JP6087948B2 - 接線流装置用の供給スクリーン - Google Patents

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Description

本願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2011年12月9日出願の米国特許仮出願第61/568,882号明細書の優先権の恩典を主張する。
本発明は、接線流ろ過(TFF)の装置に関する。より具体的には、これは高粘度流体とともに使用されるTFF用の供給スクリーンに関する。
タンパク質の巨大分子を含有する流体ストリームの清澄化、濃縮、および精製のために、膜ベースの接線流ろ過(TFF)カセットが使用される。TFFにおいて、タンパク質流体は、膜の表面に沿って接線的に圧送される。印加された圧力は、膜表面を通じて供給ストリームの一部をろ過側に押し進めるのに役立つ。粒子および巨大分子は、濃縮液側に保持される。2つの膜の間のチャネルの長さに沿った供給流は、供給側からチャネルの濃縮液末端への圧力降下を引き起こす。タンパク質溶液の濃縮の間、TFFカセットの供給側から濃縮液側への圧力降下は、溶液粘度を増加させながら増加する。その一方で、透過する膜面積のために正規化された体積流量によって定義される流束は、溶液粘度が高くなるに連れて減少する。
スクリーンなどの膜スペーサは、物質移動性能および圧力降下に著しい影響を及ぼすTFFモジュールの主要部分である。スクリーンは、強化された壁せん断応力および渦促進によって物質移動速度を増加させる、乱流発生器である。しかしながら、これらはまた、1つまたは複数の供給ポートと1つまたは複数の濃縮液ポートとの間のチャネルにわたる圧力降下も増加させる。
TFF装置は、供給ストリームを低粘度または高粘度に適応させるための異なるスクリーンを備えて入手可能である。カセットは一般的に、粗目スクリーンおよび細目スクリーンを備えて入手可能である。加えて、いくつかのカセットは、スクリーンと膜表面との間の距離を増加させるための不織布シムの間に配置された粗目スクリーンからなる、「懸濁」スクリーンを備えて入手可能である。
タンパク質溶液の濃縮の間、たとえば終末濃度はここで、ポンプの吐出圧力(蠕動ポンプでおよそ50psi)、あるいはカセットまたはシステム内のその他何らかの構成要素の、たとえば80または90psiの圧力定格によって、制限される。その結果、たとえば200または250g/Lを超える高終末濃度を得ることは、困難となる。
現在のカセット設計では、粗目スクリーン装置と懸濁スクリーン装置との間には、大きな性能の違いがある。懸濁スクリーン装置は、不織布スペーサによって形成される開口チャネルによる著しく低い圧力降下を有し、その一方で物質移動速度は、不織布スペーサからの開口チャネル性によって大幅に低下している。
これらの装置のいくつかは、粗目メッシュスクリーンを使用して高粘度溶液を取り扱うことが可能なようである。大部分は、高圧力降下を有する性能を有する。いくつかは、「間隙を包含する懸濁スクリーン設計」の使用によってわずかに低い圧力降下を有するが、しかしこれらは高濃度での低物質移動に悩まされてもいる。
さらなる高濃度および高粘度での動作を可能にするために、比較的高い物質移動速度を維持しながら低いチャネル圧力降下を有するカセットを提供する必要がある。
本発明は、高粘度ストリームをより良く取り扱うための、TFF装置の改良設計を提供する。
高粘度での液体の接線ろ過のための装置が教示される。任意のチャネル長および幅(カセット設計によって相対的に固定されている)について、チャネル高さを増加させるかまたはチャネル液圧耐性を低下させることによって、チャネル圧力降下を減少させることができる。スクリーンに大径繊維を使用することによって、オーバモールドスクリーン上の成形ボーダまたはリムの厚みを増加させることによって、または非オーバモールドスクリーン内のスペーサとしてより厚い不織布を使用することによって、チャネル高さを増加させることができる。スクリーンは膜の表面にエンボス加工されているので、有効なチャネル高さはまたスクリーン内の膜ならびに繊維の硬度による影響も受ける。
本発明の目的は、第一上面と第二下面との間に長さ、幅、および厚みを有し、以下の群から選択される1つ以上の特徴を有するスクリーンを提供することであり、この群は:スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルから203.2マイクロメートル(8ミルの高さのリムと;綾織文様と;215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径と;−10度からまたは+10度を超えて100度までの、流れ方向に対するスクリーンの経糸の配向と;約10.6から約20n/cmのスクリーンのメッシュ数と;スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルから203.2マイクロメートル(8ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径との組み合わせと;スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径と、綾織模様との組み合わせと;スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径との組み合わせと;スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径と、−10度からまたは+10度を超えて100度までの、流れ方向に対するスクリーンの経糸の配向との組み合わせと;スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径と、−10度からまたは+10度を超えて100度までの、流れ方向に対するスクリーンの経糸の配向と、約10.6から約20n/cmのスクリーンのメッシュ数との組み合わせと、からなる。
本発明の別の目的は、スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムを有するスクリーンを提供することである。
本発明の追加目的は、スクリーンが綾織文様を有する供給スクリーンを提供することである。
本発明のさらなる目的は、経糸方向で2本が下、1本が上の綾織文様を備える供給スクリーンを提供することである。
本発明の別の目的は、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径を有する供給スクリーンを提供することである。
本発明の追加目的は、スクリーンが−10度からまたは+10度を超えて100度までの流れ方向に対するスクリーンの経糸の配向を有する供給スクリーンを提供することである。
本発明のさらなる目的は、スクリーンが、スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径との組み合わせを有する、供給スクリーンを提供することである。
本発明の別の目的は、スクリーンが、スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径と、綾織模様との組み合わせを有する、供給スクリーンを提供することである。
本発明の追加目的は、スクリーンが、スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径との組み合わせを有する、供給スクリーンを提供することである。
本発明の別の目的は、スクリーンが、スクリーンの外周に取り付けられたリムであって、スクリーンの両側の第一および第二表面の高さから少なくとも50.8マイクロメートル(2ミルの高さのリムと、215マイクロメートルを超えて360マイクロメートルまでの繊維径と、−10度からまたは+10度を超えて100度までの、流れ方向に対するスクリーンの経糸の配向との組み合わせを有する、供給スクリーンを提供することである。
本発明のさらなる目的は、スクリーン材料がポリプロピレンおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される、供給スクリーンを提供することである。
本発明の追加目的は、スクリーンが約10.6から約20n/cmのメッシュ数を有する、供給スクリーンを提供することである。
異なる供給スクリーンを使用する本発明のものを含むTFFカセットの圧力降下対供給ストリームウシガンマグロブリン(BgG)の濃度を示すグラフである。 本発明のものを含むTFFカセットの異なる供給スクリーンの供給ストリームBgGの流束対濃度を示すグラフである。 本発明のものを含む異なる供給スクリーンのTFFカセットの物質移動係数を示すグラフである。 リムボーダを備える本発明による供給スクリーンの上から見た平面図である。 図4Aの供給スクリーンの線4Aに沿った断面図である。 Cスクリーン対本発明のC+3スクリーンを用いるTFFカセットの圧力降下対濃度を示すグラフである。 Cスクリーン対本発明のC+3スクリーンを用いるTFFカセットの流束対濃度を示すグラフである。 PET−Cスクリーンおよび本発明のPET−C+3スクリーンを用いるTFFカセットの圧力降下対濃度を示すグラフである。 PET−Cスクリーンおよび本発明のPET−C+3スクリーンを用いるTFFカセットの流束対濃度を示すグラフである。 本発明のものを含むTFFカセットの異なるスクリーン配向を用いるTFFカセットの圧力降下対濃度を示すグラフである。 異なるスクリーン配向を用いるTFFカセットの流束対濃度、本発明のものを含むTFFカセットの異なるスクリーン配向を用いるTFFカセットの流束対濃度を示すグラフである。 本発明のものを含むTFFカセットの異なるスクリーン配向のTFFカセットの物質移動係数を示すグラフである。 本発明の方法で設計されたTFF装置の圧力降下対濃度を示すグラフである。 本発明の方法で設計されたTFF装置の流束対濃度を示すグラフである。 本発明の方法で設計されたTFF装置の物質移動係数を示すグラフである。 本発明のものを含むTFFカセットの物質移動係数に対する200g/L濃度での圧力降下の比率を示すグラフである。
本発明において、いくつかの手法が可能である。任意のチャネル長および幅(カセット設計によって相対的に固定されている)について、チャネル高さを増加させるかまたはチャネル液圧耐性を低下させることによって、チャネル圧力降下を減少させることができる。スクリーンに大径繊維を使用することによって、オーバモールドスクリーン上の成形ボーダまたはリムの厚みを増加させることによって、または非オーバモールドスクリーン内のスペーサとしてより厚い不織布を使用することによって、チャネル高さを増加させることができる。スクリーンは膜の表面にエンボス加工されているので、有効なチャネル高さはまたスクリーン内の膜ならびに繊維の硬度による影響も受ける。
本発明の大部分は、物質移動速度および圧力降下の両方に対して顕著な影響を有するとして知られる、供給スクリーンの新規な設計に焦点を当てている。これは、メッシュ径、メッシュ開口サイズ、メッシュ数、織目、スクリーン厚などで新規な特徴を有する、新規なスクリーンの挿入を含む。
本発明によるいくつかの実施形態において、TFFチャネル内の圧力降下を減少させるために、供給スクリーンのリム高さを増加させた設計が提供される。供給スクリーンのリム高さはスクリーンをオーバモールドすることによって作り出され、リム高さは供給スクリーン金型によって決定される。
本発明は、スクリーンの配向を変更することも含む。スクリーンは、好ましくは流れ方向から約−10度、または+10度を超えて約100度までの接線流に対する角度で配向される。スクリーンの織目は、好ましくは綾織(上2本、下1本)である。スクリーンの配向を変更することによって、チャネル内の流体力学に影響を及ぼし、したがって圧力降下および物質移動に影響することになる。
本発明はまた、ポリプロピレンまたはポリエチレンテレフタレートなど、スクリーンには硬質な材料を使用することも含む。類似の硬度を有するその他の材料もまた許容可能である。本明細書に記載されるような熱可塑性外リムとしてオーバモールドされ得るように、スクリーンは熱可塑性物質で作られることが好ましい。
スクリーンの表面より上のオーバモールドリム高さと改良型スクリーン設計との組み合わせは、高粘度であっても圧力降下が著しく減少して物質移動はあまり減少しないTFF装置を提供する。一般的に、スクリーンは、物質移動を犠牲にして透過性を改善するように変更される。粗目スクリーンから特殊なスクリーン設計を用いる本発明のスクリーンへの変換は、透過性を2倍改善するが、しかし物質移動係数(k)を30%減少させる。25.4ミリメートル(1インチの3.5/1000のオーバモールドスクリーンにおけるリム高さの使用は、2倍以上改善された装置の透過性を提供しながら、スクリーンを単純に変更することによって達成されるよりも17%高い物質移動係数を有する。改良型スクリーンとオーバモールドリム高さとの独自の組み合わせは、高い物質移動係数を維持しながら、圧力降下をさらに減少させることができる。このように、性能が向上した新規な材料は、表1に示される圧力降下/物質移動係数比率によって実証されたように、透過性と物質移動との間の比類ない驚くべき関係に起因していた。
メッシュ径の範囲は215から360マイクロメートルの間で異なり、メッシュ数は20から10.6n/cmの間で異なる。スクリーンのリム高さは、各側で25.4ミリメートル(1インチの2/1000から25.4ミリメートル(1インチの8/1000の間で異なる。
図4Aおよび図4Bは、本発明のリム高さの詳細を備えるスクリーンを示す。図4Aに示されるように、スクリーンは、以下により詳細に記載されるように形成されてその外周に接合された外リムを有する。図示されるように、スクリーン2は供給ポート4、濃縮液ポート6、および浸透ポートを有するTFF装置に使用されるものである。リム10はスクリーン2の外周の周りに形成されている。TFF供給スクリーンについて図示されるように、浸透ポート8はリムによって、スクリーン2ならびに供給および濃縮液ポート4、6から封止されてもいる。図4Bに示されるように、リム10およびスクリーン2は好ましくは互いに接着されており、リム10は好ましくはスクリーン2の厚み16よりも大きい高さ14を有する。図示されるように、リム10はスクリーン2の両側に等量の高さ14を有する。
成形リム高さ14は、リム10の内をスクリーン2の外に成形または接着することによって形成される。好ましくは、リム10はスクリーン2の縁に射出成形される。リム10は、スクリーンの片側または両側に望み通りに形成されてよい。好ましくは、リム10はスクリーン2の両側に1つの射出成形品として形成される。このような外リム10を形成するために、各々がリム設計を備える完成スクリーン2の半分に対応する2つの金型が作成されて、互いに位置合わせされて供給スクリーンの対向する側に配置される。次に溶融した熱可塑性またはその他の選択された材料が、いずれか一方または両方の金型片に注入されて、金型をリム材料で満たし、こうしてスクリーン2上の所定位置に所望のリム10を形成する。
あるいは、望ましければ、リム部10は予備成形され、スクリーン2は、接着剤などの様々な手段あるいはリム10の開口内のスクリーン2の圧入によるかまたはリム10内へのスクリーン2の溶融接合によるスクリーン2の機械的保持によって、リムの開口に取り付けられてもよい。
リム10に適した材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、EVA共重合体、アルファオレフィンおよびメタロセン共重合体、PFA、MFA、ポリカーボネート、PVCなどのビニル共重合体、ナイロンなどのポリアミド、ポリエステル、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリールスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンフルオリド(PVDF)、およびこれらの混合物などの熱可塑性物質、Santoprene(R)ポリマー、EPDMゴムなどの熱可塑性エラストマ、独立気泡フォームウレタンなどの熱硬化性物質、および天然または合成ゴムを含むが、これらに限定されるものではない。
材料は、本発明の好適な方法である射出成形での使用を可能にするように、熱可塑性物質または熱可塑性エラストマであることが望ましい。好適な熱可塑性物質は、低密度、線形低密度、中密度、および高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、およびEVA共重合体を含む。
本発明によるスクリーンを用いるモジュールは、一般的に以下のようにして形成される。スクリーン、好ましくは供給スクリーンが、スクリーンの主表面のうちの少なくとも1つ、好ましくは両方の上方に延在するリム、好ましくは熱可塑性リムを備えて形成される。
本発明のスクリーンを用いる接線流ろ過装置において、供給ポート、濃縮液ポート、およびろ過ポートは、装置に投入される流体供給が少なくとも1つの供給チャネルに進入し、供給スクリーン層を透過し、ろ液ストリームを形成するために膜を透過するか、または濃縮液ストリームを形成するために膜によって保持されるように、配置される。濃縮液ストリームは1つ以上の濃縮液ポートを通じて装置から取り出され、ろ液ストリームは1つ以上のろ液ポートを通じて取り出される。望ましければ、ろ液側に接線流を生じるために一部のろ液がろ液層流入ポートに再循環するように、1つ以上のろ液流入ポートおよび1つ以上のろ液排出ポートが形成可能である。これはまた、装置の接線流効率を向上するために、ろ液側の代わりに濃縮液側に、または両側にも、なされてよい。そうすることにより、装置内で膜間圧を制御してもよい。
表1.従来技術と比較した本発明の方法の圧力降下対物質移動係数。スクリーン特性(A,C,D2およびD3)は、表2に示される。
Figure 0006087948
様々な実施形態において、請求項の特徴は供給ポートから濃縮液ポートへの圧力降下を低減し、その一方で良好な物質移動性能を維持するために、有用である。物質移動係数に対するウシガンマグロブリン(BgG)200g/Lでの圧力降下の比率が2.2未満となる装置が、好ましい。
実施例1:異なる供給スクリーンの比較
AスクリーンおよびCスクリーンが、Pellicon(R)3カセットで現在使用されている。高粘度の供給ストリームに適合させるために、TFFカセットに新しいスクリーンが導入される。本明細書においてD2およびD3スクリーンと称される新しいスクリーンは、従来のスクリーンよりも大きいワイヤ径、少ないメッシュ数、大きいメッシュ開口、および大きいスクリーン厚を有する。D2およびD3スクリーンの織目は綾織(上2本、下1本)であり、全てのスクリーンに使用される材料はポリプロピレン(PP)である。D2、D3、A、Cスクリーンの比較は、表2に示される。全てのカセットは、Ultracel(R)30kD 0.11mTFF装置である。
Figure 0006087948
異なるスクリーンの性能は、図1から図3に示されている。
実施例2:異なるリム高さを備える供給スクリーンの影響
リム高さを増加させた供給スクリーンが、図4Aおよび図4Bに示されて上記で論じられたTFFカセットに使用される。Cスクリーンの標準的な現在の標準リム高さは、各面で50.8マイクロメートル(2/1000インチである。各面で88.9マイクロメートル(3.5/1000インチの増加したリム高さを備えるCスクリーン、すなわち「C+3スクリーン」が標準Cスクリーンの代わりに使用され、CスクリーンおよびC+3スクリーンの両方の結果が比較のために示される。全てのカセットは、Ultracel(R)30kD膜を使用している。結果は、供給スクリーンのリム高さの増加によってほぼ60%の圧力降下の減少、ならびに約20%の流束の減少をもたらすことを、示している。CスクリーンおよびC+3スクリーンを備える装置の物質移動係数は、それぞれ29.5および23.4である。性能は、図5および図6に示されている。
実施例3:増加したリム高さは異なる材料の供給スクリーンに作用する。
異なるリム高さスクリーンの効果は、異なる材料のスクリーンにも適用可能である。ポリプロピレン(PP)スクリーンの代わりに、異なるリム高さを備えるポリエチレンテレフタレート(PET)スクリーンが、TFFカセット内で評価される。結果は、PETスクリーンのリム高さの増加が、図7および図8に示される、PPスクリーンを備えるTFF装置性能に対して類似の効果を有することを示している。PET−CスクリーンおよびPET−C+3スクリーンを備える装置の物質移動係数は、それぞれ17.1および15.5である。全てのカセットは、Biomax(R)30kD膜を使用している。
実施例4:増加したリム高さは異なる膜に作用する。
供給スクリーンのリム高さの増加は、異なる膜に作用する圧力降下を著しく低下させる可能性がある。CスクリーンおよびC+3スクリーンを用いるUltracel(R)30kDおよびBiomax(R)30kD膜のマイクロTFF装置の液圧試験が、表3に示されている。異なるスクリーンを用いる両方の装置での水の圧力降下は、スクリーンリム高さの増加が高粘度供給材料を取り扱うときに圧力降下を減少させる効果的で実践的な方法であることを、立証している。
Figure 0006087948
実施例5:供給スクリーン配向の効果
供給スクリーンの織目は綾織(上2本、下1本)である。流れ方向に対するスクリーンの配向を変更することは、チャネルの閉塞に影響を及ぼし、ひいては消散エネルギーに影響を及ぼすことになる。供給スクリーン配向の効果は、Biomax(R)30kD膜およびC+3スクリーンを用いて評価される。−10°、10°、22°、45°、60°、および100°の流れ方向に対する角度が選択される。結果は図9から図11に示される。
実施例6:スクリーン、リム高さ、およびスクリーン配向の予測される性能
リム高さ、スクリーン設計、および最適化されたスクリーン配向の組み合わせは、圧力降下が著しく減少して物質移動はあまり減少しないUF装置を提供する。Ultracel(R)30kD膜を用いるこのような装置の予測される性能は、図12から図15に示される。全ての予測は、Ultracel(R)30kD膜、PPスクリーン材料、および10度のスクリーン配向に基づいている。

Claims (5)

  1. 長さ、幅、および第一上面と第二下面との間の厚みを有するスクリーンを備えており、スクリーンが、
    (a)−10度の、または+10度から100度までの、流れ方向に対するスクリーンの経糸の配向、または、
    (b)340マイクロメートルから360マイクロメートルまでの繊維径、
    と組み合わされた綾織文様によって特徴づけられ、
    スクリーンのメッシュの開口面積が、32%−39%であり、
    スクリーンが、スクリーンの外周に取り付けられたリムを有し、リムが、スクリーンの各側における第一表面および第二表面の高さから少なくとも88.9マイクロメートル(3.5ミル)の高さを有する、接線流装置用の供給スクリーン。
  2. スクリーンが、経糸方向で2本が下、1本が上の綾織文様を有する、請求項1に記載の供給スクリーン。
  3. スクリーン材料が、ポリプロピレンおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選択される、請求項1に記載の供給スクリーン。
  4. スクリーンが、10.6から20n/cmのメッシュ数を有する、請求項1に記載の供給スクリーン。
  5. 流れ方向に対するスクリーンの経糸の配向が、−10度、10度、22度、45度、60度または100度である、請求項1に記載の供給スクリーン。
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