JP5138744B2 - フィルターの改良されたスケーリングのための方法 - Google Patents

Description

本発明は、２００９年８月１３日に出願された米国仮出願第６１／２７４，１４２号に基づき優先権を主張するものであり、その記載は引用により本明細書に組み込まれる。

発明の背景
ろ過装置の製造業者は、多くの場合、プロセスの流れの事前評価と実物大（フルスケール）のプロセス用の膜面積要件の見積もりのために、小規模のサイズツールを提供する。理想的には、小規模装置は、それらの対応する大規模装置に直線的に比例するスケーリングをも行う一方で、テスト流体を節約するために膜面積又はろ過媒体が最小のものを含むはずである。しかしながら、小規模装置の性能における変動性が、スケールアップ要件に不確実性をもたらし、テストされた小規模装置が、ローエンド（低級）の性能分布を表す可能性を警戒するために、潜在的に過度のサイジングをもたらす結果となる。

例えば、精密ろ過膜フィルターの場合、ポアサイズ分布、膜化学、膜の厚さ、膜多孔性及びその他を含む膜性能に対して影響を与える多くの要因がある。膜の製造プロセスが均一性と一貫性とを最大にするために、これらの要素のすべてを制御するように設計されている一方で、これらの変数のすべてのための正常な製造条件の中には、何らかの分布があることは避けられないであろう。この膜変動性は、装置−装置間の性能一貫性を制限し、それゆえに大規模性能が小規模性能から予測できるための正確性を制限する。

大規模サンプル又は小規模ろ過装置のいずれかの性能は、多くの場合、大規模装置のサイジング要件を見積もるために利用される。サイジングのための小規模装置の利用は、明らかな経済上の利点をもたらす。例えば、生体液の除菌において、４７ｍｍ又は２５ｍｍの膜ディスクは、大規模膜装置（例えば、１０倍から１０００倍もの多くの面積を含むカートリッジ等）へのディスクに対する性能を評価するために便利なフォーマットを提供する。正確なスケールアップのためには、小規模装置内の膜は、大規模装置内の膜の代表でなければならない。しかしながら、どのような製造プロセスにおいても、膜の１のロットから他のロットまでの許容可能な性能には、限界寛容性がある。スケーリング装置における膜は、許容可能な性能範囲の中のどこからでも生じ得たかもしれない。よって、実物大の装置の必要なサイズを見積もる場合は、スケーリング見積もりにおける十分な安全要因の使用を必要としながら、膜性能における変動性を明らかにしなければならない。

これは、図１に示すように、膜性能の仮説に基づく分布を考慮することにより表される。この例では、すべての膜ロットの平均性能（浸透率又は処理能力）が、１つに規格化され、性能の許容可能な範囲は、平均±３０％と定義される。一般的に採用される１のアプローチは、どこにおいても０．７から１．３の性能を発揮する母集団から無作為に選択された膜を含む小規模装置を用いることである。同様に、大規模装置はどこにおいても０．７から１．３の範囲で機能することができるだろう。小規模装置から大規模装置へスケーリングする際には、大規模装置がローエンド（０．７）膜を含み得る一方で、小規模装置がハイエンド（１．３）膜を含む可能性を明らかにしなければならない。即ち、大規模装置要件が小型化されない（図２参照）ことを確実にするために、スケーリング安全要因が１．３／０．７＝１．８６であることが適用されなければならない。この状況では、実物大のシステムの最悪の場合の性能が、正確に見積もられるであろう。しかしながら、大規模装置がハイエンド（１．３）膜を含む一方で、小規模装置が分布（０．７）のローエンドでの膜を含み得ることもまたあり得る。同じ安全要因を適用することは、実物大のシステム性能が（１／３／０．７）／（０．７／１．３）又は３．４５となるだろう。その結果は、３．４５の要因によってオーバーサイズとなったろ過システムであろう。この値は、以下の式（１）に基づくスケーリング要因不確実性比率（Ｕ_sf）によって定義される。

Ｕ_sf＝（Ｆ_h／Ｓ_l）／（Ｆ_l／Ｓ_h）＝（Ｆ_h／Ｆ_l）＊（Ｓ_h／Ｓ_l） （１）
ここで、Ｆ_hは実物大ハイエンド潜在性能であり、Ｆ_lは実物大ローエンド潜在性能であり、Ｓ_hは、スケーリング装置ハイエンド潜在性能であり、Ｓ_lはスケーリング装置ローエンド潜在性能である。したがって、大規模装置要件を下げてコストを節約するためには、スケーリング装置性能の範囲を減少させることが望ましいであろう。

発明の概要
従来技術の問題は本発明によって克服されるものであり、本発明は、スケーリング装置性能不確性の範囲を減少させる方法を提供する。ある実施形態では、スケーリング装置性能不確実性が減少され、これにより、スケーリング装置内に設置するためのすべての条件を満たして製造された膜又はろ過媒体のセットの狭い範囲又は部分集合を特定することによってスケーリング安全要因を減少させる。ある実施形態では、スケーラビィリティー要因は、性能分布の中に特定の膜がどこに位置する場所を決定し、それによりスケーリング要因を調整することによって減少される。スケーリングスケーリング不確実性を減少させることは、重大なコスト削減に繋がり、例えば、スケールアップサイジング要求の削減を実現させる。

図１は、許容可能な範囲を示す膜性能の仮説に基づく分布のグラフである。 図２は、大規模及び小規模装置のための可能性のある値を示す膜性能の仮説に基づく分布のグラフである。 図３は、大規模及び小規模装置のための可能性のある値を示す膜性能の仮説に基づく分布のグラフである。 図４は、小規模装置変動性に対するスケーリング要因不確実性比率を表すグラフである。 図５は、実施例１に係るプリーツ型カートリッジのセットの水浸透率分布のグラフである。

発明の詳細な説明
材料状態及びプロセス状態はできるだけ一定に保たれるが、膜製造プロセスは、本来、膜特性に何らかの変動性をもたらす。その結果、性能に基づいて、製造後に膜の各バッチ又はロールを分類するか、又は「評価する」ための手順が設けてある。例えば、水浸透率及び処理能力テストは、特定のバッチからの膜を用いて膜装置を組み立て、水浸透率を測定し、膜孔を塞ぐために選択されたサイズ及び濃度の粒子を含む溶液を用いて挑戦すること等によって、よく行われる。１０分間等の特定の時間内での、又は７０％の流量減少等の流量減少量での処理能力（体積濾過(volume filtered)）が測定され、相対体積値（relative capacity values）が得られる。その後、特定のあるバッチからの膜は、得られた結果に基づいて性能が評価される。ろ過媒体の性能もまた同様に特徴づけられてもよい。ろ過媒体は、溶液から固体を積極的に分離する材料、及び／又は、溶液内の選択された材料を結合させる材料である。ろ過媒体の種類としては、不織布、活性炭、活性粘土、セルロース、セラミック、綿、珪藻土、ガラス繊維、イオン交換樹脂、金属、鉱物、紙、ナイロン、砂、合成繊維、テフロン（登録商標）、ポリエーテルスルホン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリ塩化ビニリデン及びポリスルホンを含む。ここに記載された方法を実行するある実施形態では、製造された膜又はろ過媒体の各バッチが性能により特徴づけられ、性能分布が確立される。その分布から、小さな部分集合が、スケーリング装置への設置のために選択される。スケーリング装置のために小さな幅の分布を特定することだけによって、小規模装置から大規模装置（定義上どのような適切な膜またはろ過媒体を含み得る）へのスケーリングにおける不確実性が最小化される。

例えば、分布の中の３分の１のみが小規模装置に対して選択された場合、図３に示すように、小規模装置の性能は、０．９から１．１の範囲まで及ぶだろう。大規模装置が０．７から１．３の範囲であるので、スケーリング安全性は、（式（１）に従えば、ここではＳ_hが分布の部分集合内におけるスケーリング装置ハイエンド潜在性能となり、Ｓ_lが分布の部分集合内におけるスケーリング装置ローエンド潜在性能となる）（１．３／０．９）／（０．７／１．１）＝２．３となるであろう。この例では、この方法がスケーリング装置に対して用いられた従来のランダムな膜選択と比べると、スケールアップサイジング要求を３５％節約する結果をもたらす。

図４は、いくつかのレベルの膜変動性に対する小規模性能範囲の関数としてのスケーリング安全要因を示している。技術の現在の状況は、各曲線の上端により定義される。ここで記載される方法は、図４の矢印で表されるような減少されたスケーリング不確実性を可能にする。

ある実施形態では、スケーラビリティ安全性は、性能分布内で小規模装置が位置する場所を（例えば代理又は実際の性能認定試験を用いて）決定し、その後、スケーリング装置に由来する分布の特定の位置を考慮にいれるために、スケーリング要因を調整することによって、最小化することができる。このアプローチでは、どのような膜でもスケーリング装置に用いることができる。膜性能に関する情報は収集され、その情報はその後完成した装置に与えられる。スケーリング装置が評価されるとき、この膜性能データは、スケーリング要因を決定するのに用いられる。例えば、図１における仮説に基づく分布を用いて、ある特定の膜は０．９の性能値があると想定する。スケーリング要因は単に（０．９／０．７）＝１．３となるだろう。この要因は、全分布のローエンドに関するスケーリング装置に対する調整を表す。スケーリング装置の性能範囲はよく定義され、知られているため、Ｓ_h及びＳ_lは同じであり、式（１）は以下のように低減される。

Ｕ_sf＝Ｆ_h／Ｆ_l （２）
この場合のスケーリング要因不確実性比率は１．３／０．７又は１．８６となり、これは、情報のない膜選択に比べて、４６％の削減を表す。

（実施例１）
ステライジング（殺菌）グレード膜フィルターの主要な性能パラメータは水浸透率であり、これは、装置の生産性に関連する。水浸透率は、膜に水を供給し、膜を横切る圧力差を維持し、水の流量を測定することによって測定される。浸透率は、以下の式によって計算される。

Ｌｐ ＝ Ｑ／（Ａ＊ΔＰ）
ここで、Ｌｐは水浸透率、Ａは膜面積、ΔＰは膜を横切る圧力差である。水浸透率は、単位Ｌ／（ｍ²−ｈｒ−ｐｓｉ）又はＬＭＨ／ｐｓｉで一般的には表される。水浸透率は、公称ポアサイズが０．２μｍで、約０．５ｍ²のポリエーテルスルホン膜をそれぞれ含むプリーツ型カートリッジの代表セット上で測定された。分布のプロットを図５に示す。水浸透率は、約１０００ＬＭＨ／ｐｓｉから約１３００ＬＭＨ／ｐｓｉまでの範囲であった。全ての母集団に含まれる膜の部分集合は、０．００３４ｍ²を含む小規模ディスク装置への設置用に選択された。選択された部分集合の範囲は、膜を１１００から１２００ＬＭＨ／ｐｓｉの間に制限され、これは全ての膜の母集団の約半分を構成していた。式１に従うと、母集団中の任意の膜を用いた（従来技術方法）スケーリング要因不確実性比率は、（１３００／１０００）＊（１３００／１０００）＝１．６９となる。この発明の方法を用いると、スケーリング要因不確実性比率は、（１３００／１０００）＊（１２００／１１００）＝１．４２となり、これは、スケーリング要因不確実性を１６％向上させることを表し、従来技術に比べて比例的に小さいサイズの実物大システムになることを直接的に実現する。

（実施例２）
実施例１の水浸透率分布から、水浸透率に関して特徴付けられた単一膜が、膜の全ての母集団の中から選択された。この膜の水浸透率は既知であるので、式２が適用可能であり、スケーリング要因不確実性比率は１３００／１０００＝１．３であり、これは、従来技術と比較するとスケーリング要因不確実性が２３％向上していることを表す。

Claims (3)

1. 実物大ろ過装置の要件を見積もるために用いられるろ過スケーリング装置での性能変動性を低減させる方法であって、
   ａ．複数の膜又はろ過媒体の性能分布を決定することと、
   ｂ．前記分布の部分集合を選択することであって、前記部分集合が前記分布で既知の範囲の性能を有し、
   ｃ．前記部分集合からの膜又はろ過媒体を前記ろ過スケーリング装置へ挿入することと、
   ｄ．スケーリング安全要因を算出して前記ろ過スケーリング装置に割り当てること
   を含み、
   前記スケーリング要因は、前記分布内の実物大の装置ハイエンド潜在性能と前記分布の前記部分集合内のスケーリング装置ハイエンド潜在性能との積に正比例し、前記分布の前記部分集合内のスケーリング装置ローエンド潜在性能と前記分布の実物大の装置ローエンド潜在性能との積に反比例することを特徴とする方法。
2. 前記部分集合の膜が単一膜である請求項１の方法。
3. 前記スケーリング要因が、前記分布内の実物大の装置ハイエンド潜在性能と前記分布の前記部分集合内のスケーリング装置ハイエンド潜在性能との積を前記分布の前記部分集合内のスケーリング装置ローエンド潜在性能と前記分布内の実物大の装置ローエンド潜在性能との積により割って算出される、請求項１の方法。

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