用于利用交替的切向流的连续处理的装置、系统和方法与流程

用于利用交替的切向流的连续处理的装置、系统和方法
1.优先权
2.本技术要求于2019年8月5日提交的题为“devices,systems,and methods for continuous processing with alternating tangential flow”的美国临时专利申请no.62/882,783的优先权权益，该申请通过引用整体结合于本文。
技术领域
3.本公开涉及用于包括生物处理和制药应用的各种应用的切向流过滤器、膜和超滤膜，使用这种过滤器的系统以及使用它们进行过滤的方法。
技术背景
4.本公开涉及用于包括生物处理和制药应用的各种应用的切向流过滤器、膜和超滤膜，使用这种过滤器的系统以及使用它们进行过滤的方法。在各种处理中，可能需要滞留物浓度。然而，理想的滞留物浓度可能需要多次分批处理、延长的时间段和/或中断处理以清洗或更换系统零件。
5.正是关于这些考虑，本公开的装置、系统和方法可能是有用的。


技术实现要素：

6.利用交替切向流的连续处理系统可以安装成与上游和/或下游的处理流体连通。在本文描述的一种实施例的方面中，一种用于连续处理的交替切向流系统可以包括包含流体的供给管线。滞留物管线可以与供给管线流体连通。第一隔膜(例如，隔膜泵)可以位于滞留物管线的入口处，其被构造为朝向滞留管线的出口泵送流体。第二隔膜可以位于滞留物管线的出口处，其被构造成向滞留物管线的入口泵送流体。膜可以与第一隔膜和第二隔膜之间的滞留物管线流体连通。滞留物泵可以位于滞留物出口处，其被构造为将流体泵送出滞留物管线。
7.在各种实施例中，第一隔膜和第二隔膜可以以交替的方式彼此同步。滞留物泵的流量可以小于第一隔膜的流量和第二隔膜的流量中的每一个。供给管线可以与第一流体系统处理流体连通，并且滞留物管线可以与第二流体系统处理流体连通。第一隔膜和第二隔膜中的每一个的流体体积可以大于滞留物管线的位于膜内的部分的体积。计量阀可以位于滞留物出口处。供给管线的流量可以基本等于滞留物出口的流体的流量。滤液管线可以与膜流体连通。第一传感器可以与滤液管线共线。第二传感器可以位于滞留物出口处。
8.在一方面，一种用于连续处理的交替切向流装置可以包括具有第一端部和第二端部的壳体。膜可以布置在壳体内。膜可以具有滞留物流动路径。入口可以在壳体的第一端部处，与滞留物流动路径流体连通。滞留物出口可以位于壳体的第二端部处，与滞留物流动路径流体连通。滤液出口可以位于壳体中，并且可以与穿过膜的滞留物流动路径流体连通。第一隔膜可以位于入口处，其被构造成朝向滞留物出口泵送流体。第二隔膜可以位于滞留物出口处，其被构造成朝向入口泵送流体。第一隔膜和第二隔膜中的每一个的流体体积可以
大于膜内的滞留物流动路径的体积。第一隔膜和第二隔膜可以各自被构造成以交替的方式彼此同步。计量阀可以在滞留物出口处。
9.在一方面，一种交替切向流的方法可以包括将直接来自第一流体处理的流体供给成与膜流体连通。流体可以往复地切向地穿过膜。流体可以被直接从膜泵送到第二流体处理。
10.在各种实施例中，可以调节往复地切向地穿过膜的流体的流量，使得所需浓度的流体被从膜泵送到第二流体处理。从膜泵送到第二流体处理的流体的流量可以小于往复流体的流量。第二流体处理可以包括使流体往复地切向地穿过另一膜。往复步骤可以连续地执行24小时以上。可以调节穿过膜的滤液流体流与泵送到第二流体处理的流体流的比率，以调节泵送到第二流体处理的流体的浓缩系数。流体的流量可以被计量到第二流体处理。可以增加供给步骤中流体的供给速率。可以增加往复运动的流体的频率。
附图说明
11.从下面结合附图给出的详细描述中，本公开的上述和其他方面将变得更加明显，其中：
12.图1是“供给和排放”切向流处理的示意图。
13.图2是根据本公开的一种实施例的用于进行连续处理的交替切向流系统的示意图。
14.图3是根据本公开的一种实施例的连续处理系统与分批处理系统的流量的示例性图表。
15.图4是根据本公开的一种实施例的连续处理系统与分批处理系统的流量的另一示例性图表。
16.图5是根据本公开的一种实施例，比较连续处理系统与分批处理系统的流量和跨膜压力的示例性图表。
具体实施方式
17.概述
18.产生最终产品可能需要将流体处理成理想的浓度。该浓度可能无法在单个处理中获得，需要多次经过和/或分批通过一个或更多个处理。流体可能需要多个分批处理步骤，可能需要进行设置、操作、监控、停止、清洗或更换，以获得所需的产品。
19.生物制药行业中可能使用利用膜(例如超滤膜)的切向流过滤装置来浓缩和渗滤处理流。这些处理可以分批操作，并且可以独立地操作，而不需要与分批处理的上游或下游的顺序处理进行流体连通。这种分批处理具有耗时、成本高、需要频繁维护以及其它缺点。
20.例如，在单程切向流过滤(sptff)中，可以采用一系列过滤器来连续地过滤流体的滞留物浓度以达到所需浓度。然而，来自一个过滤器的滞留物流决定了用于连续地沿着过滤器系列的管线的下一个过滤器的供给流。由于流体流和粘度沿着过滤器管线变化，每个过滤器参数可能需要细化。例如，在运行sptff之前，可能需要调整过滤器、壳体和管件的长度和直径，其必须预先配置，不可以进行调整，例如用以微调浓度。
21.如本文所使用的，本领域普通技术人员可以将术语“隔膜”理解为用于置换流体的
弹性构件、泵的部件、泵和/或根据上下文与术语“隔膜泵”互换地使用。
22.在另一示例中，参考图1，示出了现有技术的“供给和排放”循环处理示意图，其包括供给管线104，第一泵101控制供给管线104的进入向第二泵102的处理的流动速率。第二泵102控制流体流向过滤器100的流动速率。过滤器100被构造为从穿过过滤器100的流体中去除滤液112。回流管线106将来自过滤器100的流体引导回第二泵102，以由过滤器100再处理。从第二泵102通过过滤器100的这种单方向流动需要多次再处理循环通过过滤器100，以获得期望的浓度。可以停止该处理，并且可以打开滞留物管线110以将已经彻底处理至期望的浓度水平的流体排出。
23.因此，生物处理行业中需要一种用于连续处理的交替切向流系统。本文讨论的示例性实施例包括满足这些需求的参数和操作变量。
24.示例性实施例
25.图2示出了根据本公开的一种实施例的用于进行连续处理的交替切向流系统的示意图，其包括包含流体的供给管线204。流体可以来自上游处理220，例如筛选处理、浓缩处理、过滤、微滤、净化等。上游处理220的流动速率可以决定通过交替切向流连续处理系统的流动速率，或者至少决定供给管线204的流动速率。滞留物管线210与供给管线204流体连通。第一泵201(例如，隔膜)在滞留物管线210的入口处，并且被构造为将流体朝向滞留物管线210的出口211泵送。第二隔膜202在滞留物管线的出口211处，其被构造为朝向滞留物管线210的入口泵送流体。壳体内的膜200与第一隔膜201和第二隔膜202之间的滞留物管线210流体连通。壳体具有入口和出口，各自与滞留物流动路径210和膜200流体连通。滤液管线212与膜200流体连通。第一泵201和第二泵202可以各自以同步、交替的方式将流体推动进入在膜200处的滞留物管线210中。第一泵201可以朝向第二泵202推动流体通过在过滤器200处的滞留物流动路径210，并且第二泵202可以朝向第一泵201推动流体，两者均沿着方向箭头203。第一泵201和第二泵202沿着膜200切向地平移流体，从而在流体和膜200之间产生剪切力，并且滤液通过膜200过滤出来，并经由滤液管线212离开处理系统。第一泵201和第二泵202的这种来回203推动不依赖于真空拉力(例如，通过单泵过滤系统)，真空拉力可能会增加过滤器积垢并且可能降低流体粘度。可以限制滞留物出口211，以便在膜200处的滞留物管线210中建立一定量的流体压力，使得流体具有从滞留物出口211流出的理想的浓度，用于收集或立即转移到另一下游处理。滞留物泵在滞留物出口211处，并且其被构造成泵送流体离开滞留物管线210，并且可以是计量泵，后者可以包括计量阀。滞留物出口211处的滞留物泵可以产生低于供给管线204处的流动速率的流动速率，从而降低通过处理系统的滞留物流动。例如，可以采用10：1的比例(例如，通过供给管线204或滞留物入口为10l/min，通过滞留物流体出口211为1l/min，并且通过滤液管线212为9l/min)。例如在本示例中，滞留物流体出口211的流动速率和进供给管线204的流动速率都可以保持基本稳定，以便可以在不需要分批处理的情况下，将另一处理系统直接安装在供给管线204的上游和/或滞留物出口211的下游。例如，该连续交替切向流处理系统可以被放置成与完整的净化处理系统流体连通和串联。滞留物传感器可以与滞留物出口211串联，滤液传感器可以与滤液管线212串联，其可以向控制器提供反馈，以控制第一泵201和第二泵202，从而调整通过滞留物管线211和滤液管线212的流体的流动速率。
26.本公开的系统实施例的泵可以是多种类型的泵。例如，隔膜泵、线性泵、活塞泵、柱
塞泵、齿轮泵、轴流泵、凸轮泵、泵喷射装置、螺杆泵、压电泵、离心泵等。泵可以具有用于接收流体的接收容积，该接收容积的容积大于膜处的滞留物管线的容积。
27.在本文的系统的实施例中，可以通过控制一个或更多个泵来调整供给管线、滞留物管线、滤液管线或其管线的任何入口或出口等处的流体的流动速率、流量、压力、粘度等。例如，可以手动或自动地调整隔膜的频率、速度、力、冲程长度、压力等。这些调整可以是动态的，以便在处理中保持一个或更多个参数。一个或更多个传感器可以安装成与流动管线或泵流体连通，该流动管线或泵可以将流体性质通信给控制器。控制器可以监控流体管路或泵的流动速率、压力、流量等，并且可以使用所监控的数据来控制一个或更多个泵，以实现例如流体的期望流动速率特性或浓度。可以使用控制器来控制一个或更多个泵，以通过依次地致动泵来以交替的方式进行同步，或者通过定时每个泵使其与其它泵同步地致动。
28.系统的操作可以通过使用处理流转换率(cr)来描述，下面定义了两个不同的变体。连续切向流过滤(tff)处理的浓缩系数(c
fac
)可以使用“初级”转化率cr
(1)
来计算，并且指的是与进入单位操作的供给流的速率相比，产生滞留物的速率。当分子被膜完全截留时，将适用于单位操作的相对浓缩系数。连续tff处理操作的浓缩系数是使用供给流(qf)被分流和连续地离开过滤器的滞留物出口的浓缩物(qr)的分数计算的。该“初级”转化率被定义为cr
(1)
＝qf/qr，其中，供给流进入过滤器的速率除以离开过滤器的滞留物的比率表示操作所达到的浓缩系数。例如：进入连续tff处理的供给流速率为20lpm，滞留物流为1lpm，来自该处理的滤液流为19lpm。处理转换率为20∶1，并且产生了20x的浓缩系数。典型的初级处理转化率的范围可以从2∶1(2x浓缩系数)到高达200∶1(200x浓缩系数)。此外，切向流过滤(tff)系统(例如，壳体，其包括膜过滤器，并具有供给入口、滤液出口和滞留物出口，即为“盒”)的一个关键操作参数可以使用“次级”转化率cr
(2)
来定义，并且指的是与流体在滞留物和/或供给通道中被泵送来回穿过膜的表面的速率相比，产生滤液的速率。过滤盒内的转化率指的是供给和/或滞留物流的通过膜到达滤液出口的部分。等式cr
(2)
＝qf/qf建立了产生的滤液与供给流速率的比率(即滤液管线出口流的速率与在滞留物和/或供给通道内来回穿过膜表面的流的速率之比)。该泵送速率与在滞留物和/或供给通道内穿过膜表面的速度成正比，并影响膜过滤器的凝胶层极化。如果隔膜室的排量被规定为4l，并且隔膜每分钟往复50次，则供给和/或滞留物流动速率为200升每分钟。继续根据以上示例，滤液以每分钟19升的速度流动，供给/滞留物通道内的转化率现在约为1∶10。这种关系对于凝胶层的形成和膜积垢很重要。典型的“盒”转换率可能在从1∶2到低至1∶100的范围内，因为在浓缩处理期间，穿过表面的泵送速率保持恒定，而滤液流动下降。
29.通过本公开的处理的实施例的流动速率可以保持基本恒定。例如，供给管线和滞留物管线出口的流动速率可以基本相似，而其他处理系统(例如串联式)可能会大幅降低初始供给管线流动速率和达到浓度的系列的末端处的出口之间的流动速率。例如，进入的处理流(比如在供给管线中)的浓度可以变化，并且可以调整由处理系统实施例的第一泵和第二泵产生的流动速率，以保持转化率，从而在滞留物出口处产生期望的浓度。替代地，供给管线的流动速率可以基本上保持大于滞留物出口的流动速率。
30.本文中的系统可以是独立的，可以位于另一系统的上游并与之流体连通，和/或可以位于另一系统的下游并与之流体连通。系统的供给管线的流动速率可以取决于上游系统的输出。滞留物出口的流动速率可以取决于下游系统的供给管线。
31.膜的凝胶层极化可能会发生，并可能积聚起来，导致膜积垢或堵塞。然而，在本公开的各种实施例中，流体在例如两个泵之间的滞留物管线中的往复流动有助于除去集聚在膜上的凝胶层，和/或与分批系统相比，通过系统的流量较低，可以减少积垢，并且可以允许通过膜的延长的操作，而不必清洗或更换。
32.在图3和图4中，根据本公开的一种实施例，显示了连续处理系统与分批处理系统的流量的变化的数据(l/m2/hr，lmh)。图3描绘了来自合成聚合物pvp k90的数据，图4描绘了来自bsa的数据。图3和图4的x轴显示了浓缩系数，y轴显示了滤液流量。对于分批处理而言，流量可能与实现浓缩系数相关。在连续处理系统实施例中，流量可能不是关键，因为浓度(或转化率)是独立于流量控制的。然而，在某些系统中或某些流体的情况下，随着时间的推移，流量可能有助于保持膜的功能。例如，与较低的流量相比，较高的流量可能有助于清除膜上的积垢或极化。在图3和图4中，示例性连续处理系统的流量类似于分批系统的流量，有时高于分批系统的流量。
33.在图5中，根据本公开的一种实施例，显示了均使用pvp k90的连续处理系统与分批处理系统的流量(l/m2/hr，lmh)和跨膜压力(lb./in2(psi)，tmp)的变化的数据。x轴显示了体积流动速率，y轴显示了滤液流量和tmp。跨膜压力是使流体穿过系统的膜所需的压力。通过量(throughput)是从流体中过滤的材料的量。分批系统和连续系统的流量曲线在开始时高于曲线的其余部分，因为初始时浓度尚未达到。与分批系统的流量相比，连续系统的流量以更陡的速率下降，因为流体的浓度在连续系统中比在分批系统中更快地达到，在该点处，连续系统以基本恒定的流量运行。与需要以较短的调谐时间间隔停止和维护的较大且不断变化的分批系统相比，这允许用户设置并且以恒定的流量率(例如，约40lmh)在延长的时间段内可靠地运行连续系统。这种一致的流量率还允许连续系统与其他处理系统直列式安装，因为保持了基本一致的流量。以在基本相似的大约16psi的tmp下运行来比较分批系统和连续系统。分批系统的平均流量为85lmh，产品回收率为83％，而连续系统的平均流量为51lmh，相比之下，其产品回收率为92.1％。连续处理系统的平均流量低于分批处理系统的平均流量(约为分批系统的平均流量的60％)，因为连续处理系统在大部分的运行时间内以较高的浓缩系数运行。如果连续处理系统的低流量是不希望的，则可以通过串联地安装多个膜或处理系统来减轻低流量。例如，第一膜可以以较高的流量速率执行流体的浓度降低的大部分，而第二过滤器可以以较低的流量速率完成流体的剩余的浓度降低。
34.在各种实施例中，交替切向流动的方法可以包括将直接来自第一流体处理的流体供给成与膜流体连通。流体可以往复地切向地穿过膜。流体可以被直接从膜泵送到第二流体处理。可以调节切向地往复地穿过膜的流体的流量，使得所需浓度的流体从膜泵送到第二流体处理。从膜泵送到第二流体处理的流体的流量可以小于往复运动的流体的流量。第二流体处理可以包括使流体切向地往复地穿过另一膜。往复步骤可以连续地执行24小时以上。可以调节穿过膜的滤液流与泵送到第二流体处理的流体流的比率，以调节泵送到第二流体处理的流体的浓缩系数。流体的流量可以被计量到第二流体处理。可以增加供给步骤中流体的供给速率。可以增加往复流体的频率。
35.根据本公开的切向流过滤器包括切向流过滤器和膜，其孔隙尺寸和深度适合于排除大颗粒(particle)(例如，细胞、微载体或其他大颗粒)，捕获中等尺寸的颗粒(例如，细胞碎片或其他中等尺寸的颗粒)、微粒、分子，以及允许小颗粒(例如，可溶性和不溶性细胞代
谢物以及细胞产生的其他产物，包括表达的蛋白质、病毒、病毒样颗粒(vlp)、外来体、脂质、dna、分子或其他小颗粒)。如本文所使用，的“微载体”是允许贴壁细胞在生物反应器中生长的颗粒支持物。
36.在这点上，对于各种过滤处理(包括细胞培养液的过滤，比如在细胞培养液的灌注和收获中过滤的那些)来说，最容易出问题的领域之一是由于过滤器积垢导致的目标分子或颗粒的质量转移的降低。本公开通过结合切向流过滤的优点和深度过滤的优点，克服了这些困难中的许多困难。如在使用切向流过滤的标准薄壁中空纤维过滤器中一样，细胞被泵送通过中空纤维的流动路径，沿着中空纤维的内表面的表面清扫它们，允许它们被回收用于进一步的生产。然而，与蛋白质和细胞碎片在中空纤维的内表面处形成污垢凝胶层不同，该壁增加了本文所称的“深度过滤”特征，其将细胞碎片捕获在壁结构内，在保持在本公开的各种实施例中的典型靶蛋白的接近100％的通过的同时，使得体积通过量增加。这种过滤器在本文中可以被称为切向流深度过滤器。
37.用于本公开的合适的颗粒和/或细丝包括无机和有机颗粒和/或细丝。在一些实施例中，颗粒和/或细丝可以是单组分颗粒和/或单组分细丝。在一些实施例中，颗粒和/或细丝可以是多组分(例如，双组分、三组分等)颗粒和/或细丝。例如，在许多其他可能性中，可以采用具有由第一组分形成的芯和由第二组分形成的覆盖层或护层的双组分颗粒和/或细丝。
38.在各种实施例中，颗粒和/或细丝可以由聚合物制成。例如，颗粒和/或细丝可以是由单一的聚合物形成的聚合物单组分颗粒和/或细丝，或者它们可以是由两种、三种或更多种聚合物形成的聚合物多组分(即，双组分、三种组分等)颗粒和/或细丝。很多种聚合物可用于形成单组分和多组分颗粒和/或细丝，包括聚烯烃(比如聚乙烯和聚丙烯)、聚酯(比如聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯)、聚酰胺(比如尼龙6或尼龙66)、含氟聚合物(比如聚偏二氟乙烯(pvdf)和聚四氟乙烯(ptfe))等。
39.可以通过使用例如管状模具将颗粒形成管状形状。一旦形成为管状形状，颗粒可以使用任何合适的处理结合在一起。例如，可以通过将颗粒加热到颗粒部分地熔化并且在不同的接触点处变得结合在一起的温度(可选地，在还压缩颗粒的同时)来将颗粒结合在一起(称为烧结的处理)。作为另一个示例，可以通过使用合适的粘合剂以在不同的接触点处将颗粒结合到彼此(可选地，在还压缩颗粒的同时)来将颗粒结合在一起，
40.可以用于形成管状形状的基于细丝的制造技术包括，例如，从多个挤出模具同时挤出(例如，熔融挤出、基于溶剂的挤出等)，或静电纺丝或电喷涂到杆状基材(其随后被移除)上，等等。
41.可以使用任何合适的处理将细丝结合在一起。例如，可以通过将细丝加热到细丝部分熔化并且在不同的接触点处变得结合在一起的温度(可选地，在还压缩细丝的同时)来将细丝结合在一起。作为另一个示例，可以通过使用合适的粘合剂以在不同的接触点处将细丝结合到彼此(可选地，在还压缩细丝的同时)来将细丝结合在一起。
42.在特定实施例中，许多纤细的挤出细丝可以在不同的点结合在一起以形成中空纤维，例如，通过由挤出的细丝形成管状形状并加热细丝以将细丝结合在一起，以及其他可能性。
43.结论
44.本公开不限于中所描述的特定实施例。本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意在进行限制。除非另外定义，否则本文使用的所有技术术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
45.尽管具体参照培养基(包括用于生物处理)对本公开的实施例进行了描述，但是应当理解，这种系统和方法可以用于处理流体的各种构造(通过各种仪器)和各种流体。
46.如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(所述)”也意在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。当在本文中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”，或“包含(includes)”和/或“包括(including)”说明所述特征、区域、步骤要素和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的，连词“和”包括如此结合的每个结构、部件、特征等，除非上下文另有明确说明，并且连词“或”包括这样结合的结构、部件、特征等中的一个或其它的(单独地和以任何组合和数量)，除非上下文另有明确说明。术语“或”通常以其含义包括“和/或”的方式使用，除非上下文另有明确说明。
47.无论是否明确指出，在本文中，假定所有数值均由术语“大约”修饰。在数值的上下文中，术语“大约”通常指本领域技术人员将认为等同于所述值(即，具有相同的功能或结果)的数的范围。在许多情况下，术语“大约”可以包括舍入到最接近的有效数字的数。除非另有说明，否则术语“大约”的其他用法(即，在除数值之外的上下文中)可以假定具有其从说明书的上下文理解并与说明书的上下文一致的普通和常规的定义。通过端点陈述的数值范围包括该范围内的所有数，包括端点(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。
48.注意的是，说明书中提到“一种实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”等表示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例不一定包括所述特定的特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定指同一实施例。此外，当结合一种实施例描述特定的特征、结构或特性时，无论是否明确描述，将此种特征、结构或特性与其他实施例相结合将落在本领域技术人员的知识范围内，除非有明确的相反说明。也就是说，如本领域的普通技术人员将理解的，如下所述的各种单独的元件，即使没有以特定的组合明确地示出，仍然被认为是可彼此组合或可彼此布置的，以形成其他附加的实施例或补充和/或丰富所描述的实施例。