KR101570546B1 - 내부 오염 제어에 의한 여과 - Google Patents

Abstract

본 발명의 여과 프로세스와 시스템은, 수성 유체로부터 단백질, 펩티드, 핵산, 생물학적으로 생성된 고분자 및 다른 화합물 또는 물질의 분리, 회수, 및/또는 정화중, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 간의 압력차의 간헐적인 주기적 감소 및/또는 백워싱 사이클을 통해 멤브레인 오염의 내부 제어와 멤브레인을 따라 균일한 막간 압력과 플럭스를 갖는 여과 멤브레인 모듈에 의해 여과 가능한 유체 스트림의 분리를 제공한다.

Description

내부 오염 제어에 의한 여과{FILTRATION WITH INTERNAL FOULING CONTROL}

본 발명은 내부 오염 제어에 의한 여과, 특히 액체/고형체 분리를 위해 균일한 막간 압력 (uniform transmembrane pressure) 과 내부 오염 제어를 사용하는 여과에 관한 것이다.

정밀 여과 (Microfiltration) 및 한외 여과 (ultrafiltration) 는 생물학적 브로스 (biological broth) 또는 액체에서의 화합물의 분리에 사용되고 있다. 음료 산업은 맥주 및 와인을 맑게하기 위해 정밀 여과를 채용하고 있으며, 유가공 산업에서는, 정밀 여과와 한외 여과가 예컨대, 치즈 유청 (cheese whey) 또는 우유의 처리에 사용될 수 있다. 정밀 여과는 생성물 분리와 정화를 위해, 다소 드물기는 하지만, 최근 바이오 산업에 적용되고 있다.

정밀 여과는 원칙적으로는, 예컨대, 발효 현탁액, 우유, 또는 주스 펄프로부터 용질을 분리하는 매력적인 방법이다. 플레이트 및 프레임, 세라믹 튜브, 중공 섬유, 및 멤브레인 시스템을 포함하는 다양하고 상이한 정밀 여과 포맷이 실제 사용되고 있다. 플레이트와 프레임은 빈번하게 사용되고 있지는 않지만, 높은 고형체 농도를 다룰 수 있다. 그러나, 이러한 포맷은 비교적 고비용이며, 산업 스케일 작동을 위해 사용되는 경우 대형 장비를 필요로 한다. 세라믹 튜브는, 높은 처리량, 작업의 용이성, 살균/청결, 및 멤브레인 수명으로 인해, 유가공 산업 및 음식 산업에서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나, 세라믹 튜브 시스템은 일반적으로 매우 고비용이며, 오염을 최소화는데 요구되는 매우 큰 횡류을 유지하기 위하여 정밀 여과 시스템보다 많은 동력을 필요로 한다. 중공 섬유가 세라믹 튜브의 대안이다. 이 중공 섬유는 세라믹 튜브와 같이 조작하기에 튼튼하지 않거나 작동 및 실행이 용이하지 않지만, 세라믹 튜브 또는 플레이트 및 프레임 시스템 보다는 더 소형의 장비를 필요로 한다.

또한, 나권형 멤브레인 (spiral wound membrane) 이 소정의 정밀 여과 작동을 위해 사용되고 있다. 나권형 멤브레인은 일반적을 투과액의 수집을 허용하게 관통된 투과액 튜브 주위를 둘러싸는 시트 멤브레인의 봉입물을 포함한다. 도 3 을 참조하면, 예시적 나권형 멤브레인은 모듈 설계는 원통형 외부 하우징 쉘 및 쉘 내에 밀봉되고 그 안에서 투과액 수집 수단으로 기능하는 복수 개의 구멍 또는 슬롯을 갖는 중앙 수집 튜브를 포함한다. 2 개의 멤브레인 층과 멤브레인 사이에 개재된 투과액 채널 층을 포함하는 립 (leaf) 이 감겨진 립층을 분리하는 공급 채널 스페이서 둘레를 나선형으로 감는다. 투과액 채널은 통상 다공성 물질이며, 이는 나선 경로에서 각각의 멤브레인 층으로부터 수집 튜브를 향한다. 작업시, 분리되는 공급 용액이 실린더의 일단부 내로 도입되고, 공급 채널과 공급 스페이서를 따라 직접 축방향으로 흐르며, 보유액 스트림은 쉘의 축방향 타단부로부터 제거된다. 수집 튜브에 인접하지 않은 멤브레인과 투과액 채널의 가장자리는 멤브레인 사이에서 투과액 채널 층 내에서 투과액 흐름을 유지하고 수집 튜브를 향하도록 밀봉된다. 멤브레인 시트를 통과하는 투과액은 중앙 튜브를 향해 투과액 수집 수단을 통해 반경 방향으로 흐르며, 중앙 튜브로부터 투과액 출구에서 제거된다.

상업적 스케일에의 나선의 적용은 주로 높은 희석 (낮은 고형체) 프로세스 유체의 처리에 한정되고 있다. 나권형 멤브레인 모듈은 종종 단독으로 채용되거나, 비교적 낮은 고형체의 분리를 위해, 예컨대 해수로부터 순수의 생성을 위한 고압의 역삼투; 또는 예컨대 유가공 분야에서 유청 단백질의 농축을 위한 저압의 한외여과에 의해 조합하여 채용된다. 이론 상, 나권형 멤브레인 구조는 여과 모듈의 풋프린트에 대해 분리 처리를 위해 비교적 큰 멤브레인 표면적을 제공한다. 필터 시스템에서 멤브레인 면적이 클수록, 잠재적으로 입수가능한 투과율은 커지며, 나머지 모두는 동일하다. 그러나, 나권형 멤브레인은 높은 속도로 오염되는 경향이 있다. 오염은 시스템 처리량을 판정하는 플럭스의 감소와 생성물 수율을 판정하는 통과의 감소를 유발한다. 불행하게도, 나권형 멤브레인의 입구에서의 막간 압력 (trans-membrane pressure)(TMP) 은 출구에서의 TMP 보다 훨씬 높다. 이는 멤브레인 저항이 보유액 측에서 압력 구배를 생성하는 반면, 투과액 압력은 멤브레인을 가로질러 균일하게 낮음으로써 발생한다. 따라서, 최적의 TMP 조건은 통상 멤브레인을 따라 비교적 짧은 영역 내에서만 얻어질 수 있다. 이 최적의 존의 상류에서, 멤브레인은 과압되어 오염되는 경향이 있지만, 이 존의 하류에서는, 낮은 TMP가 차선의 플럭스가 된다. 나권형 멤브레인은 종종 직렬로 되어 오염 문제를 악화시킨다.

역충격 (Backpulsing) 은 플럭스를 복원시키고 필터에서의 오염을 감소시키는 경향이 있는 일반적으로 공지된 기술이다. 역충격은, 예컨대 멤브레인의 투과액 측으로부터 상당히 과압을 발생시키기 위해 투과액 채널 내로 반대로 수집된 투과액에 힘을 가함으로써, 스파이럴 멤브레인에서 실행되고 있다. 과거에는, 역충격 전략 (strategies) 은 멤브레인의 투과액 측을 따라 균일한 국부적 막간압을 제공하지 못했다. 투과액 공간 내에서의 압력 구배는 투과액 역류 입구에서 비교적 높고, 역류원으로부터 투과액 채널의 말단 위치에서 낮은 경향이 있었다. 따라서, 국부적 오염제거 (defouling) 와 플럭스 복원의 레벨은 멤브레인의 축방향 길이를 따라 상당히 예측 불가하게 변하였다. 역충격 접근 이전에, 불충분한 낮은 역류 압력이 차선의 세정을 유발하는 투과액 공간 내에서 발생하거나, 오염 제거의 몇몇 레벨을 유도하기에 충분한 투과액 측 내에서 발생된 높은 역류 압력중 어느 하나가 박리 (delamination) 에 의한 멤브레인 파괴를 유도할 것이다. 이러한 투과액 흐름의 역전 기술에 기초한 역충격은 오염제거를 도입하기 위한 유체 역학 (hydrodynamic) 충격파 또는 워터 해머 작용을 발생시켜, 멤브레인이 경해진다. 또한, 임의의 플럭스 복원과 얻어진 오염제거의 레벨은 이러한 역충격 처리를 사용한 다중 여과 사이클 이후에 점진적으로 감소하는 경향이 있다. 일부 경우, 가압된 공기는 역충격 효과를 향상시키는 데 사용되고 있다. 그러나, 일부 스파이럴 멤브레인은 특히, 공기의 역충격 (pneumatic backpulsing) 을 견디기에 충분히 강하지 않을 수도 있다. 일부 회사, 예컨대, "Trisep 및 Grahamtek" 는, 역충격 응력을 취급하기 위해 설계된 스파이럴 멤브레인을 생성한다.

"Baruah, G., 등, J Membrane Sci, 274 (2006) 56-63" 는 역충격 장치, 균일한 막간 압력 (UTMP:uniform transmembrane pressure) 을 이루는 것으로 보고된 공동 흐름에서의 투과액 재순환, 및 냉각/온도 제어 시스템으로 구성된 세라믹 정밀 여과 멤브레인을 특징으로 하는 나타내는 정밀 여과 형질 전환 산양유 (transgenic goat milk) 에서 시험되는 플랜트를 개시하고 있다. 역충격은 투과액을 포획함으로서 실행된다. 이는 역충격 밸브와 펌프 출구 뒤의 밸브에 의해 실행된다. 역충격 장치의 바이패스를 조절함으로써, 이후 액체의 가변량이 역충격을 얻기 위해 시스템 내에서 강요된다. 그러나, 역충격중 여과액 통로에서의 균일하지 않은 역 압력을 유발하는 것으로 예상되는 실행방법 (modalities) 은, 멤브레인에서 얻어지는 임의의 오염 제거 효과가 불균일하게 발생할 때 바람직하지 않다. 또한, 세라믹 필터는 일반적으로 다른 MF 포맷, 예컨대 스파이럴 멤브레인보다 훨씬 고비용이며, 스파이럴 포맷보다 길이당 작업 표면적이 적게 제공될 것이다. "Brandsma, R. L., 등, J Dairy Sci, (1999) 82:2063-2069," 는 UTMP 성능을 갖는 것으로 보고된 MF 시스템에서 치즈를 만들기 이전에 산성의 탈지 우유의 정밀 여과에 의한 유청 단백질과 칼슘의 소모를 개시하고 있다. 알루미나계 세라믹 멤브레인이 여과 수단으로 기재되어 있는데, 이 수단은 1.5 중량 % NaOH 와 백워싱 기구로서의 UTMP 시스템의 사용에 의한 1.5 중량 % 질산의 사이클을 사용하여 세척되었다. 이와 같이, "Brandsma 등" 에 의해 개시된 바와 같은 백워싱 사이클은 세라믹 멤브레인을 세척하기 위해 외부 화학약품의 사용을 포함한다. 외부 가혹한 화학물질과 유해 필터를 세척하기 위한 이들 물질의 사용과 관련된 상당한 생성 중단 시간의 사용은 이상적이지 않다.

화학적 첨가제를 세정하지 않고 감소한 장비와 작동 비용 및 효과적인 오염 제거에 의한 더 연속적이며, 감소된 간섭 방식으로 높은 통과가 이루어지고 높은 고형체 함량을 통해 낮은 공급 스트림 상에서 유도된 액체/고형체 분리에서 수율을 얻을 수 있는 여과 전략에 대한 요구가 존재한다.

횡류 여과는 분자량의 차이에 기초한 용매 또는 조성물 등을 분리하는 데 사용될 수 있다. 나노 여과를 채용하는 당 분리 (Sugar separation) 가 일 예이다. 우유 단백질 (주로 카세인 및 유청) 분리는 유가공 산업에 의해 활발히 연구되는 다른 예이다. 높은 횡류 유속을 채용하는 관형 세라믹 멤브레인에 의한 일부 성공되었다. 불행하게도, 나권형 멤브레인의 유체 역학은, 작동중 결국 형성되는 극성 입자 층의 전개 (development) 에 기인하여, 미리 이러한 형식의 프로세스를 중합의 나권형 멤브레인에 아주 쓸모없게 되도록 하였다. 이 오염 층은 감소된 플럭스와 용제, 특히 단백질의 배출을 유발한다. 오염 층 전개는 TMP 와 횡류 유속 사이의 비가 증가함에 따라 더욱 심해진다. TMP 로부터 횡류를 연결해제 할 수 있는 시스템은 최소의 오염 상태 하에서 작동하게 한다.

일 실시형태에서, 본 발명은,

대향의 투과액과 보유액 측을 한정하는 멤브레인, 입구 및 출구, 멤브레인의 보유액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 공급 스트림, 멤브레인의 투과액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 투과액 스트림, 및 병행류 투과액 재순환 흐름을 모듈에 제공하는 투과액 재순환 루프를 포함하는 멤브레인 모듈을 제공하는 단계;

멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 기준선 압력의 차이가 입구와 출구에서 실질적으로 같도록 멤브레인의 투과액과 보유액 측의 입구와 출구에서 기준선 압력을 제공하기 위해, 멤브레인의 투과액 또는 보유액 측의 유속 또는 압력을 조절하여, 멤브레인의 투과액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하고, 멤브레인의 보유액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하는 단계; 및

입구와 출구에서의 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차를 기준선 압력 사이의 차이에 대해 적어도 약 50 % 만큼 감소시키기 위해, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계를 포함하는, 여과 프로세스를 제공한다. 일 실시형태에서, 멤브레인은 나권형 멤브레인이다.

일부 실시형태에서, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계는 대략 1 분 내지 6 시간 간격으로 대략 1 내지 60 초의 지속기간 동안 발생하며, 시간 주기의 간섭은 작동의 분리 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 압력이 멤브레인의 투과액 측에서 주기적으로 감소되는 경우, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차는 입구와 출구에서 본질적으로 0 으로 감소된다.

일부 실시형태에서, 투과액 압력을 증가시키거나 보유액 압력을 감소시키는 것중 어느 하나에 의해, 역전 균일 막간 압력 (rUTMP: reverse uniform transmembrane pressure) 프로세스를 주기적으로 실행하여, 멤브레인의 보유액 측의 압력에 비해 멤브레인의 투과액 측의 제어 가능한 과압을 유발하여 멤브레인을 가로질러 역류를 제공하는 한편, 축방향 흐름을 멤브레인의 양측에서 입구로부터 출구까지 유지하고, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력 차를 상기 rUTMP 프로세스 중 입구와 출구에서 실질적으로 동일하게 하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, rUTMP 프로세스는 대략 1 분 내지 6 시간 간격으로 대략 1 내지 60 초의 지속기간 동안 발생하며, 시간 주기의 간섭은 작동의 분리 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 본 발명은,

대향의 투과액과 보유액 측을 한정하는 멤브레인, 입구 및 출구, 멤브레인의 보유액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 공급 스트림, 멤브레인의 투과액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 투과액 스트림, 및 병행류 투과액 재순환 흐름을 모듈에 제공하는 재순환 루프를 포함하는 나권형 멤브레인 모듈을 제공하는 단계; 및

멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 기준선 압력의 차이가 입구와 출구에서 실질적으로 같도록 멤브레인의 투과액과 보유액 측의 입구와 출구에서 기준선 압력을 제공하기 위해, 투과액 스트림의 유속을 조절하여, 멤브레인의 투과액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하고, 멤브레인의 보유액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하는 단계를 포함하는, 여과 프로세스를 제공한다. 일부 실시형태에서, 멤브레인은 나권형 멤브레인이다.

일부 실시형태에서, 입구와 출구에서의 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차를 기준선 압력 사이의 차이에 대해 적어도 약 50 % 만큼 감소시키기 위해, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 압력이 투과액 측에서 주기적으로 감소되는 경우, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차는 입구와 출구에서 본질적으로 0 으로 감소된다. 일부 실시형태에서, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계는 대략 1 분 내지 30 분 간격으로 대략 1 내지 10 초의 지속기간 동안 발생하며, 시간 주기의 간섭은 작동의 분리 단계를 포함한다.

일부 실시형태에서, 여과 프로세스는, 투과액 압력을 증가시키거나 보유액 압력을 감소시키는 것중 어느 하나에 의해, rUTMP 프로세스를 멤브레인의 상기 투과액 측에서 주기적으로 실행하여, 멤브레인의 보유액 측의 압력에 비해 멤브레인의 투과액 측의 제어 가능한 과압을 유발하여 멤브레인을 가로질러 역류를 제공하는 한편, 축방향 흐름을 멤브레인의 양측에서 입구로부터 출구까지 유지하고, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력 차를 상기 rUTMP 프로세스 중 입구와 출구에서 실질적으로 동일하게 하는 단계를 더 포함한다.

다른 양태에서, 본 발명은,

대향의 투과액과 보유액 측을 한정하는 멤브레인, 입구 및 출구, 멤브레인의 보유액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 공급 스트림, 멤브레인의 투과액 측을 따라 입구로부터 출구까지 흐르는 투과액 스트림, 및 병행류 투과액 재순환 흐름을 모듈에 제공하는 투과액 재순환 루프를 포함하는 멤브레인 모듈을 제공하는 단계;

멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력의 차이가 입구와 출구에서 실질적으로 같도록 투과액 스트림의 유속을 조절하여, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 출구보다 입구에서 더 크게 하고, 멤브레인의 보유액 측의 압력을 출구에서보다 입구에서 더 크게 하는 단계; 및

투과액 압력을 증가시키거나 보유액 압력을 감소시키는 것중 어느 하나에 의해, rUTMP 프로세스를 멤브레인의 상기 투과액 측에서 주기적으로 실행하여, 멤브레인의 보유액 측의 압력에 비해 멤브레인의 투과액 측의 제어 가능한 과압을 유발하여 멤브레인을 가로질러 역류를 제공하는 한편, 축방향 흐름을 멤브레인의 양측에서 입구로부터 출구까지 유지하고, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력 차를 상기 rUTMP 프로세스 중 입구와 출구에서 실질적으로 동일하게 하는 단계를 포함하는, 여과 프로세스를 제공한다. 일 실시형태에서, 멤브레인은 나권형 멤브레인이다.

다른 양태에서, 본 발명은,

여과 가능 유체 스트림을 나권형 여과 멤브레인 모듈에 의해 투과액 스트림과 보유액 스트림으로 분리하기 위한 여과 프로세스로서, 이 프로세스는,

a) 분리시킬 공급 스트림을, 멤브레인 모듈의 보유액 채널을 통해 제 1 흐름 방향에서 포지티브 압력 하에 나권형 멤브레인의 보유액 측을 가로질러 축방향으로 그리고 공급 스트림 입구 내로 공급 스트림 유속으로 흘려보내는 단계;

b) 멤브레인 모듈의 보유액 출구에서 축방향으로 흐르는 보유액 스트림을 중단 (withdrawing) 하는 단계;

c) 멤브레인의 보유액 측에 대향하는 멤브레인의 투과액 측에 위치된 투과액 채널 내에서 반경방향으로 흐르는 투과액 스트림을 그와 유체 연통하는, 적어도 하나의 흐름 저항 요소를 포함하는 투과액 수집 튜브에서 수집하는 단계;

d) 수집된 투과액 스트림을 모듈로부터의 배출을 위한 투과액 출구로 중앙 투과액 수집 튜브를 통해 흘려보내는 단계;

e) 상기 투과액 수집 튜브로부터 배출된 투과액의 일부를 투과액 유속으로 그의 투과액 입구에 복귀시키는 단계; 및

f) 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 기준선 압력의 차이가 입구와 출구에서 실질적으로 같도록 멤브레인의 투과액과 보유액 측의 입구와 출구에서 기준선 압력을 제공하기 위해, 투과액 스트림의 유속을 조절하여, 멤브레인의 투과액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하고, 멤브레인의 보유액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하는 단계를 포함하는, 여과 프로세스를 제공한다.

일 실시형태에서, 여과 프로세스는, g) 입구와 출구에서의 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차를 기준선 압력 사이의 차이에 대해 적어도 약 50 % 만큼 감소시키기 위해, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계는 대략 1 분 내지 6 시간 간격으로 대략 1 내지 60 초의 지속기간 동안 발생하며, 시간 주기의 간섭은 작동의 분리 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, 압력이 멤브레인의 투과액 측에서 주기적으로 감소되는 경우, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차는 입구와 출구에서 본질적으로 0 으로 감소된다.

일 실시형태에서, 여과 프로세스는, g) 투과액 압력을 증가시키거나 보유액 압력을 감소시키는 것중 어느 하나에 의해, rUTMP 프로세스를 멤브레인의 상기 투과액 측에서 주기적으로 실행하여, 멤브레인의 보유액 측의 압력에 비해 멤브레인의 투과액 측의 제어 가능한 과압을 유발하여 멤브레인을 가로질러 역류를 제공하는 한편, 축방향 흐름을 멤브레인의 양측에서 입구로부터 출구까지 유지하고, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력 차를 상기 rUTMP 프로세스 중 입구와 출구에서 실질적으로 동일하게 하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시형태에서, rUTMP 프로세스는 대략 1 분 내지 6 시간 간격으로 대략 1 내지 60 초의 지속기간 동안 발생하며, 시간 주기의 간섭은 작동의 분리 단계를 포함한다. 일부 실시형태에서, rUTMP 프로세스 중, 막간 압력 (TMP) 은 멤브레인의 어느 한쪽 축방향 단부에서의 TMP 값에 비해 멤브레인의 전체 길이를 따라 40 % 미만 변한다. 일부 실시형태에서, 보유액과 투과액 채널은 상기 rUTMP 프로세스 중 약 0.1 내지 약 10 바의 포지티브 압력 하에 연속적으로 유지된다.

본원에 개시된 여과 프로세스 중 어느 하나의 일부 실시 형태에서, 멤브레인의 투과액 측에 하나의 흐름 저항 요소가 포함되며, 투과액은 흐름 저항 요소를 통해 흐르고, 흐름 저항 요소를 통해 흐르는 투과액의 유속은 제어된 압력 구배를 만들기 위해 바뀐다. 일부 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 테이퍼진 단일 인서트, 투과액이 흐르는 수집 튜브에 의해 한정된 내부 공간 내에서 팩킹된 다공성 매체, 투과액이 흐르는 수집 튜브 내에 수용되는 정적 혼합 장치 (static mixing device), 및 투과액이 흐르는 수집 튜브의 내벽으로부터 반경방향 안쪽으로 신장하는 적어도 하나의 배플로 이루어진 군에서 선택된다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 테이퍼진 단일 인서트를 포함한다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브의 내벽과 인서트 사이에 위치되는 적어도 하나의 탄성 밀봉 링에 의해 수집 튜브 내에서 유지되는 테이퍼진 단일 인서트를 포함하며, 상기 테이퍼진 단일 인서트는 밀봉 링 아래에서 그리고 테이퍼진 단일 인서트의 외부면을 따라 유체의 통과를 허용하는, 상기 탄성 밀봉 링 아래에서 신장하는 적어도 하나의 홈을 포함한다. 일부 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 비드 및 포말로부터 선택된 다공성 매체를 포함한다. 일부 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 구체 중합 비드를 포함한다. 일부 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 정적 (static) 혼합 장치를 포함한다.

본원에 개시된 여과 프로세스 중 어느 하나의 일부 실시 형태에서, 멤브레인은 PVDF, 폴리술폰, 또는 폴리에테르 술폰 멤브레인으로부터 선택되며, 약 0.005 내지 약 5 마이크로미터의 기공 크기를 갖는다. 일부 실시형태에서, 멤브레인은 약 0.005 내지 약 2 마이크로미터의 기공 크기를 갖는 폴리술폰 또는 폴리에테르 술폰 멤브레인을 포함한다.

본원에 개시된 여과 프로세스 중 어느 하나의 일부 실시 형태에서, 공급 스트림은 폴리펩티드, 핵산, 당단백질 또는 생체 고분자를 포함한다. 일부 실시형태에서, 공급 스트림은 세균성 생성 개체 (bacterial production organism) 의 발효 (fermentation) 생성물을 포함한다. 일부 실시형태에서, 세균성 생성 개체는, 바실러스 종 (Bacillus sp), 에쉐리히아 종 (Escherichia sp), 판토에아 종 (Pantoea sp), 스트렙스마이시스 종 (Streptomyces sp), 및 슈도모나스 종 (Pseudomonas sp) 으로 이루어진 군에서 선택된다. 일부 실시형태에서, 공급 스트림은 진균 생성 숙주 (fungal production host) 로부터의 발효 생성물을 포함한다. 일부 실시형태에서, 진균 생성 숙주는, 아스퍼질러스 종 (Aspergillus sp), 트리코데르마 종 (Trichoderma sp), 스키조사카로미세스 종(Schizosaccharomyces sp), 사카로미세스 종 (Saccharomyces sp), 푸사륨 종 (Fusarium sp), 휴미콜라 종 (Humicola sp), 무코 종 (Mucor sp), 크루이베로마이세스 종 (Kluyveromyces sp), 야로이야 종 (Yarrowia sp), 아크레모니움 종 (Acremonium sp), 뉴로스포라 종 (Neurospora sp), 페니실리움 종 (Penicillium sp), 마이세리오프토라 종 (Myceliophthora sp), 및 티에라비아 종 (Thielavia sp) 으로 이루어진 군에서 선택된다. 일부 실시형태에서, 공급 스트림은 프로테아제를 포함하고, 여과는 약 15 ℃ 이하에서 유지되는 온도에서 실행된다. 일부 실시형태에서, 공급 스트림은 아밀라아제를 포함하고, 여과는 약 55 ℃ 이하에서 유지되는 온도에서 실행된다.

다른 양태에서, 본 발명은,

a) 나권형 여과 멤브레인 모듈로서, 나권형 멤브레인; 모듈로부터의 배출을 위한 보유액 출구로 멤브레인의 보유액 측을 축방향으로 가로질러 보유액의 흐름과 공급 스트림 입구로부터 공급 스트림을 수용하기 위한 멤브레인의 보유액 측을 따라 신장하는 보유액 채널; 유체 연통하는 중앙 투과 수집 튜브에 멤브레인을 통과하는 투과액의 반경 방향 흐름을 위해, 보유액 측에 대향하는 멤브레인의 투과액 측에 위치된 투과액 채널을 포함하며; 수집 튜브는, 모듈로부터 수집된 투과액의 배출을 위해 투과액 출구에 수집된 투과액의 흐름을 위해 유체 채널을 한정하며 적어도 하나의 흐름 저항 요소를 포함하고, 수집 튜브로 다시 배출된 투과액의 적어도 일부를 도입하기 위해 투과액 출구를 포함하는, 나권형 여과 멤브레인 모듈,

b) 상기 수집 튜브의 투과액 입구로 제어가능한 비율로 상기 투과액 수집 튜브로부터 배출된 투과액의 일부를 복귀시키는 투과액 펌프,

c) 제어가능한 비율로 공급 스트림 입구에 공급 스트림을 공급하며, 또한 상기 투과액 펌프와 상호 제어가능한 공급 스트림 펌프,

d) 작업의 양 단계중 멤브레인을 따라 실질적으로 축방향으로 균일한 막간 압력이 유지되는 생성 작업 중 교호 분리와 오염제거 단계를 제공하기 위해, 멤브레인 모듈 내로의 각각의 공급 스트림과 투과액 유속이 상호 제어가능하게 효과적이도록 투과액 펌프와 공급 스트림 펌프의 상호 제어를 위한 제어기를 포함하는, 여과 시스템을 제공한다. 일부 실시형태에서, 여과 시스템은, e) 투과액 채널과 유체 연통하는 가압수 라인 (pressurized water line) 을 더 포함한다.

일부 실시형태에서, 여과 시스템은, 중앙 투과액 수집 튜브가 위치되는 환형상 공간을 한정하고, 제 1 및 제 2 축방향 단부를 갖는 하우징, 투과액 수집 튜브 둘레를 나선형으로 감고, 반경방향 흐름 채널로서 투과액 통로를 형성하기 위해 반투과가능 멤브레인 시트 사이에 개재된 다공성 부재, 및 보유액 채널을 형성하기 위해 멤브레인 립의 권선 사이에 배치된 스페이서를 포함하는 멤브레인 립 (leaf) 을 더 포함하며, 멤브레인 립의 외부 축방향 가장자리와 측방향 측면 가장자리는 밀봉되고, 멤브레인 립의 내부 축방향 가장자리는 상기 투과액 수집 튜브와 투과액 흐름 연통한다.

일부 실시형태에서, 투과액 펌프와 공급 스트림 펌프는 투과액 측으로부터 보유액 측까지 멤브레인을 가로질러 역류를 발생시키기에 충분한 보유액 측에 대해 멤브레인의 투과액 측을 주기적으로 과압시키면서, 보유액과 투과액 채널에서 축방향의 동일 방향 (co-directional) 포지티브 전방 흐름을 유지하기 위해 추가로 제어가능하다.

일부 실시형태에서, 공급 스트림 펌프는 공급 속도를 감소하기 위해 제어가능하고, 투과액 펌프는 일정한 복귀 비율로 배출된 투과액을 유지하기 위해 제어가능하다. 일부 실시형태에서, 투과액 펌프는 배출된 투과액의 투과액 입구로의 복귀 비율을 증가시키기 위해 제어가능하고, 공급 스트림 펌프는 일정한 속도로 공급 스트림을 유지하기 위해 제어가능하다.

일부 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 테이퍼진 단일 인서트, 투과액이 흐르는 수집 튜브에 의해 한정된 내부 공간 내에서 팩킹된 다공성 매체, 투과액이 흐르는 수집 튜브 내에 수용되는 정적 혼합 장치, 및 투과액이 흐르는 수집 튜브의 내벽으로부터 반경방향 안쪽으로 신장하는 적어도 하나의 배플로 이루어진 군에서 선택된다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 테이퍼진 단일 인서트를 포함한다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브의 내벽과 인서트 사이에 위치되는 적어도 하나의 탄성 밀봉 링에 의해 수집 튜브 내에서 유지되는 테이퍼진 단일 인서트를 포함하며, 테이퍼진 단일 인서트는 밀봉 링 아래에서 그리고 테이퍼진 단일 인서트의 외부면을 따라 유체의 통과를 허용하는, 상기 탄성 밀봉 링 아래에서 신장하는 적어도 하나의 홈을 포함한다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브에 의해 한정된 내부 공간 내에 패킹된 구체를 갖는 다공성 매체를 포함한다.

일부 실시형태에서, 멤브레인은 약 0.005 마이크론 내지 약 5 마이크론의 필터 기공 크기를 갖는다. 일부 실시형태에서, 멤브레인은 약 0.05 마이크론 내지 약 0.5 마이크론의 필터 기공 크기를 갖는다. 일부 실시형태에서, 멤브레인은 상기 멤브레인은 약 0.005 내지 약 5 마이크로미터의 기공 크기를 갖는 PVDF, 폴리술폰, 또는 폴리에테르 술폰 멤브레인으로부터 선택된다. 일 실시형태에서, 멤브레인은 약 0.005 내지 약 2 마이크로미터의 기공 크기를 갖는 폴리술폰 또는 폴리에테르 술폰 멤브레인을 포함한다.

일부 실시형태에서, 여과 시스템은 시스템을 통해 유체의 흐름을 조절하기 위한 복수 개의 밸브, 시스템을 흐르는 것과 같은 유체에 대한 정보를 획득하기 위한 복수의 센서, 펌프, 밸브 및 센서의 작동과 관련된 데이터를 적어도 수신, 송신, 처리 및 기록할 수 있는 전자 데이터 처리 네트워크를 포함할 수 있으며, 흐름 여과 프로세스중 수집된 기록된 데이터는 여과 프로세스의 자동 제어를 가능할 정도로 충분히 포괄적 (comprehensive) 이다. 일부 실시형태에서, 센서는 적어도 하나의 유속 센서, 압력 센서, 농도 센서, pH 센서, 전도도 센서, 온도 센서, 탁도 (turbidity) 센서, 자외선 흡수 센서, 형광 센서, 굴절률 센서, 삼투압 (osmolarity) 센서, 건조된 고형체 센서, 근적외광 센서, 또는 퓨리에 변환 적외광 (Fourier transform infrared light) 센서로부터 선택된다.

다른 양태에서, 본 발명은 본원에 개시된 여과 프로세스 중 어느 하나에 따라 생성된 투과액 생성물 또는 보유액 생성물을 제공한다.

다른 양태에서, 본 발명은 투과액과 보유액 측을 한정하는 나권형 멤브레인, 멤브레인의 투과액 측과 유체 연통하는 투과액 수집 튜브, 수집 튜브의 입구와 배출 단부 사이에서 흐르는 투과액에서의 유체 압력을 감소시키기 위해 작동가능한 투과액 수집 튜브 내에 포함된 적어도 하나의 흐름 저항 요소를 포함하는 나권형 멤브레인 필터 모듈을 제공한다. 일 실시형태에서, 투과액 수집 튜브는 모듈 내에서 대략 중앙에 위치된다. 일부 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 테이퍼진 단일 인서트, 투과액이 흐르는 수집 튜브에 의해 한정된 내부 공간 내에서 팩킹된 다공성 매체, 투과액이 흐르는 수집 튜브 내에 수용되는 정적 혼합 장치 (static mixing device), 및 투과액이 흐르는 수집 튜브의 내벽으로부터 반경방향 안쪽으로 신장하는 적어도 하나의 배플로 이루어진 군에서 선택된다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 테이퍼진 단일 인서트를 포함한다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브의 내벽과 인서트 사이에 위치되는 적어도 하나의 탄성 밀봉 링에 의해 수집 튜브 내에서 유지되는 테이퍼진 단일 인서트를 포함하며, 상기 테이퍼진 단일 인서트는 밀봉 링 아래에서 그리고 테이퍼진 단일 인서트의 외부면을 따라 유체의 통과를 허용하는, 상기 탄성 밀봉 링 아래에서 신장하는 적어도 하나의 홈을 포함한다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브에 의해 한정된 내부 공간 내에서 팩킹된 다공성 매체를 포함한다. 일부 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 중실 또는 중공 중합 구체, 중공 중합 구체, 유리 비드, 중실 세라믹 구체, 중실 금속 구체, 중공 금속 구체, 복합재 구체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브 내에 수용되는 정적 혼합 장치를 포함한다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브 내에서 회전하게 적용된 임펠러 (impeller) 를 포함한다. 일 실시형태에서, 흐름 저항 요소는 수집 튜브의 내벽으로부터 반경 방향으로 신장하는 적어도 하나의 배플을 포함한다.

당업자는 하기 도면이 예시적 목적만을 위한 것임을 이해할 것이다. 이들 도면은 임의의 방식으로 적용 교시의 범위를 제한하려는 의도는 아니다. 상이한 도면에서 유사한 번호로 나타내는 부분은 다르게 표시하지 않는 한 같은 부분이다. 도면은 실척으로 도시될 필요는 없다.

도 1 은 여과 프로세스의 스펙트럼을 도시한다.
도 2 는 병행류 (co-current) 투과액 재순환을 위해 배치되고 투과액 수집 튜브에서의 흐름 저항 요소를 갖는 스파이럴 멤브레인을 갖는, 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 정밀 여과 시스템을 도시하는 단순도이다.
도 3a 는 나권형 멤브레인의 개략적인 대표도이다.
도 3b 는 나권형 멤브레인의 부분 단면도이다.
도 4a 는, 본 발명의 실시형태에 따른 FRE 와 같은 수집 튜브에 테이퍼진 단일 인서트가 설치되는 정밀 여과 시스템을 위한 스파이럴 멤브레인의 부분 단면도이다.
도 4b 는 도 4a 의 테이퍼진 단일 인서트 요소의 단부의 사시도이다.
도 4c 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 도 4a 의 테이퍼진 단일 인서트 요소의 단부의 사시도이다.
도 4d 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 도 4a 의 테이퍼진 단일 인서트 요소의 단부의 사시도이다.
도 5 는 본 발명의 실시형태에 따른 FRE 와 같은 수집 튜브에 중공의 팩킹 구체가 설치되는 정밀 여과 시스템을 위한 스파이럴 멤브레인의 부분 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 대안의 실시형태에 따른 FRE 와 같은 수집 튜브에 중공의 팩킹 구체가 설치되는 정밀 여과 시스템을 위한 스파이럴 멤브레인의 부분 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 다른 대안의 실시형태에 따른 FRE 와 같은 수집 튜브에 배플이 설치되는 정밀 여과 시스템을 위한 스파이럴 멤브레인의 부분 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 다른 대안의 실시형태에 따른 스파이럴 멤브레인의 길이 방향을 따르는 도 7 에 따른 스파이럴 멤브레인의 부분 단면도이다.
도 9 는 나권형 멤브레인과 비교의 정밀 여과 시스템의 단순도이다.
도 10 은 도 9 에 따른 비교의 나권형 여과 시스템에 구현된 분리 프로세스에서의 투과액과 보유액 측의 유체 압력의 그래프를 나타낸다.
도 11 은 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에 구현된 UTMP 모드에서의 투과액과 보유액 측의 유체 압력의 그래프를 나타낸다.
도 12 는 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에 비교 백 워싱 작업이 채용되는 경우 투과액과 보유액 측의 유체 압력의 그래프를 나타낸다.
도 13 은 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에서 공급 펌프가 꺼졌을 경우 비교 백 워싱 작업중 투과액과 보유액 측의 유체 압력의 그래프를 나타낸다.
도 14 는 본 발명에 따른 실시형태에서 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에 병행류 투과액 재순환에 의해 가능한 역전 UTMP (rUTMP) 모드에서의 투과액과 보유액 측의 유체 압력의 그래프를 나타낸다.
도 15a 내지 도 15i 는 상이한 투과액과 보유액 흐름 구조를 위해 배치된 스파이럴 멤브레인을 갖는 정밀 여과 시스템을 도시하는 단순도이다. 도 15a 는 정밀 여과 시스템의 공급 흐름 만의 구조를 도시한다. 도 15b 내지 도 15e 는, 특히 본 발명에 따른 실시형태를 도시한다. 도 15b 는 본 발명의 실시형태의 스파이럴 멤브레인 위에 UTMP 를 제공하기 위한 병행류 투과액 재순환 (CCPR) 조건을 제공하는 정밀 여과 시스템의 구조를 도시한다. 도 15c 는 스파이럴 멤브레인 위에 널 (null) UTMP (nUTMP) 조건을 제공하는 정밀 여과 시스템의 구조를 도시한다. 도 15D 및 도 15e 는 스파이럴 멤브레인 위에 역전 UTMP (rUTMP) 조건을 제공하는 정밀 여과 시스템의 대안의 흐름 구조를 도시한다. 도 15f 는 단지 자유 흐름 정용 여과 조건을 제공하는 정밀 여과 시스템의 구조를 도시한다. 도 15g 는 UTMP 정용 여과 조건을 제공하는 정밀 여과 시스템의 구조를 도시한다. 도 15h 는 단지 자유 흐름 재순환 조건을 제공하는 정밀 여과 시스템의 구조를 도시한다. 도 15i 는 UTMP 재순환 조건을 제공하는 정밀 여과 시스템의 구조를 도시한다.
도 16 은 도 15a 내지 도 15i 에 도시된 정밀 여과 시스템의 다양한 모드를 위한 예시적 장비 설정을 도시하는 차트이다.
도 17 은 본원에 제공된 예시에 기술된 실험 연구를 유도하는데 사용되는 스파이럴 멤브레인을 갖는 정밀 여과 시스템의 단순도이다.
도 18 은 투과액 플럭스와 VCF 를 포함하는 여과 파라미터를 조사하는 실험으로부터 얻어진 데이터를 도시하는데, 여기서, 공급 브로스에서의 숙주 개체 (host organism) 와 효소는 바실러스 서브틸리스 (Bacillus subtilis) 브로스와 프로테아제 효소이다. "LMH" 는 L/m²/h 의 단위를 나타낸다.
도 19 는 시간 평균 투과액 플럭스와 VCF 를 포함하는 여과 파라미터를 조사하는 도 18 에 대해 상기 언급한 실험으로부터 얻어진 데이터를 도시하는데, 여기서, 공급 브로스에서의 숙주 개체와 효소는 바실러스 서브틸리스 브로스와 프로테아제 효소이다.
도 20 은 축적 투과율과 VCF 를 포함하는 여과 파라미터를 조사하는 도 18 에 대해 상기 언급한 실험으로부터 얻어진 데이터를 도시하는데, 여기서, 공급 브로스에서의 숙주 개체와 효소는 바실러스 서브틸리스 브로스와 프로테아제 효소이다.
도 21 은 투과액 플럭스와 VCF 를 포함하는 여과 파라미터를 조사하는 다른 실험으로부터 얻어진 데이터를 도시하는데, 여기서, 공급 브로스에서의 숙주 개체와 효소는 도 18 내지 도 20 에서 얻어지고 도시되었던 데이터의 실험에서와 상이한 바실러스 서브틸리스 브로스와 프로테아제 효소이다.
도 22 는 시간 평균 투과액 플럭스와 VCF 를 포함하는 여과 파라미터를 조사하는 도 21 에 대해 상기 언급한 실험으로부터 얻어진 데이터를 도시하는데, 여기서, 공급 브로스에서의 숙주 개체와 효소는 바실러스 서브틸리스 브로스와 프로테아제 효소이다.
도 23 은 축적 투과율과 VCF 를 포함하는 여과 파라미터를 조사하는 도 21 에 대해 상기 언급한 실험으로부터 얻어진 데이터를 도시하는데, 특히 여기서, 공급 브로스에서의 숙주 개체와 효소는 바실러스 서브틸리스 브로스와 프로테아제 효소이다.
도 24 는 도 21 에 대해 상기 언급한 실험으로부터 얻어진 전체 투과율 데이터에서의 상이한 작동 모드의 영향을 도시한다.
도 25 는 투과액 튜브 시스템에서 상이한 전체 투과액 흐름을 위한 압력 분포 효과를 연구하기 위해 실행하였던 시험시의 실험 설정의 개략도를 도시한다.
도 26 내지 도 30 은 도 25 의 실험 설정에서 얻어진 데이터를 도시한다.
도 31 은 지시되는 각각의 시나리오와 관련된 일반적인 프로세스 조건을 갖는 본 발명의 양태에 따른 비제한적인 실시형태를 도시하는 차트이다.
도 32 는 도 15a 내지 도 15i 에 도시된 바와 같은 파일롯 스케일 횡류 여과 시스템의 개략도를 도시한다. 이 도면에서, 시스템의 연속 모드에서 작동되는 것으로 설정되는데, 공급은 밸브 41VC60 를 통해 진입하고, 보유액 및 투과액은 각각 밸브 41VC63 및 43VC60 를 통해 불연속적인 속도로 배출된다.
도 33 은 도 32 에 도시된 시스템에 공급되는 희석된 브로스의 양을 측정함으로서 판정되는 순수한 브로스 플럭스를 도시한다.
도 34 는 도 33 에서와 같은 실험으로부터 순간의 투과액 플럭스를 도시한다. 이는 작업 도중에 걸쳐 UTMP/rUTMP 시스템에 의해 발생된 플럭스 편차를 설명한다.
도 35 는 도 34 에 의해 도시된 그래프의 확대도를 도시하는데, UTMP/rUTMP 사이클을 더욱 명확하게 하기 위해 플럭스 트랜드를 도시한다. 단독의 UTMP 모드인 경우, 플럭스 감퇴가 관찰되며, UTMP가 nUTMP 로 감소함에 따라 플럭스에서 급락에 의해 rUTMP 사이클의 시작 조짐이 있다. 이후, 간략한 rUTMP 주기가 존재하고, 압력이 설정 지점으로 복귀함에 따라 플럭스 회복이 뒤따른다. rUTMP 사이클 이후의 플럭스는 rUTMP 사이클 이전에 플럭스 보다 훨씬 높다.
도 36 은 실시예 4 에 기재된 실험 중의 다양한 시간 지점에서의 프로테아제의 통과를 나타내는 그래프이다.
도 37 은 실시예 4 에 기재된 실험 중의 횡류 압력의 함수 (ΔP) 로서 프로테아제의 순간 통과를 나타내는 그래프이다. 통과 연산의 샘플은, 프로세스가 30 분 동안 특별한 조건에서 작동하자마자 얻어졌다.
도 38 은 실시예 5 에 기재된 실험 중의 균일한 막간 압력 (UTMP) 의 함수로서 프로테아제의 순간 통과를 나타내는 그래프이다. 통과 연산의 샘플은, 프로세스가 30 분 동안 특별한 조건에서 작동하자마자 얻어졌다.
도 39 는 실시예 5 에 기재된 실험 중 관찰된 순수한 브로스 플럭스를 나타내는 그래프이다.
도 40 은 실시예 6 에 기재된 실험에서 탈지 우유의 3배 농축의 과정에 걸친 투과액 플럭스를 나타내는 그래프이다.
도 41 은 실시예 7 에 기재된 실험 중 관찰된 투과액 플럭스를 나타내는 그래프이다.
도 42 는 실시예 8 에 기재된 실험 중 관찰된 투과액 플럭스를 나타내는 그래프이다.
도 43 은 지시된 바와 같이 0.5 내지 4.0 바의 범위인 다양한 UTMP 에서의 실시예 6 에 기재된 바와 같은 탈지 우유를 여과하면서 수집된 투과액 샘플의 전기 영동 분석을 도시한다. 멤브레인은 마이크로딘 (Microdyn) 0.05 ㎛ PES 나권형 멤브레인이었다. 여과시, 투과액 스트림은 공급 탱크로 재순환되었다. 또한, 보유액 샘플은 겔에서 분석되었으며, 이는 "Invitrogen (Carlsbad, CA) 10 % Bis-Tris" 겔이며, MES 버퍼 (buffer) 를 이용하여 작동한다. 샘플은 먼저 가열되고 겔에 샘플이 장착되기 이전에 환원제 처리된다. 단백질 밴드는 쿠마시 염색제 (Coomassie dye) 를 사용하여 착색되었다. 각각의 겔 레인에 장착된 샘플 부피 (μL) 가 각각의 샘플을 위해 지시된다. "Invitrogen SeeBlue Plus2" 분자량 기준이 단백질 크기 기준을 위해 포함된다.
도 44 는 실시예 10 에 기재된 실험을 위해 사용된 장비 설정을 도시한다.
도 45 는 도 44 에 도시된 장비 설정을 위한 예측된 압력 구배를 도시한다.
도 46 은 실시예 9 에 기재된 실험의 결과를 나타낸다.

하기의 명세서는 예시 및 설명만을 위한 것임이 이해된다. 첨부의 도면은 본 출원의 일부에 내재되고 이를 구성하며, 명세서에 수개의 예시적 실시형태를 설명한다. 이하, 다양한 실시형태를 참조하며, 그 예시가 첨부의 도면에 설명되고 있다.

본 출원을 통해, 다양한 실시형태의 설명은 용어 "포함하는" 을 사용하지만, 당업자에 의해 특정의 경우에, 실시형태는 "본질적으로 이루어진" 또는 "이루어진" 을 사용하여 대안으로 기재될 수 있음이 이해될 것이다.

본 출원의 보다 나은 이해를 위해 그리고 본 발명의 범주를 제한하지 않기 위해, 특별히 언급하지 않는 한 단수의 사용은 복수를 포함하는 것임을 당업자라면 명확히 알 것이다. 따라서, 단수 표현과 "적어도 하나" 는 본 출원에서 상호 교환가능하게 사용된다.

별도로 지시하지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용된 양, % 또는 비율및 다른 수치값을 나타내는 모든 숫자는 예컨대 용어 "약" 으로 모두 변경가능함이 이해된다. 따라서, 다른 것으로 지시되지 않는 한, 수치적 파라미터는 하기의 상세에서 설명되며, 첨부의 청구범위는 얻고자 하는 소망하는 특징에 따라 변할 수 있는 근사값 (approximation) 이다. 예컨대, "약" 은 주어진 값에 ± 5 % 를 나타냄이 이해된다. 따라서, 예컨대, 약 100 ml 는 95 - 105 ml 를 의미할 수 있다. 적어도, 각각의 수치 파라미터는 보고된 상당한 다수의 숫자의 관점에서 그리고 통상의 반올림 방법을 적용함으로써 적어도 추론되어야 한다. 다양한 실시형태에 따르면, 방법은 샘플 준비 또는 다른 절차에 포함된 프로세스 또는 작용을 말하는 것으로 제공된다. 다양한 실시형태에서, 방법 또는 프로세스는 출원된 바와 같은 프로세스의 순서로 실행될 수 있지만, 관련된 실시형태에서, 이 순서는 원하는 결과를 성취하기 위해서 당업자에 의해 적절하게 변경될 수도 있음이 이해될 것이다.

본 출원을 위해서, 다음의 정의가 적용된다.

백워싱 (backwashing) 은, 멤브레인의 공급 또는 보유액 측에 축적되는 오염물을 제거하기 위해서 멤브레인을 통한 흐름의 방향을 반대로 하는 것을 말한다. 유체 흐름은 백워싱중 공급/보유액 측으로부터의 것이다.

병행류 투과액 재순환 (CCPR) 은, 투과액이 공급과 동일한 방향에서 멤브레인 시스템의 투과액 측을 통해 능동적으로 펌핑되는 (재순환되는) 경우를 말한다. 본 건의 경우, 이는 멤브레인 요소 전체를 통해 UTMP 가 얻어지게 하는 흐름 모드이다.

횡류 속도 (crossflow velocity) 는 멤브레인 시스템을 통해 공급이 이동하는 경우 공급의 겉보기 속도 (superficial velocity) 를 말한다. 이는 통상 m/s 로 나타낸다.

오염 제거 (Defouling) 는 여과 멤브레인 표면으로부터 오염을 유발하는 물질의 제거를 말한다.

공급 또는 공급 스트림은, 멤브레인에 의해 여과처리되는 액체를 말하는데, 프로세스 중 이 액체는 보유액으로 언급될 수 있다.

플럭스는 멤브레인을 통과하는 유체의 속도 (rate) 를 말한다. 이는 통상 LMH (l/m²/시간) 로 나타낸다.

흐름 저항 요소 (FRE: flow resistance element) 는 투과액 수집 공간 내에서 투과액 압력 강하의 속도 증가에 사용되는 구조 유닛 또는 특징의 임의의 형태를 말한다. 이는 흐름 채널 영역을 제한하거나 와류를 발생시키는 것 중 하나에 의해 필터 모듈의 수집 튜브를 통해 투과액의 흐름에 저항을 발생시킴으로서 시행된다. 흐름에 대한 저항은 비제한적인 흐름보다 큰 압력 강하를 유발하여, 멤브레인 여과 유닛을 가로지르는 압력 강하의 넓은 범위의 조작의 용이함을 가능하게 한다.

오염은 겔 층, 케이크 층에 의한 멤브레인에서의 기공 (pore) 의 폐색, 멤브레인 기공과 분자의 내부 연결 또는 미세 입자 (particulate matter) 에 의한, 또는 불용해물에 의한 기공의 물리적 폐색에 의한 기공 차단을 의미하는 것이 이해되어야 한다.

투과율 (passage) 은 여과중 멤브레인을 통과하는 용질의 분율이다. 실제로, 투과율은 용질의 보유액 농도 대 투과액 농도의 비를 계산함으로써 판정되며, 통상 % 로 나타낸다.

투과액은 여과 멤브레인을 통과하는 (투과하는) 액체이다. 이는 또한 여과액 (filtrate) 으로서 언급될 수 있다.

보유액은 여과 멤브레인의 공급 측에 유지되는 액체이며, 프로세스 중, 이는 공급물로서 언급될 수 있다.

역전 균일 막간 압력 (rUTMP) 은, 압력이 멤브레인의 보유액 측에서 보다 투과액 측에서 더 큰 경우 여과 멤브레인을 가로지르는 압력 차를 말한다.

막간 압력 (TMP) 은 멤브레인의 보유액 측과 투과액 측 사이의 압력 차를 말한다. 입구 막간 압력 (ITMP) 은 멤브레인 모듈 또는 여과 시스템의 입구에서의 보유액 스트림과 투과액 스트림 사이의 압력 차를 말한다. 출구 막간 압력은 (OTMP) 멤브레인 모듈 또는 여과 시스템의 출구에서의 보유액 스트림과 투과액 스트림 사이의 압력 차를 말한다.

균일 막간 압력 (UTMP) 은 멤브레인의 보유액 측과 투과액 측 사이의 압력 차를 말하는데, 여기서, 압력 차는 본질적으로 여과 멤브레인의 길이를 가로질러 균일하고, 및/또는, 여기서, 멤브레인의 투과액 측과 보유액 측 사이의 기준선 압력 차는, 멤브레인의 투과액 측과 보유액 측 모두의 출구에서 입구 기준선 압력 보다 큰 기준선 압력을 갖는 입구와 출구에서와 실질적으로 같다.

ΔP 는 멤브레인 시스템에서 보유액 측을 따라 축선으로 액체 공급 입구와 출구 사이의 액체 공급에서의 압력 강하를 말한다.

투과액 ΔP 는 멤브레인의 투과액 측을 따라 입구로부터 출구까지의 압력 강하를 말한다.

부피 농축 인자 (VCF) 는 연속 시스템을 위해 모듈 내로 유입하는 공급의 부피로 나뉘어진 여과 모듈 외부로 유출하는 보유액의 부피 또는 배치 시스템을 위한 여과 시스템에서의 보유액의 부피로 나뉘어진 공급 또는 순수 브로스의 부피를 말한다.

생물학적 브로스는 생물학적 개체 (organism), 예컨대, 박테리아, 진균, 포유류 세포 또는 곤충 세포 또는 식물 세포의 배양 또는 발효에 의해 생성되는 생물학적 원료 유체를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 생물학적 브로스는 소망하는 생성물, 발효 매체 및 세포, 또는 세포 찌꺼기를 포함할 수 있다. 생물학적 브로스는 또한 생물학적 샘플, 예컨대, 식물 물질 또는 동물 조직으로부터 추출됨으로서 얻어질 수 있으며, 또는 프로세스 중간물질, 예컨대 석출물, 또는 결정 또는 추출물의 사용을 의미할 수 있다.

세포 분리 (Cell separation) 는, 세포, 세포 찌꺼기 및/또는 미립자가 소망하는 화합물의 분리와 회수를 허용하고 추가의 처리를 위해 브로스를 분류하기 위해 제거되는 프로세스임이 이해되어야 한다. 세포 용해 (Cell lysis) 절차가 세포 분리에 선행할 것이다.

정화 (Clarification) 는 용액으로부터 미립자 물질의 제거를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

세포 덩어리 (Cell paste) 는 생물학적 브로스를 여과하는 경우 여과 모듈의 보유액 부분에서의 물질을 의미하는 것으로 이해되어야 하는데, 종종 여과 시스템을 나가는 보유액을 의미한다.

농축 (Concentration) 은 브로스로부터의 물의 제거를 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 예컨대, 정밀 여과, 한외 여과, 나노 여과 또는 역삼투 프로세스, 크로마토그래피, 석출 및 결정화에서 멤브레인의 사용을 말할 수 있다. 농축은 또한 증발 기술에 의해 이루어질 수 있다.

농축 극성화 (Concentration Polarization) 는 멤브레인의 표면에서 유지되는 분자 (겔 층) 의 축적을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 막간 압력, 크로스플로우 속도, 샘플 점도, 및 용질 농도 (solute concentration) 와 같은 인자의 조합에 의해 야기될 수 있다.

정용 여과는, 더 작은 성분이 멤브레인을 통해 씻겨져 보유액에 원하는 큰 성분이 남겨짐에 의한 분별 (fractionation) 프로세스를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이는 소금, 버퍼의 제거 또는 교환, 세제, 저분자량 물질의 제거, 또는 이온 또는 pH 환경의 변화를 위해 효과적인 기술일 수 있다. 이 프로세스는 더 많은 성분의 농도를 일정하게 유지하면서 혼합물로부터 당해 생성물을 분리하기 위해 채용된 정밀 여과 또는 한외 여과 멤브레인을 통상 채용할 수 있다. 정용 여과는 예컨대, 여과 투과액, 물 또는 완충 소금 용액에 의해 이루어질 수 있다.

유체는, 일반적으로 인식되는 것이 사용되며, 특히 명세서에서 다르게 지시되지 않는 한, 분산 및/또는 용해된 종 (species), 순수 또는 다른 흐름 가능한 물질을 포함하는 액체 물질을 포함할 수 있다.

분별은 물리적 또는 화학적 특성에 기초한 분자의 선택적 분리 (preferential separation) 를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

겔 층 또는 경계 층은, 멤브레인의 보유액 측에 형성될 수 있는 미세하게 얇은 화합물층을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 막힘, 또는 오염에 의한 멤브레인 표면에의 분자의 유지를 이룰 수 있으며, 이에 의해 플럭스가 감소한다.

여과, 예컨대, 정밀 여과 또는 한외 여과는, 더 작은 화합물로부터 더 큰 화합물, 예컨대 저분자량 화합물로부터 고분자량 화합물을 분리하기 위해, 멤브레인에 채용되는 프로세스를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 농축액 혼합물이 사용될 수 있으며, 이의 효율은, 예컨대 필터 매체의 형식 및 기공 크기 또는 분획 분자량, 프로세싱 조건 및 분리되는 혼합물의 특성과 같은 인자에 의해 결정된다. 저분자량 화합물은 한외 여과에 의해 분리되는 저분자량 화합물보다 더 클 수 있다. 한외 여과와 정밀 여과 사이의 상대적 분리 성능은 도 1 에 기재된 것으로부터 발견할 수 있다. 물론, 2 개의 여과 프로세스 사이의 다소의 중첩이 존재할 수 있음에 유의한다. 그러나, 본원에 기재된 시스템 및 방법은 예컨대, 순수 시스템과 같은 멤브레인 시스템 (예컨대, MF 멤브레인, UF 멤브레인) 을 포함하는 모든 여과에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 실시형태에서, 정밀 여과는 예컨대, 발효 (fermentation) 브로스와 같은 생물학적 유체로부터 약 0.05 내지 약 10 마이크론, 약 0.1 내지 8 마이크론, 약 1 내지 약 5 마이크론, 또는 약 0.05 내지 약 100 마이크론, 125 마이크론 이상의 범위에서 부유 입자를 분리하는데 사용될 수 있다.

분획 분자량 (MWCO: molecular weight cut off) 은 환외 여과 멤브레인을 위한 크기 (킬로달톤 (kilodaltons)) 지정을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. MWCO 는 멤브레인에 의해 90 % 유지되는 구상 단백질 (globular protein) 의 분자량과 같이 정의된다.

투과 속도 (Permeation Rate) 는 멤브레인을 통해 흐르는 유속 (flow rate), 또는 단위 시간당 투과액의 부피이며, 통상 분당 리터로 나타낸다 (LPM).

생성물 수율 또는 수율은 생성물 스트림에 모인 생성물의 총량이며, 통상 공급 스트림에서의 총량의 % 로서 나타낸다.

단백질, 폴리펩티드 또는 생물학적으로 유도된 폴리머는 생물학적 또는 생화학적 기원 또는 생체외 (in vitro) 프로세스의 분자를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이들은 아미노산의 응축된 빌딩 블록으로 만들어진 것이며, 효소, 구조 단백질 및 세포 유도 폴리머, 예컨대, 셀룰로우즈, 전분, 폴리히드록시부테인산 (polyhydroxybutyric acid) 및 폴리락테이트 (polylactate) 를 포함한다.

생성물 스트림은 당해 생성물을 포함하는 투과액 또는 보유액 스트림이다. 예컨대, 농축 프로세스에서, 생성물 스트림은 생성물이 유지되는 한편, 용매는 투과되기 때문에 보유액이다. 세포 분리 프로세스에서, 생성물 스트림은, 생성물이 필터를 통과하는 한편, 세포와 세포 찌꺼기가 유지되기 때문에 투과액이다.

생성물 순도 또는 순도는 생성물 스트림에서의 생성물의 추출 (isolation) 정도이다. 이는 스트림의 다른 성분의 총량과 비교해 추출된 원하는 화합물의 양을 의미하는 것으로 이해되어야 하며, 중량 %로 나타낼 수 있다. 대안으로, 이는 생성물 스트림에서의 다른 선택된 성분의 농도에 대한 생성물의 농도의 비를 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 중량 % 로 나타낼 수 있다. 다양한 실시형태에서, 순도는, 예컨대, 효소 활성 (enzymatic activity) 의 판정 (예컨대, 측색적으로 (colorimetrically) 판정되는 바와 같음); 및/또는 생성물 색을 측정하기 위한 흡수 측정, CIELAB 색차식 또는 미국 약전 (US Pharmacopeia)(USP)) 모노그래프에 의한 생성물 색 판정 등; 및/또는 순도 레벨 측정 (예컨대, 보존 기간의 일부로서 또는 신선 생성물에서의 미생물 불순물의 측정); 및/또는 총 단백질 함량 또는 다른 생성물 조성; 및/또는 냄새, 맛, 조직, 시각적 색 등(예컨대, 보존 기간의 일부로서 또는 신선 생성물에서) 에 의해 관능적으로 (organoleptically), 직접 또는 간접적으로 도구에 의해 또는 수작업으로 측정된다.

거절 (Rejection) 은 예컨대, 멤브레인 표면에서의 겔, 케이크 또는 경계 층의 형성; 화합물과 멤브레인 표면 사이의 정전하 상호작용; 또는 멤브레인의 작은 기공 크기 때문에, 화합물이 필터 매체를 통과할 수 없음을 의미하는 것으로 이해되야야 한다.

접선 흐름 여과 (TFF) 는, 여과에 의해 분리되는 조성을 포함하는 유체 혼합물이 멤브레인의 평면을 가로질러 재순환되는 프로세스를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

한외 여과는 저분자량 화합물로부터 고분자량 화합물을 분리하기 위해 막을 채용하는 프로세스를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이는 용액을 농축하는데 사용되고, 그의 효율은 멤브레인의 분획 분자량에 의해 판정된다. 한외 여과와 정밀 여과 성능 사이의 상대적 분리 성능은 도 1 에서 기재된 바에서 발견될 수 있다. 물론, 2 개의 여과 프로세스 사이에서 다소의 중첩이 존재할 수 있음에 유념한다. 한외 여과는 1,000 달톤, 및 약 0.005 마이크론보다 크고 약 0.1 마이크론 까지의 분자량의 부유 고형체 및 용매를 농축하는데 사용될 수 있다.

활성 투과액 수집은, 투과액의 압력이 제어되고, 투과액이 투과 루프에 모이거나 제거되는 속도가 밸브 또는 다른 계량 장치에 의해 제어되는 프로세스를 말한다.

다양한 실시형태에 따르면, 내부 오염 제어를 갖는 독특한 액체/고형체 분리 프로세스, 조작, 시스템 및 모듈이 제공된다. 다른 놀라운 결과 및 이점 가운데에서도, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 프로세스 및 시스템은, 생성물 투과율과 수율을 증가시키면서, 프로세스 유체의 프로세스중 외부 세척 화학약품 첨가 또는 멤브레인 파괴 없이 조작에 의한 멤브레인 오염을 제어하기 위해 특히 스파이럴 여과 멤브레인의 컴팩트한 풋프린트와 길이당 높은 표면적을 더욱 완벽하게 개발할 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 여과 프로세스는 멤브레인 오염 제어에 효과적인 조작의 UTMP 형태를 제공하기 위해 조작가능한 멤브레인 포맷에서 구현된다. 본원에 기재된 여과 프로세스와 함께 사용하기에 적절한 멤브레인 포맷은 예컨대, 스파이럴, 플레이트 및 프레임, 평탄형 시트, 세라믹 튜브, 및 중공 섬유 시스템을 포함한다.

다양한 실시형태에 따르면, 여과 프로세스는, 대향의 투과액과 보유액 측을 한정하는 멤브레인, 입구 및 출구, 멤브레인의 보유액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 공급 스트림, 멤브레인의 투과액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 투과액 스트림, 및 병행류 투과액 재순환 흐름을 모듈에 제공하는 투과액 재순환 루프를 포함하는 멤브레인 모듈을 제공하는 것을 포함하는 멤브레인에서 구현된다. 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 기준선 압력의 차이가 입구와 출구에서 실질적으로 같도록 멤브레인의 투과액과 보유액 측의 입구와 출구에서 기준선 압력을 제공하기 위해, 투과액 및/또는 보유액 스트림의 유속 및/또는 압력이 조절되며, 멤브레인의 투과액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하고, 멤브레인의 보유액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크다.

일부 실시형태, 멤브레인의 투과액 측상의 압력은 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차를 기준선 압력 ("감소된 UTMP") 사이의 차이에 대해 적어도 약 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 또는 90 % 중 어느 하나까지 감소시키기 위해 주기적으로 조절된다. 추가의 실시형태에서, 압력이 멤브레인의 투과액 측에서 주기적으로 증가되는 경우, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차는 입구 및 출구에서 본질적으로 0 으로 감소된다. 이 실시형태에서, 동일하고, 반대되는 압력이, 영점 (zero or null) 압력 구배 상태가 멤브레인을 가로질러 발생하도록, 멤브레인의 반대 투과액 및 공급 측에 제공된다. 이는 멤브레인의 보유액 측을 깨끗하게 하기 위해 횡류 공급을 허용하는 모듈에서 "널 (null) UTMP" 상태를 제공한다. 일 실시형태에서, 조작의 이러한 널 UTMP 모드는, 다른 병행류 투과액 재순환 조건, 특히 UTMP 조건의 정상적인 조작 흐름 조건중 규칙적인 시간 간격 또는 불규칙적인 시간 간격 (예컨대, 필요하다면) 으로 간헐적으로 또는 주기적으로와 같이 여과 생성 조업중 하나 이상의 시간에서 유도될 수 있다. 일부 실시형태에서, 감소 또는 널 UTMP 가 1 분 내지 6 시간, 4 시간 내지 8 시간, 1 분 내지 30 분, 1 분 내지 10 분, 10 분 내지 30 분, 또는 10 분 내지 1 시간의 간격으로 1 초 내지 1 분, 1 초 내지 30 초, 또는 1 초 내지 10 초의 지속시간 동안 발생한다. 지속시간은 TMP 가 원하는 레벨로 감소되는 동안의 시간을 말하며, 감소된 압력에 도달하기 위해 투과액을 위해 취하는 시간의 양을 포함하지 않는다. 특별할 실시형태에서, 이러한 조작의 감소된 또는 널 UTMP 모드는 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 나권 멤브레인 상에서 구현될 수 있다. 다양한 다른 정밀 여과 포맷 플레이트 및 프레임, 세라믹 튜브, 중공 섬유 등에서 구현될 수 있다.

일부 실시형태에서, 역전 균일 막간 압력 (rUTMP) 이 제공된다. 이러한 실시형태에서, 멤브레인의 투과측은 주기적으로 백워싱되는데, 즉, 멤브레인을 통한 역전 흐름이 투과액 압력을 증가시키거나 또는 보유액 압력을 감소시키는 것중 하나에 의해 이루어지며, 멤브레인의 보유액 측상의 압력에 비해 멤브레인의 투과액 측에서 제어가능한 과압 (controllable overpressurization) 을 유발한다. 이러한 제어가능한 과압 조건은 멤브레인을 가로질러 역류를 제공하지만, 축방향 흐름은 멤브레인의 양측에서 입구로부터 출구까지 유지된다. 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차는 백워싱 (rUTMP) 중 입구와 출구에서 실질적으로 동일하다. 백워싱 (rUTMP) 단계는 멤브레인으로부터 오염 케이크 또는 다른 오염 물질을 제거한다. 더 특별한 rUTMP 오염제거의 실시형태에서는, 주기적 내부 역전 흐름은, 서로에 대해 투과액의 압력을 증가시킴으로서 및/또는 보유액의 압력을 감소시킴으로써, 예컨대 투과액 및/또는 보유액의 유속을 조정함으로써, 및/또는 투과액의 재순환 속도를 조정함으로써, 제공되며, 투과액 측의 제어가능한 과압을 유발한다. 멤브레인을 가로지르는 역류가 제공되는 한편, 포지티브 흐름 (positive flow) 이 공급 및 투과액 라인 모두에서 유지된다.

일 실시형태에서, UTMP 프로세스는 2 개의 오염 제거 단계를 갖는데, 제 1 단계는 본원에 기재된 바와 같은 감소된 UTMP 또는 nUTMP 조건을 제공하는 것을 포함하며, 이에 후속하여 제어가능한 과압 조건을 제공하는 것을 포함하는 rUTMP 사이클의 후속 단계를 포함한다.

다른 다양한 실시형태에 따르면, 상기 언급한 프로세스중 적어도 하나와 같은 여과 프로세스는, 나권형 멤브레인 포맷에서 구현되는데, 여기서, 적어도 하나의 흐름 저항 요소 (FRE) 는 나권형 여과 모듈의 수집 튜브와 같은 투과액 공간 내에 포함된다. 다양한 실시형태에서, FRE 는 투과액 재순환 루프를 통해 필터 모듈과 병행류 투과액 재순환을 결합하여 사용된다. 흐름 저항 요소는, 압력 강하가 그의 투과액 입구와 출구 사이 수집 튜브 내에서 발생할 수 있도록, 수집 튜브를 통해 투과액의 전방 움직임을 부분적으로 방해하거나 차단한다. FRE 를 통해 투과액의 유속을 변경시킴으로써, 보유액 압력 구배에 크기에 근접한 투과액 측의 제어 가능한 압력 구배가, 멤브레인의 투과액 측의 길이를 따라 유도될 수 있다. 수집 튜브에 배치된 흐름 저항 요소를 통해 투과액의 유속을 주기적으로 변경시키는 것과 결합하여 여과 모듈의 수집 튜브 투과액 공간 내에 흐름 저항 요소 (FRE) 를 포함함으로써, 보유액 압력 구배 크기에 근접한 제어된 압력 구배가 멤브레인의 투과액 측의 길이를 따라 유도될 수 있다. 이에 의해, 포지티브 투과액 측압은, 공급 스트림과 모듈을 통한 재순환 투과액 스트림 모두의 전방 흐름을 유지하면서, 간헐적으로 감소된 또는 널 UTMP 및/또는 rUTMP 단계중 투과액 채널에서 제어 방식으로 만들어질 수 있다. 그로 인한 백 압력 (backpressure) 및 플럭스는 멤브레인의 길이를 따라 부드럽고 균일하여, 과도한 과압 또는 압력 부족을 회피하고, 오염의 최적의 역전을 유발하고, 멤브레인 파괴의 염려, 예컨대 나권형 멤브레인 모듈의 박리 (delamination) 를 최소화한다. 얻어진 결과는 상당히 높은 플럭스와, 스파이얼 멤브레인 시스템에서 아주 큰 문제일 수 있는 고형체의 고 농도를 포함하는 액체를 효과적으로 처리할 수 있는 능력이다. 감소된 또는 널 UTMP 및/또는 rUTM 단계 중 보유액 투과율을 통한 포지티브 흐름의 유지는, 백워시 압력이 릴리프되는 경우, 보유액 위에 정착될 수 있기 전에 씻어낼 수 있는 멤브레인의 보유액 측으로부터 부분적으로 떨어진 오염 물질의 제거를 용이하게 한다. 실질적으로 균일한 오염제거가 멤브레인의 길이를 따라 얻어짐에 따라, 플럭스는 멤브레인의 길이를 따라 실질적으로 균일하게 복귀된다. 이는 멤브레인 상에 케이크 층을 붕괴시키고, 입자를 씻어버림으로써 오염을 역전시키기 위해 충분한 횡류와 역류를 유지하면서, 폴리머릭 멤브레인, 예컨대 나권 설계에의 기계적 파괴의 염려를 최소화하는 알맞은 오염제거 관리 (regimen) 이다.

흐름 저항 요소는 다양한 형태를 취할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 이들은 패시브 수단인데, 예컨대, 테이퍼진 단일 인서트, 다공성 매체 예컨대, 비드 또는 포말이다. 다른 다양한 실시형태에서, 이들은 활성 수단인데, 예컨대, 고정식 혼합기, 또는 튜브에의 입구와 출구 사이에서 개설되는 압력 강하에 효과적인 수집 튜브를 통한 유체 흐름에 대한 저항을 유도하는 다른 수단이다. 투과액 측의 압력 구배의 크기는 흐름 저항 요소의 선형 저항 또는 다공성 및 재순환 흐름의 속도에 의해 판정되며, TMP 및 횡류 속도의 독립적인 제어를 허용한다. 멤브레인의 보유액과 투과액 측상의 압력 구배가 일정한 압력차에 의해 오프셋되는 경우, 균일한 막간 압력이 된다. 멤브레인의 전체 길이를 따라 최적의 레벨로 TMP 를 조절함으로써, 투과액 압력이 구속되지 않는 경우와 같은 일부가 아니라, 전체 멤브레인이 효과적으로 사용된다. 게다가, 보유액 측의 과압에 기인한 요염이 회피된다. 이는 상당히 높은 생성물 투과율을 유발한다.

다양한 실시형태에서, 스파이럴 멤브레인 여과 시스템에서의 상당히 감소된 멤브레인 오염이 얻어져 유지되고, 이에 의해 상당한 생성 시간 주기가 채워지는 수개의 여과 사이클 (즉, 분리/오염제거 사이클) 이후에 높은 플럭스와 투과율의 개선된 회복과 유지가 허용된다. 본 발명에 따른 실시형태는 높은 고형체 함량 공급에 적용되는 분리 프로세스시 스파이럴 멤브레인계 여과의 사용을 위해 새로운 기회를 만들수 있다. 다양한 실시형태에서, UTMP 로부터의 상당한 플럭스 이점은 높은 고형체 농도를 갖는 액체 상의 스파이럴 멤브레인 포맷에서 얻어진다. 물 정화 시스템 등을 위한 반염수 (brackish water) 와 달리, 본원의 실시형태의 프로세스는, 스파이럴 멤브레인의 많은 종래의 적용보다 더 큰 크기의 수개의 순서인 고형체 로드를 갖는 공급 혼합물 상에 구현될 수 있다.

다양한 실시형태에서, 분리되는 공급 스트림은 적어도 25 %, 예컨대, 적어도 15 %, 및 예컨대, 적어도 5 % 의 분산된 고형체 함량을 포함한다. 놀랍게도, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 소정의 높은 농도 브로스, 예컨대 바실러스. 서브틸리스 브로스를 여과하는 경우의 낮은 횡류는 초기의 높은 플럭스를 유발한다. 이러한 결과는, 높은 플러스를 개설하는데 중요한 인자로서 높은 횡류 속도가 종종 멤브레인 분야에서 인용되고, 높은 속도는 멤브레인 표면을 깨끗하게 씻고 플럭스를 유지할 필요가 있다는 것에 대해 놀랍고 기대치 못한 것이다.

다양한 실시형태에서, 본 발명의 실시형태에 따른 오염 제거 단계 (감소된 또는 널 UTMP, 및/또는 rUTMP) 는 예컨대 대략 1 분 내지 6 시간, 4 시간 내지 8 시간, 1 분 내지 30 분, 1 분 내지 10 분, 10 분 내지 30 분, 또는 10 분 내지 1 시간의 간격으로 1 초 내지 1 분, 1 초 내지 30 초, 또는 1 초 내지 10 초의 지속시간 동안 주기적으로 발생하도록 제어된다. 보유액과 투과액 투과율 또는 채널은 오염 제거 사이클 동안 약 0.1 내지 약 10 바의 포지티브 압력 하에 연속적으로 유지된다. 다양한 실시형태에서, 오염 제거중, 막간 압력 (TMP) 은 멤브레인의 양쪽 축방향 단부에서의 TMP 값에 비해 멤브레인의 전체 축방향 길이를 따라 40 % 미만, 예컨대, 20 % 미만, 및 예컨대, 10 % 미만으로 변한다. 지시된 바와 같이, 프로세스 유체는, 외부 화학약품과 상당한 프로세스 중단이 필터 세정을 위해 요구되지 않도록 반염수 관리에 사용된다.

생성물은 본 발명의 실시형태에 따라 구성되고 작동되는 여과 시스템에서 멤브레인 모듈을 나가는 투과액, 보유액 또는 이들 양 스트림으로부터 회수될 수 있다. 다양한 실시형태에 따르면, 산업적 스케일의 비용적으로 효과적인 프로세스가 단백질, 예컨대 효소를 회수할 수 있는 다양한 실시형태에 제공된다. 공급 스트림은 단백질, 폴리펩티드, 핵산, 당단백질, 또는 생체고분자 (biopolymer) 를 포함할 수 있다. 공급 스트림은 세균성 생성 균주 (bacterial production organism), 예컨대 바실러스 종 (Bacillus sp), 에쉐리히아 종 (Escherichia sp), 판토에아 종 (Pantoea sp), 스트렙토마이시스 종 (Streptomyces sp), 및/또는 슈도모나스 종 (Pseudomonas sp) 의 발효 생성물을 포함할 수 있다. 공급 스트림은 진균 생성 숙주 (fungal production host), 예컨대, 아스퍼질러스 종 (Aspergillus sp), 트리코데르마 종 (Trichoderma sp), 스키조사카로미세스 종(Schizosaccharomyces sp), 사카로미세스 종 (Saccharomyces sp), 푸사륨 종 (Fusarium sp), 휴미콜라 종 (Humicola sp), 무코 종 (Mucor sp), 크루이베로마이세스 종 (Kluyveromyces sp), 야로이야 종 (Yarrowia sp), 아크레모니움 종 (Acremonium sp), 뉴로스포라 종 (Neurospora sp), 페니실리움 종 (Penicillium sp), 마이세리오프토라 종 (Myceliophthora sp), 및/또는 티에라비아 종 (Thielavia sp) 으로부터의 발효 생성물을 포함할 수 있다. 공급 스트림은 세린 프로테아제를 포함할 수 있고, 여과는 약 12 ℃ 내지 약 18 ℃ 에서 유지되는 온도에서 실행되며, 또는 아밀라아제를 포함할 수 있고, 여과는 약 20 ℃ 또는 35 ℃ 내지 약 45 ℃ 또는 약 60 ℃ 에서 유지되는 온도에서 실행된다. 일부 실시형태에서, 공급 스트림은 유가공 공급 스트림, 예컨대, 우유 (즉, 생우유 (raw whole milk), 전유유 (whole milk), 탈지 우유 (skim milk)), 유청 (whey), 유청 가수분해물 (whey hydrolysates), 버터밀크 (buttermilk), 응유로 굳어진 카제인 (curdled casein) (산 또는 효소) 이다.

다양한 다른 실시형태에서, 프로세스를 실행하는 여과 시스템이 또한 제공된다. 여과 시스템은 나권형 여과 멤브레인 모듈, 수집 튜브의 투과액 입구 내로 제어가능한 속도로 적어도 하나의 흐름 저항 요소를 포함하는 투과액 수집 튜브로부터 배출되는 투과액의 일부를 복귀시키는 펌프, 및 제어가능한 속도로 공급 스트림 입구에 공급 스트림을 공급하는 공급 스트림 펌프를 포함할 수 있다. 투과액 펌프와 공급 스트림 펌프의 조인트 제어를 위한 수동, 자동 또는 이들의 조합중 어느 하나의 제어기가 제공되며, 멤브레인 모듈 내로의 각각의 공급 스트림과 투과액 유속이 생성 작업중 교호 분리와 오염 제거 단계를 제공하도록 상호 제어가능하게 작용되며, 균일한 막간 압력은 작업의 양 단계 중 멤브레인을 따라 축방향으로 실질적으로 유지된다. 대안으로, 펌프 및/또는 밸브는 독립적으로 제어될 수도 있다. 여과 시스템은 시스템을 통해 유체의 흐름을 조절하기 위한 복수 개의 밸브, 시스템을 흐르는 것과 같은 유체에 대한 정보를 획득하기 위한 복수의 센서 및 펌프, 밸브 및 센서의 작동과 관련된 데이터를 적어도 수신, 송신, 처리 및 기록할 수 있는 전자 데이터 처리 네트워크를 포함할 수 있으며, 흐름 여과 프로세스중 수집된 기록된 데이터는 여과 프로세스의 자동 제어를 가능할 정도로 충분히 포괄적 (comprehensive) 이다. 다양한 실시형태에서, 멤브레인은 약 0.005 내지 약 5 마이크로미터 또는 약 0.005 내지 약 20 마이크로미터의 기공 크기를 갖는 PVDF, 폴리술폰 또는 폴리에테르 술폰 멤브레인을 포함할 수 있다.

작동 시스템의 투과액 루프는 순환 루프로부터 투과액의 제거를 가능하게 하는 밸브를 포함할 수도 있다. 투과액 루프는 투과액 펌프의 상류에 위치된 밸브를 포함하며, 이는 가압된 물 라인에 연결된다. 밸브는 제어가능하다. 수압이 루프 개구 내측의 투과액 압력보다 높게 설정되는 경우, 이 밸브는 보유액과 투과액 채널에서의 축선의 공통 방향의 포지티브 전방 흐름을 유지하면서, 투과액측으로부터 보유액측으로 멤브레인을 가로질러 역류를 발생시키기에 충분하게 보유액측에 대해 투과 루프를 가압시킨다.

다양한 다른 실시형태에서, 나권형 멤브레인 필터 모듈은 투과액과 보유액측을 한정하는 나권 멤브레인, 멤브레인의 투과액측과 유체 연통하는 수집 튜브, 수집 튜브의 입구와 배출 단부 사이의 투과액 흐름시 유체 압력을 감소시키게 작동할 수 있는 투과액 수집 튜브 내에 포함된 적어도 하나의 흐름 저항 요소를 포함하는 것이 제공된다.

또한, 본 발명에 따른 다양한 실시형태의 여과 프로세스와 시스템은 생성물 품질에서의 개선과 함께 상당한 비용 절감을 제공할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 이들은 정밀 여과, 한외 여과, 나노 여과를 이들 단독 또는 중복 시나리오로 적용가능하다. 비용 절감은 높은 고형체 부유물 및 다른 여과 작업에 사용되는 원료의 제거로부터 용액 및/또는 용매를 효과적으로 분리 및/또는 농축시에 고 수율로부터 모두 유도한다. 본 발명의 다양한 실시형태는, 멤브레인 면적의 유닛당 더 높은 투과액 플러스, 잠재적으로 개선된 세정, 및 오염제거중 멤브레인에 대한 파손 위험의 감소로부터 유발되는 멤브레인 비용과 관련된 장비에서의 감소로부터 비용을 추가로 절감할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시형태는 다양한 실시형태에서, 발효 브로스, 약품, 화학제품, 유가공, 콩, 및 다른 식품 산업, 예컨대, 과일 주스, 야채 주스, 양조, 증류 등에의 적용을 갖는다. 다양한 실시형태는 효소 또는 발효 브로스로부터 다른 거대분자 (macromolecule) 의 회수 및 정제, 주스 정화 및 유유 오염물 제거 또는 우유 성분의 농축 및/또는 분리 등을 포함한다.

다양한 실시형태에 따르면, 여과 프로세스는 투과액 스트립과 보유액 스트림으로의 나권형 여과 멤브레인 모듈에 의한 여과가능한 유체 스트림의 분리를 위해 제공되는데, 프로세스는 멤브레인 모듈의 보유액 투과율을 통해 제 1 흐름 방향으로 포지티브 압력하에서 나권형 멤브레인의 보유액 측을 축방향으로 가로질러 그리고 공급 스트림 입구 내로 분리되게 공급 스트림을 흐르는 것을 포함한다. 보유액 스트림의 축방향 흐름은 멤브레인 모듈의 보유액 출구에서 회수된다. 보유액 측에 대향된 멤브레인 모듈의 투과액 측에 위치된 투과액 투과율 내에 반경 방향으로 흐르는 투과액 스트림은 그와 유체 연통하는 중앙 투과액 수집 통로에서 수집된다. 수집 튜브는 적어도 하나의 흐름 저항 요소를 포함하는데, 이는 튜브를 통해 투과액의 전방 흐름을 부분적으로 방해하지만 차단하지는 않는다. 수집된 투과액 스트림은 모듈로부터 배출을 위해 투과액 출구에 중앙 투과액 수집 튜브를 통해 흐른다. 상기 투과액 수집 튜브로부터 배출된 투과액의 일부는 분리 처리중, 멤브레인 모듈을 통해 병행류 투과액 재순환을 제공하기 위해, 투과액 입구를 통해 튜브로 복귀된다. 멤브레인 모듈 내로의 투과액과 공급 스트림 유속은, 균일한 막각 압력이 작동의 양 상태에서 멤브레인의 축방향 길이를 따라 유지되는 동안 생성 작업중 교호 분리와 오염 제거 단계를 포함하는 연속 여과 사이클을 제공하는데 효과적으로 상호 제어된다. 다양한 실시형태에서, 멤브레인의 투과액측의 압력은 기준선 압력 간의 차이에 대해 적어도 약 50 % 만큼 입구와 출구에서의 멤브레인의 투과액과 보유액측 사이의 압력차를 감소시키기 위해 주기적으로 조절된다.

도 2 를 참조하면, 본 발명에 따른 다양한 실시형태를 실시하는 일반화된 정밀 여과 시스템 (100) 이 개략적으로 도시되어 있다. 여과 시스템 (100) 은 일체화된 작동 분리 시스템을 제공하기 위해 스파이럴 멤브레인 (101), 투과액 펌프 (103), 공급 스트림 펌프 (109), 및 다른 구성요소, 예컨대, 밸브, 압력 게이지, 온도 게이지, 유량계, 공급/수집 탱크 등을 포함한다. 나권형 여과 멤브레인 모듈 (101) 은 제어 밸브 (106) 및 투과액 펌프 (103) 를 포함하는 투과액 재순환 루프 (104) 를 통해 병행류 투과액 흐름을 제공하기 위해 배열된다. 투과액 펌프 (103) 는 필터 모듈 (101) 내에 배치된 투과액 수집 튜브의 투과액 입구 (107) 내로 제어가능한 속도로 모듈 (101) 의 투과액 출구 (105)(즉, 투과액 수집 튜브의 출구 단부) 에서 배출되는 투과액의 일부를 복귀시키도록 제어가능하다. 모듈 (101) 의 특징이 이하 상세히 설명된다. 공급 스트림 펌프 (109) 는 제어가능한 속도로 필터 모듈 (101) 의 공급 스트림 입구 (111) 에 분리되는 공급 스트림을 공급하기 위해 제공된다. 공급 스트림은 필터 모듈 (101) 내로 도입하기 전에 열교환기 (115) 를 통과한다. 보유액은 모듈의 대향 축방향 단부에 위치된 출구 (113) 에서 필터 모듈 (101) 을 나간다. 밸브 (106), 투과액 펌프 (103) 및 공급 스트림 펌프 (109) 는, 작업의 UTMP, 널 UTMP 및 rUTMP 모드를 제공하기 위해 이하에 상세히 기술된 바와 같이 상호 제어된다. 균일한 막간 압력 (UTMP) 은 튜브를 통해 수집 튜브 입구로 투과액의 일부를 재순환시킴으로서 공급의 분리중 스파이럴 여과 모듈의 수집 튜브를 통해 병행류 투과액 재순환을 제공함으로서 정상 작동 상태와 같은 분리 상태중 다양한 실시형태에서 제공된다. 스파이럴 멤브레인 (101), 투과액 펌프 (103), 공급 스트림 펌프 (109) 및 밸브 (106) 는, UTMP 형태가 그 전체 축방향 길이를 따라 멤브레인에 적용되는 간헐적인 오염 제거 단계와 같은 조절된 시간 간격으로 제공되는 널 UTMP (nUTMP) 또는 역전 UTMP (rUTMP) 에 의해 교호되는 생성 작업의 분리 단계중 제공되도록 제어될 수 있다. 본원을 위해, 축방향 길이는 필터 모듈 (101) 의 축방향 치수 (110) 에 평행하게 결정된다.

다양한 실시형태에서, 스파이럴 멤브레인 (101) 은 도 3a 에 도시된 필터 모듈과 같은 모양을 갖지만, 이것으로 제한하는 것은 아니고, 도 3b 는 본 발명의 비제한적인 실시형태에 따른 스파이럴 멤브레인 (101) 의 단면을 도시한다. 그러나, 스파이럴 멤브레인은 도 4 내지 도 8 에 도시되어 하기에 상세히 설명되는 바와 같이 본 발명의 다른 실시형태에 따른 중요한 변형예를 가질 수 있다. 도 3b 에 도시된 바와 같이, 스파이럴 멤브레인 (101) 은 일반적으로 투과액 채널 (12) 로부터 튜브 (10) 의 내부 공간 (13) 내로 투과액의 도입을 위한 개구 (11) 를 갖는 관통된 중앙 수집 튜브 (10) 를 포함한다. 튜브 (10) 는 반강성 또는 강성 물질, 예컨대 플라스틱, 금속, 세라믹 구조 등일 수 있다. 투과액 채널 (12) 은 한번 또는 여러번 튜브 (10) 둘레를 나선형으로 감은 멤브레인 립(leaf)(16) 을 형성하기 위해, 멤브레인 (14 와 15) 사이에 개재된다. 수집 튜브에 인접하지 않은 멤브레인과 투과액 채널 층의 가장자리는 튜브 (10) 에 멤브레인 사이 투과액 채널 내에 투과액 흐름을 유지하고 지향하게 하기 위해, 일반적으로 예컨대, 접착제 또는 다른 밀봉 수단에 의한 종래의 방식으로 밀봉된다. 투과액 채널 (12) 은 다공성 매체 층 또는 물질, 예컨대, 다공성 의료의 시트 또는 스트립, 펠트, 넷팅 (netting), 또는 다른 다공성 물질일 수 있다. 멤브레인 (14 와 15) 은 분산된 물질의 크기에 따라, 분산된 이산 고형체 물질에 반투과가능한 가요성 시트 물질일 수 있다. 멤브레인은 미소공성 (microporous) 폴리머 시트 물질, 예컨대, 열가소성 플라스틱 필름의 미소공성 시트일 수 있다. 공급 채널 스페이서 (17) 는 감은 멤브레인 립 (16) 의 층을 분리하고, 스파이럴 멤브레인 (101) 내로 분리되는 유체 물질의 도입에 사용된다. 이러한 설명을 간략하게 하기 위해, 튜브 (10) 둘레의 멤브레인 립 (16) 의 단지 부분 감김만이 도시된다. 본원을 위해, 필터 모듈 (101) 의 반경 방향 치수 (112) 는 축방향 치수 (110) 에 직교한다.

도 4 내지 도 8 을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시형태에서, 흐름 저항 요소가 투과액 공간 (13) 에 제공될 수 있다. 본원을 위해, 흐름 저항 요소 또는 "FRE" 는 하기의 비제한적인 설명으로부터 보다 양호하게 이해될 수 있는 바와 같이, 별개의 구성요소 또는 복수 개의 구성요소에 일치할 수 있다.

도 4a 를 참조하면, 테이퍼진 단일 인서트 (102) 는 수집 튜브 (10) 내에 위치된다. 투과액이 여과 작업중 스파이럴 멤브레인 (101) 으로부터 튜브 (10) 의 내부 공간으로 도입되는 것으로 이 도면에 도시된 개구 (11) 는, 그의 개수와 진동수 및 크기가 실제로 변하고 상이하므로, 단지 설명을 위한 것이다. 테이퍼진 인서트 (102) 튜브 출구 (105) 근처의 대향 축방향 단부 (116) 의 단면 직경보다 큰 단면 직경을 갖는 튜브 입구 (107) 근처의 하나의 축방향 단부 (114) 를 갖는다. 이 설명에서, 테이퍼진 인서트 (102) 는 일반적으로 인서트의 단부 (114 와 116) 사이에 네거티브 (감소) 경사를 갖는다. 테이퍼진 인서트 (102) 는, 금속, 플라스틱, 세라믹 또는 투과액 분위기에서 안정적이고 항구성 있는 구조의 다른 형식을 가질 수 있다. 인서트 (102) 의 테이퍼진 설계는, 멤브레인을 통한 투과가 투과액 수집 튜브의 축방향 길이를 따라 전체 투과액 흐름에 기여함에 따라 더 균일한 압력 강하 구배를 촉진시킨다. O 링과 같은 탄성 밀봉 링 또는 개스킷 (117, 118) 이 튜브 (10) 의 내부 공간 (13) 내에서 측방향 위치에 인서트를 유지하기 위해 인서트 (102) 의 각각의 축방향 단부에 수집 튜브 (10) 의 내부 벽 (119) 과 인서트 (102) 사이에 위치된다. 안티-텔레스코핑 장치 (ATD: anti-telescoping device)(108) 는 그의 길이방향 움직임을 방지하기 위해 적소에 인서트 (102) 의 대향 길이방향 단부 (121) 중 하나를 보유하는 것으로 도시된다.

도 4b 에 더욱 상세히 설명된 바와 같이, 복수 개의 홈 (120) 은, 적용가능한 바와 같은 탄성 밀봉 링 (117 또는 118) 이 설치되는 위치 아래로 연장하는 그의 각각의 축방향 단부 (114 와 116) 에서 테이퍼진 인서트 (102) 의 표면에 제공되어, 밀봉 링 아래의 테이퍼진 단일 인서트 (102) 의 외부 표면 (121) 을 따라 밀봉 링 아래의 투과액 유체의 통과를 가능하게 한다. 이러한 설명은 테이퍼진 인서트 (102) 의 입구측 단부 (114) 에 있는 홈을 도시하지만, 밀봉 링 (118) 이 내벽 (119) 에 대해 고정된 측방향 위치에서 축방향 단부 (116) 를 유지하는데 사용되는 영역에 의해 투과액 흐름을 가능하게 하도록 인서트 (102) 의 대향 축방향 단부에 유사한 홈 구조가 적용되는 것을 인식할 수 있다. 도 4a 에 도시된 바와 같이, ATD 는 또한 튜브 (10) 의 내부 공간 (13) 의 입구 (107) 내에 끼움장착되는 탄성 링 (108A) 밀봉 수단을 포함할 수 있다. 홈 (도시생략) 이 튜브 공간 (13) 내로 투과액 흐름을 가능하게 인서트 (102) 에 제공되는 바와 유사하게 튜브 (10) 의 입구 내로 신장하는 ATD 의 표면 부분에 제공될 수 있다. 유사한 ATD 유지 시스템이 인서트 (102) 의 대향 단부를 안정화시키기 위해 인서트 (102) 의 대향 단부에 사용될 수 있다.

도 4c 는, ATD(108)(도시 생략) 의 대응 부분과 기계적으로 상호잠금되게 구성되는 테이퍼진 인서트 (102) 를 위한 대안의 축방향 단부 (114A) 를 도시한다. ATD 를 가로지르는 압력 강하를 감소시키기 위해, 인서트의 단부가 변형되었다. 인서트의 주변부에 분배 흐름을 돕기 위해 단부의 중심부에서 60 도 절단부가 배치되었다.

도 4d 는, ATD(108)(도시 생략) 의 대응 부분과 기계적으로 상호잠금되게 구성되는 테이퍼진 인서트 (102) 를 위한 대안의 축방향 단부 (114B) 를 도시한다. 인서트 (102) 의 대향 축방향 단부는 제거되고, 홈 (117A) 은 O 링 (117) 이 수용되는 위치 아래에서 증가된다. 이 실시형태에서 인서트 (102) 를 유지하기 위해서, 중앙부의 얇은 핀 (fin)(114B) 이 그 단부에 고정된다.

테이퍼진 인서트 (102) 는 투과액 순환 유속에 상당한 영향을 갖는데, 멤브레인을 가로질러 상당한 압력 강하, 예컨대 대략 2 바를 유지하기 위해 유속을 감소시킨다. 일정 직경의 인서트와 비교하여, 테이퍼진 인서트 (102) 는 아주 유사한 결과를 갖는다. 인서트의 직경을 증가시키는 것, 즉 투과액 튜브 내의 흐름 영역을 감소시키는 것은, 상당한 압력 강하, 예컨대 대략 2 바를 유지하기 위해 요구되는 유속의 감소를 유발한다. 이론과의 연결을 바라는 것은 아니지만, 네가티브로 테이퍼진 샤프트와 인서트는 흐름 영역에서의 점진적인 증가를 유발하는 것으로 생각되며, 이는 투과액 수집 튜브의 출구에서의 저압과 입구에서의 고압을 만든다. 테이퍼진 인서트는 원하는 상당한 압력 강하, 예컨대, 대략 2 바의 압력 강하 뿐만 아니라 투과액 튜브 아래의 추가된 투과액 흐름을 수용하도록 설계된다.

도 5 를 참조하면, 다른 실시형태에서, 채널링을 위해 침입형 공간 (interstitial space) 을 한정하는 비교적 고정된 위치로 투과액 수집 튜브 공간 (13) 내에 패킹된 구체 (19) 는 튜브를 통해 투과한다. 수집 튜브에서의 흐름 저항 요소는 그의 입구와 출구 사이에 투과액 공간에서 압력 강하를 유도하는 효과를 갖는다. FRE 는 역전 흐름 단계 중 멤브레인의 투과액 측에 대해 부과된 유체 배압을 완충시켜, 멤브레인의 길이를 따라 적용되는 포지티브한 여전히 알맞은 또한 더 균일한 배압을 가능하게 한다. 구체는 불연속적인 중실 또는 중공 플라스틱 볼, 유리 비드, 중실 세라믹 구체, 중실 또는 중공 금속 구체, 복합재 구체 등일 수 있다. 흐름 저항 물질은 유체 분위기에서 안정적이며, 비활성이어야 한다. 충분한 침임형 보이드 (void) 공간이, 전방 투과액 흐름을 유지시킬 수 있도록 팩킹된 튜브 (10) 에서 확보된다.

도 6 을 참조하면, 흐름 저항 요소는, 튜브 (10) 내에서 투과액 유체를 교반하기 위해서, 대안으로 고정식 혼합기 (20), 예컨대, 공간 (13) 내에서 축방향으로 삽입된 회전 가능한 로드 상에 회전에 대해 고정된 반경방향으로 신장하는 임펠러일 수 있고, 튜브 (10) 외측에 위치된 모터 또는 다른 구동 수단 (도시 생략) 에 의해 기계적으로 회전 구동될 수 있다. 하나 또는 복수 개의 고정식 혼합기가 튜브의 길이를 따라 규칙적 또는 불규칙적인 간격으로 단일 위치 또는 다수의 위치에서 튜브 (10) 를 통해 투과액의 층류 (laminar flow) 를 중단시키기 위해 튜브 (10) 내측에 이러한 방식으로 배열될 수 있다.

도 7 및 도 8 을 참조하면, 대안으로 흐름 저항 요소는, 수집 튜브에 의해 한정된 투과액 공간 (13) 내로 수집 튜브 (10)의 내벽 (119) 으로부터 반경방향의 내측으로 신장하는 하나 이상의 배플 (201 및 202) 일 수 있다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 다양한 실시형태에서, 복수 개의 배플 (201 및 202) 등은, 튜브 (10) 를 통해 투과액의 비선형 흐름, 예컨대 사행상 방향 흐름을 유도하도록 튜브 (10) 의 길이방향을 따라 규칙적 또는 불규칙적인 간격으로 엇갈리게 이격된 형태로 튜브 (10) 의 내벽 (119) 을 따라 배열될 수 있다. 배플은 다른 형상과 구조를 가질 수 있다. 배플은 투과액 수집 튜브 (10) 의 내벽에 일체로 형성될 수 있고, 또는 대안으로, 배플이 기존의 수집 튜브 구조에 보강 (retrofitted) 될 수 있다. 예컨대, 그 내부면 상에 배플을 지지하는 일반적으로 관형상 인서트는 기존의 수집 튜브의 내경에 비례하는 크기의 외경을 갖게 제공되어, 인서트가 기존 수집 튜브 내측에 삽입되거나 신축되게 한다.

흐름 저항 요소 (18, 20, 201, 202 등) 는, 수집 튜브 (10) 를 통해 투과액의 전방 움직임을 부분적으로 방해하거나 차단하며, 수집 튜브를 통해 투과액의 층류를 중단시켜, 압력 강하가 수집 튜브의 입구와 출구 사이에서 수집 튜브의 길이를 따라 수집 튜브 내에서 발생할 수 있다. 포지티브 투과액 측압은 간헐적 오염제거 단계 중 투과액 채널 (12) 에서 제어식으로 만들어질 수 있고 공급 스트림과 재순환된 투과액 스트림 모두의 전방 축방향 흐름을 유지한다. 이는, 멤브레인의 보유액측에 만들어질 수 있는 역전 흐름중 멤브레인의 투과액측에 부드럽고 균일한 포지티브 배압을 제공하는 것을 돕는데 작용하며, 공급 스트림의 일관된 전방 흐름에 의해 또한 씻겨질 수 있다.

다양한 실시형태에서, 그리고 도 2 를 참조하면, 투과액 펌프 (103) 와 공급 스트림 펌프 (109) 는, 실질적으로 균일한 막간 압력이 모듈을 입구와 출구 사이의 멤브레이의 전체 축방향 길이를 따라 필터의 보유액과 투과액측 사이에서 유지될 수 있도록 제어된다. 여과 시스템은 시스템을 통해 유체의 흐름을 조절하는 밸브를 포함한다. 여과 시스템은 시스템을 통해 흐르는 유체에 대한 데이터를 획득하는 복수 개의 센서, 적어도 펌프, 밸브 및 센서와 연관된 데이터를 수신하고, 전송하며, 처리하고 기록할 수 있는 전자 데이터 처리 네트워크를 포함하며, 흐름 여과 프로세스중 수집된 기록 데이터는 흐름 여과 프로세스의 자동 제어를 가능하게 하기에 충분히 포괄적이다.

도 9 는 병행류 투과액 재순환 없는 비교 정밀 여과 시스템의 단순도이다. 도 10 은 도 9 에 따른 나권형 여과 시스템에서 유압의 그래프이다. 공급 측은, 멤브레인 요소 내에서 좁은 공급 채널을 통과함에 따라 흐름 저항과 마주하기 때문에 시스템을 통한 상당한 압력 강하를 갖는다. 투과액은 무시할만한 저항을 갖는 중공의 중앙 튜브에서 수집된다. 투과액 유속은 보유액 유속의 분율이라는 사실에 따라, 측정가능한 ΔP 는 존재하지 않는다. 또한, 투과액은 통상 대기압으로 방출되므로, 시스템의 투과액 측에 상당한 유압은 존재하지 않는다. 이러한 시스템의 전형적인 현상은 시스템의 입구 (TMP1) 와 출구 (TMP2) 사이의 TMP 차이가 크다는 것이다.

도 11 은 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에 적용되는 UTMP 모드에서의 유압의 그래프이다. 투과액이 흐름 저항 요소 (FRE) 를 갖는 투과액 튜브를 통해 재순환되기 때문에, 예컨대, 튜브가 테이퍼진 인서트 또는 플라스틱 구체 팩킹을 수용하기 때문에, 측정하능하며 제어가능한 유압이 멤브레인 시스템의 투과액측에 도입된다. 이는 횡류 속도에 독립적으로 멤브레인의 길이를 가로질러 본질적으로 일정한 TMP 를 허용한다.

도 12 는 흐름 저항 요소를 포함하지 않는 것을 제외하고는 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에서 백워싱 작동이 채용되는 경우의 유압의 그래프이다. 투과액은 출구측으로부터 투과액 튜브 내로 다시 펌핑된다. 투과액 튜브에서 측정가능한 강하가 없기 때문에, 투과액 압력은 멤브레인 시스템의 길이를 가로질러 빠르게 균등해질 것이다. 보유액 공급이 지속되는 경우, 백워시 압력의 크기의 큰 편차가 시스템의 길이를 따라 다양한 지점에서 발생한다. 이 시나리오에서, 입구측은 오염물을 효과적으로 제거하기에 충분한 백워시를 볼 수 없으며, 출구측은 나권형 멤브레인에 아주 불리할 수 있는 역전 흐름 압력을 받게된다.

도 13 은, 공급이 백워싱중 중단되는 경우 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에 백워싱 작업이 채용될 대의 유압의 그래프이다. 이러한 모드의 이점은 균일한 역전 압력이 얻어져, 멤브레인의 모든 지점이 본질적으로 동일한 백워시 속도를 나타내며, 극도의 역전 압력이 회피될 수 있다는 점이다. 그러나, 백워싱중 포지티브 전방 공급이 존재하지 않기 때문에, 횡류가 보유액측에 없어, 오염물이 표면으로부터 떨어졌을지라도, 이들은 액체 멤브레인 계면으로부터 효과적으로 제거할 수 없다. 따라서, 포지티브 공급 압력이 다시 시작되면, 계면에서의 오염물의 고 농도로 인해 급속한 재오염의 가능성이 높게 존재한다. 또한, 이러한 모드는 공급 펌프를 일시정지시키고 투과액 배압 펌프 또는 다른 배압 장치와 결합하는 것을 필요로하기 때문에 작동에 있어서 비효율적이다. 작업자가 어떻게 조작하는지에 따라, 작업자는 더 긴 프로세스 시간을 유발하는 느린 백워시 간격 또는 멤브레인 고장을 유발하는 압력에서의 압력의 급격한 변화 중 어느 하나를 가질 수 있다.

이론과 결부시키는 것을 바라는 것은 아니지만, 막간 압력 (TMP) 으로부터 유발되는 멤브레인 상에 입자를 잡아당기는 구동력이 표면의 입자를 씻어나기 위해 접선 유체 흐름을 위한 능력보다 더 큰 경우에 오염이 증가된다. 최적의 정밀 여과 플럭스와 투과율은 좁은 범위 내에서의 TMP 제어를 필요로 한다. TMP 가 너무 낮은 경우, 플럭스는 차선책이며, 높은 TMP 에서, 급속적이며, 돌이킬 수 없는 오염이 발생할 수 있다. 도 12 에 참조로 도시된 비교 시스템은 멤브레인의 실질적인 축방향 길이에 걸쳐 이러한 점에서 정확한 밸런스를 얻을 수 없다.

도 14 는 도 2 에 따른 나권형 여과 시스템에 채용되는 CCPR 에 의해 가능한 rUTMP 모드에서의 유압의 그래프이다. 공급 펌프는 느려질 수 있고, 또는 투과액 재순환 펌프가 멤브레인 시스템의 투과액을 과압하기 위해서 증속될 수 있다. 이 경우, 본질적으로 등가인 백워시 흐름이 역전 흐름을 얻기 위해 과도한 역전 압력과 빠르고 알맞은 방법없이 멤브레인 시스템을 통해 얻어진다. 앰플 (ample) 보유액 횡류는 보유액측 멤브레인 표면으로부터 떨어진 오염물을 씻어내기 위해 유지된다.

병행류 투과액 재순환과 나권형 멤브레인 모듈의 투과액 공간 내로의 흐름 저항 요소의 침입의 조합은 횡류 속도와 막간 압력의 독립적인 제어를 허용하는 것을 알려졌으며, 이에 의해 스파이럴 멤브레인 내에서 균일한 막간 압력 작동이 가능해진다. 이 조합은 역전의 균일한 막간 압력 (rUTMP) 에 의해 백플러싱을 허용하며, 이 압력은 멤브레인을 따라 놀랍게도 높은 플럭스와 투과율을 유지하기 위한 작동 형태이다. rUTMP 흐름 상태는 멤브레인을 가로지르는 역류를 유발하는 한편, 축방향 흐름은 공급 및 투과액 라인 모두에서 유지된다. 그로 인한 배압과 플럭스는 멤브레인의 길이를 따라 알맞으며 균일하여, 과압 또는 압력 부족을 회피하고, 그 결과 오염제거의 최적의 역전을 유발한다. 이는 통상의 스파이럴 시스템에서 극도로 문제화될 수 있는 높은 고용체 액체를 효율적으로 처리하는 능력과 상당히 높은 플럭스를 유발한다. 또한, 놀랍게도 낮은 횡류는 일정한 높은 고용체 발효 브로스 또는 다른 공급 물질을 위한 플럭스에 관해서 개선된 결과를 부여할 수 있다는 것을 발견하였다.

본 발명의 다양한 실시형태에 따른 프로세스는 투과액 펌프의 펌프 속도를 증가시키거나 보유액 펌프 속도를 감소시키는 것중 하나에 의해 균일한 배압을 얻을 수 있다.

도 2 의 프로세스 설계를 작동시키는 다른 실시형태는 순환 루프 (circulation loop) 에서의 투과액 포획을 포함하며, 여기서 펌프는 루프에 포함되어 압력 용기와 루프를 연결함으로써 압력 중첩을 만든다. 이는 투과액을 위한 누설에의 순환 루프의 연결을 폐쇄시킴으로써 실행된다. 투과액 누설 연결을 폐쇄함으로써, 투과액은 순환 루프에서 포획되고 압력에 있어서 평형을 유지한다. 이후, 펌프 입구 이전에 연결되는 압력 용기가 개방된다. 투과액의 순환은 가압 용기를 통해 압력이 투과액측에서 증가하면서 계속해서 약해지지 않는다. 이는 투과액측에서의 압력이 보유액측에서의 압력, 본원에서 rUTMP 로 불리는 조건을 초과할지라도, 멤브레인을 따라 균일한 TMP 를 가능하게 한다. 도 15a 내지 도 15i 를 참조하여 정밀 여과 시스템의 이들 및 다른 유용한 모드 작동에 대한 추가의 상세가 제공된다.

도 15a 내지 도 15i 는 본 발명의 정밀 여과 시스템에 처리될 수도 있는 작동 모드중 보유액과 투과액의 상이한 흐름 경로를 도시한다. 이들 도면에 도시된 하나 이상의 임의의 모드가 본 발명의 프로세싱 작동에 포함될 수도 있지만, 도 15b 내지 도 15e 에 도시된 모드가 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 특별한 관심사이다. 이들 도면에서, 활성 흐름은 예컨대, 도 15b 에 도시된 바와 같은 여과 모듈 (SWM) 에 공급 스트림, 그리고 이 여과 모듈로부터 나오는 투과액과 보유액 스트림과 같은 굵은 선으로 나타낸다. 또한, 이들 도면에서, 검게 칠한 밸브, 예컨대 도 15b 의 밸브 43HV45 은 흐름에 폐쇄되고, 흐리게 칠한 밸브, 예컨대 도 15b 의 밸브 43VC60 은 흐름에 개방된다.

도 16 은 도 15a 내지 도 15i 에 도시된 다양한 조건을 제공하는 기본 장비 설정을 요약하는 차트이다. 여과 시스템이 파워 온 (On) 되기 이전에, 열교환기로의 글리콜 공급 및 복귀 라인 밸브, 여과 시스템으로의 정용 여과 공급수 밸브 및 압축된 공급 밸브가 시동 조작의 일부로서 개방된다. 도구가 도 16 에 지시된 바와 같은 시동 조작 디폴트로 설정된다. 여과 시스템이 파워 온 (On) 되는 경우, 모든 자동화된 부품 (밸브, 펌프 등) 이 미리 설정된 디폴트 셋팅으로 설정된다. 일 실시형태에서, 여과 시스템은 물 재순환 모드에서 먼저 작동함으로써 프로세서를 위해 준비될 수도 있다. 물 재순환 모드는 모든 다른 작동 모드의 시작 지점이다. 모든 다른 모드는 물 재순환으로부터 천이된다. 따라서, 2 개의 메인 프로세스 모드, 공급 흐름 온리 (FFO:Feed Flow Only 및 CCPR) 를 위해, 디폴트 셋팅은 재순환 모드에 대한 것이다. 프로세스가 작업 (희석 및 혼합, 온도 공급 등) 준비되었다면, 조작자는 다른 모드 (뱃치 (batch), 정용 여과, 또는 공급된-뱃치 (fed-batch)) 에서 작동하게 적절한 실험 프로세스 셋팅으로 디폴트 셋팅을 바꾼다.

도 15a 내지 도 15i 에서의 여과 시스템은, 일체의 작동 분리 시스템을 제공하기 위해, 예컨대, 스파이럴 멤브레인 (SWM), 투과액 펌프 (41PF40), 공급 스트림 펌프 (41PF30), 및 다른 구성요소, 예컨대, 밸브(43HV41, 43HV45, 43VA40, 43VC60, 43HV42, 42VC60, 41VC62, 72VC60), 압력 게이지 (PI), 압력-밸브 제어기 (PIC), 압력 변환기 (PT), 온도 변환기 (TT), 온도-밸브 제어기 (TIC), 유량계 (FI), 흐름 지시 변환기 (FIT), 흐름-밸브 제어기 (FIC), 공급/수집 탱크 (TANK), 열교환기 (HE), 탱크 레벨 변환기 (LT), 공급-밸브 제어기 (LICZ) 등을 포함한다. 도시된 수개의 구조에서, 나권형 여과 멤브레인 모듈 (SWM) 은 투과액 재순환 루프 (1501) 를 통해 병행류 투과액 흐름을 제공하기 위해 배치된다 (예컨대, 도 15b - 도 15e 참조). 이들 실시형태에서, 모듈 (SWM) 의 투과액 출구 (즉, 투과액 수집 튜브의 출구 단부) 에 배출된 투과액의 일부는 필터 모듈 (SWM) 내에 배치된 투과액 수집 튜브의 투과액 입구 내로 제어가능한 속도로 복귀된다. 모듈 (SWM) 의 특징은 상기에서 설명되었다. 공급 스트림 (1502) 은 제어 가능한 속도로 필터 모듈 (SWM) 의 공급 스트림 입구에서 펌핑된다. 공급 스트림은 필터 모듈 (SWM) 내로의 도입 이전에 열교환기 (HE) 를 통과한다. 보유액은 SWM 모듈의 대향 축방향 단부에 위치된 출구에서 필터 모듈 (SWM) 을 나간다.

더 자세하게는, 도 15a 는 CCPR 조건의 제공없는 전방 공급 조건 (FFO 모드) 을 도시한다. 이러한 구조에는 병행류 투과액 재순환이 제공되지 않는다.

도 15b 를 참조하면, CCPR 흐름 구조는 본 발명의 실시형태에 따른 프로세스의 정상 작동 조건으로서 스파이럴 멤브레인에 걸쳐 UTMP 조건을 제공하는 것을 도시한다. 이하 더욱 상세히 논의되는 도 15g 및 도 15i 는 또한 이 흐름 모드에서의 변경을 도시한다.

도 15c 를 참조하면, 도시된 프로세스 설계를 갖는 나권형 멤브레인 시스템은 본 발명에 따른 널 UTMP (nUTMP) 실시형태를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 조작의 이러한 모드에서는 투과액이 모이지 않는다. 밸브 (42VC60), 투과액 재순환 펌프, 및 공급 펌프는 투과액과 보유액 모두의 횡류 속도와 공급 측압 설정 지점을 유지하기 위해서 이들의 설립된 설정에서 유지된다. 밸브 (43VC60) 는 조작의 이러한 모드 중에는 폐쇄된다. 충분한 병행류 투과액 재순환이, TMP 가 멤브레인을 따라 축방향으로 실질적으로 모든 곳에서 0 이 되도록 공급 스트림과 같아지도록 제공된다. 도 15c 내지 도 15e 에 도시된 nUTMP 및 rUTMP 흐름 구조는 단지 nUTMP 및/또는 rUTMP 프로세스만의 이러한 특별한 단계를 나타내며, 프로세스 시간의 나머지를 위해, 프로세스 흐름은 도 15b 에 도시된 바와 같은 CCPR 모드에 의해 나타낸다.

도 15d 를 참조하면, 도시된 프로세스 설계를 갖는 나권형 멤브레인 시스템은 대안으로 본 발명에 따른 역전 UTMP (rUTMP) 실시형태를 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 15d 또는 도 15e 중 어느 하나에 따른 rUTMP 의 제 1 단계는, 도 15c 에 도시된 바와 같은 nUTMP 조건의 제공이다. 제 2 단계에서, 도 16 에 도시된 장비 셋팅은 시스템의 투과액측을 과압화시키기 위해 제공된다. 특히, 펄스 밸브 (43VA40) 는, FD4261 에서의 총흐름이 0 에 접근할 때까지 투과액측을 과압화시키기 위해 개방될 수도 있고, 백워싱 조건을 나타내는 것은 모듈 (SWM) 의 멤브레인에 걸쳐 설립되고 있다.

도 15e 를 참조하면, 이는 도 15d 에 도시된 것에 rUTMP 조건을 제공하는 대안의 모드이다. 도 15e 에 따른 rUTMP 의 제 1 단계는 또한, 도 15c 에 도시된 것과 같은 nUTMP 조건의 제공이다. 이후, 시스템의 공급측은 도 16 에 도시된 장비 셋팅을 사용한 압력부족이며, 백워싱 조건을 나타내는 것은 모듈 (SWM) 의 멤브레인에 걸쳐 설립되고 있다. 특히, 밸브 (41VC62) 는 공급 펌프의 출구로부터 입구까지의 공급 흐름의 우회를 허용하여, 이에 의해 멤브레인에의 공급 흐름을 감소시킬 수도 있다.

도 15c 내지 도 15e 의 정밀 여과 시스템에서의 조작의 nUTMP 또는 rUTMP 모드를 제공하는 예시적 제어 로직은 하기의 타이머 정의와 함께 다음의 스텝을 포함한다:

T20 = 다시 가능한 자동 제어 이전의 록아웃 시간 (lock out time).

T21 = nUTMP 사이클 시간.

T22 = rUTMP 모드1 사이클 시간.

T23 = rUTMP 모드2 사이클 시간.

T24 = 사이클의 종료와 다음 사이클의 시작 사이의 시간.

제어 로직 스텝:

1. nUTMP 시퀀스의 시작.

2. 공급 펌프 (41PF30) 의 잠금 속도.

3. 투과액 리사이클 펌프 (41PF40) 의 잠금 속도.

4. 보유액 출구 제어 밸브 (42VC60) 의 잠금 위치.

5. 투과액 루프 제어 밸브 (43VC60) 폐쇄.

6. 흐름 차동 (Flow Differential) 값 (FD 4261) 이 0.05 LPM 미만으로 떨어짐.

7. T22 = 0 이면, 스텝 9 로 감.

8. T22 = X 초이면, rUTMP1 서브 루틴을 시작함.

1. rUTMP 펄스 밸브 (43VA40) 를 개방.

2. T22 카운트다운 시작.

3. T22 가 경과한다면, rUTMP 펄스 밸브 (43VA40) 를 폐쇄함.

4. 스텝 11 로 감.

9. T23 = 0 이면, 스텝 11 로 감.

10. T23 = X 초이면, rUTMP2 서브 루틴을 시작함.

1. 보유액 우회 밸브 (41VC62) 가능함.

2. 흐름 차동값 (FD 4261) 이 SP값에 도달할 때까지 밸브를 개방함. 주의: SP 는 네거티브 총 흐름 (negative net flow) 일 것이다.

3. SP 에 도달되면, T23 카운트다운 시작.

4. T23 이 경과한다면, 보유액 우회 밸브 (41 VC62) 를 폐쇄함.

5. 스텝 11 로 감.

11. 사이클 시간이 경과하면, 투과액 루프 제어 밸브 (43VC60) 의 자동 제어가 재가능함.

12. T20 카운트다운 시작.

13. T20 시간이 경과하면, 공급 펌프 (41PF30), 투과액 리사이클 펌프 (41PF40) 및 보유액 출구 제어 밸브 (42VC60) 의 자동 제어가 재가능함.

14. nUTMP 또는 rUTMP 시퀀스의 종료.

15. 다음 사이클에 T24 카운트다운을 시작함.

도 15a 와 같은 도 15f 는 CCPR 조건의 제공없는 전방 공급 조건 (FFO 모드) 을 도시한다. 병행류 투과액 재순환이 이러한 구조에는 제공되지 않는다. 도 15 A 와 달리, 밸브 (41VC60 및 41VH41) 는 이러한 도시에서 정용 여과수의 도입을 허용하기 위해 개방된다.

도 15b 와 같은 도 15g 는 CCPR 조건이 제공되는 것을 도시한다. 도 15b 의 변형으로서, 도 15g 에서, 밸브 (41VC60 및 41VH41) 가 이러한 도시에서 정용 여과수의 도입을 허용하기 위해 개방된다.

도 15a 와 같은 도 15h 는, 병행류 투과액 재순환 (FFO 모드) 없이 전방 공급 조건만을 도시한다. 병행류 투과액 재순환이 이러한 구조에는 제공되지 않는다. 도 15 A 와 달리, 투과액 밸브 (43VA42) 가 시스템의 보유액측에 투과액을 재순환시키기 위해 보유액 유지 탱크 (41B20) 에 투과액의 일부를 전환시키기 위해 개방된다.

도 15b 와 같은 도 15i 는, CCPR 조건이 제공되는 것을 도시한다. 도 15c 의 변형으로서, 도 15i 에서, 투과액 밸브 (43VA42) 는 시스템의 보유액측을 통해 또한 투과액의 재순환을 위해 보유액 유지 탱크 (41B20) 에 투과액의 일부를 전환시킬 수 있기 위해 개방된다.

도 15b 에 도시된 바와 같은 본 발명의 다양한 실시형태에 따르면, 플럭스는, 약 0.1 내지 약 200 L/㎡/hr 에서 CCPR (UTMP) 흐름 모드 중, 예컨대 여과 사이클의 분리 단계중 스파이럴 멤브레인을 따라 약 10 내지 약 60 L/㎡/hr 에서 유지된다.

다양한 실시형태에서, 본 발명의 실시형태에 따른 프로세스의 오염 제거 단계 (감소된 또는 널 UTMP 및/또는 rUTMP) 는 대략 1 분내지 12 분 간격으로 대략 1 내지 60 초의 지속시간동안 주기적으로 발생하도록 제어된다. 처리되는 공급 스트림의 형식은 이들 변수의 선택에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 일부 공급 스트림을 위해, 오염 제거 단계는 매 수분 마다 적용될 수도 있고 (예컨대, 일부 프로테아제), 그리고, 많은 희석 스트림을 위해, 예컨대 대략 매 시간 또는 수시간을 포함하여 덜 빈번하게 적용될 수도 있다 (예컨대, 반염수). 다양한 실시형태에서, 오염 제거중, 막간 압력 (TMP) 은, 멤브레인의 어느 한쪽의 축방향 단부에서 TMP 값에 비해 멤브레인의 전체 축방향 길이를 따라 40 % 미만, 예컨대, 20 % 미만, 그리고, 예컨대, 10 % 미만으로 변한다. 다양한 실시형태에서, 보유액과 투과액 투과율은, 백워싱 사이클 동안, 약 0.1 내지 약 60 바, 특히 약 0.1 내지 약 10 바의 포지티브 압력 하에서 연속적으로 유지된다. 다양한 실시형태에 따르면, 여과 프로세스는 0.1 바 내지 약 60 바, 예컨대, 약 0.1 내지 약 10 바, 예컨대, 약 0.1 내지 약 5 바, 예컨대, 약 0.1 내지 약 1.0 바의 범위에 있을 수 있는 막간 압력에서 작동될 수 있다. TMP 범위의 하한은 멤브레인 시스템의 선택에 의해 결정될 수 있다. 용어 "바" 는 10⁵ Pa 에 대응하는 압력의 단위로서 정의된다. 종래의 압력은 약 0.1 내지 약 1.5 바의 범위내에 있는 것으로 고려될 수 있지만, 이 범위는 예컨대, 사용되는 여과 매체 또는 여과되는 단백질에 따라 변할 수 있다. 고압이 약 1.5 내지 약 2.0 바에서 시작하는 것으로 간주될 수 있다. 본원에 기재된 장치와 프로세스는 종래의 및/또는 높은 압력에서 작동할 수 있다.

본 발명에 따른 추가의 선택적인 실시형태에서, 에어 스커링 (air scouring) 이 프로세스 향상으로서 사용될 수 있다. 에어 스커링은 여과 모듈 입구 이전에 투과액 재순환 루프 내로 미세화된 (micronized) 공기 방울을 주기적으로 분사함으로서 채용될 수 있다. 공기 방울은, 멤브레인의 보유액측에 축적될 수 있는 오염물의 제거시 추가의 힘을 제공할 것이다. 이는 오염 제거의 등가의 레벨을 제공하기 위해 요구되는 적은 역전 투과액 흐름 또는 오염 제거에 더 효율적인 이점을 제공한다. 수직 배향된 시스템은 에어 스커링을 포함하는 이러한 선택적인 실시형태를 위해 참조되며, 여기서 액체 흐름은 상방을 지향하게 된다. 이는 시스템으로부터 공기 정화를 용이하게 할 것이다.

프로세스 또는 시스템의 멤브레인에서 사용될 수 있는 다양한 멤브레인 물질의 예는 폴리술폰 (PS), 폴리에테르술폰 (PES), 폴리비닐리덴 디플루오라이드 (PVDF), 폴리아릴술폰, 재생 셀룰로우즈, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 셀룰로우즈 아세테이트, 폴리아크릴로니트릴, 비닐 공중합체, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 또는 이들의 혼합물 등을 포함할 수 있다. 멤브레인의 기공의 크기는 멤브레인 물질과 적용에 따라 변할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 멤브레인은 약 0.005 마이크론 내지 약 0.05 마이크론, 약 0.05 마이크론 내지 약 0.5 마이크론, 약 0.5 마이크론 내지 약 1 마이크론, 약 1 마이크론 내지 약 5 마이크론, 약 5 마이크론 내지 약 10 마이크론, 또는 약 10 마이크론 내지 약 100 마이크론의 필터 기공 크기를 가질 수 있다. 예시적 일 실시형태에서, 멤브레인은 약 0.005 내지 약 5 마이크로미터, 특히, 예컨대, 약 0.005 내지 약 2 마이크로미터의 기공 크기를 갖는 PVDF, 폴리술폰 또는 폴리에테르 술폰 멤브레인을 포함한다.

본 발명이, 특히 놀라우며 유효한 결과가 얻어지는, 스파이럴 시트 멤브레인에 의해 구현되는 것에 대해서만 설명하였지만, 본 발명은 다른 필터 포맷, 예컨대, 플레이트 및 프레임, 세라믹 튜브, 중공 섬유, 스테인리스 필터, 또는 다른 필터 구조로 실시형태를 포함하는 것이 인식될 것이다.

다양한 실시형태에서, 여과 시스템은 제어기에 의해 제어될 수 있다. 제어기는 여과 프로세스의 다양한 파라미터, 예컨대, TMP, CF, 총 투과 속도, 플럭스, 순도 및 수율을 조절하는 역할을 할 수 있다. 시스템은 또한 시스템 조절을 돕는 밸브를 포함할 수 있다. 적절한 제어 방식 (scheme) 이 당해 구성요소를 여과하거나 정화하기 위한 필요에 기초하여 판정될 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 여과 시스템은 유체 프로세스 경로를 통해 흐르는 유체 샘플에 대한 데이터를 획득하기 위해 복수 개의 센서를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 여과 시스템은 상기 펌프, 밸브, 및 센서의 작동과 관련된 데이터를 적어도 수신하고, 송신하고, 처리하고 기록할 수 있는 전자 데이터 처리 네트워크를 포함할 수 있으며, 흐름 여과 프로세스중 수집된 기록 데이터는 여과 프로세스의 제어를 판정하는데 충분히 포괄적일 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 센서는 유속, 압력, 농도, pH, 전도도, 온도, 탁도 (turbidity), 자외선 흡수, 형광, 굴절률, 삼투압 (osmolarity), 건조된 고형체, 근적외광, 또는 퓨리에 변환 적외광 (Fourier transform infrared light) 을 측정하는 검출기를 포함할 수 있다. 이러한 검출기는 여과 절차의 경과 및 안전성을 감시하고 제어하기 위해 사용될 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 시스템은, 여과 시스템이 생성 작업중 부분적 또는 완전 자동화된 자기 제어를 위한 자동화를 받을 수 있도록 설계되거나 수정되는 정밀 여과 시스템을 포함할 수 있다.

시스템의 최적의 작동은 다양한 작동 조건 하에서 특별한 공급 물질과 생성물 화합물이 어떻게 거동하는지에 대한 인식에 따르는 것이며, 또한 이 인식은 파일럿 스케일 그리고 생성 스케일 연구를 통해 정상적으로 모아지는 것임을 당업자가 이해해야 한다.

프로세스 조건과 장비 셋업의 주어진 설정을 위해서, 생성 시스템은, 특별한 공급과 생성물이 본원에 예시된 시스템에 적용되는 프로세스 조건의 다양한 설정에 어떻게 대응할 것인지를 경험적으로 배워서 미리 샘플링 할 수 있다. 예컨대, 이러한 경험적 연구는 예측 모델을 개발하기 위해 사용될 수 있는데, 이러한 모델은 감지된 파라미터값 사이의 관계의 수학적 알고리즘, 하나의 작동 파라미터의 값을 변경하기 위한 소망하는 조절 및 다른 파라미터의 조절중 일정하게 유지하기 위해 다른 작동 파라미터에서 만들어지는 조절의 선택과 정도를 구체화한다. 이러한 예측 모델을 구현하기 위해서, 제어기는 마더보드 등에 장착된 마이크로일렉트로닉 하드웨어 및/또는 인터페이스 하의 그래픽을 통해 함께 연통하는 원격 컴퓨터 (도시생략) 에 탑재되는 소프트웨어로 구체화되는 컴퓨터 코드에의 접근을 갖는 프로그램 가능한 로직 제어기 (PLC) 를 포함할 수 있다. 상업적으로 입수가능한 PLC 모듈은 본원에 제공된 교시 및 가이드에 기초하여 이들 기능을 지지하기 위해 수정될 수 있다. 제어기 시스템은 양 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어를 포함할 수 있고, 이들은 본원에 예시된 바와 같은 프로세스 제어를 위한 이러한 알고리즘을 개발하고 구현하기 위해 개조될 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 본원에 개시된 프로세스, 장치 및 시스템 모두는 발효 브로스, 약품, 화학제품, 유가공, 콩, 및 다른 식품 산업 등에 적용가능하다. 다양한 실시형태에 따르면, 본원에 개시된 프로세스, 장치 및 시스템 모두는 바이러스 또는 세포 (박테리아, 진균, 양서류, 파충류, 조류, 포유류, 곤충, 식물 또는 잡종 (chimeras)), 세포 찌꺼기, 잔류 매체 요소, 숙주 세포에 의해 생성된 원하지 않는 생체 고분자, 및 정밀 여과의 준비시 발생할 수 있는 브로스 처리중 시스템에 도입되는 오염물의 혼합물에 있을 수 있는, 단백질, 폴리펩티드 및 생물학적으로 생성된 폴리머 및 저분자량 화합물의 수용액에서 실행되는 액체/고형체 분리에 적용될 수 있다. 프로세스, 장치 및 시스템은 원하는 분자, 예컨대, 석출물, 수성 추출물의 용매 및 결정 슬러리의 회수중, 생성되는 공급 스트림의 처리를 위해 사용될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 여과 시스템은 여과 장치를 포함할 수 있지지만, 참조의 일부 실시형태에서, 여과 시스템은 여과 장치 또는 여과 기계에 관련하여 상호교체가능하게 사용될 수 있다.

다양한 실시형태에서, 당해 화합물, 또는 성분은 단백질, 폴리펩티드, 핵산, 당단백질, 다른 생체 고분자, 또는 저분자량 화합물일 수 있다. 다양한 실시형태에서, 화합물은 치료용 단백질, 예컨대, 항체, 효소 활성 단백질 치료제 (효소), 및 호르몬을 포함할 수 있다. 화합물은 또한, 예컨대, 구조 단백질, 예컨대 콜라겐, 엘라스틴 및 관련 분자를 포함할 수 있다. 호르몬은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 여포 자극 호르몬 (follicle-stimulating hormone), 황체 호르몬 (luteinizing hormone), 부신피질 자극 호르몬 방출 인자 (corticotropin-releasing factor), 소마토스타틴 (somatostatin), 성선자극 호르몬 (gonadotropin hormone), 바소프레신 (vasopressin), 옥시토신 (oxytocin), 에리트로포이에틴 (erythropoietin), 인슐린 등을 포함할 수 있다. 치료용 단백질은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 활성 세포 분열생식 (proliferation) 및/또는 분화 (differentiation) 의 주 결과와 세포 표면 상의 수용체를 묶는 단백질인 성장인자, 혈소판 유래 성장인자 (platelet-derived growth factor), 표피세포 성장인자 (epidermal growth factor), 신경 성장인자 (nerve growth factor), 섬유아세포 성장인자 (fibroblast growth factor), 인슐린-양 성장인자 (insulin-like growth factors), 형질변환 성장인자 (transforming growth factors) 등을 포함할 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 효소가 산업 스케일 프로세스에 의해 생성될 수 있다. 임의의 효소가 사용될 수 있으며, 비제한적인 효소의 리스트는 피타아제 (phytases), 자일라나아제 (xylanases), β-글루카나아제 (β-glucanases), 포스파타아제 (phosphatases), 프로테아제 (proteases), 아밀라아제 (amylases)(알파 또는 베타), 글루코아밀라아제 (glucoamylases), 셀룰라아제 (cellulases), 피타아제 (phytases), 리파아제 (lipases), 큐티나아제 (cutinases), 옥시다아제 (oxidases), 트랜스페라아제 (transferases), 리덕타아제 (reductases), 헤미셀룰라아제 (hemicellulase), 만난아제 (mannanases), 에스테라아제 (esterases), 이소메라아제 (isomerases), 펙티나아제 (pectinases), 락타아제 (lactases), 페록시다아제 (peroxidases), 락카아제 (laccases), 다른 산화환원 효소 및 이들의 혼합물을 포함한다.

일부 실시형태에서, 회수된 효소는, 가수 분해 효소 (hydrolase) 인데, 이는 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 프로테아제 (박테리아, 진균, 산, 중성 또는 알칼리성), 아밀라아제 (알파 또는 베타), 리파아제, 셀룰라아제, 및 이들의 혼합물, 예컨대, "Genencor Division, Danisco US, Inc. (USP 4,760,025 및 WO 91/06637)" 에 의한 "Purafect®, Purastar®, Properase®, Puradax®, Clarase®, Multifect®, Maxacal®, Maxapem®, 및 Maxamyl®"; "Novo Industries A/S (덴마크)" 에 의한 "Alcalase®, Savinase®, Primase®, Durazyme®, Duramyl®, Clazinase®, 및 Termamyl®" 의 상표명으로 시판중인 효소를 포함할 수 있다.

셀룰라아제는 셀룰로우즈에 β-D-글루코시딕 결합 (glucosidic linkage) 을 가수분해하는 효소이다. 셀룰로우즈를 가수분해할 수 있는 (Cellulolytic) 효소는 전통적으로 주로 3 개의 주요한 클래스로 나뉘어지고 있다: 엔도글루카나아제 (endoglucanases), 엑소글루카나아제 (exoglucanases) 또는 셀로 바이오 가수분해효소 (cellobiohydrolases) 및 β-글루코시다제 (β-glucosidases)(J. Knowles 등, TIBTECH (1987) 5:255-261). 셀룰라아제의 예시는 "Genencor Division, Danisco US, Inc." 로부터 입수가능한 "Multifect® BGL" 이다. 셀룰라아제는 종, 예컨대, 아스퍼질러스 (Aspergillus), 트리코데르마 (Trichoderma), 페니실리움 (Penicillium), 휴미콜라 (Humicola), 바실러스 (Bacillus), 셀루로모나스 (Cellulomonas), 테르모모노스포르 (Thermomonospore), 클로스트리듐 (Clostridium) 및 하이포크리아 (Hypocrea) 로부터 만들어질 수 있다. 수개의 셀룰라아제는 과학 논문에 기재되어 있는데, 그의 예시는 다음을 포함한다: 트리코데르마로부터, "Trichoderma reesei, S. Shoemaker 등, Bio/Technology (1983) 1 :691-696," CBHI 를 기재함; "T. Teeri 등, Gene (1987) 51 :43-52," CBHII 를 기재함; "M. Penttila 등, Gene (1986) 45:253-263," EGI 를 기재함; "M. Saloheimo 등, Gene (1988) 63: 1 1-22," EGII 를 기재함; "M. Okada 등, Appl Environ Microbiol (1988) 64:555-563," EGIII 를 기재함; "M. Saloheimo 등, Eur J Biochem (1997) 249:584-591," EGIV 를 기재함; 및 "A. Saloheimo 등, Molecular Microbiology (1994) 13:219-228," EGV 를 기재함. 트리코데르마 이외의 종으로부터 엑소-셀로바이오하이드로라제 (Exo-cellobiohydrolases) 및 엔도클루카나제는 또한 하기에 기재되어 있다: 예컨대, "Ooi 등, 1990," 아스퍼질러스 아쿨레아투스 (Aspergillus aculeatus) 에 의해 생성된 엔도글루카나아제 F1-CMC 를 위한 cDNA 시퀀스 코딩을 개시함; "T. Kawaguchi 등, 1996," 아스퍼질러스 아쿨레아투스 로부터 베타-글루코시다제 1 의 클로닝과 시퀀싱을 개시함; "Sakamoto 등, 1995," 아스퍼질러스 가와치 (Aspergillus kawachii) IFO 4308 로부터 엔도글루카나아제 CMCase-1 를 인코딩하는 cDNA 시퀀스를 개시함; 및 "Saarilahti 등, 1990," 에르위니아 카르토보라 (Erwinia carotovara) 로부터 엔도글루카나아제를 개시함.

프로테아제는, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 세린, 메탈로, 티올 또는 산 프로테아제를 포함한다. 일부 실시형태에서, 프로테아제는 세린 프로테아제 (예컨대, 서브틸리신 (subtilisin)) 일 것이다. 세린 프로테아제는 당분야에 잘 알려져 있는데, "Markland 등, Honne-Seyler's Z Physiol. Chem (1983) 364:1537 - 1540"; "J. Drenth 등 Eur J Biochem (1972) 26:177 - 181" ; "U. S. Pat. Nos. 4,760,025 (RE 34,606), 5,182,204 및 6,312,936 및 EP 0 323,299" 을 참조한다. 단백분해 활성도 (proteolytic activity) 를 측정하는 수단이 "K. M. Kalisz, "Microbial Proteinases" Advances in Biochemical Engineering 및 Biotechnology, A. Fiecht Ed. 1988" 에 개시되어있다.

자일레나아제는, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 트리코데르마 레시 (Trichoderma reesei) 로부터의 자일레나아제 및 T. reesei로부터의 변성 자일레나아제를 포함하는데, 이들 모두는 "Danisco A/S, 덴마크" 및/또는 "Genencor Division, Danisco US Inc., Palo Alto, California" 에서 입수가능하며, 또한 아스퍼질러스 니제르 (Aspergillus niger), 아스퍼질러스 가와치 (Aspergillus kawachii), 아스퍼질러스 튜비제니스 (Aspergillus tubigensis), 바실러스 서큘란스 (Bacillus circulans), 바실러스 푸밀루스 (Bacillus pumilus), 바실러스 서브틸리스 (bacillus subtillis), 네오칼리마스틱스 파트리시아룸 (Neocallimastix patriciarum), 스트렙토마이세스 리비단 (Streptomyces lividans), 스트렙토마이세스 테르모비오라세우스 (Streptomyces thermoviolaceus), 테르모모노스포라 푸스카 (Thermomonospora fusca), 트리코데르마 하르지아늄 (Trichoderma harzianum), 트리코데르마 레시 (Trichoderma reesei), 트리코데르마 비리데 (Trichoderma viride) 로부터의 다른 자일레나아제도 포함한다.

피타아제의 예는, "AB Enzymes, Darmstadt, 독일" 로부터 입수가능한 아스퍼질러스 종으로부터의 피타아제인 "Finase L®"; "Danisco, Copenhagen, 덴마크" 로부터 입수가능한 E.coli 로부터의 "Phyzyme™ XP", 및 다음과 같은 종으로부터의 다른 피타아제이다: 트리코데르마, 페니실리움, 푸사리움, 부티옥셀라 (Buttiauxella), 시트로박터 (Citrobacter), 엔테로박터 (Enterobacter), 페니실리움, 휴미콜라, 바실러스 및 페니오포라 (Peniophora).

아밀라아제는, 예컨대, 종 (species), 예컨대 아스퍼질러스, 트리코데르마, 페니실리움, 바실러스일 수 있는데, 예컨대, B.서브틸러스, B.스테어로써머필러스 ( stearothermophilus), B.렌투스 (lentus), B.리케니포르미스 (licheniformis), B. 코아굴란스 (coagulans) 및 B.아미로리퀴파시엔스 (amyloliquefaciens) 이다. 적절한 진균 아밀라아제 (fungal amylases) 는 아스퍼질러스, 예컨대, A.오리재 (oryzae) 및 A.니제르 (niger) 로부터 유도된다. 프로테아제는 바실러스 아미로리퀴파시엔스 (Bacillus amyloliquefaciens), 바실러스 렌투스 (Bacillus lentus), 바실러스 서브틸리스, 바실러스 리케니포미스 (Bacillus licheniformis), 및 아스퍼질러스 및 트리코데르마 종으로부터 일 수 있다.

상기 효소 리스트는 단지 예시이며, 이것으로 제한하고자 하는 의도는 아니다. 예컨대, 다른 효소 생성 숙주 개체 (host organism) 는 무코 종 (Mucor sp), 크루이 베로마이세스 종 (Kluyveromyces sp), 야로이야 종 (Yarrowia sp), 아크레모늄 종 (Acremonium sp), 뉴로스포라 종 (Neurospora sp), 미세리오프토라 종 (Myceliophthora sp), 및 티라비아 종 (Thielavia sp) 을 포함할 수 있다. 임의의 효소가 본 발명에 따른 실시형태에 사용될 수 있는데, 박테리아, 진균, 식물 및 동물 소스의 야생형 (wild type), 재조합형 (recombinant) 및 변성 효소 및 산, 중성 또는 알칼리성 pH-활성 효소를 포함한다.

다양한 실시형태에 따르면, 이 프로세스는 또한 생물학적으로 생성된 고분자, 예컨대, 폴리유산 (polylactic acid), 폴리젖산 (polyhydroxybutiric acid) 및 유사한 화합물의 정화를 위해 사용될 수 있다. 그러나, 상기 고분자의 준비 또는 처리로 본 방법과 장치를 제한하고자 하는 의도는 아니다.

다양한 실시형태에 따르면, 이 프로세스는 생물학적으로 생성된 저분자량 화합물, 예컨대, 비타민 (예컨대, 아스코르빈산 (ascorbic acid)), 에탄올, 프로페인디올 (propanediol), 아미노산, 유기 염료 (예컨대, 인디고 염료), 영양보조식품 (nutraceuticals)(예컨대, 베타인 (betaine) 및 카르니틴 (carnitine)), 향료 (예컨대, 부틸 부티레이트), 향수 (예컨대, 테르핀 (terpenes)), 유기산 (예컨대, 옥살산, 구연산, 및 숙신산 (succinic acids)), 항체 (예컨대, 에리트로마이신 (erythromycin)), 약품 (예컨대, 스타틴 (statins) 및 택산 (taxanes)), 항산화제 (예컨대, 카르티노이드 (carotenoids)), 스테롤, 및 지방산의 정화에 사용될 수 있다. 그러나, 상기 저분자량 화합물의 준비 또는 처리로 본 방법과 장치를 제한하고자 하는 의도는 아니다.

투과액, 보유액 또는 세포 덩어리에 해당 성분 또는 화합물의 원하는 순도는, 예컨대, 약 1 % 내지 약 100 % 일 수 있다. 다양한 실시형태에서, 해당 성분의 순도는 약 1 % 내지 약 25 % 순수, 예컨대, 약 25 % 내지 약 50 % 순수, 예컨대, 약 50 % 내지 약 75 % 순수, 예컨대, 약 75 % 내지 약 90 % 순수, 예컨대, 약 90 % 내지 약 95 % 순수, 예컨대, 약 95 % 내지 약 97 % 순수, 또는 약 97 % 내지 약 99 % 순수일 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 프로세스를 위한 공급 액체는 생성 개체 또는 생성 세포로부터 얻어질 수 있다. 생성 개체는 바이러스, 박테리아 또는 진균일 수 있다. 생성 세포는 원핵세포 (prokaryotic cell) 또는 진핵 세포 (eukaryotic cell) 를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 생성 세포는 박테리아 세포, 곤충 세포, 포유류 세포, 진균 세포, 식물 세포, 또는 이미 언급된 세포로부터의 세포계 (cell line) 를 포함할 수 있다. 세포계는 포유류, 조류, 양서류 또는 곤충류를 포함할 수 있다. 세포는 당해의 DNA 또는 다른 핵산으로 형질전환 (transformed) 또는 세포감염 (transfected) 될 수 있으므로, 세포는 당해의 생체고분자로 표현한다. 세포 형질전환 및/또는 세포감염 방법은 당분야에 이미 공지되어 있으며, 예컨대, 그 전체가 참조로 내재된 미국 특허 제 7,005,291 호에서 알 수 있다.

다양한 실시형태에서, 공급 액체는 형질전환되지 않은 세포 또는 세포감염되지 않은 세포 또는 다른 소스, 예컨대 동물 또는 식물 조직으로부터 얻어질 수 있으므로, 이 소스로부터 얻어진 공급 액체는 다단계 여과 장치를 통해 흐를 수 있다. 다양한 다른 실시형태에서, 공급 액체는 이식 유전자의 세포 (transgenic cell) 또는 개체, 예컨대, 이식 유전자 포유류 (transgenic mammals) 로부터 얻어질 수 있다. 프로세스의 결과는 공급 액체로서 프로세스에 원료 물질이 진입하거나 시작하는 것과 독립적일 수 있다. 프로세스는 식물질 또는 동물질 (animal matter) 및 프로세스 중간물, 또는 결정 슬러리, 석출물, 투과액, 보유액, 세포 찌꺼기 또는 추출물을 포함할 수 있는 생성물의 최종 형태의 추출로부터 얻어지는 브로스에 적용될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 분리될 공급 스트림은, 예컨대, 적어도 25 %, 예컨대, 적어도 15 %, 및, 예컨대, 적어도 5 %, 분산된 고형체 함량을 포함할 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 세균성 생성 개체는 임의의 세균 종, 예컨대, 바실러스, 스트렙토마이세스 또는 슈도모나스 종, 이를테면, 바실러스 서브틸리스, 바실러스 클라우시 (Bacillus clausii), 바실러스 리케니포미스 (Bacillus licheniformis), 바실러스 알카로피루스 (Bacillus alkalophilus), 에쉐리히아 콜리 (Escherichia coli), 판토에아 시트레아 (Pantoea citrea), 스트렙토마이세스 리비단(Streptomyces lividans), 스트렙토마이세스 루비기노수스 (Streptomyces rubiginosus) 또는 슈도모나스 알칼리게네스 (Pseudomonas alcaligenes) 로부터 일 수 있다.

다양한 실시형태에 따르면, 여과 시스템은, 활성화 온도 미만으로 효소형 종 (enzymatic species) 을 냉각하기 위해 공급 및 투과액 스트림과 유체 연통하는 열교환기를 포함할 수 있는데, 이러한 활성화 온도는 프로세스 면적에서 대기 온도보다 낮다. 이와 같이, 효소의 자기 분해 (autolysis) 는 처리중 방지되거나 차단될 수 있다. 예컨대, 세럼 (serum) 프로테아제를 포함하는 공급 스트림 약 15 ℃ 이하의 온도 범위에서 유지되는 프로세스 온도에 의해 처리될 수 있다. 열교환기는 이를 위해, 멤브레인 모듈의 상류 공급 스트림 라인 및 모듈의 하류 투과액 라인을 따라 배치될 수 있다.

상업적 실시에서, 단일 하우징에 직렬로 멤브레인 요소 세트를 배열하는 것이 종종 중요한 가치가 있다. 예컨대, 단일 하우징에 끝에서 끝으로 배치되는 수개의 (예컨대, 4, 6, 또는 그 이상) 멤브레인 요소가 존재할 수도 있다. 이는 요구되는 핏팅, 총 풋프린트, 배관, 제어 밸브 및 수단 (instrumentation) 의 양을 감소시킴으로써 단일 요소 하우징에 대한 절감을 제공한다. 그러나, 이는 저압 여과 (정밀 여과 및 한외 여과) 에 문제를 일으킨다. 각각의 요소를 통한 압력 강하가 상류 요소의 막간 압력에 비해 통상 상당하기 때문에, 10 % 이상, 막간 압력은 하류 요소에서 상당히 감소될 수 있다. 이는 통상 시스템이, 상류 요소에서 TMP 최적 조건 (optima) 위에서 작동하고 또한 TMP 상승을 유발하는데 기인하여 얼마나 많은 횡류가 사용될 수 있는지를 제한하게 한다. 이는, 저 TMP 와 높은 횡류가 오염의 최소화를 위해 종종 선호되는 정밀 여과에서는 매우 심각하다. 이는, 세척시에 또한 심각한 결과가 있는데, 상류 요소를 통한 투과는 멤브레인이 깨끗해지고, 깨끗한 물 플럭스를 회수하는 것만큼 높아질 수 있으며, 본질적으로 공급 세정의 하루 요소를 부족하게 하여, 이에 의해 유효한 세정을 위해 필요한 횡류를 깨끗한 용액에 노출시킬 수 없다. 그 결과는 세정을 불완전하게 하거나 세정 사이클 시간을 길게할 수 있다.

막간 압력 제어를 위해 투과액을 재순환시키는 것이 이들 문제를 해결한다. TMP 및 횡류가 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 공급의 횡류 속도는 TMP 에 네거티브 충격을 가하지 않고 상승되거나 하강될 수 있다. 이는 단일 요소에서 이점을 갖지만, 이러한 이점은 일련의 요소에서 강조된다. 공급 경로 길이가 길수록, 여과 시스템의 어느 한 단부에서의 높고 낮은 TMP 사이의 불일치는 더 커진다. 또한, 세정 또는 상류 요소를 통한 투과가 하류 요소에서의 공급 횡류에 충격을 가하기에 충분히 큰 다른 프로세스를 위해, 시스템을 위한 UTMP 는 투과 속도를 감소시키기 위해 저하될 수 있고, 이에 의해 모든 요소를 위한 적합한 횡류를 보장할 수 있다.

또한, 소정의 FRE 설계가 시리얼 시스템에서 사용하기 위해 조작될 수 있다. 일련의 멤브레인 세트의 투과액 수집 튜브는 모두 상호 연결되어 있으며, 투과액 흐름은 여과 시스템의 입구로부터 출구로의 흐름이 진행함에 따라 증가한다. 투과액 재순환 속도 및 여과로부터 투과 분배에 따라, 출구에서의 전체 투과액 흐름은 입구에서의 전체 투과액 흐름 (재순환 속도만) 을 초과하여 많을 수 있다. 이 경우, 단위 길이당 압력 강하는 압력 강하가 흐름 속도 스쿼드 (flow velocity squared) 의 함수와 같이 시스템을 통해 바뀔 수 있다. 여과 시스템을 통해 더 선형인 압력 강하를 유지하기 위해, 흐름이 투과액 수집 튜브 아래로 진행함에 따라 적은 저항을 제공하는 FRE 가 요구된다. 임의의 FRE 가 다소의 저항을 제공하기 위해 조절될 수 있는데, 예컨대, 볼 베어링이 흐름 저항을 감소시키기 위한 크기로 증가될 수 있다. 관형의 테이퍼형 인서트는 요소 내에서 예측된 흐름 범위 내에서 예측된 압력 강하를 제공하기 위해 용이하게 공사설계 (engineered) 될 뿐만 아니라, 일련의 수개의 요소의 흐름 속도를 증가시키기 위해 설명되는 테이퍼진 직경을 조절할 수 있다. 예컨대, 하류 요소의 투과액 흐름 면적은 투과액 튜브 인서트의 직경을 감소시킴으로써 증가될 것이며, 이에 의해 필터를 통한 투과에 기인한 유속 증가를 설명하기 위해 흐름 저항을 감소시킨다.

실시예

하기의 실시예는 본 발명의 실시형태의 다양한 실시형태만을 나타내는 것이다. 이 실시예는 어떤식으로든 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1 내지 3 에서, 실험은 수개의 수정예를 갖는 도 15b 내지 도 15e 와 연결하여 기술되는 설계와 유사한, 도 17 에 도시된 프로세스 설계를 갖는 스파이럴 시스템에서 상이한 바실러스 브로스의 플럭스와 투과율을 판정하기 위해 도입되었다. 멤브레인 요소와 상이한 발효 브로스가 공급된 상이한 벤더가 이 여과 시스템에서 시도되었다. 도 17 을 참조하면, 도시된 프로세스 설계를 갖는 나권형 멤브레인 시스템이 본 발명에 따른 CCPR 및 간헐적 역전 UTMP (rUTMP) 흐름 모드를 구현하기 위해 사용되었다. 도 17 에 도시된 여과 시스템은, 일체식 작동 분리 시스템을 제공하기 위해서, 스파이럴 멤브레인 (1701)(SWM), 투과액 펌프 (1703), 공급 스트림 펌프 (1709), 및 다른 구성 요소, 예컨대, 밸브 (1706, 1720 내지 1723), 압력 게이지 (PI), 압력 변환기 (PT), 밸브 제어기, 온도 변환기 (TT), 유량계 (FI), 흐름 지시 변환기 (FIT), 흐름-밸브 제어기 (FIC), 공급/수집 탱크 (TANK), 열교환기 (1715)(HE), 온도-밸브 제어기 (TIC), 텡크 레벨 변환기 (LT), 공급-밸브 제어기 (LICZ), 등을 포함한다. 나권형 여과 멤브레인 모듈 (1701) 은 제한 밸브 (1706) 및 투과액 펌프 (1703) 를 포함하는 투과액 재순환 루프 (1704) 를 통해 병행류 투과액을 제공하기 위해 배열된다. 투과액 펌프 (1703) 는 제어 가능한 속도로 모듈 (1701) (즉, 투과액 수집 튜브의 출구 단부) 의 투과액 출구 (1705) 에서 배출된 투과액의 일부를 필터 모듈 (1701) 내에 배치된 투과액 수집 튜브의 투과액 입구 (1707) 내로 복귀시키도록 제어가능하다. 모듈 (1701) 의 특징은 하기에 더 상세히 설명한다. 공급 스트림 펌프 (1709) 는 제어 가능한 속도로 필터 모듈 (1701) 의 공급 스트림 입구 (1711) 에 분리될 공급 스트림을 공급하기 위해 제공된다. 공급 스트림은 필터 모듈 (1701) 에 도입되기 전에 열교환기 (1715) 를 통과한다. 보유액은 모듈의 대향 축방향 단부에 위치된 출구 (1713) 에서 필터 모듈 (1701) 을 나간다. 공급 스트림 펌프 (1709) 및 제어 밸브는 작동의 UTMP 및 rUTMP 모드를 제공하기 위해서 본원에 기재된 방식으로 상호 제어된다.

실시예 1

작업 1 내지 4 에서, VCF 실험은 알파 라발 (Alfa Laval) 0. 2 ㎛ 공칭 기공 크기 (공칭 기공 크기) 의 폴리술폰 (PS) 멤브레인을 이용하여 발효 브로스상에서 실행되었다. 공급 브로스에서의 숙주 개체 및 효소는 "Genencor Division, Danisco US, Inc." 로부터 FNA 브로스와 같이 얻어진 B.서브틸리스 브로스 및 프로테아제 효소이다. 작동 온도 15 ℃ 였으며, 브로스 pH 는 5.8 였으며, 3 mm 직경의 중실 플라스틱 볼이 흐름 저항 요소 (FRE) 로서 사용되었다. FRE 는 FRE 가 튜브의 축방향 단부 사이의 튜브에 채워지고, 튜브의 각 단부에서 관통된 디스크 플레이트를 제위치에 유지시킬 때까지 나권형 멤브레인의 수집 튜브내로 팩킹되었다. 여과 작동의 UTMP 및 UTMP/rUTMP 모드가 평가되었다. 공급 펌프를 느리게 하거나 투과액 재순환 펌프를 빠르게하는, 투과액을 과압시키기 위한 2 개의 상이한 방식이 초기에 평가되었다.

작업 1 내지 4 는 다음의 조건 하에 실행되었다. 작업 1 은 UTMP 가 적용되지 않은 제어 작업이었다. 평균 TMP 는 1.5 바였으며, 공급 흐름은 9.9 ㎥/시간이었다. 작업 2 에서, UTMP 모드만이 rUTMP 없이 적용되었다. FRE 는 투과액 수집 튜브에 포함되었지만, 오염 제거 단계는 적용되지 않았다. UTMP 는 1 바였으며, 공급 흐름은 11.8 ㎥/시간 이었다. 작업 3 에서, UTMP/rUTMP 모드는 1 바의 UTMP 및 12 ㎥/시간의 공급 흐름에 의해 실행되었다. rUTMP 는 공급 펌프 속도를 감소시킴으로써 매 10 분 마다 1 분 동안 실행되었다. 펌프 속도는, 총 네가티브 투과액 흐름이 관찰될 때까지 감소되었다. 이는 멤브레인을 통해 역전 흐름을 나타냈다. 작업 4 에서, UTMP/rUTMP 모드는 1 바의 UTMP 및 12 ㎥/시간의 공급 흐름에 의해 실행되었다. rUTMP 는 투과액 펌프 속도를 증가시킴으로써 매 10 분 마다 1 분 동안 실행되었다. 펌프 속도는, 총 네가티브 투과액 흐름이 관찰될 때까지 증가되었다. 이는 멤브레인을 통해 역전 흐름을 나타냈다.

작업 1 내지 4 의 결과는 표 1 내지 표 4 에 나타낸다. 상이한 VCF 결과에서의 플럭스에 대한 결과는 도 18 및 도 19 에 작도하고, 투과율 결과는 도 15 에 작도한다. 다른 발견들 중에, 도 18 및 도 19 에서의 결과는, rUTMP 가 결합되지 않는 한 느린 플럭스가 부여된 UTMP 추가를 도시한다. 적어도 플럭스 감쇠 (decay) 는, UTMP/rUTMP 모드가 공급 펌프 속도의 조절을 포함하여 실행되었던 작업 3 에서 관찰되었다. 도 20 은 전체 투과율에서 상당한 개선을 갖는 UTMP 를 사용한 모든 작업을 나타낸다.

표 1.

표 2.

표 3.

표 4.

하기 표 5 에서, 얻어진 VCF, 전체 투과율, 및 UF 를 통한 농도가 작업 1 내지 4 를 위해 요약되어 있다. "C" 는 용매의 농도를 말하며, "C₀" 는 용매의 초기 농도를 말하고, "V₀" 는 초기 공급 부피를 말하며, "V" 는 보유액 부피를 말하고, 그리고 "σ" 는 폐기물을 말하는데, 여기서, C=C₀(V₀/V)^σ이다.

표 5.

실시예 2

작업 5 내지 11 에서, VCF 실험은 실시예 1 에 지시된 프로세스 설계를 사용하여 상이한 발효 브로스 상에서 실행되었는데, 상이한 멤브레인은 제어로서 코흐 (Koch) 1.2 ㎛ 공칭 기공 크기의 스파이럴 멤브레인, 제어로서 그리고 활성 투과액 수집을 위해 알파 라발 0.2 ㎛ 공칭 기공 크기 폴리술폰 (PS) 멤브레인, 제어로서 그리고 활성 투과액 수집을 위해 마이크로딘 (Microdyn) 0.05 ㎛ 공칭 기공 크기의 폴리에테르술폰 멤브레인을 포함하여 평가되었다. 공급 브로스를 생성하기 위해 사용된 숙주 개체는 B. 서브틸리스 브로스였으며, 효소는 프로테아제 효소였고, "Genencor Division, Danisco US, Inc." 로부터 FN3 브로스와 같이 얻어졌다. 작동 온도는 15 ℃ 였다.

작업 5 내지 11 은 다음의 조건 하에 실행되었다. 작업 5 는 투과액의 수동 수집 만이 존재하고, UTMP 또는 병행류 투과액 재순환 (즉, 활성 투과액 수집이 없음) 이 존재하지 않는 것을 의미하는 코흐 스파이럴 멤브레인 (Koch membrane System, Inc.) 을 사용한 제어 작업이었다. 평균 TMP 는 1.5 바였으며, 공급 흐름은 9 ㎥/시간이었다. 작업 6 은 투과액의 수동 수집 만이 존재하고, UTMP 또는 병행류 투과액 재순환이 존재하지 않는 것을 의미하는 0.2 ㎛ 폴리술폰 (PS) 멤브레인을 사용한 제어였다. 평균 TMP 는 1.5 바였으며, 공급 흐름은 9 ㎥/시간이었다. 작업 7 에서, 알파 라발 0.2 ㎛ 폴리술폰 (PS) 멤브레인은, UTMP/rUTMP 모드가 1 바의 UTMP 및 8.4 ㎥/시간의 공급 흐름에 의해 실행되는 것이 사용되었다. rUTMP 는 공급 펌프 속도를 감소시킴으로써 매 10 분 마다 30 초 동안 실행되었다. 펌프 속도는 총 네가티브 투과액 흐름이 관찰될 때까지 감소되었다. 이는 멤브레인을 통해 역전 흐름이 나타났다. 작업 8 에서, 알파 라발 0.2 ㎛ 폴리술폰 (PS) 멤브레인은 UTMP/rUTMP 모드가 1 바의 UTMP 및 8.2 ㎥/시간의 공급 흐름에 의해 실행되는 것이 사용되었다. rUTMP 는 공급 펌프 속도를 감소시킴으로써 매 2 분 마다 5 초 동안 실행되었다. 펌프 속도는 총 네가티브 투과액 흐름이 관찰될 때까지 감소되었다. 이는 멤브레인을 통해 역전 흐름이 나타났다. 작업 9 에서, 마이크로딘 0.05 ㎛ 폴리에테르술폰 (PES) 멤브레인은 투과액의 수동 수집 만이 존재하고, UTMP 또는 병행류 투과액 재순환이 존재하지 않는 것을 의미하는 것이 사용되었다. TMP 는 1.5 바였으며, 공급 흐름은 9.8 ㎥/시간이었다. 작업 10 에서, 마이크로딘 0.05 ㎛ 폴리에테르술폰 (PES) 멤브레인은 UTMP/rUTMP 모드가 0.9 바의 UTMP 및 8.1 ㎥/시간의 공급 흐름에 의해 실행되는 것이 사용되었다. rUTMP 는 공급 펌프 속도를 감소시킴으로써 매 2 분 마다 5 초 동안 실행되었다. 펌프 속도는 총 네가티브 투과액 흐름이 관찰될 때까지 감소되었다. 이는 멤브레인을 통해 역전 흐름이 나타났다. 작업 11 에서, 마이크로딘 0.05 ㎛ 폴리에테르술폰 (PES) 멤브레인은 UTMP/rUTMP 모드가 0.8 바의 UTMP 및 8.1 ㎥/시간의 공급 흐름에 의해 실행되는 것이 사용되었다. rUTMP 는 공급 펌프 속도를 감소시킴으로써 매 2 분 마다 5 초 동안 실행되었다. 펌프 속도는 총 네가티브 투과액 흐름이 관찰될 때까지 감소되었다. 이는 멤브레인을 통해 역전 흐름이 나타났다.

작업 5 내지 11 의 결과는 표 6 내지 12 에 나타낸다. 상이한 VCF 에서의 플럭스를 위한 결과는 도 21 및 22 에 작도하고, 투과율 결과는 도 23 에 작도한다. 다른 발견들 중에, 도 21 및 도 21 에서의 결과는, UTMP 가 결합되지 않는 한 느린 플럭스가 부여된 UTMP 추가를 도시한다. 도 23 은 전체 투과율에서 상당한 개선을 갖는 UTMP 를 사용한 모든 작업을 나타낸다. 적어도 플럭스 감쇠는, UTMP/rUTMP 모드가 실행되었던 작업 7, 8, 10 및 11 에서 관찰되었다.

표 6.

표 7.

표 8.

표 9

표 10

표 11

표 12

하기 표 13 에서, 얻어진 VCF, 전체 투과율, 및 UF 를 통한 농도가 작업 6 내지 11 을 위해 요약되어 있다

표 13

실시예 3

실험 연구는 흐름 저항 요소로서 수집 튜브 내에 설치된 테이퍼진 인서트에 끼움장착되는 투과액 수집 튜브에서 입구로부터 출구까지의 압력 강하의 분포를 조사하기 위해 실행되었다. 정확한 결과를 얻기 위해, 스파이럴 멤브레인 시스템의 실제 멤브레인 (Koch Membrane systems, Inc.) 이 펼쳐지고 (unwrapped) 제거되었으며, 내측 투과액 수집 튜브는 이러한 실험을 위해 별개로 사용되었다. 투과액 튜브는, 물이 튜브의 길이를 따라 규칙적인 간격으로, 또한 분사 지점에서 측정된 국부적 압력과 유속으로 밀봉 방식으로 분사되는 한편, 튜브의 길이를 따르는 다른 튜브 개구는 차단되었다. 튜브는 재순환된 물 또는 다른 시험 투과액의 도입과 특별한 튜브 내에서 수집되고 이를 통과하는 투과액/물의 방출을 위해 그 양단부에 입구 및 출구 개구를 갖는다. 도 25 를 참조하면, 이 실험을 위해서, 2 개의 투과액 튜브 (251 및 252) 가 이러한 방식으로 얻어지며, 8 개의 분사 지점, 압력 게이지 및 유량계가 각각의 투과액 튜브에 설치되도록 변형된다. 튜브 (252) 와 튜브 (251) 가 동일하므로, 설명의 간략화를 위해서 도 25 에서는 튜브 (251) 만 개략적으로 도시한다. 도 4a 및 도 4d 에 도시된 바와 같은 일반적인 구조를 갖는 테이퍼진 인서트가 각각의 투과액 수집 튜브에 설치되었다. 2 개의 투과액 튜브는 안티-텔레스코핑 장치(알파 라발 (Alfa Laval)) 를 사용하여 상호연결되었다. 안티-텔레스코핑 장치는 또한 투과액 튜브의 각 외부 단부에 설치되었다. 병행류 투과액 재순환 및 투과액 분사 속도가 제어되고 감시되는 도 25 에 도시된 일반적인 전체 구조를 제공하기 위해 장비가 설치되었다.

수개의 상이한 ΔP (3.4, 3.2, 3.0, 2.5, 2.0 바) 와 투과액 유속 (8 LPM, 22 LPM, 32 LPM) 으로 실험이 실행되었다. 테이퍼진 인서트는 .91" 내지 .90" 및 .90" 내지 .89" (2 개의 튜브를 위해 2 개의 인서트) 의 직경을 갖는 테이퍼진 설계를 갖는다. 결과가 도 26 내지 도 30 에 도시되어 있다. 이들 도면은 투과액 튜브 (251)(그의 입구로부터 출구까지) 에 설치된 압력 게이지 1 내지 8 및 투과액 튜브 (252)(그의 입구로부터 출구까지) 에 설치된 압력 게이지 9 내지 16 에 관하여 설명한다. 도 26 내지 도 30 의 데이터에 의해 도시된 바와 같이, 상당하고 비교적 균일하게 분포된 압력 강하는 투과액 튜브의 초기 입구로부터 최후 출구까지 발생하는 것으로 관찰되었다. 또한, 2 개의 투과액 튜브 (251 및 252), 즉 압력 게이지 8 과 9 사이에 위치된 ATD 의 압력 강하 영향은 최소로 관찰되었다.

실시예 4

도 32 에 개설된 바와 같은 설비와 프로세스를 이용하여 실험이 실행되었다. 이 실험의 목적은 산업 스타일 연속 프로세스에서 UTMP/rUTMP 시스템의 유효성을 증명하는 것이다.

알칼리성 프로테아제를 포함하는 37.5 kg 의 바실러스 서브틸리스 발효 브로스가 22.5 kg 의 물과 함께 공급 탱크로 1회분으로 처리되었다 (batched). 시스템이 조업개시되었고, 하기 작업 조건을 개설하게 되었다:

공급 입구 압력 2.8 바

공급 출구 압력 1.3 바

투과액 입구 압력 1.8 바

투과액 출구 압력 0.3 바

공급 온도 15 ℃

이러한 셋팅은 공급 및 투과액 측 모두에서 1.0 바의 UTMP 와 1.5 바의 ΔP를 유발하였다. 공급 및 투과액 양자는 조업개시중 재순환되었다. 이러한 실험을 위해 사용된 멤브레인은 80 mil 스페이서 (spacer) 를 갖는 코흐 (Koch) MFK 601 3838 였다.

시스템이 안정화되었다면, 실험이 시작된다. 투과액이 수집 탱크로 보내졌다. 보유액은 4.7 부 (part) 투과액 대 1 부 보유액의 비율로 방출되었다. 60 kg 의 전체 시스템 액체 중량을 유지하기 위해 외부 유지 탱크로부터의 공급이 시스템 공급 탱크 내로 공급되었다. 외부 유지 탱크로부터의 공급은 알칼리성 프로테아제를 포함하는 166.6 kg 의 바실러스 서브틸리스 발효 브로스를 633 kg 의 물과 혼합함으로서 만들어졌다. 이 공급은 10 ℃ 에서 유지되었다.

시스템은 주기적 rUTMP 특징을 사용하기 위해 설정되었다. rUTMP 설정은 다음과 같다:

rUTMP 사이클 시간 사이의 간격 3 분

rUTMP 지속시간 5 초

rUTMP 세기 -0.5 LPM 총 투과액 흐름 (0.1 바 투과액 과압)

실험은 6 시간 동안 지속되었다. 결과는 도 32 내지 도 36 에 도시한다.

실시예 5

도 15i 에 개략된 바와 같은 장비와 프로세스를 사용하여 실험이 실행되었다.

이는 상이한 UTMP 및 ΔP 작동의 효과를 도시하기 위해 설계된 임계 플럭스 (critical flux) 실험이었다.

실험 절차는 다음과 같다:

1. 오염의 최고 정도를 부여하는 것으로 예상되는 조건에서 1 시간 동안 실시함으로써 멤브레인을 미리 오염시킨다 (prefoul). 이 경우, UTMP 는 1.5 바이고 ΔP 는 0.8 바였다.

2. 오염물을 제거하기 위해 수작업으로 rUTMP 사이클을 실시한다. 이는 멤브레인을 반-오염 상태로 재설정한다.

3. 30 분 동안 제 1 실험 조건을 실시하고, 효소 투과율을 조사하기 위해 30 분의 사이클 종료시 샘플을 취한다.

4. 모든 실험 조건을 위해 스텝 2 와 3 을 반복한다.

알칼리성 프로테아제를 포함하는 40 kg 의 바실러스 서브틸리스 발효 브로스가 40 kg 의 물과 함께 공급 탱크로 1회분으로 처리되었다 (batched). 시스템이 조업개시되었고, 하기 프로세스 조건에서 안정화 되었다:

공급 입구 압력 2.8 바

공급 출구 압력 2.0 바

투과액 입구 압력 1.3 바

투과액 출구 압력 0.5 바

공급 온도 15 ℃

이 조건은 멤브레인을 미리 오염시키기 위해서 1 시간 동안 처리되었고, 이후 하기의 조건이 상기 개략된 바와 같이 실시되었다:

이러한 실험을 위해 사용된 멤브레인은 80 mil 스페이서를 갖는 코흐 (Koch) MFK 601 3838이었다.

결과는 도 37 내지 도 39 에 도시한다.

실시예 6

탈지 우유 농축

500L 탱크에서, 252 kg 의 물이 추가되고 50 ℃ 로 가열되었다. 물이 이 온도로 되었다면, 25 kg 의 건조 탈지 분유가 천천히 추가되고 교반시 혼합되었다. 우유 용액이 90 분동안 50 ℃ 에서 수화되었다.

92 kg 의 공급이 "Microdyn Technologies Inc." 에 의해 공급된 3838 0.05 um PES 정밀 여과 멤브레인 모듈을 포함하는 파일롯 (pilot) MF 스키드 (skid)(도 15a 내지 도 15i 에 도시된 바와 같은 스파이럴 시스템) 내로 펌프되었다. 투과액 튜브는 FRE 로서 작용하는 8 mm 플라스틱 볼로 채워졌다. 시스템이 조업개시되고, 매우 낮은 UTMP 조건 (0.2 바) 하에서 온도에 도달하였다. 시스템이 가열되고 공급이 50 ℃ 에서 안정화되었다면, 농축 프로세스가 시작되었다. 시스템은 우유 농축을 위해 하기 작동 파라미터로 설정되었다:

온도 50 ℃

공급 입구 압력 2.5 바

공급 출구 압력 1.5 바

투과액 입구 압력 1.5 바

투과액 출구 압력 0.5 바

공급을 나가는 투과액에서 부피 손실을 보상하기 위해서 500L 탱크로부터 일정하게 공급되므로, 시스템 공급 레벨이 이 실험 전체에서 92 kg 으로 유지되었다. 277 kg 의 모든 탈지 우유가 92 kg 의 잔류 부피로 공급되어 3 배 농축을 유발할 때까지, 프로세스가 실행되었다.

결과는 도 40 에 도시한다.

실시예 7

탈지 우유 농축물에서의 임계 플럭스

실시예 6 에 개시된 바와 같이 생성된 3 배 우유 농축액이 다양한 UTMP 에서 투과율 및 플럭스를 평가하기 위해 실험에 사용되었다. 모든 조건을 위해, 횡류 압력은 0.8 바였으며, 공급 온도는 50 ℃였다. 투과액 및 보유액이 공급 탱크에 연속적으로 재순환되었으며, 공급 배합 (composition) 은 실험 전체를 통해 등가였다. 우유가 30 분 동안 각각의 조건에서 재순환되었다.

결과는 도 41 및 도 43 에 도시한다.

실시예 8

3 배 우유 농축액의 정용 여과

전술한 임계 플럭스 실험 후에, 탈이온수 공급 라인이 MF 스키드의 공급 탱크에 연결되었다. 시스템은 다음의 작동 파라미터에서 안정화되었다:

온도 50 ℃

공급 입구 압력 2.3 바

공급 출구 압력 1.3 바

투과액 입구 압력 1.5 바

투과액 출구 압력 0.5 바

이후, 투과액은 투과액 수집 탱크로 보내졌고, 물이 시스템에서 92 kg 의 공급 중량을 유지하기 위해 공급 탱크에서 연속적으로 공급되었다. 이 프로세스는 185 kg 의 투과액이 수집될때까지 실행되었다.

결과는 도 42 에 도시한다.

실시예 9

도 15i 에 도시된 장비에서, 임계 플럭스 실험은 바실러스 리케니포미스로부터 알파-아밀라아제 브로스에 의해 실행되었다. 세포가 이노바퓨어 (Innovapure) 로부터 리소자임 (lysozyme) 에 의해 용해되었다 (lysed). 브로스는 NaOH 에 의해 10 으로 pH 조정되었다. 40 리터의 브로스가 40 리터의 물과 혼합되었으며, 50 ℃ 의 온도에 도달하였다. 멤브레인은 1.0 바의 DP 와 1.5 바의 UTMP 에 의해 1 시간 동안 미리 오염되었다. 이후, 멤브레인이 실험 시작 전에 10 초 동안 수작업의 rUTMP 단계가 되었다. 각각의 조건 사이에서 수작업 rUTMP 단계가 10 초 동안 실시되었다. 사용된 멤브레인은 80 mil 스페이서를 갖는 코흐 (Koch) MFK 601, 1.2 um PES 멤브레인이었다.

하기의 작동 조건이 실행되었다: (모든 압력은 바 (bar) 임)

각각의 조건은 20 동안 실행되었으며, 이 시점에서 분석을 위해 보유액 및 투과액의 샘플을 취했다. 결과는 도 46 에 도시한다.

실시예 10

도 24 는 라발 (Laval) 0. 2 ㎛ 폴리술폰 (PS) 멤브레인을 사용하여 VCF 1 로 실행하기 위한 전체 투과율에서 상이한 작동 모드의 영향을 도시한다.

4 개의 실험이 4 개의 상이한 작동 모드의 상대 성능을 시험하기 위해서 도 44 에 도시된 장비상에서 실행되었다: 정상 (FRE 또는 투과액 재순환 없음), UTMP만, UTMP/nUTMP 및 UTMP/rUTMP. 바실러스 서브틸리스로부터 알칼리성 프로테아제 발효 브로스가 모든 경우에 사용되었다. 뱃치 부피 (batch volume) 와 희석 (dilution) 은 4 개의 모든 작업을 위해 동일하였다. 알파 라발로부터 동일한 0. 2 ㎛ 폴리술폰 MF 모듈이 4 개의 모든 실험을 위해 사용되었다.

다음의 작업 조건이 사용되었다.

각각의 실험을 위해, 40 kg 의 브로스가 80 kg 의 물과 혼합되고 15 ℃ 에 도달되었다. 이후, 실험이 시작되었다. 투과액은 별개의 탱크에서 수집되고, 프로세스는, 시스템에서의 남아있는 공급 중량이 40 kg 이 될때까지 실행되었는데, 이는 VCF = 1.0 과 등가이다. 수집된 투과액은 알칼리성 프로테아제를 위해 평가되었으며, 각각의 실험의 전체 투과율이 판정되었다.

nUTMP 사이클은 매 3 분 마다 5 초 동안 실행되었다. nUTMP 는 도 44 에 도시된 바와 같이 투과액 릴리프 (relief) 밸브를 단순히 폐쇄시킴으로써 실시되었다. 재순환 루프가 폐쇄 루프가 된다면, 투과액 측에서 압력을 강화하는 공급으로부터 투과액으로의 연속 투과에 기인하여 공급 측압과 투과액 압력을 동일하게 하였다. rUTMP 는 매 2 분 마다 5 초 동안 실행되었다. rUTMP 실시 모드는 공급 펌프 속도가 감소하는 경우에 미리 설명된 바와 같았다.

또한, 도 24 는 실시예 2 (F_다운 30s/10m) 에서부터 작업 7 의 데이터를 포함한다.

실시예 11

프로세스 및 장비의 개설 과정 중, 개선된 유체 역학과 제어 특징을 유도하는 장비에서 일부 설계 변경이 이루어졌다. 주된 변경사항은 하기 도면에서 도시되어 있다.

도 17 : 이는 UTMP 및 rUTMP 를 위한 본래의 여과 장비 셋업의 개략도이다.

도 44 : 이는 도 17 에 도시된 장비에 대해 이루어진 변경을 도시한다. 투과액 재순환 루프에서 투과액 탱크를 갖는 것 대신에, 재순환 루프가 폐쇄된다. 이는 투과액 릴리프 밸브를 폐쇄시킴으로써 nUTMP 를 가능하게 한다.

도 15a 내지 15i : 이는 UTMP, nUTMP 및 rUTMP 의 2 개의 모드의 자동 제어를 포함하는 재설계된 장비를 나타낸다. rUTMP 의 본래 모드 (공급 펌프 속도를 감소시킴 또는 투과액 펌프 속도를 증가시킴) 는 여전히 사용될 수 있지만, rUTMP 사이클은 자동화될 수 없을 것이다.

도 15 에 도시된 완전 자동화 시스템의 잠재적인 주요 이점은 트루어 (truer) rUTMP 사이클이다. 본래의 셋업에서, 공급 펌프 속도가 감소된다면, 이는 공급이 필터 모듈을 통과함에 따라 압력 강하를 감소시킬 것이므로, 공급의 입구 및 출구 압력은 동일한 양으로 감소되지 않을 것이다. 투과액이 이 사이클 동안 거의 일정한 속도로 재순환된다면, 역전 흐름은 출구보다 모듈의 입구에서 더 클 것이다.

이와 반대로, 투과액 펌프 속도가 증가되면, 투과액 수집 튜브를 통한 압력 강하는 증가한다. 공급 재순환 속도가 거의 일정한 속도라면, 또한 역전 흐름이 출구보다 모듈의 입구에서 더 클 것이다. 예측 압력 구배가 도 45 에 도시되어 있다.

도 15 에 도시된 시스템은 펌프와 압력 제어 밸브 (43VC60 및 42VC60) 모두의 완전 자동화 제어를 갖는다. 이는 도 14 에 도시된 바와 같이, rUTMP 사이클 중 필터 모듈의 입구와 출구 사이의 등가의 압력 차이를 유지하게 한다.

실시예에 사용된 장비의 범례 (Legend) :

실시예 1 도 17

실시예 2 도 17

실시예 3 도 25

실시예 4 도 32

실시예 5 도 15i

실시예 6 내지 8 도 15

실시예 9 도 15

실시예 10 도 44

도 31 은 본 발명의 상기 또는 추가의 양태에 따라 시리즈 1 내지 4 및 시리즈 10 내지 15 와 같이 비제한적인 실시형태를 예시적으로 도시하는 차트이며, 각각의 시나리오와 관련된 일반적인 프로세스가 지시되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태는 본원에 개시된 본 발명의 실시예 및 본 명세서의 고찰로부터 당업자에게 명확할 것이다. 명세서 및 실시예는 단지 예시를 위한 것으로 고려되는 것이지 청구범위로 제한하고자 함은 아니다. 모든 인용 문헌, 특허 및 특허 출원은 참고로 그 전체가 본원에 결합되어 있다.

Claims (48)

1. 여과 프로세스로서,
   대향의 투과액과 보유액 측을 한정하는 멤브레인, 입구 및 출구, 멤브레인의 보유액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 공급 스트림, 멤브레인의 투과액 측을 따라 축방향으로 입구로부터 출구까지 흐르는 투과액 스트림, 및 투과액이 공급과 동일한 방향에서 멤브레인 모듈의 투과액 측을 통해 능동적으로 펌핑되는 흐름인, 병행류 투과액 재순환 흐름을 멤브레인 모듈에 제공하는 투과액 재순환 루프를 포함하는 멤브레인 모듈을 제공하는 단계;
   멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 기준선 압력의 차이가 입구와 출구에서 실질적으로 같도록 멤브레인의 투과액과 보유액 측의 입구와 출구에서 기준선 압력을 제공하기 위해, 멤브레인의 투과액 또는 보유액 측의 유속 또는 압력을 조절하여, 멤브레인의 투과액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하고, 멤브레인의 보유액 측의 기준선 압력을 출구에서의 기준선 압력보다 입구에서 더 크게 하는 단계; 및
   입구와 출구에서의 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차를 기준선 압력 사이의 차이에 대해 적어도 50 % 만큼 감소시키기 위해, 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계를 포함하는, 여과 프로세스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 멤브레인의 투과액 측의 압력을 주기적으로 조절하는 단계는 1 분 내지 6 시간 간격으로 1 내지 60 초의 지속기간 동안 발생하며, 상기 지속기간은 여과 프로세스를 구분시키는, 여과 프로세스.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력이 멤브레인의 투과액 측에서 주기적으로 감소되는 경우, 멤브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력차는 입구와 출구에서 본질적으로 0 으로 감소되는, 여과 프로세스.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 멤브레인은 나권형 멤브레인 (spiral wound membrane) 인, 여과 프로세스.
5. 제 1 항에 있어서,
   투과액 압력을 증가시키거나 보유액 압력을 감소시키는 것중 어느 하나에 의해, 역전 균일 막간 압력 (rUTMP:reverse uniform transmembrane pressure) 프로세스를 주기적으로 실행하여, 멤브레인의 보유액 측의 압력에 비해 멤브레인의 투과액 측의 제어 가능한 과압을 유발하여 멤브레인을 가로질러 역류를 제공하는 한편, 축방향 흐름을 멤브레인의 양측에서 입구로부터 출구까지 유지하고, 브레인의 투과액과 보유액 측 사이의 압력 차를 상기 rUTMP 프로세스 중 입구와 출구에서 실질적으로 동일하게 하는 단계를 더 포함하는, 여과 프로세스.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 rUTMP 프로세스는 1 분 내지 6 시간 간격으로 1 내지 60 초의 지속기간 동안 발생하며, 상기 지속기간은 여과 프로세스를 구분시키는, 여과 프로세스.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 멤브레인은 나권형 멤브레인인, 여과 프로세스.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 멤브레인의 투과액 측에 흐름 저항 요소가 포함되고,
   투과액은 상기 흐름 저항 요소를 통해 흐르고,
   상기 흐름 저항 요소를 통해 흐르는 투과액의 유속은 제어된 압력 구배를 형성하도록 바뀌고,
   상기 흐름 저항 요소는 테이퍼진 단일 인서트, 투과액이 흐르는 수집 튜브에 의해 한정된 내부 공간 내에서 팩킹된 다공성 매체, 투과액이 흐르는 수집 튜브 내에 수용되는 정적 혼합 장치 (static mixing device), 및 투과액이 흐르는 수집 튜브의 내벽으로부터 반경방향 안쪽으로 신장하는 적어도 하나의 배플로 이루어진 군에서 선택되는, 여과 프로세스.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 흐름 저항 요소는 수집 튜브의 내벽과 인서트 사이에 위치되는 적어도 하나의 탄성 밀봉 링에 의해 수집 튜브 내에서 유지되는 테이퍼진 단일 인서트를 포함하며, 상기 테이퍼진 단일 인서트는 밀봉 링 아래에서 그리고 테이퍼진 단일 인서트의 외부면을 따라 유체의 통과를 허용하는, 상기 탄성 밀봉 링 아래에서 신장하는 적어도 하나의 홈을 포함하는, 여과 프로세스.
10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인은 PVDF, 폴리술폰, 또는 폴리에테르 술폰 멤브레인으로부터 선택되고,
    상기 멤브레인은 0.005 내지 5 마이크로미터의 기공 크기를 갖는, 여과 프로세스.
11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림은 폴리펩티드, 핵산, 당단백질 또는 생체 고분자를 포함하는, 여과 프로세스.
12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림은 바실러스 종 (Bacillus sp), 에쉐리히아 종 (Escherichia sp), 판토에아 종 (Pantoea sp), 스트렙스마이시스 종 (Streptomyces sp), 및 슈도모나스 종 (Pseudomonas sp) 으로 이루어진 군에서 선택되는 세균성 생성 개체 (bacterial production organism) 의 발효 (fermentation) 생성물을 포함하는, 여과 프로세스.
13. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림은 진균 생성 숙주 (fungal production host) 로부터의 발효 생성물을 포함하는, 여과 프로세스.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 진균 생성 숙주는, 아스퍼질러스 종 (Aspergillus sp), 트리코데르마 종 (Trichoderma sp), 스키조사카로미세스 종(Schizosaccharomyces sp), 사카로미세스 종 (Saccharomyces sp), 푸사륨 종 (Fusarium sp), 휴미콜라 종 (Humicola sp), 무코 종 (Mucor sp), 크루이베로마이세스 종 (Kluyveromyces sp), 야로이야 종 (Yarrowia sp), 아크레모니움 종 (Acremonium sp), 뉴로스포라 종 (Neurospora sp), 페니실리움 종 (Penicillium sp), 마이세리오프토라 종 (Myceliophthora sp), 및 티에라비아 종 (Thielavia sp) 으로 이루어진 군에서 선택되는, 여과 프로세스.
15. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림은 프로테아제를 포함하고 여과는 15 ℃ 이하에서 유지되는 온도에서 실행되거나, 또는 상기 공급 스트림은 아밀라아제를 포함하고 여과는 55 ℃ 이하에서 유지되는 온도에서 실행되는, 여과 프로세스.
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