cortas, evitando así el cuello de botella que se produce con los filtros de membrana en espiral de una sola hoja convencionales y, además, evitando los complicados procedimientos de montaje de los elementos de filtro de formato de varia hojas.

En las FIGS. 5A y 5B, se ilustra el conjunto de un elemento de filtro 500 de trayectoria radial de ejemplo. Una hoja de membrana 510, que tiene una longitud L^r, se muestra en un estado plano y dispuesta sobre un separador de permeado 520. La inclusión de un separador de permeado 520 en un elemento de filtro 500 es opcional. La hoja de membrana 510 y el separador de permeado 520 opcional se enrollan posteriormente alrededor de un núcleo 530 en, por ejemplo, direcciones alternas en sentido de las agujas del reloj y contrario a las agujas del reloj, como indican las flechas curvadas en la FIG. 5A. Como alternativa, se puede crear una pila de hoja de membrana 510 plisada y separador de permeado 520 opcional plegando la hoja de membrana 510 y el separador de permeado 520 en una serie de capas, como se muestra en la FIG. 5E y se describe más adelante. La pila de hoja de membrana 510 plisada y separador de permeado 520 se puede envolver después alrededor de un núcleo 530. El elemento de filtro 500 se muestra en un estado enrollado en la FIG. 5B. Como se ilustra en la FIG. 5B, el elemento de filtro 500 incluye aproximadamente tres pliegues semicirculares 570 de la hoja de membrana 510, aunque se pueden incluir más o menos pliegues dependiendo de la longitud de la hoja de membrana 510, el diámetro deseado del elemento de filtro 500 y/o los espesores de la hoja de membrana 510 y del separador de permeado 520 opcional. La hoja de membrana 510 enrollada tiene una serie de extremos apicales 560, que están separados por un hueco que se extiende desde la circunferencia exterior del elemento de filtro hasta el núcleo 530, formando una trayectoria de descarga radial 550 (representada por la flecha grande en la FIG. 5B). El elemento de filtro 500 se puede disponer dentro de un revestimiento o alojamiento 540, similar a los revestimientos y alojamientos de los elementos de filtro enrollados en espiral. El núcleo de permeado 530 puede ser, por ejemplo, un tubo de polisulfona con una serie de orificios pequeños para permitir la descarga del permeado del elemento de filtro.

En una realización, la hoja de membrana 510 es una estructura de membrana cerrada, como se ilustra en la FIG.

5C. La estructura de membrana cerrada 510 incluye una lámina de membrana 514 que tiene un refuerzo 518 orientado hacia el exterior de la estructura cerrada 510. La lámina de membrana 514 está sellada a sí misma en los extremos 516a y 516b, definiendo así una parte interior 515. Como alternativa, se puede formar una estructura de membrana cerrada 510' a partir de un bucle integral de membrana, como se muestra en la FIG. 5D. Las estructuras de membrana cerradas 510, 510' se pueden formar a partir de una sola lámina de membrana o de varias láminas de membrana dispuestas en un bucle cerrado. Por ejemplo, se pueden sellar varias láminas de membrana o pegarse entre sí en serie para formar una sola estructura de membrana cerrada. La parte interior 515 de la estructura de membrana cerrada 510, 510' define un canal de alimentación, y se puede introducir el material de entrada en la parte interior 515. La estructura de membrana cerrada 510, 510' puede incluir un tamiz de alimentación 512 opcional en la parte interior 515.

Las estructuras de membrana cerrada 510, 510' no se muestran a escala en las FIGS. 5C y 5D. Las estructuras de membrana cerradas 510, 510' se pueden alargar de modo que se puedan plegar en una serie de capas o plisar, como se muestra en la FIG. 5E. Como se muestra en la FIG. 5E, el separador de permeado 520 se pliega sobre la estructura de membrana cerrada 510 en el extremo 528 y se pliega junto con la estructura de membrana 510. Son posibles configuraciones alternativas. Por ejemplo, se pueden incluir varias láminas separadoras de permeado en un elemento de filtro, con láminas separadoras de permeado intercaladas entre algunas o todas las capas de la estructura de membrana plegada. Como alternativa, se pueden colocar una o más láminas separadoras de permeado contra uno o ambos lados de la estructura de membrana cerrada antes del plegamiento/enrollamiento. La inclusión de un separador de permeado en el elemento de filtro 500 es opcional. Los canales de permeado pueden estar formados por un espacio externo al refuerzo 518 de la estructura de membrana cerrada 510, independientemente de si se incluye o no un separador de permeado. Se puede incluir un separador de permeado para proporcionar soporte a las capas de la estructura de membrana cerrada enrollada 510 y puede ayudar a mantener un canal de flujo para la descarga de permeado.

Volviendo a las FIGS. 5A y 5B, para simplificar, la estructura de membrana cerrada 510 se representa como una línea continua, sin mostrar la estructura interna de la hoja de membrana 510. El permeado que se ha filtrado a través de una lámina de membrana se encuentra en el canal de permeado 522, que contiene un separador de permeado 520 opcional (representado por las líneas discontinua y de puntos en la FIG. 5B). Las trayectorias de descarga de permeado pueden iniciarse en cualquier lugar a lo largo de las trayectorias semicirculares formadas por la hoja de membrana enrollada 510, llegando finalmente el permeado a los extremos apicales 560 de la hoja de membrana enrollada 510 o cerca de los mismos. El hueco entre los extremos apicales 560 crea una trayectoria de descarga radial 550 (representada por la flecha grande en la FIG. 5B). Al llegar al hueco entre los extremos apicales 560, el permeado se puede desplazar después a través de la trayectoria de descarga radial 550 directamente al núcleo 530. En una configuración alternativa, el permeado en la trayectoria radial puede fluir en una dirección que se aleja del núcleo 530 y hacia la circunferencia exterior del elemento de filtro 500, donde se pueden proporcionar puertos en el perímetro del elemento de filtro.

Como se ilustra en la FIG. 5B, el separador de permeado 520 opcional se muestra extendiéndose a lo largo de la trayectoria de descarga radial 550, sin embargo, son posibles otras configuraciones. Como se muestra en la FIG. 5F, el separador de permeado 520 se puede incluir en el filtro 500 que solo se extiende hasta los extremos apicales 560 de la hoja de membrana enrollada 510. El filtro 500 puede incluir, opcionalmente, un soporte de trayectoria radial 580. El soporte de trayectoria radial 580 puede ser una estructura porosa o hueca que tenga una forma aproximadamente triangular u otra forma configurada para encajar dentro del hueco que forma la trayectoria de descarga radial 550. El soporte de trayectoria radial 580 puede proporcionar soporte a los extremos libres y apicales 560 de la hoja de membrana enrollada 510 contra la presión del lado de alimentación mientras permite que el permeado fluya hacia la trayectoria de descarga radial. El soporte de trayectoria radial 580 puede extenderse a lo largo del elemento de filtro.

A diferencia de los elementos de filtro enrollados en espiral convencionales, el elemento de filtro de trayectoria radial 500 contiene varias trayectorias de descarga de permeado acortadas, ninguna de los cuales requiere rotaciones completas alrededor del elemento de filtro. La trayectoria de descarga de permeado más larga puede ser la circunferencia de la estructura de membrana cerrada enrollada más el radio del elemento de filtro. Por ejemplo, la trayectoria de descarga de permeado más larga del elemento de filtro de trayectoria radial 500 está representada por flechas en la FIG. 5B, comenzando en el punto de partida 524. El permeado que llega al punto de partida 524 recorre una sola trayectoria semicircular antes de llegar a la trayectoria de descarga radial 550. Normalmente se producen trayectorias de descarga de permeado más cortas en todo el elemento.

La FIG. 6 es una vista en alzado de un extremo de un elemento de filtro de trayectoria radial tras una etapa inicial de montaje, como se ha descrito anteriormente con respecto a las FIGS. 5A-5C. Un elemento de filtro 600 incluye una hoja de membrana enrollada 610 alrededor de un núcleo 630 en sentidos dextrógiro y levógiro alternantes. Se puede ver la estructura de membrana cerrada 610, que define el canal de alimentación 612. También se puede ver un canal de permeado, definido por un exterior de la estructura de membrana cerrada 610 y mantenido abierto por el separador de permeado 620. Se incluye un separador de permeado adicional 626 alrededor del núcleo 630. Como se muestra en la FIG. 6, el elemento de filtro 600 también incluye el sellador 670, que mantiene la estructura de membrana cerrada 610 y el separador de permeado 620 en un estado enrollado o plegado y sella el canal de permeado.

La FIG. 7 ilustra el conjunto inicial de un elemento de filtro de trayectoria radial 700. Los pliegues de la estructura de membrana cerrada 710 se colocan alrededor de un núcleo 730. El separador de canal de alimentación 712 se incluye en una parte interior de la estructura de membrana cerrada 710. El separador de permeado 720 se incluye entre los pliegues de la estructura de membrana cerrada, y el separador de permeado adicional 726 se incluye alrededor del núcleo 730.

La FIG. 8 ilustra el conjunto adicional del elemento de filtro de trayectoria radial 700. Los extremos de la estructura de membrana cerrada 710 y el separador de permeado 720, 726 se cortan, de manera que los extremos del elemento de filtro queden sustancialmente al ras. Para evitar la entrada de un material de entrada líquido en el (los) canal(es) de permeado, se aplica sellador al elemento de filtro 700.

En una realización, un elemento de filtro de trayectoria radial incluye un sellador aplicado a un primer extremo y un segundo extremo del elemento de filtro, impidiendo el sellador que el material de entrada que entra en el elemento de filtro o que el material retenido que sale del elemento de filtro entren en la trayectoria de descarga de permeado radial y el al menos un canal de permeado, por ejemplo, al sortear la membrana. Los selladores son conocidos en la técnica, y un experto en la materia puede seleccionar un sellador apropiado para un determinado elemento de filtro enrollado en espiral. El sellador puede ser, por ejemplo, un material adhesivo de uretano, resina epoxídica, pegamento, cinta o termoplástico. El sellador se puede aplicar sin dañar otros elementos del filtro, tales como la membrana y los materiales separadores, y además puede resistir la esterilización, tal como mediante irradiación ^yo esterilización en autoclave. En una realización, el sellador se aplica durante el plegamiento o enrollamiento de la lámina de membrana cerrada y, por otro lado, se aplica en ubicaciones donde se encuentra el separador de permeado 720. Por ejemplo, el sellador se puede aplicar a la lámina de membrana en una longitud de aproximadamente 6,35 mm (1/4") a aproximadamente 50,8 mm (2"), medida desde un extremo del elemento de filtro, en sucesivas envolturas. La aplicación de un sellador en sucesivas envolturas puede conectar las capas enfrentadas del refuerzo de membrana, y el sellador puede salvar el tamiz de permeado. La trayectoria de descarga radial se puede sellar bloqueando una cara del extremo del elemento de filtro para evitar que el pegamento entre en el canal de alimentación, tras lo que se sumerge el extremo del elemento del filtro en resina epoxídica. Durante el proceso de inmersión, el elemento de filtro puede estar contenido en una forma o un molde cilindrico para mantener la lámina de membrana y el separador de permeado opcional en un estado plegado o enrollado. La resina epoxídica se puede aplicar directamente en la forma cilindrica en el hueco de la trayectoria radial a través de, por ejemplo, una abertura lateral en la forma. Una vez endurecido el sellador, se pueden recortar los extremos del elemento de filtro para dejar al descubierto el (los) canal(es) de alimentación que se han llenado con pegamento, mientras se dejan selladas las costuras de permeado y la trayectoria de descarga radial. El al menos un canal de alimentación y el al menos un canal de permeado del elemento de filtro pueden estar aislados entre sí.

La FIG. 9 ilustra el elemento de filtro de trayectoria radial 700 montado. Como se muestra en la FIG. 9, se aplica sellador a todos los canales de permeado, incluyendo el canal de descarga de permeado 720 y la trayectoria de descarga radial 750. Una parte interior 715 de la estructura de membrana cerrada 710 permanece sin sellar y define un canal de alimentación capaz de aceptar material de entrada líquido. La trayectoria de descarga radial 750 puede contener opcionalmente una estructura, tal como un tubo triangular poroso (por ejemplo, el soporte de trayectoria radial 580 de la FIG. 5F) para soportar los pliegues de la membrana sin obstaculizar indebidamente el flujo de permeado a través de la trayectoria de descarga radial 750. El elemento de filtro 700 incluye además una tira 760 que proporciona un sello alrededor del perímetro del elemento de filtro y contra un alojamiento (no mostrado) en el que se puede colocar el elemento de filtro. La tira 760 puede ser, por ejemplo, una tira de material impregnada de uretano (por ejemplo, el tamiz o material separador tejido o no tejido, u otro producto textil) que se envuelve alrededor del elemento de filtro 700.

Las membranas de filtro que se pueden utilizar en los elementos de filtro de trayectoria radial descritos en el presente documento son conocidas en la técnica e incluyen, por ejemplo, membranas de ultrafiltración, membranas de microfiltración, membranas de ósmosis inversa y membranas de nanofiltración. Dichas membranas generalmente tienen un material de refuerzo no tejido o un soporte de membrana microporoso. Se pueden formar membranas de filtración, por ejemplo, de celulosa regenerada, poliarilsulfonas, fluoruro de polivinilideno (PVDF), polipropileno, poliéster, polietersulfona (PES), polietileno, polietersulfona, polisulfona, poliacrilonitrilo, nailon, etilenoclorotrifluoroetileno, poliimida, poliamida, fluoroetilenopropileno, perfluoroalcoxi, politetrafluoretileno, polieteretercetona, polisinidilensulfuro y policarbonato.

En una realización, los elementos de filtro de trayectoria radial de la presente invención incluyen una membrana de ultrafiltración. Las membranas de ultrafiltración pueden tener tamaños de poro en el intervalo de aproximadamente 1 nanómetro a aproximadamente 100 nanómetros. Los ejemplos particulares de membranas de ultrafiltración incluyen membranas Biomax®-30 y membranas Ultracel®-30. Las membranas Biomax®-30 son membranas de polietersulfona modificadas en refuerzos de poliolefina no tejidos con un corte de peso molecular nominal de 30 kilodalton. Las membranas Ultracel®-30 son membranas de celulosa regenerada sobre sustratos microporosos de 0,6 |jm de polietileno de alta densidad con un corte de peso molecular nominal de 30 kilodalton.

En otra realización, los elementos de filtro de trayectoria radial incluyen una membrana de microfiltración. Las membranas de microfiltración pueden tener tamaños de poro en el intervalo de aproximadamente 0,1 micrómetros a aproximadamente 10 micrómetros. Los ejemplos particulares de membranas de microfiltración incluyen aquellas hechas de fluoruro de polivinilideno (PVDF) tales como, por ejemplo, casetes de FFT Durapore® Pellicon® de 0,22 micrómetros de EMD Millipore P2GVPPV01 o dispositivo de FFT Durapore® Prostak de 0,65 micrómetros PSDVAG021, y los fabricados con polietersulfona (PES) tales como, por ejemplo, membranas Express® de EMD Millipore en filtro de cartucho PHF sin salida CPGE75TP3.

En una realización, un elemento de filtro de trayectoria radial de la presente invención incluye un separador de alimentación (o el tamiz de alimentación) dentro de un canal de alimentación. Los separadores o tamices de alimentación adecuados para su uso en la presente invención incluyen los conocidos en la técnica. Dichos separadores y tamices de alimentación pueden incluir una variedad de materiales (por ejemplo, polietileno, polipropileno y poliéster) y pueden tener una variedad de geometrías (por ejemplo, polipropileno de malla monofilamentosa tejida y biplanar extruida, en tejido cuadrado o sarga).

En una realización, un elemento de filtro comprende un separador de permeado. El separador de permeado se puede ubicar, por ejemplo, dentro del al menos un canal de permeado, o dentro de la trayectoria de descarga de permeado radial, o en ambos. Los separadores o tamices de permeado incluyen los conocidos en la técnica, y normalmente son similares a los tamices de alimentación en cuanto a los materiales y las geometrías, a excepción de los tamices de poliéster de tricot de tejido doble, que se pueden impregnar con resina epoxídica.

Los ejemplos particulares de tamices que se pueden utilizar como separadores de alimentación y/o separadores de permeado incluyen, por ejemplo, tamices a, tamices b y tamices c (tamices Propyltex®, Sefar, QC, Canadá). Un tamiz a es un tamiz de fibra de polipropileno monofilamentoso tejido con un diámetro (aproximado) de 200 pm que emplea una sarga cuadrada 2 sobre 1 con tejido a mano derecha con 51 hebras por 2,54 cm (pulgada), con un espesor nominal total del tejido de 420 pm y un área abierta de aproximadamente el 36 %. Un tamiz b es un tamiz de fibra de polipropileno monofilamentoso tejido de 150 pm (aproximadamente) que emplea una sarga cuadrada 2 sobre 1 con tejido a mano derecha con 70 hebras por 2,54 cm (pulgada), y con un espesor nominal total del tejido de 320 pm y un área abierta de aproximadamente el 34 %. Un tamiz c es un tamiz de fibra de polipropileno monofilamentoso tejido con un diámetro (aproximado) de 250 pm que emplea una sarga cuadrada 2 sobre 1 con tejido a mano derecha con 42 hebras por 2,54 cm (pulgada), y con un espesor nominal total del tejido de 525 pm y un área abierta de aproximadamente el 34 %. Un ejemplo particular de un tamiz de tricot adecuado que se puede utilizar como tamiz de permeado es la pieza número 8324-13 de Hornwood (Lilesville, NC), que tiene un espesor de aproximadamente 0,23-0,28 mm (0,009"-0,011") y 58 /- 2 hileras por 2,54 cm (pulgada), 48 /- 2 vueltas por pulgada, de fibra de poliéster recubierta de resina. Dicho producto textil del tamiz de tricot es ventajoso porque es fino, rígido, y los canales incorporados presentan baja resistencia al flujo para descargar el permeado transversalmente a través del producto textil hacia el núcleo de drenaje.

Las realizaciones de la presente invención incluyen elementos de filtro de trayectoria radial en una alojamiento (por ejemplo, alojamiento reutilizable, alojamiento desechable), manguito o revestimiento. Los elementos de filtro de trayectoria radial se pueden colocar en alojamientos de modo que permitan la conexión a un sistema de filtración (por ejemplo, un sistema de FFT), contengan la presión y mantengan separadas las corrientes de alimentación, material retenido y permeado. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, plástico u otro material adecuado basándose en consideraciones tales como la resistencia, la compatibilidad química y la seguridad de los materiales extraíbles para la aplicación prevista. Se pueden conectar varios módulos individuales entre sí en una red de colectores. Estos colectores proporcionan un flujo de alimentación, de material retenido y de permeado paralelo, en serie o mixto a través de la red del módulo.

Los elementos de filtro de trayectoria radial de la invención pueden ser elementos de filtro de un solo uso, de modo que estén destinados a ser desechados después de su uso inicial. Los filtros de un solo uso son particularmente adecuados para las aplicaciones en la industria biotecnológica, porque los filtros de un solo uso evitan la necesidad de limpiar, validar la limpieza y validar el rendimiento del filtro reutilizado. Por otro lado, los elementos y módulos de filtro de trayectoria radial de un solo uso eliminan por completo la posibilidad de contaminación cruzada, que es un aspecto importante del procesamiento farmacéutico.

Las trayectorias de descarga de permeado más cortas de los elementos de filtro de trayectoria radial de la presente invención ofrecen varias ventajas frente a los filtros enrollados en espiral de una sola hoja y de varias hojas, particularmente en las aplicaciones que requieren elementos de filtro de mayor tamaño. En comparación con los elementos de filtro enrollados en espiral de una sola hoja, las trayectorias de descarga de permeado más cortas de los elementos de filtro de trayectoria radial reducen el (los) nivel(es) de presión requeridos en las aplicaciones de flujo constante, haciéndolas más prácticas para su uso en dichas aplicaciones. Los elementos de filtro de trayectoria radial de la presente invención también proporcionan una mayor productividad para el procesamiento de moléculas pequeñas, donde la presión afecta al flujo, y se pueden utilizar filtros más rentables, de menor tamaño, en dichas aplicaciones. Los elementos de filtro de la presente invención pueden aliviar los cuellos de botella que se suelen producir con los elementos de filtro enrollados en espiral que tienen incorporadas hojas de membrana individuales de mayor longitud. Los elementos de filtro de la presente invención también pueden ser más fáciles de montar que los elementos de filtro de varias hojas.

En comparación con los filtros enrollados en espiral de varias hojas convencionales, los elementos de filtro de trayectoria radial de la presente invención no requieren la preparación de varias hojas de membrana, lo que da lugar a menos mano de obra y a un mayor rendimiento debido a la menor complejidad durante los procesos de fabricación. Adicionalmente, ya que los elementos de filtro de trayectoria radial pueden incluir un solo tamiz de alimentación, hay una menor exposición de la lámina de membrana a los extremos cortados del tamiz de alimentación, minimizando así el posible daño a la membrana. Los elementos de filtro de trayectoria radial también pueden proporcionar una mayor utilización de la membrana, ya que se pierde menos área de membrana durante el sellado.

Los elementos de filtro de trayectoria radial también pueden ser más duraderos que los elementos de filtro enrollados en espiral, incluso cuando se incluyen hojas de membrana largas, ya que la cantidad de deslizamiento entre capas adyacentes se minimiza mediante el enrollamiento en sentidos dextrógiro y levógiro alternantes de la hoja de membrana alrededor del núcleo. Los elementos de filtro de trayectoria radial también ofrecen flexibilidad para enrollarse a diferentes diámetros, y la fabricación puede automatizarse de manera más completa, ya que se pueden utilizar directamente materiales en rollo.

Los elementos de filtro de trayectoria radial de la presente invención pueden ofrecer un rendimiento similar a los elementos de filtro enrollados en espiral plisados, con longitudes de trayectoria de descarga de permeado similares y distancias de deslizamiento similares entre capas adyacentes para un riesgo reducido similar de formación de arrugas. Sin embargo, los elementos de filtro de trayectoria radial pueden ser más resistentes, ya que los filtros enrollados en espiral plisados incluyen varios puntos de inserción del tamiz de alimentación, lo que puede conducir a un mayor daño de la membrana.

Sistemas de filtración que comprenden elementos de filtro de trayectoria radial de la invención

Los elementos de filtro de trayectoria radial de la presente invención son adecuados para su uso en una variedad de sistemas y métodos de filtración. En una realización particular, se utiliza un elemento de filtro de trayectoria radial en un sistema de filtración de flujo tangencial (FFT). Los instrumentos de FFT son conocidos en la técnica. En una realización particular, el sistema de FFT puede funcionar en un modo de una sola pasada (FFTSP). En otra realización, el sistema de FFT funciona en modo de recirculación. Los sistemas de FFT pueden tener uno o más de un elemento de filtro de trayectoria radial descrito en el presente documento. En los sistemas que tienen más de un elemento de filtro de trayectoria radial, los elementos se pueden conectar de forma fluida en serie o en paralelo, o de ambas formas.

Los sistemas de FFT generalmente proporcionan una trayectoria de flujo y controles para suministrar los procesos de concentración y diafiltración que a veces se requieren para convertir el material de entrada en un producto intermedio o final deseado y para recuperar el producto a una concentración y pureza aceptables. Un dispositivo de FFT que contiene un módulo de filtro enrollado en espiral de la presente invención generalmente incluirá las conexiones, capacidad de separación y área de membrana que se necesitan para lograr la filtración de flujo tangencial en el tiempo requerido.

En la FIG. 10, se muestra un sistema de FFT ilustrativo. Se conecta el material de entrada presurizado del tanque de recirculación al puerto de alimentación del módulo de filtro de trayectoria radial o colector (dispositivo de FFT). El material de entrada fluye a través del canal de alimentación revestido de membrana de los dispositivos de FFT bajo una caída de presión transcanal aplicada, generalmente alcanzada presurizando el material de entrada mediante una bomba. Parte del disolvente de la corriente de alimentación fluye a través de la cara de la membrana hacia el canal de permeado y lleva consigo una parte de la especie permeable. La corriente de alimentación concentrada restante sale del módulo o colector a través del puerto de material retenido. El permeado que fluye desde el puerto de permeado del módulo se dirige a una ubicación que depende del proceso, donde se retiene o se desecha.

Los sistemas de FFT que contienen elementos de filtro de trayectoria radial que se emplean en métodos de FFT de recirculación pueden incluir al menos una bomba o válvula de control para hacer recircular el material retenido a través de todo o parte del sistema y al menos un conducto para hacer recircular (por ejemplo, portando) el material retenido. La cantidad de material retenido que se hace recircular se puede controlar mediante, por ejemplo, una bomba o una válvula. Se puede utilizar un flujómetro para proporcionar un valor de proceso para que la bomba o la válvula controlen la cantidad de material retenido que se hace recircular. Por tanto, en algunas realizaciones, los sistemas de FFT descritos en el presente documento para su uso en los métodos de FFT de recirculación parcial de la invención pueden comprender además una válvula o bomba y/o un flujómetro para controlar la recirculación del material retenido. Preferentemente, se colocan la válvula o bomba y/o el flujómetro en la salida de material retenido o en la línea de flujo que porta el material retenido fuera del sistema al receptáculo de material retenido. En una realización alternativa, los elementos de filtro de la presente invención se pueden utilizar para la filtración sin salida, donde se evita que el material retenido salga del elemento de filtro, tal como, por ejemplo, cerrando la salida de descarga de material retenido.

El flujo máximo alcanzable durante el funcionamiento del sistema de FFT se obtiene mediante la selección de una presión transmembrana (PTM) adecuada para la descarga de permeado. Esto se aplica a regiones de operación dependientes de la presión y regiones limitadas por la transferencia de masa. Para los filtros de trayectoria radial, el logro de la PTM deseada se determina mediante la medición al final del módulo. La presión transmembrana debe ser suficiente para soportar tanto la caída de presión a través de la membrana como la presión máxima para descargar el permeado del canal de permeado.

Procesos de filtración que emplean elementos de filtro de trayectoria radial de la invención

En una realización, la invención se refiere a un método para filtrar un líquido (por ejemplo, un material de entrada líquido), que comprende hacer pasar un material de entrada líquido a través de un elemento de filtro de trayectoria radial de la invención, y separar el material de entrada líquido en el permeado y el material retenido en el elemento de filtro. En una realización, el método comprende además recuperar el permeado y al menos una parte del material retenido del elemento de filtro.

En una realización, un material de entrada líquido puede ser cualquier líquido que contenga un producto de interés, tal como una proteína diana. Las proteínas diana pueden incluir, por ejemplo, anticuerpos monoclonales (AcM), proteínas de fusión, anticuerpos y fragmentos de anticuerpos, conjugados de anticuerpo-fármaco, albúmina, inmunoglobulina intravenosa (IGIV), proteínas plasmáticas, hormonas, enzimas y antígenos. Asimismo, el material de entrada generalmente contendrá una o más impurezas (por ejemplo, proteínas no diana). Normalmente, el material de entrada líquido se obtiene de una fuente de la proteína diana (por ejemplo, un hibridoma u otra célula hospedadora que expresa un AcM). En una realización particular, la proteína diana de la muestra líquida es un anticuerpo monoclonal (AcM) y las proteínas no diana son proteínas de células hospedadoras (PCH) (por ejemplo, proteínas de células de hibridoma hospedadoras). Las proteínas no diana generalmente son una mezcla heterogénea de proteínas de diferentes tamaños, hidrofobicidad y densidades de carga. El producto de interés de un material de entrada líquido también puede ser una solución no proteica, tal como agua, de la que hay que eliminar impurezas, tales como sales, minerales, metales y similares. El producto de interés puede, como alternativa, ser un artículo de alimentación o de bebida, tal como un lácteo, del que hay que eliminar las impurezas, tales como la sangre, el polvo, los sedimentos y otras materias extrañas.

El producto se puede recuperar en la corriente de alimentación o de permeado. El producto del lado de alimentación normalmente se concentra haciendo pasar el disolvente a través de la membrana mientras el producto está retenido en el elemento del filtro. Las moléculas pequeñas mal retenidas en la solución del lado de alimentación pueden ser expulsadas a través de la membrana mediante una solución de diafiltración adecuada. La diafiltración se puede realizar para cambiar el pH, la conductividad, la composición tampón y/o la población de moléculas pequeñas. El rendimiento del producto del lado del permeado se puede aumentar a medida que aumenta el volumen del permeado, ya sea mediante la concentración o la diafiltración del material de entrada.

En una realización, el método incluye un proceso de filtración de flujo tangencial (FFT), que puede ser, por ejemplo, un proceso de FFT de una sola pasada (FFTSP), un proceso de FFT de recirculación o un proceso de FFT de recirculación parcial. En una realización particular, el proceso de FFT es un proceso de FFTSP. En otra realización, el proceso de FFT es un proceso de FFT de recirculación. En una realización alternativa, el proceso de FFT es un proceso de recirculación parcial. Por ejemplo, el proceso de FFT puede comprender recuperar el permeado y una parte del material retenido del sistema en recipientes separados sin la recirculación a través del sistema de FFT, y hacer recircular el resto del material retenido a través del sistema de FFT al menos una vez.

La recirculación total o parcial del material retenido durante la puesta en marcha proporciona un método para garantizar que el sistema haya alcanzado el equilibrio y que el material retenido haya alcanzado la concentración deseada antes de recogerlo en el recipiente del producto. También proporciona una forma conveniente de responder a las alteraciones del sistema durante el procesamiento para proporcionar un proceso más sólido. La fracción de material retenido que se hace recircular se puede ajustar a través de la modulación de la bomba o la válvula de control como una forma de ajustar el sistema para garantizar una concentración de material retenido constante y/o un caudal de material retenido constante al recipiente de recogida de producto en cada ejecución, incluso si la concentración de proteína de entrada, la permeabilidad de la membrana nueva, el ensuciamiento de la membrana, la permeabilidad de la membrana, o la transferencia de masa de la membrana o la caída de presión varían de un lote a otro. Esta estrategia tiene beneficios particulares en el contexto del procesamiento continuo, donde el éxito de las operaciones posteriores se basa en el resultado de una operación anterior. La recirculación del material retenido puede mejorar la eficacia de la limpieza a través de una mayor velocidad de flujo cruzado y reducir la solución de limpieza a través de la recirculación.

Normalmente, se recoge al menos aproximadamente el 50 % del material retenido tras una sola pasada, mientras que el resto del material retenido se hace recircular. Preferentemente, se hace recircular aproximadamente el 10 % o menos (por ejemplo, aproximadamente el 0,5 %, aproximadamente el 1 %, aproximadamente el 2 %, aproximadamente el 5 %, aproximadamente el 10 %) del material retenido tras la primera pasada a través del sistema de FFT.

El material retenido que se hace recircular puede devolverse a cualquier ubicación aguas arriba en o antes del sistema de FFT. En una realización, el material retenido se hace recircular al tanque de alimentación. En otra realización, el material retenido se hace recircular a la línea de alimentación cerca de la bomba de alimentación antes de la entrada de alimentación en el sistema de FFT.

En algunas realizaciones, los métodos descritos en el presente documento comprenden además realizar la diafiltración (por ejemplo, para eliminar o reducir la concentración de sales o disolventes en el material de entrada líquido, o para realizar el intercambio de tampones). En una realización preferida, la diafiltración se realiza concentrando el material de entrada líquido (por ejemplo, mediante FFT) para reducir el volumen de diafiltración y luego restablecer la alimentación a su volumen inicial mediante la adición de la solución de diafiltración (por ejemplo, tampón de diafiltración), un proceso que se conoce en la técnica como diafiltración discontinua o por lotes. En otra realización, la diafiltración se realiza mediante la adición de la solución de diafiltrado al material retenido para aumentar el volumen de diafiltración, y luego concentrando la muestra para restablecerla a su volumen original. En otra realización adicional, la diafiltración se realiza mediante la adición de la solución de diafiltración al material de entrada o al tanque de recirculación del material de entrada a la misma velocidad que se elimina el permeado del sistema de FFT, un proceso que se conoce en la técnica como diafiltración continua o de volumen constante. Las soluciones de diafiltración adecuadas son bien conocidas e incluyen, por ejemplo, agua y diferentes soluciones tampón acuosas. Para realizar la diafiltración, el sistema de FFT puede incluir un depósito o recipiente para la solución de diafiltración y uno o más conductos para portar la solución de diafiltración desde el recipiente de la solución de diafiltración al tanque de material de entrada líquido.

Para evitar valores extremos de concentración y la dilución en línea como parte del proceso de diafiltración (por ejemplo, >90 %), se prefiere inyectar el diafiltrado en múltiples secciones del conjunto de filtración para restablecer el flujo en la sección de material retenido al mismo flujo que en el material de entrada inicial. Esto requiere hacer coincidir la velocidad de adición de tampón de diafiltrado con la velocidad de eliminación del permeado. Un método preferido es utilizar una sola bomba con varios cabezales de bomba que contengan las líneas de flujo de adición de diafiltrado y eliminación de permeado (por ejemplo, bomba peristáltica de Ismatec (Glattbrugg

Suiza)). Cada cabezal de bomba tendrá tasas de bombeo muy parecidas, por lo que este proceso se equilibrará y mantendrá un intercambio de tampón eficaz. Se recomienda igualar los flujos para cada una de las múltiples secciones mediante bombas que contengan hasta 24 canales. El diafiltrado se puede inyectar en los puertos de material retenido en colectores o placas separadoras.

Ejemplo

En la Tabla 1, se muestran las longitudes de las hojas y la productividad estimada de tres tipos de elementos de filtro. Se comparan un elemento de filtro enrollado en espiral de una sola hoja, un elemento de filtro enrollado en espiral de varias hojas y un elemento de filtro de trayectoria radial en función de los datos del modelo. Todos los diseños de elementos de filtro se basan en un elemento de filtro de 20,3 cm (8") de diámetro, y la inclusión de la misma membrana y tamiz separador de permeado. Se estimó la productividad para elementos de filtro enrollados en espiral en aplicaciones de flujo limitado por transferencia de masa, mediante la ecuación de caída de presión del permeado para el flujo de permeado laminar en un canal delimitado por dos láminas de membrana adyacentes:

dP^perm= mJL² (1) Donde dPperm es la caída de presión del canal de permeado en kilopascales (libras de fuerza por pulgada al cuadrado), m es la caída de presión del separador del canal de permeado por cm de longitud por ml/min de flujo por cm de ancho a la viscosidad de permeado existente, J es el flujo de permeado limitado por transferencia de masa en ml/min por cm al cuadrado de membrana, y L es la longitud del canal de descarga de permeado en cm.

El rendimiento diana de los elementos de filtro en este ejemplo es un flujo de permeado limitado por transferencia de masa de 120 lmh a la misma caída de presión del canal de permeado, con presión de salida de permeado de cero. Tabla 1. Comparación de la productividad de los elementos de filtro de una sola hoja, de varias hojas y de trayectoria radial

Como se muestra en la Tabla 1, el flujo del elemento en espiral de una sola hoja es despreciable, a menos de 1 lmh, debido a la longitud tan larga de la hoja. Los elementos de filtro de varias hojas y de trayectoria radial pueden alcanzar el objetivo de flujo con, respectivamente, 192 y 143 lmh, debido a sus longitudes de hoja más cortas. Sin embargo, el elemento en espiral de trayectoria radial solo requiere una hoja en comparación con las treinta hojas del elemento de filtro de varias hojas.

Si bien esta invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencias a realizaciones ilustrativas de la misma, los expertos en la materia entenderán que la invención está definida por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un elemento de filtro de trayectoria radial (500, 600, 700), que comprende:

una estructura de membrana cerrada enrollada (510, 510', 610, 710) que forma una estructura continua que define un espacio o parte interior (515) envuelto alrededor de un núcleo (530, 630, 730) en sentidos dextrógiro y levógiro alternantes, formando pliegues semicirculares (570) de membrana alrededor del núcleo, teniendo los pliegues semicirculares de membrana extremos apicales (560) situados contrapuestamente separados por un hueco, en donde la estructura de membrana tiene una parte interior (515, 715) que define al menos un canal de alimentación, y una parte exterior que define al menos un canal de permeado, el elemento de filtro configurado para introducir material de entrada en la parte interior de la estructura de membrana, y el hueco define una trayectoria de descarga de permeado radial (550, 750),

en donde:

un soporte de trayectoria radial (580), configurado para soportar dichos extremos apicales contra la presión del lado de alimentación mientras permite que el permeado fluya hacia la trayectoria de descarga radial, está ubicado dentro de la trayectoria de descarga de permeado radial;

la trayectoria de descarga radial está configurada para permitir que el permeado se desplace a través de la misma directamente hasta el núcleo;

la estructura de membrana cerrada enrollada se pliega sobre sí misma y se une a sí misma de manera que forma dicha estructura continua que define dicha parte interior e:

incluye una lámina de membrana (514) que tiene un refuerzo (518) orientado hacia el exterior de la estructura de membrana cerrada, en donde la hoja de membrana está sellada a sí misma en sus extremos, para definir de ese modo dicha parte interior; o

se forma a partir de un bucle integral de membrana.

2. El elemento de filtro de la reivindicación 1, que comprende además un sellador (670) aplicado en un primer extremo y un segundo extremo del elemento de filtro, impidiendo el sellador que el material de entrada que está entrando en el elemento de filtro, el material retenido que está saliendo del elemento de filtro, o una combinación de los mismos, entren en la trayectoria de descarga de permeado radial y en el al menos un canal de permeado.

3. El elemento de filtro de la reivindicación 2, en donde:

el sellador es un material adhesivo de uretano, resina epoxídica, pegamento, cinta o termoplástico;

y/o

la estructura de membrana comprende una o más láminas de membrana (514) dispuestas en un bucle cerrado.

4. El elemento de filtro de una cualquiera de las reivindicaciones 1-3, que comprende además un separador de alimentación (512, 612, 712) dentro del al menos un canal de alimentación.

5. El elemento de filtro de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende además un separador de permeado (520, 620, 720) ubicado dentro de la trayectoria de descarga de permeado radial.

6. El elemento de filtro de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende además:

un separador de permeado ubicado dentro del al menos un canal de permeado; y/o

un tubo de recogida de permeado dispuesto dentro del núcleo.

7. El elemento de filtro de una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde la estructura de membrana enrollada: se dispone dentro de un alojamiento, un manguito o un revestimiento (540);

comprende al menos una membrana de ultrafiltración; y/o

comprende al menos una membrana de microfiltración; y/o

comprende al menos una membrana de nanofiltración.

8. El elemento de filtro de la reivindicación 1, en donde el al menos un canal de alimentación y al menos un canal de permeado están aislados entre sí.

9. Un sistema de filtración de flujo tangencial (FFT) que comprende el elemento de filtro de una cualquiera de las reivindicaciones 1-8.

10. El sistema de FFT de la reivindicación 9, en donde el sistema de FFT está configurado para funcionar en un modo de una sola pasada.

11. Un método para crear un elemento de filtro, que comprende:

formar una pila de membrana plegada mediante el plisado de una estructura de membrana cerrada enrollada formando una estructura continua que define un espacio o parte interior;

envolver la pila de membrana plegada alrededor de un núcleo, formando la pila de membrana plegada pliegues semicirculares de membrana alrededor del núcleo, teniendo los pliegues semicirculares de membrana extremos apicales;

proporcionar un hueco colocando contrapuestamente los extremos apicales, formando el hueco una trayectoria radial de descarga de permeado, permitiendo la trayectoria de descarga radial que el permeado se desplace directamente hasta el núcleo; y

proporcionar al menos un canal de alimentación formado por una parte interior de la estructura de membrana; y proporcionar un soporte de trayectoria radial (580), configurado para soportar dichos extremos apicales contra la presión del lado de alimentación mientras permite que el permeado fluya hacia la trayectoria de descarga radial, dentro de la trayectoria de descarga de permeado radial; en donde:

incluye una lámina de membrana (514) que tiene un refuerzo (518) orientado hacia el exterior de la estructura de membrana cerrada,

en donde la hoja de membrana está sellada a sí misma en sus extremos, para definir de ese modo dicha parte interior; o

se forma a partir de un bucle integral de membrana.

12. El método de la reivindicación 11, que comprende además aplicar un sellador en un primer extremo y un segundo extremo del elemento de filtro, impidiendo el sellador que el material de entrada que está entrando en el elemento de filtro, el material retenido que está saliendo del elemento de filtro, o una combinación de los mismos, entren en la trayectoria de descarga de permeado radial y en el al menos un canal de permeado.

13. El método de la reivindicación 11 o la reivindicación 12, que comprende además colocar:

un separador de alimentación dentro del al menos un canal de alimentación; y/o

un separador de permeado dentro del al menos un canal de permeado; y/o

un tubo de recogida de permeado dentro del núcleo; y/o

los pliegues semicirculares de membrana dentro de un alojamiento, un manguito o un revestimiento.

14. Un método para filtrar un material de entrada líquido, que comprende:

proporcionar el elemento de filtro de la reivindicación 1; e

introducir un material de entrada líquido en el al menos un canal de alimentación del elemento de filtro, desplazándose el material de entrada líquido a través de una trayectoria de flujo definida por la estructura de membrana, separándose el material de entrada líquido en permeado y material retenido a medida que el material de entrada va pasando a través del elemento de filtro, llegando el permeado a la trayectoria radial de descarga del permeado, filtrándose así el material de entrada líquido.

15. El método de la reivindicación 14, que comprende además recuperar el permeado y al menos una parte del material retenido del elemento de filtro.