用于切向流深度过滤的系统和方法与流程

本公开涉及用于过滤的系统和方法，尤其涉及切向流深度过滤(tfdf)。

背景技术：

1、通常进行过滤以分离、澄清、修饰和/或浓缩流体溶液、混合物或悬浮液。在生物技术和制药行业，过滤对于成功生产、处理和测试新药、诊断剂和其他生物产品至关重要。例如，在使用动物或微生物细胞培养物制造重组蛋白的过程中，进行过滤以从培养基中澄清、选择性去除和浓缩某些成分，或者在进一步处理之前对培养基进行修饰。过滤还可以用于通过将培养物保持在高细胞浓度的灌注中来提高生产率。

2、切向流过滤(也称为交叉流过滤或tff)系统广泛用于分离悬浮在液相中的颗粒，并具有重要的生物处理应用。与使单个流体进料通过过滤器的无端过滤系统相反，切向流系统的特征在于流体进料流过过滤器的表面，从而将进料分离为两种组分：已通过过滤器的渗透物组分和未通过过滤器的渗余物组分。与无端系统相比，tff系统不易结垢。通过如由repligen corporation(马萨诸塞州沃尔瑟姆)商业化的xcelltm交替切向流(atf)技术中那样改变流体进料流过过滤元件的方向，通过反洗通过过滤器的渗透物和/或通过定期洗涤，可以进一步减少tff系统的结垢。

3、现代的tff系统通常利用包括一个或更多个管状过滤元件的过滤器，例如中空纤维或管状膜。在使用管状过滤元件的情况下，通常将它们一起包装在较大的流体容器中，并且被放置成在一端处与进料流体连通，并在另一端处与用于渗余物的容器或流体路径流体连通；渗透物流动通过纤维壁上的孔流入纤维之间以及较大的流体容器内的空间。管状过滤元件相对于其可以容纳的进料体积提供大且均匀的表面区域，并且利用这些元件的tff系统可以容易地从开发规模扩大到商业规模。尽管具有优点，但当超过过滤器通量极限时，tff系统过滤器可能会结垢，并且tff系统的处理能力有限。过滤通量和结垢之间的关系使提高tff系统处理能力变得更难。

4、申请人repligen corporation(马萨诸塞州沃尔瑟姆)最近将一项新技术商业化，该技术克服了影响tff系统的一些挑战。切向流深度过滤(tfdftm)利用厚壁中空纤维过滤器元件。tfdf流动路径表面上类似于传统的tff系统，但是过滤器本身在关键方面(包括纤维厚度和孔结构)可能不同，这将在本文中更详细地描述。

5、申请人和其他人已经证明tfdf支持在非常高的细胞密度下在连续和分批培养中的病毒生产，并且允许以比标准tff过滤器高得多的通量进行快速澄清和收获。(参见，例如，williams,et al.cell&gene therapy insights 2020；6(3),455-467；doi:0.18609/cgti.2020.053)这些发现表明了tfdf在生物处理应用中的前景，但是仍然需要使tfdf系统和方法适应行业中的不同的生产、澄清和收获需求。

技术实现思路

1、在本公开的一个方面，用于生物处理应用的中空纤维切向流过滤器单元包括具有内部的壳体、流体入口、渗余物流体出口、渗透物流体出口和至少一个中空纤维。中空纤维可以包括由多个挤出的聚合物长丝形成的多孔壁。该至少一个中空纤维可以具有内表面、外表面和壁厚。壁厚范围可以为1至10mm。内表面可以形成宽度范围为0.75mm至30.0mm的内管腔。内表面可以延伸穿过至少一个中空纤维。该至少一个中空纤维的平均孔径范围可以为5-150微米。中空纤维可以位于壳体内部。流体入口和渗余物流体出口可以与至少一个中空纤维的内管腔流体连通。渗透物流体出口可以与壳体内部和多孔壁的外表面流体连通。

2、在上述和其它方面，挤出的聚合物长丝可以包括单组分长丝。该至少一个中空纤维可以包括不同密度的两个或更多个层。内管腔可以包括具有非圆形周边的横截面。挤出的聚合物长丝可以包括双组分长丝。双组分长丝可以包括聚烯烃和聚酯。双组分长丝可以包括聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。挤出的聚合物长丝可以是熔喷长丝。多个挤出的聚合物长丝可以在间隔开的接触点处彼此粘结，以限定多孔壁。多个挤出的聚合物长丝可以在间隔开的接触点处彼此热粘结，以限定多孔壁。中空纤维可以通过以下方式形成：(a)将挤出的聚合物长丝组装成管状形状，以及(b)加热挤出的聚合物长丝使得挤出的聚合物长丝彼此粘结。壁厚范围可以为2至3mm，或2至8mm。在一些实施例中，壁厚可以为约5mm。该至少一个中空纤维的平均孔径范围可以为20-100微米。该至少一个中空纤维的平均孔径范围可以为15-50微米。该至少一个中空纤维的平均孔径范围可以为20-40微米。内管腔的宽度范围可以为1至2mm，或2至10mm，或5至20mm。在一些实施例中，内管腔的宽度可以为约5mm。中空纤维切向流过滤器单元可以包括多个所述中空纤维。中空纤维切向流过滤器单元可以包括位于壳体内部的入口腔室。入口腔室可以与流体入口流体连通。中空纤维切向流过滤器单元可以包括位于壳体内部的出口腔室。出口腔室可以与渗余物流体出口流体连通。多个中空纤维可以在入口腔室和出口腔室之间延伸。入口腔室和出口腔室可以与内管腔流体连通。挤出的聚合物长丝可以沿着至少一个中空纤维的纵向长度变化。内管腔可以包括一个或更多个表面特征。内管腔可以包括一个或更多个隆起、起伏、拐角等。中空纤维可以包括沿着其纵向长度变化的亲和力。中空纤维切向流过滤器单元的用途可以包括将包括大尺寸颗粒和小尺寸颗粒的流体分离成包括小尺寸颗粒的渗透物和包括大尺寸颗粒的渗余物。流体可以进一步包括中等尺寸颗粒，这些颗粒可以被截留在至少一个中空纤维的壁中。大颗粒可以包括真核和/或原核细胞。流体可以包括絮凝剂。中等尺寸颗粒可以包括细胞碎片。小颗粒可以包括蛋白质、病毒、病毒样颗粒(vlps)、外来体、脂质、dna和细胞代谢产物中的一种或更多种。

3、中空纤维切向流过滤器单元的用途可以包括将包括大尺寸颗粒和中等尺寸颗粒的流体分离成包括中等尺寸颗粒的渗透物和包括大尺寸颗粒的渗余物。流体可以进一步包括小尺寸颗粒，这些颗粒可以被截留在至少一个中空纤维的壁中。大颗粒可以包括微载体或细胞团块。中等颗粒可以包括细胞。中等颗粒可以包括但不限于哺乳动物细胞。在一些实施例中，哺乳动物细胞可以包括cho细胞或hek293细胞。流体可以包括裂解细胞，该裂解细胞可以经由化学或物理手段裂解。流体可以包括可以进入渗透物的小尺寸颗粒。小尺寸颗粒可以包括蛋白质、病毒、病毒样颗粒(vlps)、外来体、脂质、dna和细胞代谢产物中的一种或更多种。

4、使用中空纤维切向流过滤器单元的过滤方法可以包括将包括大尺寸颗粒和小尺寸颗粒的流体引入流体入口。流体可以被分离成包括小颗粒的渗透物。渗透物可以通过渗透物流体出口离开中空纤维切向流过滤器单元。渗余物可以包括大颗粒。渗余物可以通过渗余物流体出口离开中空纤维切向流过滤器单元。流体进一步可以包括中等尺寸颗粒。至少一部分中等尺寸颗粒可以被截留在中空纤维切向流过滤器单元的壁中。大颗粒可以包括微载体和/或细胞团块。微载体可以携带哺乳动物细胞。小颗粒可以包括蛋白质、病毒、病毒样颗粒(vlps)、外来体、脂质、dna和细胞代谢产物中的一种或更多种。大颗粒和小颗粒可以具有相同的组成。小颗粒可以包括胶体薄片。基于向流体中添加絮凝剂，可以从流体中分离出胶体薄片。大颗粒和小颗粒可以选自陶瓷颗粒、金属颗粒、用于药物递送的脂质体结构、可生物降解的聚合物颗粒和微胶囊。大颗粒可以包括细胞。中等尺寸颗粒可以包括细胞碎片。小颗粒可以包括蛋白质、病毒、病毒样颗粒(vlps)、外来体、脂质、dna和细胞代谢产物中的一种或更多种。大颗粒、小颗粒和中等尺寸颗粒可以具有相同的组成。大颗粒、小颗粒和中等尺寸颗粒可以选自陶瓷颗粒、金属颗粒、用于药物递送的脂质体结构、可生物降解的聚合物颗粒和微胶囊。流体可以以脉冲方式引入流体入口中。

5、切向流过滤系统可以包括泵和中空纤维切向流过滤器单元。

6、生物反应器系统可以包括一个或更多个(a)生物反应器容器，该生物反应器容器被配置为容纳生物反应器流体，(b)切向流过滤系统，该切向流过滤系统包括泵和中空纤维切向流过滤器单元，和/或(c)控制系统。生物反应器容器可以具有生物反应器出口。生物反应器可以具有生物反应器入口。生物反应器出口可以与流体入口流体连通。生物反应器入口可以与渗余物出口流体连通。

7、生物反应器流体可以包括哺乳动物细胞或细菌细胞。控制系统可以被配置为操作泵，使得生物反应器流体的第一流从生物反应器出口被泵送到流体入口中，由此将生物反应器流体的第一流分离成渗余物流和渗透物流。渗余物流可以从渗余物出口再循环到生物反应器入口。渗透物流可以从渗透物流体出口收集。该系统可以被配置为以脉冲方式泵送生物反应器流体的第一流。

8、根据本公开的另一方面，中空纤维切向流过滤系统可以包括具有内部的壳体、流体入口、渗余物流体出口、渗透物流体出口和至少一个中空纤维。该至少一个中空纤维可以包括多孔壁，该多孔壁具有内表面、外表面和壁厚。壁厚范围可以为1至10mm。内表面可以形成宽度范围为0.75mm至30.0mm的内管腔。内管腔可以延伸穿过至少一个中空纤维。该至少一个中空纤维的平均孔径范围可以为5-150微米。该至少一个中空纤维可以位于壳体内部。流体入口和渗余物流体出口可以与至少一个中空纤维的内管腔流体连通。渗透物流体出口可以与壳体内部和多孔壁的外表面流体连通。中空纤维切向流过滤系统可以进一步包括泵送系统，该泵送系统被配置为向流体入口提供脉冲流。

9、根据本公开的上述和其他方面，泵送系统可以包括脉动泵。脉动泵可以是蠕动泵泵送系统可以包括泵和使泵提供所述脉冲流的流量控制器。流量控制器可以包括致动器，该致动器被配置为周期性地限制流进入和/或离开泵。流量控制器由此可以向流体入口提供脉冲流。流量控制器可以位于泵入口处。致动器可以选自电控制的致动器、气动控制的致动器或液压控制的致动器。流量控制器可以包括伺服阀或电磁阀。流量控制器可以被配置为提供脉冲流，该脉冲流具有以每分钟1次循环至每分钟1000次循环的速率脉动的流速。脉动泵可以包括响应于流体中的粘度的变化而可配置的脉冲速率。该至少一个中空纤维可以包括由粘结在一起的多个颗粒和/或长丝形成的多孔壁。多个颗粒和/或长丝可以热粘结在一起。

10、生物反应器系统可以包括(a)生物反应器容器，该生物反应器容器被配置为容纳生物反应器流体，和(b)至少上述方面的中空纤维切向流过滤系统。生物反应器容器可以具有生物反应器出口和生物反应器入口。生物反应器出口可以与流体入口流体连通并且生物反应器入口可以与渗余物出口流体连通。泵送系统可以被配置为将生物反应器流体的脉冲流提供到流体入口。泵送系统由此可以将生物反应器流体的脉冲流分成渗余物流和渗透物流。渗余物流可以从渗余物出口再循环到生物反应器入口。渗透物流可以从渗透物流体出口收集。

11、根据本公开的另一方面，过滤包括大尺寸颗粒和小尺寸颗粒的流体的方法可以使用中空纤维切向流过滤器单元，该单元包括(a)具有内部的壳体，(b)流体入口，(c)渗余物流体出口，(d)渗透物流体出口，和(e)至少一个中空纤维。该至少一个中空纤维可以包括多孔壁，该多孔壁具有内表面、外表面和壁厚。厚度范围可以为1至10mm。内表面可以形成宽度范围为0.75mm至30.0mm的内管腔。内管腔可以延伸穿过至少一个中空纤维。该至少一个中空纤维可以位于壳体内部。流体入口和渗余物流体出口可以与至少一个中空纤维的内管腔流体连通。渗透物流体出口可以与壳体内部和多孔壁的外表面流体连通。该方法可以包括将流体的脉冲流泵送到流体入口中，由此将流体分离成包括大颗粒的渗余物流和包括小颗粒的渗透物流。脉冲流可以以基于流体的粘度的脉冲速率设定。

12、在本公开的上述和其他方面，脉冲流可以具有以高于每分钟1000次循环的速率脉动的流速。该至少一个中空纤维可以包括多孔壁。该多孔壁可以由粘结在一起的多个颗粒和/或长丝形成。该多孔壁可以由热粘结在一起的多个颗粒和/或长丝形成。流体可以包括中等尺寸颗粒，这些颗粒可以被截留在至少一个中空纤维的壁中。大颗粒可以包括真核或原核细胞。中等尺寸颗粒可以包括细胞碎片。小颗粒可以包括蛋白质、病毒、病毒样颗粒(vlps)、外来体、脂质、dna和/或细胞代谢产物中的一种或更多种。流体可以是来自生物反应器的流体。渗余物流可以循环回到生物反应器中。脉冲流可以以基于粘度传感器(粘度计)对粘度变化的测量的脉冲速率设定。

13、在另一方面，中空纤维切向流过滤系统可以包括具有内部的壳体、流体入口、渗余物流体出口、渗透物流体出口和至少一个中空纤维。中空纤维可以包括多孔壁，该多孔壁具有内表面、外表面和范围为1至10mm的壁厚。内表面可以形成宽度范围为0.75mm至30.0mm的内管腔。内表面可以延伸穿过至少一个中空纤维。该至少一个中空纤维的平均孔径范围可以为5-150微米。该至少一个中空纤维可以位于壳体内部。流体入口和渗余物流体出口可以与至少一个中空纤维的内管腔流体连通。渗透物流体出口可以与壳体内部和多孔壁的外表面流体连通。中空纤维切向流过滤系统可以包括泵送系统，该泵送系统被配置为以基于流体粘度的速率将脉冲流提供到流体入口。

14、在至少上述方面，中空纤维切向流过滤系统可以包括控制器。中空纤维切向流过滤系统可以包括通信联接到控制器的粘度传感器。控制器可以被配置为基于粘度传感器的测量来调节脉冲流的速率。

15、根据至少一个附加的方面，从裂解细胞收获生物材料的方法可以包括测量包括裂解细胞的流体的粘度，并基于测量值和切向流深度过滤器的中空纤维的宽度计算流速。该方法可以包括使流体以该流速沿着中空纤维的外表面通过。该方法可以包括从通过中空纤维的流体中收集的渗透物中收获生物材料。

16、根据这个和其他方面，生物材料可以包括病毒载体。生物材料可以包括质粒dna。生物材料可以包括至少一种细胞内蛋白质。该方法可以进一步包括测量流体的第二粘度。该方法可以进一步包括基于第二粘度调节流速。

17、根据本公开的又另一方面，一种灌封垫圈可以包括模制硅酮部件和外围凸缘，该模制硅酮部件限定了至少一个孔，该至少一个孔被配置为与至少一个相应的中空纤维联接，该外围凸缘被配置为与过滤器壳体联接。

18、在本公开的上述和其他方面，灌封垫圈可以被配置为通过与过滤器壳体的凸缘形成过盈配合来与过滤器壳体联接。灌封垫圈可以被配置为通过与过滤器端盖的凸缘形成过盈配合来与过滤器壳体联接。灌封垫圈可以在过滤器壳体的凸缘和过滤器端盖的凸缘之间被压缩。基于围绕过滤器壳体的凸缘和过滤器端盖的凸缘的外表面的压紧环的紧固，灌封垫圈可以在过滤器壳体的凸缘和过滤器端盖的凸缘之间被压缩。

19、更换灌封垫圈的方法可以包括从过滤器单元的过滤器端盖移除压紧环从而从垫圈移除压力，移除过滤器端盖，以及移除垫圈，可选地连同与垫圈联接的一个或更多个中空纤维一起移除。

20、在本公开的上述和其他方面，培养基可以包括哺乳动物细胞培养物或细菌细胞培养物。

21、在附加的方面，一种方法可以包括通过在培养基中的一个或更多个细胞裂解之前或之后将絮凝剂添加到培养基中并基于添加絮凝剂来调节培养基的通量，使培养基中的多个悬浮颗粒剥落。

22、在本公开的上述和其他方面，培养基可以包括哺乳动物细胞培养物或细菌细胞培养物。

23、在又另一方面，一种对过滤系统进行缩放的方法可以包括用第二灌封垫圈替换第一灌封垫圈，第二灌封垫圈被配置为与第一灌封垫圈相比配合不同数量的中空纤维。

24、在上述和其他方面，灌封垫圈可以包括模制硅酮构件。灌封垫圈可以包括外围凸缘，该外围凸缘被配置为与过滤系统的壳体、过滤系统的端盖或两者形成过盈配合。第一灌封垫圈可以被配置为与第一组中空纤维联接。第二灌封垫圈可以被配置为与第二组中空纤维联接。

25、根据至少一个附加方面，一种系统可以包括过滤器壳体、过滤器端盖和设置在它们之间的硅酮灌封垫圈。灌封垫圈可以被配置为固持一个或更多个中空纤维，该一个或更多个中空纤维限定位于过滤器壳体的渗余物腔室内的渗透物通道。中空纤维可以通向过滤器端盖的渗透物腔室。硅酮灌封垫圈可以被配置为与过滤器壳体、过滤器端盖或两者形成过盈配合。

26、在至少这个方面，该系统可以包括压紧环，该压紧环被配置为装配到过滤器壳体和过滤器端盖中的一个或两者的外表面。压紧环可以被配置为减小过滤器壳体和过滤器端盖之间的距离，从而压缩硅酮灌封垫圈。过滤器端盖的外表面可以包括弯曲或角度。压紧环可以包括弯曲或成角度的表面，该表面被配置为适应过滤器端盖的弯曲或角度。

27、在又另一方面，收获细胞内产物的方法可以包括检测细胞培养基的第一粘度测量值，该细胞培养基包括包含细胞内产物的至少一个细胞；裂解包含细胞内产物的至少一个细胞；检测细胞培养基的第二粘度测量值；以及基于第一粘度测量值和第二粘度测量值之间的差异调节细胞培养基流过中空纤维过滤器的湍流。

28、根据上述和其他方面，细胞内产物可以包括aav颗粒。该至少一个细胞可以包括hek293细胞。调节湍流可以包括经由与通信联接到泵的控制器自动影响细胞培养基的流速。