用於流體樣品的微流過濾系統和流過濾方法

2023-07-07 08:51:56 4

用於流體樣品的微流過濾系統和流過濾方法
【專利摘要】用於濃縮流體樣品中所含的組分的流過濾系統（1)，其包含流體通道（2)、切向流過濾模塊（3)和各自具有兩個活塞泵（6)的至少兩對（8,9)活塞泵（6)，流體通道（2)由兩個導管（4，5)形成以使流體樣品能雙向流過流體通道（2)，其中活塞泵（6)的活塞工作容積形成能容納體積最多達100毫升的流體的儲器。切向流過濾模塊（3)位於流體通道（2)中以使流經通道（2)的流體經過過濾模塊（3)。在通道（2)的各末端（10，11)以下述方式布置各對（8，9)活塞泵（6)的一個活塞泵（6):活塞泵並聯地流體連接。布置並調節系統(1)以在濃縮過程中至少在預定時間內僅利用一對（8，9)活塞泵（6)驅動流體經過切向流過濾模塊⑶。
【專利說明】用於流體樣品的微流過濾系統和流過濾方法
[0001]本發明涉及用於提高流體樣品中所含組分的濃度的微流過濾系統和流過濾方法。該系統包含具有切向流過濾模塊(TFF模塊)的流體通道，該模塊具有能在流體樣品經過時將該流體樣品分離成滲餘流和滲透流的半透膜。該流體可雙向流過該通道，以經過TFF模塊並由此提聞該流體的濃度。
[0002]為提純或濃縮而使用半透膜過濾流體樣品的流過濾系統是現有技術狀況中公知的。這些系統在提純的情況下用於除去微粒或分子汙染物或用於提高例如用於實驗室分析的流體中的組分濃度。這樣的過濾系統的膜可以與流體樣品流垂直布置，這被表徵為垂直流過濾，或該膜表面可以與流體樣品流基本平行布置，這被稱作切向流過濾系統(TFF-系統)。
[0003]切向流過濾系統的優點在於，由於基本平行於膜表面的樣品流向，發生自動清掃和清潔，以致藉助此類系統通常可實現與相應的垂直流過濾系統相比更高的通量和更高的吞吐量。此外，大量樣品連續流經膜表面以致在此類系統中不容易發生堵塞、結垢或局部提高的濃度。考慮到這些和其它優點，切向流過濾系統(TFF-系統)常用於工業藥物製造法和其它工業方法，如生物技術或食品飲料工業。
[0004]在流體經過具有半透膜的切向流過濾模塊的過程中，小於膜孔徑的溶液組分作為滲透流流過該膜，而較大組分留在滲餘流中。滲餘流在流動線路中再循環或轉向並以連續方式被再泵過該膜。這樣的TFF-系統用於在從該系統中排出滲透流時顯著降低樣品溶液的體積。因此，當以濃縮模式驅動該系統時，樣品溶液變濃。
[0005]切向流過濾系統常用於製造生物技術劑和治療劑。該過濾法常用於提高活性成分，例如蛋白質、粒子、聚集體、離子、細菌、病毒、核酸、糖類等的濃度。在新蛋白質的開發中，含有要濃縮的蛋白質的流體樣品通常只能以幾毫升(ml)的少量獲得。此外，這些蛋白質溶液通常成本密集或難製造。因此，希望也使用大約20毫升或更少的量作為濃縮過程的起始體積。
[0006]這樣少量的流體樣品的處理相當困難。只有少數流過濾系統能用這樣小的流體體積運行。通常，使用包含具有切向流過濾模塊、容納流體樣品的儲器、一個或多個壓力傳感器、閥和驅動流體樣品經過該線路的泵的線路的流過濾系統。驅動流體循環經過該線路以創建該線路中的單向流。具有環形線路和內部儲器的此類過濾系統的缺點在於內部儲器對該線路的最低工作體積帶來額外的大份額。
[0007]為實現小流體體積的預定濃縮率，要求最低工作體積必須極小。可以作為該線路的起始體積與最低工作體積的比率估算所需濃縮率。因此，如果例如起始體積為20毫升且所需濃縮率為20，則該線路的最低工作體積最多只能為I毫升。最低工作體積是在不會泵入空氣(以便可以設置經過該線路的連續流)的情況下可被驅動經過該線路的流體的量。經過切向流過濾模塊的單向流的另一缺點是無法穿過該膜的分子在膜長度上的分布不均勻。滲餘液通道下遊側的分子數常常比上遊側高。因此，在TFF模塊的滲餘液出口附近，隨濃縮過程的運行時間經過，會發生結垢或堵塞。
[0008]因此，如果必須濃縮少量流體樣品，可以使用雙向過濾系統。這樣的系統包含集成在具有兩個末端的線性流體通道中的切向流過濾模塊。在兩個末端都存在活塞泵或注射泵，以便利用這兩個泵泵送流體雙向經過TFF模塊。活塞泵具有用於容納要濃縮的流體樣品的儲器。該儲器相當於該泵的活塞工作容積。因此，為活塞泵設計分立的體積範圍以使該泵最好在與活塞泵的活塞工作容積相同範圍內的小體積範圍內工作。要處理的體積越小，用於驅動流體經過該過濾系統的活塞行程長度越小。其帶來的缺點在於，在要加工小流體體積時，在過濾過程的最後，活塞行程長度也非常小，這造成相對較大的偏差和相對較高的不精確度。
[0009]因此，尤其在製藥學和生物技術工業中，仍然強烈地需要能用少量流體樣品(優選小於20毫升起始體積)運行並能將溶液的組分濃縮大濃縮係數的切向流過濾系統。這樣的過濾系統此時不可購得。本發明的一個目的是提供既能處理少量流體又能提供所要求的濃縮係數的優化TFF-系統。此外，應在過濾過程中的長時期內避免TFF模塊中的堵塞和結垢。
[0010]通過具有根據權利要求1的特徵的用於實施流體法的微流過濾系統解決了該問題。也通過根據權利要求11的流過濾方法解決該目的。
[0011]本發明的用於實施流體法(例如提高流體樣品中所含的組分的濃度，或用交換緩衝液交換樣品溶液的溶劑)的微切向流過濾系統，其包含具有集成切向流過濾模塊的流體通道。該流體通道由與切向流過濾模塊相連的兩個導管形成，以使流體樣品能夠雙向流過該通道和TFF模塊。可以使這些導管的內部體積最小化以降低該流體線路的整體工作體積。這尤其可如下實現:這種導管功能結構集成到該線路的現有流體部件中，例如結構集成到TFF模塊的外殼中，或集成到將TFF模塊與活塞泵相連的T形流體元件中。
[0012]該切向流過濾模塊(TFF模塊)具有第一流體口、第二流體口、滲透液出口和半透膜，該半透膜能在流體樣品進入切向流過濾模塊時將該流體樣品分離成滲餘流和滲透流。該TFF模塊是具有大約10微米至0.02微米的膜孔徑、或包含具有大約I至100kD(千道爾頓)的截留分子量的膜的微流過濾模塊。該膜還能實施超濾，以致膜孔徑可以小於0.02微米，或膜孔隙的尺寸使它們得到小於IkD的膜截留分子量。
[0013]該TFF模塊位於流體通道中，使得一個導管與第一流體口相連，另一導管與第二流體口相連，從而使流經該通道的流體經過TFF模塊。
[0014]該微流過濾系統進一步包含至少兩對活塞泵，其中各對活塞泵包含兩個活塞泵和用於控制活塞泵的控制單元。各活塞泵具有一定的活塞工作容積，其形成可容納流體的儲器。在流體通道的各末端布置至少兩個活塞泵。末端處的活塞泵以下述方式布置:它們流體連接，優選並聯。因此，在流體通道的各末端，第一對活塞泵的一個活塞泵與第二對活塞泵的一個活塞泵並聯地流體連接。或者，這些活塞泵可以串聯地流體連接。一對活塞泵中的活塞泵優選等體積。因此，由類似的活塞泵形成一對活塞泵。
[0015]在本發明中，活塞泵被理解為是具有可在活塞工作容積中移動以至少部分地、優選完全置換該泵的儲器(活塞工作容積)中所含的流體的活塞的泵。活塞泵的優選類型是能從所含儲器中完全排空流體的注射泵。在本發明中，術語活塞泵和注射泵同義使用。但是，在該微流體過濾系統中也可以使用蠕動泵驅動流體經過流體通道。
[0016]通過控制單元控制活塞泵的活塞的運動。布置並調節該控制單元以同步控制各對活塞泵的活塞泵的驅動。該控制單元可進一步控制從一對活塞泵向另一對活塞泵的切換。其也可以控制切換時間。
[0017]該控制單元控制一對活塞泵的活塞的運動，以使它們可以進行用於使流體以恆定流速和恆定壓力速率經過TFF模塊的同步運動。因此，同步或調節活塞在各活塞泵的活塞工作容積中的行程。由於在濃縮過程中在TFF模塊中作為滲透流排出一定量的流體，必須相應調節活塞泵的活塞的行程。此外，如果一對活塞泵中的流體量降至預定速率，必須從一對活塞泵切換至另一對活塞泵。為了控制切換和/或切換時間，該控制單元可以評估來自測量和控制元件(其可以是傳感器，例如壓力傳感器、天平、流量計等)的信息。本領域技術人員了解可向控制單元提供信息的若干傳感元件。
[0018]在一個優選實施方案中，該控制單元包含第一控制機構和第二控制機構，其中各控制機構控制一對活塞泵的活塞。但是，該控制單元或各控制機構也可以控制多對活塞泵的活塞泵。該控制單元還可包括多於兩個控制機構。
[0019]為控制活塞泵的活塞的運動，該控制單元可直接作用於活塞以利用來自控制單元的直接作用。或者，該控制單元可控制發動機或齒輪等以間接控制活塞的運動。也可以通過用於控制活塞泵的控制單元控制發動機控制單元。
[0020]在並聯布置的活塞對的情況中，布置和構造該系統以在濃縮過程期間，僅利用所述至少兩對活塞泵的一對驅動流體經過流體通道。另一對活塞泵隨之停用，且這另一對活塞泵的各活塞泵的活塞處於使這另一對活塞泵的各活塞泵的死體積最小化的位置。因此，在濃縮過程的第一時期中，利用一對(第一對)活塞泵的活塞泵。在濃縮過程的第二時期中，可以利用另一對(第二對)活塞泵驅動流體。因此優化該系統中的死體積與剩餘流體體積的比率。顯然，也可以使用多於兩對泵。
[0021]為了以串聯布置使用活塞泵對，在濃縮過程的第一時期使用直徑較大的活塞。在濃縮過程的第二時期停止直徑較大的柱塞的運動並僅使用直徑較小的活塞和柱塞。
[0022]使用過濾膜過濾溶解在液體溶液中的分子的過程導致流體體積降低。流體體積降低越多，分子濃度的提高越多。因此活塞的行程長度可適應於留在過濾系統中的流體體積。對相對於活塞工作容積的小體積而言，由於只需要實施長度極小的活塞行程並且該活塞的相對較小運動造成就實際流體體積而言相對較大的流體流，無法非常精確地控制活塞泵的活塞行程長度。因此，在小體積或大體積下的活塞泵控制是相當複雜的，並需要大量努力和付出。必須相應地設計控制單元,這也是成本密集的。
[0023]如果該流體系統中的體積降至等於或小於較小活塞泵的體積加上系統死體積的量，則從第一對活塞泵切換至具有較小體積的第二對活塞泵。該控制單元可以加工必要的傳感器信息並可以引發該切換。這實現該流體系統的優化控制和操作以及優化的過濾法。
[0024]在一個優選實施方案中，所述控制單元控制第一對活塞泵和第二對活塞泵的活塞泵的運動，以在恆壓下將流體推過TFF模塊。因此，可以在適當位置用傳感器測量流體通道中的壓力。然後可以相應地改變活塞泵的活塞的運動以確保連續流和恆壓。使用TFF模塊的過濾法得到增強，並在該TFF模塊中不容易發生堵塞、結垢或濃度的局部提高。這優選在流體經TFF模塊從一個活塞泵來回泵送和流向同一對活塞泵中的另一活塞泵的過程中進行。
[0025]在另一實施方案中，可以在流體過程開始後達到預定時間後進行從第一對活塞泵向第二對活塞泵的切換。如果進行高度可再現和明確限定的過濾法，優選使用該預定時間間隔標準。如果切換時間可以由其它預備試驗確定或可以使用基於已知系統參數的理論公式計算，可以使用這種標準。在這種情況下，可以避免在線測定實際體積。該控制單元因此包含計時器等。
[0026]可以使用若干方式之一監測進行這兩對活塞泵之間的切換的體積水平。例如，可以使用天平測量作為滲透流排出的流體量以便稱量該量並計算體積。由其可以測定流體通道中的實際體積。此外，可以使用一個活塞的獨立行程長度測定該體積，並監測實施這種獨立的行程長度所需的發動機增量，直至檢測到系統壓力、例如過濾模塊的跨膜壓力的改變。在每種情況下分別向用於控制活塞泵的控制單元提供傳感器信息。
[0027]在本發明的微流過濾系統中，優選使用兩對活塞泵，各對含有針對不同體積範圍的活塞泵。一對活塞泵的活塞泵的體積大於另一對活塞泵的活塞泵的體積。在實際使用中，第一對活塞泵包含的活塞泵的體積大於第二對活塞泵的活塞泵的體積。這能使用具有較大體積的第一對活塞泵處理相對較大的體積。如果體積降至較小量(例如，如果達到流體系統內的預定流體體積)，該系統從第一對切換至第二對活塞泵，以處理較小(剩餘)體積的流體。因此，該系統始終用針對當前流體體積體積優化的活塞泵對操作。這能在流體過程的各階段優化流體計量和優化活塞泵的運動。
[0028]優選地，第一對的活塞泵的體積是第二對的活塞泵的體積的至少3倍，優選至少5倍或10倍，特別優選至少25倍。在一些優選實施方案中，第一對的活塞泵的體積是第二對的活塞泵的體積的至少100倍。因此，用活塞泵的這種組合可涵蓋寬的體積範圍。優選地，一對的活塞泵顯著大於另一對的活塞泵。為了用活塞泵對的該組合實現有利和積極的作用，活塞泵對的體積在任何情況下都必須不同。
[0029]因此，本發明的微流過濾系統能用體積最多100毫升、優選最多25毫升、特別優選最多10毫升或I毫升的流體樣品運行。由於所需濃縮率和流體樣品的起始體積受該系統的最低工作體積影響，需要儘可能小的最低工作體積。該系統的最低工作體積優選為最多
I毫升，優選最多700微升，更優選最多500微升，特別優選最多200微升，也特別優選最多100微升。
[0030]最低工作體積是在不會將空氣泵過該系統的情況下流過濾系統中可操作的流體體積。因此，如流體通道和TFF模塊之類的部件、元件和導管必須被一定量的流體填充，這避免液體溶液中形成氣穴，換言之，這避免空氣進入該系統。
[0031]優選地，該微流體過濾系統中包含的流體體積等於較大那對泵的一個活塞泵的體積。該系統中包含的流體體積也可以與該系統中包含的所有活塞泵的體積總和一樣大。也可以將外部流體儲器連接到該系統上，例如連向流體通道的導管之一，以由該外部儲器補充在TFF模塊中排出的流體。必須建立從該儲器到流體通道的單向流體流。這通過現有技術狀況中已知的手段進行。
[0032]優選地，用於控制過濾過程、尤其用於控制活塞運動的控制單元適合同步各對活塞泵的活塞的行程。如果一對活塞泵由相同的活塞泵構成以使活塞泵具有相等的工作容積和相等的直徑，這尤其有價值。因此，各活塞的相同的活塞行程(活塞的移動路徑)帶來相同的容積。換言之，該控制單元控制活塞的行程以相應地同步各活塞泵的活塞工作容積。必須以避免該流體線路和該系統中的空氣泵送的方式進行控制。
[0033]在本發明的過濾系統的一個優選實施方案中，該系統包含天平以稱量從流體通道中排出的滲透液。使用排出的流體質量可以計算排出的滲透液的體積。了解該濃縮過程的起始體積能夠計算該系統中包含的實際總體積。
[0034]優選地，該系統包含至少兩個用於監測和測量通道中壓力的壓力傳感器。使用兩個壓力傳感器能夠測定流體通道中所含的實際液體溶液的粘度。
[0035]壓力傳感器也可用於控制該濃縮過程。可以由控制單元根據流體通道中的壓力和/或根據切向流過濾模塊中的跨膜壓力控制使用中的一對活塞泵的兩個活塞泵。跨膜壓力是由位於TFF模塊的相反側上的兩個壓力傳感器測得的兩個壓力值的平均值。向控制單元提供傳感器的信息，其評估傳感器信息並生成用於控制活塞泵的控制信號。
[0036]因此，例如，可以調節該系統中的所需跨膜壓力。第一活塞泵的活塞移入活塞工作容積以使流體從該泵壓出到流體通道中。由這兩個壓力傳感器測得的該系統中的壓力提高。位於流體通道的相反末端的第一對活塞泵的第二活塞泵的活塞移出活塞移動室(piston swept chamber),以使流體可到達活塞移動室。因此可以將跨膜壓力再調節至所需值。當測得的壓力不同於預定跨膜壓力時，在流體通道的相反末端的第二活塞的運動停止或減慢。如果這兩個壓力傳感器的平均值小於所需跨膜壓力，第二活塞泵的活塞減慢或停止。現在，第二活塞的活塞移動室至少部分地被含有要濃縮的組分的液體樣品填充。在下一步驟中，該周期再開始，但現在第一活塞對的第二個泵的活塞移入活塞移動室且第一活塞泵的第一個活塞移出其室以便可以調節和控制所需跨膜壓力。
[0037]如果流體的實際量降到預定水平以下，則第二對活塞泵的活塞代替第一活塞泵的活塞移動。可以設置從第一對活塞泵向第二對活塞泵的轉換。優選通過控制單元控制這樣的轉換(切換)。然後，工藝步驟利用第二對活塞泵繼續。
[0038]在本發明系統的一個優選實施方案中，由發動機驅動活塞泵。優選地，該系統每個活塞泵包含一個用於驅動該泵的活塞的發動機。利用單獨的發動機操作各活塞泵能夠非常精確調節和容易控制活塞泵，以致可以僅藉助少數調節步驟容易地改變工藝參數。通過單個單元或通過每個發動機的一個控制單元進行發動機的控制。可以使用控制一個或幾個發動機的相同控制單元或附加控制裝置控制、監測和訪問(address)發動機控制單元。
[0039]優選地，所用發動機是步進發動機。因此，使用遞進步驟驅動發動機容易地並精確地控制該發動機。可以以最簡單的方式調節泵過通道的流體和通道中的所需壓力。
[0040]在另一優選實施方案中，該系統包含用於測定流體樣品中所含的組分的濃度和聚集體形成的光學測量裝置。該光學測量裝置優選包含集成在流體通道中的比色皿。利用比色皿可以進行濃度的光學測量。因此，可實現實時測量。所採集的與濃度有關的測量數據可用於在線控制濃縮過程。該比色皿優選具有指定橫截面積，其被兩個測量壓力差的壓力傳感器包圍以根據Hagen-Poiseuille公式計算流體粘度。控制單元也可以利用該測量數據(傳感器信息)控制活塞泵的活塞並因此控制整個過濾過程。
[0041]顯然，本發明的系統和本發明的方法可用於進行流體法，例如流體樣品中所含的組分的濃縮或用於交換樣品流體的溶劑。因此，不僅可以進行濃縮或提純，還可以進行滲濾。在滲濾的情況下，在活塞泵對的具有較小體積的活塞泵中填充流體樣品。在該對的具有較大體積的活塞泵中填充交換緩衝液或應交換的溶劑。
[0042]在滲濾過程開始時，具有較小體積的泵驅動流體樣品經過流體通道和TFF模塊以從該系統中排出滲透液。含有緩衝液的具有較大體積的活塞泵也用於補充經TFF模塊從該系統中排出的流體量。這可以連續進行，這在具體實施方案中的缺點在於利用大體積泵補充流體或交換緩衝液可能不精確。在這些情況下，如果含有交換緩衝液(具有較大體積)的泵只有在已從該系統中排出預定量的流體時才開始工作，則是有利的。因此，也可以用小於10毫升的非常小量的流體樣品進行滲濾。
[0043]下面基於附圖中所示的具體實施方案更詳細例示本發明。其中所示的技術特徵可以獨立或結合使用，以產生本發明的優選實施方案。所述實施方案不代表對本發明的任何限制，由權利要求書規定本發明的一般性。
[0044]在附圖中:
[0045]圖1顯示本發明的流過濾系統的一個實施方案；
[0046]圖2顯示本發明的流過濾系統的另一實施方案；
[0047]圖3顯示本發明的流過濾系統的再一實施方案。
[0048]圖1顯示過濾系統I，其包含具有切向流過濾模塊3的流體通道2。流體通道2包含兩個導管4，5，它們與切向流過濾模塊3的兩個末端相連。在流體通道2的各末端10，
11(它們分別以導管4和5的末端為代表)連接兩個活塞泵6。
[0049]圖1中的系統I顯示總共四個活塞泵6，它們設計為注射泵7。第一對8活塞泵6 (其可被設計為注射泵7)分別由第一注射泵8a和第二注射泵Sb構成。第二對9活塞泵6 (其可被設計為注射泵7)包含第一注射泵9a和第二注射泵％。
[0050]第一對8和第二對9注射泵的第一個泵8a，9a連接在流體通道2的第一末端10。第一末端10顯示在流體通道2的左側，第二末端11顯示在流體通道2的右側。在流體通道2的第二末端11，連接第一對8的第二注射泵Sb和第二對9注射泵的第二注射泵％。
[0051]第一注射泵8a，9a並聯地流體連接在第一末端10。第二注射泵8b，9b並聯地流體連接在第二末端11。各注射泵7具有各自的容納流體的活塞工作容積或活塞移動儲器(piston swept reservoir)。活塞移動儲器18a, 18b是注射泵8a, 8b的活塞工作容積。注射泵9a，9b具有各自的活塞移動儲器19a，19b，它們是各注射泵9a，9b的活塞工作容積。
[0052]第一對8注射泵的注射泵8a，8b的體積顯著大於第二對注射泵的注射泵9a，9b的體積。優選地第一對8的注射泵8a,8b之一的體積為100毫升至10毫升。該體積優選為大約25-10毫升。因此，在第一注射泵8a中可容納例如大約15毫升的流體。
[0053]第二對9注射泵9a,9b的體積顯著小於第一對8注射泵8a,8b的體積。注射泵9a，9b之一的體積優選為I毫升至2.5毫升，特別優選為I毫升體積。在一個任選實施方案中，注射泵9a，9b之一的體積也可以小於I毫升，優選為大約100微升至1000微升。
[0054]各注射泵7由發動機驅動。因此在系統I中包含四個發動機12。各發動機12優選經齒輪與注射泵7的活塞相連。控制單元80控制發動機12以控制活塞泵6的活塞的運動。控制活塞泵6以驅動流體通道2中的流體來回經過TFF模塊3。可通過切斷髮動機控制電流來控制發動機12。在這種情況下，控制單元80可包含斬波電路。或者，控制單元80還可控制與發動機12連接的齒輪13。
[0055]本發明的流體系統I的優點在於從過濾器的兩側生成切向流過濾模塊3的更均勻負荷。滲透通量更均勻分布在切向流過濾模塊3的整個過濾器面積或膜面積上。與環形流體線路相比，可以降低隨時間經過的滲透通量降低。包含用於雙向泵送的流體通道2的流體系統I的另一優點使得泵6與過濾模塊(TFF模塊3)之間的流體導管更短。因此，與環形過濾線路相比，降低了最低工作體積。
[0056]切向流過濾模塊(TFF模塊3)具有第一流體口 14和第二流體口 15，在流體通道2中被泵送的流體經它們經過TFF模塊。滲透液出口 16流體相通地位於膜17後方，以使經過膜17的液體可作為滲透流經滲透液出口 16從TFF模塊3中排出。滲透液可收集在滲透液室20中。
[0057]系統I可以優選地還包含天平21，其與滲透液室20接觸以將從TFF模塊3中排出的滲透液稱重。基於滲透液的測量重量，可以計算滲透液的體積。因此，藉助濃縮過程開始時的已知起始體積，也可以計算流體通道2中的實際體積。因此，可以監測該系統中的流體的實際體積和要在系統I中濃縮的分子的濃度。
[0058]流體系統I進一步包含至少兩個壓力傳感器23，24以測量跨膜壓力。優選在流體通道2中安裝第三個壓力傳感器22。兩個壓力傳感器22，23之間的壓力差測量結果能夠根據Hagen-Poiseuille公式測定流體通道2中所含的液體溶液的粘度。
[0059]優選地，壓力傳感器23和24靠近過濾模塊的流體口 14和15。利用測量結果控制注射泵7的各自發動機12。可以利用一個或多個壓力傳感器22、23、24的信息控制發動機12a、12b。壓力傳感器22、23、24的信息以及來自天平21的信息可用作控制單元80的輸入數據和控制信息。在控制單元80中加工這一信息以驅動各自的發動機12。此外，控制單元80還可包含評估和監測線路以評估流過濾法的工藝參數。
[0060]下面詳細描述典型的過濾法以例示該系統的應用:
[0061]一個主要方面是注射泵對8、9的控制。在第一對8的第一注射泵8a的注射器儲器18a中裝入含有要濃縮的組分的流體樣品。可以利用TFF模塊3中的恆定跨膜壓力(TMP)進行第一對8注射泵的泵8a，Sb的控制。使用壓力傳感器23，24測量壓力。推動第一注射泵8a的活塞，以從活塞移動儲器18a中排出流體並將其引入流體通道2。使用壓力傳感器23，24測得的壓力因而升高。如果達到TFF模塊3中的預定和所需跨膜壓力，或壓力傳感器23，24處的兩個壓力值pl，p2的中間值大於跨膜壓力，則使用發動機12b移動第二注射泵8b的活塞。泵Sb的活塞向外移(拉出)，以使測得的壓力pl，p2的中間值等於所需跨膜壓力。如果測得的中間壓力值小於所需跨膜壓力，則發動機12b減慢或停止以使第二注射泵8b的活塞的運動也減慢或停止。
[0062]如果減慢第二注射泵Sb的活塞的運動以控制透膜壓力，如果測得所需壓力值，活塞的運動繼續。
[0063]如果由於第一注射泵8a的活塞移動儲器18a排空且第一注射泵8a的流體體積經TFF模塊3 (完全)轉移至第二注射泵Sb因而第二注射泵Sb的活塞的運動停止，則移動第一注射泵8a和第二注射泵Sb的活塞的周期重新開始。現在推動第二注射泵Sb的活塞以使活塞移動儲器18b中包含的流體排空到流體通道2中，並拉出第一注射泵8a的活塞以使流體可進入活塞移動儲器18a。這樣，可以進行注射泵8a，8b的壓力驅動控制。
[0064]顯然，泵送周期(在一對活塞泵的兩個泵之間來回泵送流體)可以進行數次。
[0065]通過控制第一和第二注射泵8a，8b各自的發動機12a，12b來進行另一控制。在這種情況下，需要步進發動機，以便可通過其旋轉的增量控制發動機。為了驅動第一注射泵8a的活塞，使發動機12a旋轉預定和已知的增量。為了驅動第二注射泵Sb的活塞，使用發動機12b。這一發動機--優選類似於發動機12a,移動相同增量以從第二活塞移動儲器18b中拉出第二注射泵8b的活塞。為了補償作為滲透液從流體系統中排出的流體體積，對注射泵8a, 8b而言,用於移動注射泵8a, 8b的活塞的增量同時降低相同的量。
[0066]可以使用天平21進行第三種可能的控制並檢測從TFF模塊3中排出的液體的滲透通量和滲透體積。因此，必須知道從注射泵7中排出的體積與活塞行程長度和發動機12的增量的比率。將排出的滲透液收集在滲透液收集室20內並使用天平21實時測量。在一個優選實施方案中，滲透液收集室20包含蓋子以減輕滲透液的蒸發。將第一注射泵8a的活塞推入活塞移動儲器18a中以將流體從該儲器排放到流體通道2中。因此，發動機旋轉預定增量。也移動第二注射泵8b的活塞，其中與驅動第一注射泵8a的發動機12a—樣，驅動第二注射泵8b的發動機12b移動降低的增量。可以由用於驅動第一注射泵8a的增量數減去與排出的滲透液對應的增量數計算增量的降低量。
[0067]此外，可以實施僅受壓力控制的活塞泵調節和發動機驅動的調節的組合，或可以實施壓力驅動的調節和用天平和發動機調節的組合。此外，通過限定單位時間的流體流和調節每時期的發動機節距，可以不用任何壓力傳感器實現調節。這些調節可以由一個或多個控制單元80進行。
[0068]通過活塞的bedstop調節將活塞推入活塞移動儲器時的最大活塞行程。將活塞拉出活塞移動儲器的最大活塞行程長度取決於系統I中所含的流體樣品量。根據流體樣品體積驅動發動機12。因此，可以使用天平或使用壓力信息或通過經天平和壓力進行控制的組合或單位時間的流體流控制發動機。
[0069]使用天平21控制發動機是基於從TFF模塊3中排出的滲透液的重量。使用該重量，可以計算排出的滲透液的體積。因此，起始體積減去排出的滲透液體積是系統I中流體樣品的實際體積。拉動活塞直至實際活塞位置的分配活塞儲器體積等於實際流體樣品體積減去流體系統I的最低體積(這是流體通道2和TFF模塊3的最低工作體積)。
[0070]在流體系統I的運行過程中，由於溶液作為滲透液經滲透液出口 16從TFF模塊3中排出，流體系統I內的液體樣品體積隨時間經過降低。如果該系統中流體樣品的實際體積小於或等於例如第二對9的注射泵9a,9b之一的預定值,則使用第二對9注射泵9a,9b代替第一對8注射泵8a，Sb。因此，從使用第一對8注射泵切換至第二對9注射泵。優選地，在該系統中的流體樣品體積小於或等於注射泵9a，9b之一的活塞工作容積或活塞移動儲器19a，19b加上該系統的最低工作體積時進行切換。
[0071]也可以利用系統I的天平21和/或利用壓力信息和步進發動機的已知增量控制活塞泵對的切換使用。兩者的組合是可行的。
[0072]因此，本發明的流體系統I具有幾個優點。一方面，由於可以降低泵6，7和TFF模塊3之間的導管4，5的長度的事實，可以降低最低工作體積。另一方面，活塞泵6的體積幾乎不佔據流體系統的最低工作體積。只有在並聯布置的注射器對的方式中，第一末端10或第二末端11分別與第一對8注射泵8a，8b之間的連接導管25才對最低工作體積具有影響。但是，這些連接導管25相當短。此外，導管4、5和連接導管25的內徑或內部橫截面積小於I毫米或小於I平方毫米。
[0073]此外，本發明的系統I允許自由地將流體的流速和切向流過濾模塊3中的剪切力和跨膜壓力編程。這可以容易地使用控制單元80進行。為了使跨膜壓力保持恆定，在速度控制下從工作容積或儲器中拉出注射泵的活塞。通常通過壓力傳感器23，24的壓力值之和除以傳感器數(在此除以2)計算跨膜壓力。在也檢測滲透液壓力的系統中，從壓力傳感器23，24的壓力值之和除以壓力傳感器數(在此為2)中減去滲透液壓力值。如果在滲透液出口 16內不存在壓力傳感器，估計滲透液壓力值為O並將該公式縮減為壓力傳感器23，24的壓力值之和除以壓力傳感器數。來自一個壓力傳感器的壓力值可以是來自這個壓力傳感器的多次壓力測量的平均值。傳感器信息的各值的計算以及信息和測量數據的進一步加工也可以集成在控制單兀80中並在其中進打。
[0074]圖2顯示本發明的流體系統的另一實施方案。與圖1中所示的實施方案的區別是附加的光學測量裝置26，其能夠在線採集液體樣品中所含的組分的濃度。該組分優選是蛋白質、粒子、聚集體、離子、細菌、病毒、核酸、糖類等。
[0075]光學測量裝置26包含發出在可見光或非可見光範圍(例如紫外線範圍內)的光的光源27、傳導光源27的光束的兩個透鏡28和光檢測器29，其可以是例如光電二極體或光電倍增管。在兩個透鏡之間，在流體通道2中安置比色皿30以使光束穿過比色皿30。可以通過公知的光學方法基於Lambert-Beer公式測定流體的組分的濃度和何時表現出聚集體的形成並可以在線監測。因此，可以實時檢測另一重要的工藝參數。這就能夠利用本發明的流體系統進行優化的濃縮法。該系統設計成優選用100毫升或更低的液體樣品起始體積、優選用最多100毫升的起始體積、特別優選用最多2毫升的起始體積進行濃縮法。
[0076]該實施方案與圖1中所示的實施方案的另一區別在於，控制單元80包含第一控制機構81和第二控制機構82。控制機構81，82各自控制一對活塞泵8，9。顯然，控制機構81，82也可以代替第一對注射泵8和第二對注射泵9的發動機12控制齒輪13。
[0077]根據圖2的實施方案，向控制單元80提供壓力傳感器22、23和24的測量數據，以便進一步加工並控制和製造供控制機構81，82使用的各控制信號。也可以通過控制單元80評估由光檢測器29提供的信號。還可以控制光學測量裝置26的光源27和/或光檢測器29以致也可以控制和評估液體樣品中所含的組分的濃度的直觀採集結果。
[0078]圖3顯示本發明的系統I的另一實施方案。在流體通道2的各末端，存在集成活塞泵60，其包含合併在一個元件中的兩個活塞泵6。優選地，集成活塞泵60包含串聯地流體連接的至少兩個活塞泵室61，62。這兩個活塞泵室61，62分別相當於活塞泵8a，9a或8b，9b的儲器。因此，集成活塞泵60優選合併了至少兩個活塞泵或注射泵7。這兩個活塞泵室61，62相當於如圖1或圖2中所示的活塞泵的活塞移動儲器18，19。也可以通過控制單元80控制集成活塞泵60。
[0079]集成活塞泵60優選包含至少兩個活塞63，64，它們被布置成使至少一個活塞能在至少兩個活塞泵室61，62中移動。所述至少兩個活塞63，64可以將流體逐出至少一個活塞泵室61，62。由控制單元80通過控制發動機12來控制活塞63，64的運動。
[0080]優選地，集成活塞泵60包含至少具有主活塞63和次活塞64 (它們優選互相耦合)的集成活塞65。因此，這兩個活塞63，64構成集成活塞65。
[0081]優選地，主活塞63和次活塞64在至少一個活塞泵室61，62中同步運動。
[0082]在流體通道2的左端,如圖3中所示,集成活塞泵60a具有發動機驅動的集成活塞65a，其包含主活塞63a和次活塞64a。在上方小圖中詳細顯示這兩個活塞63，64。
[0083]兩個活塞63a，64a耦合在一起，以使得它們在活塞泵室61a(其相當於如圖1中所示的第一注射泵8a的活塞移動儲器18a)中的至少一部分移動路徑上同步運動。集成活塞泵65a移入活塞泵室61a，在此集成活塞65a停在活塞泵室61a的末端(右端)。在移動路徑的這一點，活塞慄室61(基本)完全排空。現在，在活塞慄室61中的移動路徑的末端,次活塞64a進一步移入活塞泵室62，由此將這一活塞泵室62中所含的流體壓入流體通道2。
[0084]在一個優選實施方案中，主活塞泵63包含具有通孔67的活塞盤66，次活塞64的衝杆68延伸穿過該通孔。次活塞64的衝杆68密封在通孔67中，以使沒有流體經該通孔逸出。
[0085]如圖3中所示的集成活塞65具有凹進70，次活塞64的活塞盤71安裝在其中，優選嵌套安裝。次活塞64的活塞盤71也可以位於沒有任何凹進的主活塞63的平活塞盤66的表面上。
[0086]在根據圖3的優選實施方案中，主活塞63的衝杆69優選是中空衝杆，以使次活塞64的衝杆68可穿過中空衝杆69延伸。
[0087]在這一實施方案中，具有兩個活塞63，64的集成活塞65沿第一活塞室61 (其優選具有比第二活塞泵室62大的體積)中的移動路徑移動。次活塞64不僅移過第一活塞泵室61，還移過第二活塞泵室62以完全排空這一室。如果該系統中的總體積降至與第二活塞泵室62 (在這兩個活塞泵室中具有較小體積)的體積對應的預定量，則僅移動次活塞64以驅動流體經過流體通道2和TFF模塊3。因為兩個活塞泵8，9之間沒有任何連接導管增加系統I的最低工作體積，這種方法也確保可靠地處理極小量的流體樣品且該系統的死體積相當小，
[0088]顯然，集成活塞65不是只能以圖3中所示的方式布置。兩個活塞63，64也可以耦合以使它們一個緊接另一個且活塞之一不僅進一步移入集成活塞泵的一個室，還移入另一個室。
【權利要求】
1.微流過濾系統，其用於實施流體法，例如濃縮流體樣品中所含的組分或用於交換樣品流體的溶劑，系統(I)包含: -流體通道(2)，其具有兩個末端(10，11)並由兩個導管(4，5)形成以使流體樣品能雙向流過通道⑵； -切向流過濾模塊(3) (TFF模塊)，其具有第一流體口(14)、第二流體口(15)、滲透液出口(16)和半透膜(17)，半透膜(17)能在樣品流經過半透膜(17)時將所述流體樣品分離成流過口(14，15)之一的滲餘流和流過滲透液出口(16)的滲透流； -各自具有兩個活塞泵(6)的至少兩對(8，9)活塞泵(6)，各活塞泵具有構成能容納流體的儲器(18，19)的活塞工作容積，活塞泵(6)能驅動流體流； -一對(8)活塞泵(8a，8b)的活塞泵(6)的體積大於另一對(9)活塞泵(9a，9b)的活塞泵(6)的體積， -用於控制活塞泵(6)的控制單元， 其中 -TFF模塊(3)位於流體通道(2)中，以使一個導管(4)與第一流體口(14)相連，另一導管(5)與第二流體口(15)相連，以使流經通道(2)的流體經過TFF模塊(3); -在通道(2)的各末端(10，11)以下述方式布置各對(8，9)活塞泵￠)的一個活塞泵(6):活塞泵6流體連接； -布置並調節控制單元，以同步控制各對(8，9)活塞泵(6)的活塞泵的驅動和/或控制從一對(8)活塞泵(8a，8b)向另一對(9)活塞泵(9a，9b)的切換和/或切換時間，和-布置並調節所述系統，以在所述流體法的過程中，至少在一段時期內僅利用一對(8，9)活塞泵(6)驅動流體流過流體通道(2)。
2.根據權利要求1的微流過濾系統，其特徵在於在流體通道(2)末端的活塞泵(6)並聯地流體連接。
3.根據權利要求1的微流過濾系統，其特徵在於 -在流體通道(2)末端的活塞泵￠)串聯地流體連接且 -優選地，位於流體通道(2)的一個末端的至少兩個活塞泵(6)合併在集成活塞泵(60)中，集成活塞泵(60)具有串聯地流體連接的至少兩個活塞泵室(61，62)，並具有至少兩個以下述方式布置的活塞出3，64):至少一個活塞能在至少兩個活塞泵室￠1,62)中移動並能將流體逐出所述至少兩個活塞泵室(61，62)的至少一個。
4.根據權利要求3的微流過濾系統，其特徵在於集成活塞泵(60)包含的集成活塞(65)，集成活塞￠5)至少具有優選地互相耦合的主活塞￠3)和次活塞(64)，其中主活塞(63)和次活塞￠4)能在至少一個室￠1,62)中同步運動，並且優選地在室￠1)中的移動路徑的末端，次活塞￠4)能進一步移入集成活塞泵￠0)的另一室(62)。
5.根據前述權利要求任一項的微流過濾系統，其特徵在於第一對(8)活塞泵(8a，Sb)的活塞泵出)的體積是第二對(9)活塞泵(9a，9b)的活塞泵￠)的體積的至少3倍，優選至少5倍，更優選至少10倍，特別優選至少25倍，還特別優選至少100倍。
6.根據前述權利要求任一項的微流過濾系統，其特徵在於系統(I)包含用於稱量從TFF模塊(3)中排出的滲透液的天平(21)。
7.根據前述權利要求任一項的微流過濾系統，其特徵在於系統(I)在流體通道中或在TFF模塊(3)中包含至少一個用於監測和測量系統(I)中的壓力的壓力傳感器(22，23，24)，優選為位於TFF模塊(3)的相反側上可用於測定跨過半透膜(17)的跨膜壓力的至少兩個或更多個壓力傳感器(22，23，24)。
8.根據前述權利要求任一項的微流過濾系統，其特徵在於系統(I)包含用於採集流體樣品中所含的組分的濃度的光學測量裝置(26)，其中光學測量裝置(26)優選包含集成在流體通道(2)中的比色皿(30)。
9.根據前述權利要求任一項的微流過濾系統，其特徵在於控制單元(80)適用於同步同一對(8，9)活塞泵￠)的活塞泵￠)的活塞的行程以同步調節活塞泵￠)的活塞工作容積。
10.根據前述權利要求任一項的微流過濾系統，其特徵在於控制單元(80)以下述方式控制一對(8，9)活塞泵(6)的活塞泵(6):流體來回經TFF模塊(3)從一對(8，9)活塞泵(6)的一個活塞泵(6)流向另一活塞泵(6)。
11.使用切向流過濾模塊(3)濃縮流體樣品中所含的組分的流過濾方法，所述方法包括下述步驟: -提供優選地根據前述權利要求任一項的微流過濾系統(I)，其包含-流體通道(2)，其具有兩個末端(10，11)並由兩個導管(4，5)形成以使流體樣品能雙向流過通道⑵； -切向流過濾模塊(3)，其具有第一流體口(14)、第二流體口(15)、滲透液出口(16)和能分離所述流體樣品的半透膜(17)； -至少兩對(8，9)活塞泵(6)，各活塞泵(6)形成能容納流體的儲器(18，19)； -用於控制活塞泵(6)的活塞的運動的控制單元(80)； 其中 -TFF模塊(3)位於流體通道(2)中，以使一個導管(4)與第一流體口(14)相連，另一導管(5)與第二流體口(15)相連； -在通道(2)的各末端(10，11)以下述方式布置各對(8，9)活塞泵￠)的一個活塞泵(6):活塞泵(6)流體連接； -第一對(8)活塞泵的活塞泵(6)具有比第二對(9)活塞泵￠)的活塞泵(6)大的體積； -布置並調節控制單元(80)以同步控制各對(8，9)活塞泵的活塞泵的運動和/或控制從一對⑶活塞泵(8a，8b)向另一對(9)活塞泵(9a，9b)的切換和/或切換時間， -向第一對(8)活塞泵的至少一個活塞泵￠)中裝入流體； -以第一方向移動由控制單兀(80)控制的第一對(8)活塞泵的第一活塞泵(8a)的活塞以降低活塞工作容積，從而將流體樣品從第一活塞泵(8a)推過流體通道(2)並經過TFF模塊(3)，由此提高系統(I)中的流體樣品中的組分的濃度並在滲透流中排出一定量的流體； -以第一方向移動由控制單元(80)控制的第一對(8)活塞泵的第二活塞泵(8b)的活塞以提高活塞工作容積，從而使經過流體通道(2)後的流體能進入活塞泵(Sb)； -以與第一方向相反的第二方向移動由控制單元(80)控制的第一對(8)活塞泵的第二活塞泵(8b)的活塞和第一活塞泵(8a)的活塞，以將流體樣品從第二活塞泵(8b)經TFF模塊(3)推回第一活塞泵(8a)中； -確定系統(I)中的流體樣品體積是否已降至低於預定值或是否已達到該過程開始後的預定時間間隔； -重複所述以第一和第二方向移動由控制單兀(80)控制的第一對活塞泵(8)的第一和第二活塞泵(8a，8b)的步驟，直至達到預定值或預定時間間隔，由此驅動流體來回經過TFF模塊(3);和 -如果系統(I)中的流體樣品體積已降至低於預定值或如果已達到該過程開始後的預定時間間隔，根據上述步驟利用第二對(9)活塞泵的活塞泵(9a，9b)，由此建立流體在通道(2)中的連續雙向流。
12.根據前一權利要求的流過濾方法，其特徵在於以下述方式通過控制單元(80)控制第一對(8)活塞泵和第二對(9)活塞泵的活塞泵(8，9)的運動:在恆壓下將流體推過TFF模塊⑶。
13.根據權利要求11或12的流過濾方法，其特徵在於一對(8)活塞泵(8a，Sb)的活塞泵(6)的體積是另一對(9)活塞泵(9a，9b)的活塞泵￠)的體積的至少3倍，更優選至少5倍，特別優選至少25倍，還特別優選至少100倍。
14.根據權利要求11至13任一項的流過濾方法，其特徵在於通過稱量從TFF模塊(3)中排出的滲透液、優選使用天平(21)稱量來確定系統(I)中的流體樣品的體積。
15.根據權利要求11至14任一項的流過濾方法，其特徵在於通過測量或測定活塞行程長度確定所述系統中的流體樣品的體積。
16.根據前述權利要求任一項的微流過濾系統或流過濾方法，其特徵在於活塞泵(6)由發動機驅動，且優選地系統(I)對於每個活塞泵(6)或活塞泵對(8，9)包含一個用於驅動活塞泵(6)的發動機(12)。
17.根據權利要求11至16任一項的流過濾方法，其特徵在於通過監測系統(I)中的流體的實際壓力、優選地跨膜壓力來控制從活塞泵對(8，9)的第一活塞泵(8a，9a)向第二活塞泵(8b，9b)的流。
18.根據權利要求11至17任一項的流過濾方法，其特徵在於 -通過驅動活塞泵￠)的漸進驅動發動機、優選步進發動機(12)控制從一對(8，9)活塞泵的第一活塞泵向第二活塞泵的流，並控制發動機(12)移動的增量。
【文檔編號】B01D61/14GK104220148SQ201380017308
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月25日 優先權日:2012年3月29日
【發明者】N·歐蘭思, N·洛斯萊本, S·盧茨, A·格羅斯曼 申請人:弗·哈夫曼-拉羅切有限公司