JP2018515332A - フィルム結合型フラットパック - Google Patents

Abstract

膜系分離装置は、可撓性フィルムに結合された膜の複数の相互結合平坦シートを備える。結合されたフィルムは、アコーディオン又はジグザグ形状を形成するように結合される。所定の実施形態では、第１又は上流の層又はセグメントは好適なハウジングに固定され、また最後又は最下流の層又はセグメントも好適なハウジングに固定される。ハウジングは、サンプルを導入するための入口ポートと、ろ過されたサンプルを除去するための出口ポートとを備えることができる。セグメントを通る流れは平行である。膜は、折り畳まれておらず又はプリーツ加工されていないので、プリーツ型又は折り畳み型システムで使用可能な膜よりも高い性能の膜（例えば、ある程度の非対称性を有するポリスルホン系膜）を使用することができる。

Description

本願は、２０１５年５月８日に出願された米国仮特許出願第６２／１５８，６０６号の優先権を主張するものであり、その開示内容は、参照により本明細書において援用する。

背景
本明細書で開示される実施形態は、膜系分離装置に関する。

生物製剤の液体は、一般に、バイオリアクター内での培養によって得られ、次いで、純度、濃度、ウイルスの不在などの必要な特徴を達成するために処理されなければならないことが知られている。精製は、バイオリアクター培養液から残渣を除去するための浄化及びウイルスろ過、場合によってはその後のダイアフィルトレーション及び接線流ろ過による濃縮といった連続処理を使用して実施できる。クロマトグラフィーなどの精製に関する他の操作が存在する。精製処理は、基本的に、循環路又はプロセストレインでのろ過操作によって実施される。

ほとんどのプリーツ型カートリッジフィルタは、カートリッジ又はハウジング自体の物理的制約のために面積が制限される。いくつかのカートリッジは、膜ひだ数、ひだの高さ及び支持体の厚さに基づいて多少の面積を与える場合がある。また、カートリッジスリーブは一定の直径を有しており、スリーブが大きいと新たな部品を作成することが必要となるため容易には変更できない。これらのカートリッジには、典型的には作動圧力を管理するためにプラスチック又はステンレス製のハウジングが必要である。

さらに、カートリッジ内の膜をプリーツ加工する必要性によって、機械的特性の制限により使用可能な膜が制限される（例えば、所定の膜は、ろ過プロセスに有害となる亀裂又は成形不良の影響を受けやすいので、折り畳むことやプリーツ加工することができない）。

従来このようなハウジングを必要としていた膜系分離装置の柔軟性を、ツーリング又は設備の変更を必要とすることなく高いフィルタ面積又は低いフィルタ面積のために容易に寸法設定することができる設計を創り出すことによって改善することが望ましいであろう。

また、単位面積当たりの高膜密度を平坦又は平面形式で達成し、それによって膜材料の折り畳み又はひだ形成を回避した膜系分離装置を提供することも望ましいであろう。

本明細書に開示される実施形態は、例えば、生物学的流体のための処理を簡単に、経済的に及び便利に実施することを可能にするフラットパック膜系アセンブリに関する。

概要
所定の実施形態では、本明細書に開示される膜系分離装置は、可撓性フィルムに結合した膜の複数の相互接続平坦シートを備える。結合フィルムは、アコーディオン形状又はジグザグ形状を形成するように結合されている。膜には折り目がない。アコーディオン形状又はジグザグ形状によって、積層型アセンブリで生じる直列流ではなく並列流が可能になる。それぞれの結合フィルムの数及び寸法は変更可能である。所定の実施形態では、第１層又は上流層又はセグメントは好適なハウジングにシールされ、また最後の層又は最下流層又はセグメントも好適なハウジングに固定される。このハウジングは、サンプルを導入するための入口ポートと、間隔を開けて設けられた、ろ過サンプルを除去するための出口ポートとを備えることができる。ハウジングは、ろ過装置自体と一致するフィルム材料から構成されてもよく、装置の作動圧力を管理するのに役立つこともできるフィルム又は有意に剛性の材料とすることができる。

装置の好適な用途としては、哺乳類、細菌及び菌糸体細胞の懸濁液、エマルジョン及びコロイド懸濁液、ウイルス、タンパク質及び他の生体有機高分子溶液、多糖類及び他の高粘度溶液、酵母、藻類及び他の高固体懸濁液並びにタンパク質沈殿物などの生物流体の清澄化、予備ろ過、ろ過滅菌、ウイルスろ過、生物負荷低減、濃縮及びダイアフィルトレーションが挙げられる。

膜は、折り畳まれておらず又はプリーツ加工されていないので、プリーツ加工又は折り畳み系で使用可能な膜よりも、ある程度の非対称性を有するポリスルホン系膜などの高性能な（すなわち、容量＋流れ）膜を使用することができる。所定の実施形態では、装置は、単回使用の使い捨て装置である。

図１は、所定の実施形態に係る膜系分離装置の断面図である。 図２は、所定の実施形態に係る装置の操作中に圧力管理アセンブリ内に示される図１の装置の断面図である。 図３は、所定の実施形態に係る接線流ろ過適用の概略図である。

詳細な説明
所定の実施形態に従って、ここでは、共に接合された複数のセグメント又は層からなる又は単一の折り畳みセグメントからなるアコーディオン又はジグザグ構成を利用した可撓性膜系分離装置を提供する。この構成によって、積層分離装置の典型的な直列流とは対照的に、流体サンプルの並列流が可能になる。装置は、単一の装置内で並列流と直列流の両方を達成するように構成できるであろう。

所定の実施形態では、装置は、単一で一体型の使い捨て可能である（すなわち、単回使用装置）。所定の実施形態では、装置は、平坦若しくは平面であり、又は実質的にそのようなものである。所定の実施形態では、装置は、通常流ろ過に使用することができる。所定の実施形態では、装置は、接線流ろ過に使用することができる。

本明細書で開示される実施形態は、膜支持プレート（典型的にはプラスチック射出成形品）を使用するのではなく、薄膜を使用して（不織材料又は篩材料と併せて）装置内の膜を支持する。この構成は、より高い面積とより低いコストを実現するのに役立つ。好適な薄膜としては、ポリスルホンフィルムと、ポリエチレン及びポリプロピレンフィルムを含めたポリオレフィンフィルムなどの高分子フィルムが挙げられる。フィルムは、膜及びフィルム自体に対してシール可能又は溶接可能であり、流体不透過性であることが好ましい。シーリングのための好適な機構としては、エポキシなどの好適な封止剤の使用、ヒートシール又は化学結合が挙げられる。膜の領域内のフィルムにスロットその他の開口を形成して流体を流してもよいし、フィルムは膜に対して「額縁」を形成して、流れが膜下を通通過させてもよい。

好適な膜としては、マクロ多孔質又は微孔質高分子膜、限外ろ過膜及び親水性又は疎水性膜が挙げられる。好適な膜材料としては、ポリエーテルスルホン、ナイロン、ニトロセルロース、セルロースエステル、再生セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。膜材料は、それを支持する薄膜にシール可能とすべきである。

所定の実施形態では、多層装置の各セグメント又は層は、流体不透過性高分子フィルムとろ過又は吸着膜とを備え、この膜は、上記フィルムの両方の主表面に露出して装置に導入された流体サンプルのろ過のための利用可能なろ過領域が得られるようにフィルムにシールされる。所定の実施形態では、各セグメント又は層は、離間した第１及び第２の長手方向端縁部を有する。所定の実施形態では、これらのセグメント又は層の第１のものは、その後、好ましくはその長手方向の一方の端縁部又はその近傍において、これらのセグメントの第２のものに対してその長手方向の一方の端縁部又はその近傍で結合される。また、第２セグメント又は層は、その反対側の長手方向の端縁部又はその近傍において、第３セグメント又は層に対してその長手方向の端縁部又はその近傍で結合され、以下同様に結合される。各層の高分子フィルムは流体障壁を付与し、それによって流体をその層にシールされた膜に通す。セグメント又は層は、熱溶接などの任意の好適な手段によって結合、接合又は装着できる。

所定の実施形態では、装置は、第１膜がシールされた第１流体不透過性高分子フィルムセグメントであって、第１前端部及び第１後端部を有する第１流体不透過性高分子フィルムセグメントと、第２膜がシールされた第２流体不透過性高分子フィルムセグメントであって、第２前端部及び第２後端部を有する第２流体不透過性高分子フィルムセグメントとを収容するハウジングを備える。所定の実施形態では、第１流体不透過性高分子フィルムセグメントの第１後端部は、溶接などによって第２流体不透過性高分子フィルムセグメントの第２前端部に接合される。第１及び第２流体不透過性高分子フィルムセグメントはジグザグ構成を形成し、その結果、ハウジングに導入された流体は、第１及び第２膜を平行に通過する。この装置は、膜がシールされた追加の流体不透過性高分子フィルムセグメントを備えることができ、各追加のセグメントは上流セグメントに接合され、ジグザグパターンを継続する（セグメントが多ければ、ろ過面積が大きくなり、処理容積が大きくなる）。

ここで図１を参照すると、所定の実施形態に係る膜系分離装置１０の断面図が示されている。図示の実施形態では、装置１０は、サンプル入口ポート１６及びサンプル出口ポート１７を有する好適な外側ハウジング又は外側シェル１１を備え、ハウジング内におけるポートの位置は特に限定されない。入口及び出口の構成は特に限定されないが、チューブ、ホースバブ、トリクローバー継手といった衛生フランジなどが挙げられる。好適なハウジングの構成材料としては、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどといったフィルムにシール／結合させることができるであろうフィルムに適合する材料が挙げられ、かつ、拘束されていないときの溶接／結合の完全性を試験するために低圧（例えば、０〜１ｐｓｉ）を管理することができなければならない。所定の実施形態では、外側層又はハウジング１１は、フィルムと同じ材料から構築され、図示のとおり、フィルム−フィルム結合によってシールされた２つのフィルムから形成されてもよい。ハウジング１１には、入口、出口及び通気管継手を結合又はシールすることができる。さらにまた、作動圧力を管理するために使用される外側フィルム層（ハウジング）と緊密に接触する二次シェル／ハウジングも存在することができる。所定の実施形態では、ハウジング１１の材料は、高分子薄フィルム膜支持材料に結合可能であるように選択される。圧力管理ハウジング２１（図２）は、膜パケットと一体型とすることができ（例えば、同様の材料を使用することによりそれに結合される）、又は独立型であることができる（異種材料及び再使用可能）。ハウジング２１はサンプルと接触しないので、ガンマ線に対して安定な材料である必要はない。

ハウジング１１の内部には複数の層又はセグメント１３が示されており、それぞれが膜フィルム支持体とそれにシールされた膜１４とを備える。層又はセグメントの数は特に限定されない；任意の数の層又はセグメントを、例えば、ハウジングのサイズ及び所望のろ過の範囲に応じて使用することができる。図１から分かるように、それぞれの連続セグメント１３は、膜支持体１３を互いにジグザグ形状でシールするフィルム−フィルム結合などによってそのそれぞれの長手方向端縁部で次のセグメント１３に取り付けられる。所定の実施形態では、最上部のセグメント１３の長手方向前端縁部は内側ハウジング壁１１に密着され、また、最下部のセグメント１３の長手方向後方端縁部も同様に密着され、両方ともフィルム−フィルム結合によって密着される。

所定の実施形態によれば、膜系分離装置１０を通る流れは、２つの隣接するセグメント又は層に平行である。図示の実施形態では、４つのセグメント又は層が存在するが、当業者であれば、それより少なく又は多く設けてもよいことが分かるであろう。入口ポート１６に導入された流体サンプルは、第１セグメント又は層１３における膜１４の上流側の利用可能な膜領域を通過し、また、第２セグメント又は層１３における膜１４の上側の利用可能な膜領域も通過する。同様に、入口ポート１６に導入された流体サンプルは、第３セグメント又は層１３における膜１４の上側の利用可能な膜領域を通過し、また、第４セグメント又は層１３における膜の上側の利用可能な膜領域も通過する。セグメント又は層のそれぞれからろ過された流体は、装置１０の出口ポート１７に進む。

所定の実施形態によれば、各セグメント又は層における膜のための追加の支持体を設けることができ、例えば、膜の下流側に流体透過性メッシュ又はグリッド１５（不織又は織り高分子材料など）が配置される。このような膜支持体は、例えば約５０〜６０ｐｓｉまでの増大した作動圧力を可能にする。また、メッシュ又はグリッド１５は、流体流れを膜から離れて装置の出口ポート１７に向って運ぶのに役立つことができる。グリッド又はメッシュ１５の開口領域は、流れを詰まらせないように選択すべきである。支持グリッドに好適な材料としては、ポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリプロピレン、ナイロンなどの織物；ポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリプロピレン、ナイロン及びポリエチレンなどの不織物が挙げられる。装置を前置フィルタとして使用する実施形態では、流れを詰まらせないように比較的大きな開口領域を有するグリッドを使用することができる。

所定の実施形態では、上流流れチャネル支持体１２を使用して、作動中に膜１４の上流側を入口流体に接近可能に保持することに役立つことができる。

所定の実施形態では、膜系分離装置は、ガンマ線のような好適な手段によって滅菌される。

所定の実施形態では、複数の層又はセグメントを共に結合するのではなく、単一のシートを使用して離間した位置で折り畳み、アコーディオン又はジグザグ構成を形成してもよい。

所定の実施形態では、図２に示すように、フラットパックフィルタ装置を、圧力管理アセンブリと共に使用することができる。すなわち、アセンブリ２０はフィルタ装置１０を備え、この装置１０を上部及び底部の剛性の圧力管理エンドプレート２１が閉じ込める。図示のとおり、エンドプレート２１の一方には入口ポート１６及び出口ポート１７が形成されてもよいし、エンドプレート２１のそれぞれに１つのポートが形成されてもよい。作動中に、エンドプレート２１は、作動圧力のため、装置１０が膨張する範囲を制限する。

接線流ろ過の適用例を図３に示す。接線流ろ過（ＴＦＦ）又は直交流ろ過は、膜の表面に沿って接線方向に生成物を供給することを含み、それにより膜表面での生成物濃度を減少させ、孔詰まりを最低限に抑えるのに役立つ。図示のとおり、フラットパックフィルタ装置はハウジング２２に配置される。供給物は入口ポート１６に供給され、加えられた圧力などの駆動力の適用によって、残留物がポート１８を通って出る。

１０ 装置
１１ ハウジング
１３ セグメント
１４ 膜
１６ サンプル入口ポート
１７ サンプル出口ポート
２１ 圧力管理ハウジング

Claims (10)

1. 膜系分離装置であって、
   前記装置内にジグザグ構成で構成される、流体不透過性高分子フィルムとそれにシールされた膜をそれぞれ含む複数のセグメントを備え、前記装置に導入された流体が前記複数のセグメントにおける前記膜を通って平行に流れる、膜系分離装置。
2. 前記流体不透過性高分子フィルムとそれにシールされた膜を収容するハウジングを更に備え、前記ハウジングは流体入口と前記流体入口から離間した流体出口とを有する、請求項１に記載の膜系分離装置。
3. 前記膜を支持する支持グリッドを更に備える、請求項１に記載の膜系分離装置。
4. 前記装置を閉じ込める第１エンドプレート及び第２エンドプレートを含む圧力管理アセンブリを更に備える、請求項１に記載の膜系分離装置。
5. 膜系分離装置であって、該装置は
   第１膜がシールされた第１流体不透過性高分子フィルムセグメントであって、第１前端部と第１後端部とを有する第１流体不透過性高分子フィルムセグメントと、第２膜がシールされた第２流体不透過性高分子フィルムセグメントであって、第２前端部と第２後端部とを有する第２流体不透過性高分子フィルムセグメントとを備え、前記第１流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第１後端部は、前記第２流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第２前端部と接合され；前記第１流体不透過性高分子フィルムセグメント及び第２流体不透過性高分子フィルムセグメントはジグザグ構成を形成し、前記装置に導入された流体は前記第１膜及び第２膜を通って平行に流れる、膜系分離装置。
6. 第１膜がシールされた第３流体不透過性高分子フィルムセグメントであって、第３前端部と第３後端部とを有する第３流体不透過性高分子フィルムセグメントを更に備え、前記第２流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第２後端部は前記第３流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第３前端部と接合される、請求項５に記載の膜系分離装置。
7. 前記第１流体不透過性高分子フィルムセグメント及び前記第２流体不透過性高分子フィルムセグメントを含むハウジングを更に備え、前記第１流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第１前端部は前記ハウジングに接合される、請求項５に記載の膜系分離装置。
8. 前記第１流体不透過性高分子フィルムセグメント及び前記第２流体不透過性高分子フィルムセグメントを含むハウジングを更に備え、前記第２流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第２後端部は前記ハウジングに接合される、請求項５に記載の膜系分離装置。
9. 前記装置を閉じ込める第１エンドプレート及び第２エンドプレートを含む圧力管理アセンブリを更に備える、請求項５に記載の膜系分離装置。
10. 膜系分離装置を含むハウジングを収容する接線流ろ過装置であって、該膜系分離装置は、第１膜がシールされた第１流体不透過性高分子フィルムセグメントであって、第１前端部と第１後端部とを有する第１流体不透過性高分子フィルムセグメントと、第２膜がシールされた第２流体不透過性高分子フィルムセグメントであって、第２前端部と第２後端部とを有する第２流体不透過性高分子フィルムセグメントとを備え、前記第１流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第１後端部は、前記第２流体不透過性高分子フィルムセグメントの前記第２前端部と接合され；前記第１流体不透過性高分子フィルムセグメント及び前記第２流体不透過性高分子フィルムセグメントはジグザグ構成を形成し、前記膜系分離装置に導入された流体は前記第１膜及び前記第２膜を通って平行に流れ、前記接線流ろ過装置は供給ポートと前記供給ポートから離間したろ過液ポートとを有する、接線流ろ過装置。

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