一种深层过滤介质及其制备方法与流程

本发明涉及深层过滤介质领域，特别是一种深层过滤介质及其制备方法。

背景技术：

1、经过长时间的发展，细胞培养技术已经成为生产蛋白的重要技术手段，在细胞培养领域中，目前常用的细胞收获液收获方法包括絮凝、沉淀、离心和深层过滤，其中深层过滤介质通常由纤维、助滤剂及粘结剂组成，可在深度范围进行过滤。通常，细胞收获液含有大量的完整细胞、细胞碎片和所需的目标蛋白等生物组分，为了分离所需的目标蛋白等生物组分，需要经过澄清过滤、超滤、层析等下游纯化过滤步骤，其中，澄清过滤是生物制药工艺中下游纯化的第一步，以清除细胞碎片、大颗粒残渣、胶体或沉淀物、多糖、色素以及宿主细胞蛋白(hcp)、生物大分子dna等杂质，从而减小后续过滤时的膜污染，增加通量，延长清洗周期和使用寿命，减少运行成本，提高生产效率。

2、细胞收获液通过深层过滤介质进行过滤过程中，完整细胞或细胞碎片等直径较大的生物组分能够被深层过滤介质截留，而dna和hcp等则能够通过电荷吸附方式被深层过滤介质吸附分离，因此通过深层过滤介质能够将目标蛋白与完整细胞、细胞碎片、dna和hcp等分离，实现目标蛋白收集。

3、在深层过滤介质使用前，需要采用水或缓冲液对深层过滤介质进行预过滤冲洗以除去内部易脱落的纤维或助滤剂，而现有技术在预过滤冲洗过程中，内部的纤维或助滤剂，特别是靠近深层过滤介质出液面侧的助滤剂脱落现象较为严重，而助滤剂的脱落容易导致深层过滤介质偏离原先的过滤精度，导致细胞碎片、dna和hcp等相对细小的杂质无法良好的过滤，从而影响整个细胞收获液的澄清过滤过程；同时在澄清过滤过程中，随着深层过滤介质内部孔隙逐渐被杂质填满，其受到的压力也逐渐增大，而逐渐增大的压力更容易导致深层过滤介质内部助滤剂的脱离，而影响过滤后蛋白收集液的纯度。

技术实现思路

1、本发明所要达到的目的是提供一种防止纤维及助滤剂脱落，具有稳定精度的深层过滤介质及其制备方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种深层过滤介质，包括过滤介质本体，用于所述过滤介质本体包括纤维和助滤剂，所述过滤介质本体具有用于接收待过滤液的第一侧面、和将透过液排出的第二侧面，

4、所述纤维包括粗纤维和超细纳米纤维，所述超细纳米纤维的直径为5-150nm；

5、其中，粗纤维堆叠缠绕形成过滤介质本体骨架，所述超细纳米纤维缠绕包裹于助滤剂外部从而形成网状包裹部，所述网状包裹部和助滤剂形成的分散体分散于过滤介质本体骨架孔隙处；

6、所述粗纤维和超细纳米纤维之间的直径之比为200-50；

7、所述超细纳米纤维的直径和助滤剂的平均粒径d50之比为1:10-1000。

8、本发明中，粗纤维经过堆叠缠绕形成过滤介质本体骨架，助滤剂及缠绕包裹的超细纳米纤维共同形成的分散体分散填充于过滤介质本体骨架孔隙处。本发明在过滤介质本体中采用超细纳米纤维，一方面，采用超细纳米纤维能够大大增加过滤介质本体的过滤精度，从而使得过滤介质本体能够截留吸附粒径更小的杂质，例如直径较小的细胞碎片，或者非所需蛋白组份，如dna和hcp等，更重要的是，采用超细纳米纤维能够缠绕助滤剂形成网状包裹部，从而在助滤剂的外部形成网状结构，一方面，网状包裹部能够使得助滤剂在分散搅拌时更加均匀，另一方面，网状包裹部中的部分超细纳米纤维还能与其他分散体上的超细纳米纤维或者和粗纤维缠绕，从而分散体相互之间并非完全独立，会通过网状包裹部上的超细纳米纤维连接，且分散体也能够通过该网状包裹部牢牢“抓”住粗纤维，增加了助滤剂和过滤介质本体骨架之间的结合强度，使得助滤剂在受到流体冲击时，网状包裹部能够牢牢拽住助滤剂，防止其流失。

9、本发明超细纳米纤维的直径与助滤剂平均粒径之间的比例直接影响了超细纳米纤维对助滤剂的包裹性，若超细纳米纤维直径过大，则无法对助滤剂起到良好的包裹效果，导致超细纳米纤维无法形成网状包裹部或助滤剂容易从超细纳米纤维形成的网状包裹部中脱落；而若超细纳米纤维直径过小，在混合搅拌时，不容易抓住助滤剂，同样容易导致超细纳米纤维无法对助滤剂进行良好包裹；同时，粗纤维和超细纳米纤维直径之间的比例会影响整体的精度，若超细纳米纤维直径过大，则过滤介质本体中精度过小，而若超细纳米纤维直径过小，则容易导致精度过大，过滤时压差过大。

10、作为优选，所述纤维包括20-40wt％的粗纤维和60-80wt％的超细纳米纤维。

11、粗纤维和超细纳米纤维之间含量同样用于调节过滤介质本体中分散体的比例和精度，若粗纤维含量过高，容易导致粗纤维形成的过滤介质本体骨架中空隙多，分散体少，导致过滤精度的过小，而若粗纤维含量过少则容易导致过滤介质本体骨架中空隙少，纳污空间不足。

12、作为优选，所述超细纳米纤维的长度为0.5-9mm，所述超细纳米纤维的长度和助滤剂的平均粒径d50之比为50-5000。

13、本发明超细纳米纤维长度在限定范围内时，能够对助滤剂起到更好的包裹效果，同时提供良好的精度调节效果；同时超细纳米纤维的长度与助滤剂粒径之间的比例也影响了超细纳米纤维对助滤剂的包裹性，若超细纳米纤维的长度过短，同样容易导致超细纳米纤维无法形成网状包裹部或助滤剂容易从超细纳米纤维形成的网状包裹部中脱落，同时也无法使得网状包裹部中的超细纳米纤维对粗纤维形成缠绕，容易造成脱落；而超细纳米纤维长度过长，则容易影响分散体的分散性。

14、作为优选，所述粗纤维的直径为1-50μm。

15、粗纤维主要用于堆叠缠绕形成过滤介质本体骨架，直径在本发明范围内使得本发明深层过滤介质具有良好的强度。

16、作为优选，所述助滤剂的平均粒径d50为0.05-80μm。

17、本发明助滤剂能够通过疏水作用，对细胞收获液中的dna等杂质起到良好的吸附过滤作用，通过调节助滤剂的平均粒径d50，能够起到调节深层过滤介质精度和吸附效果的作用。

18、作为优选，所述助滤剂粒径分布离散度为0.5-4。

19、本发明采用的助滤剂粒径分布具有一定的离散度，其中离散度的计算方式为(d90-d10)/d50，在分散体形成和深层过滤介质制备过程中，粒径较小的助滤剂能够填充于粒径较大助滤剂之间的空隙中，从而提高助滤剂在深层过滤介质中的比表面积，提高对dna等物质的吸附作用，防止出现过多的空隙导致深层过滤介质的过滤吸附效果的下降，同时，粒径分布离散度在本发明内能够良好调节深层过滤介质所需精度。

20、作为优选，所述粗纤维的加拿大游离度为450-800ml；所述超细纳米纤维的加拿大游离度为25-325ml。

21、粗纤维和超细纳米纤维加拿大游离度过高时，分丝帚化程度过低，同时暴露的羟基、羧基等活性基团少，也不易与粘合剂或电荷添加剂结合；同时，容易导致深层过滤介质强度不足，且干燥过程中容易收缩，而加拿大游离度过低时，分丝帚化程度过高，容易导致深层过滤介质透水性下降，导致在使用时过滤压差过大。

22、作为优选，

23、所述第一侧面至第二侧面紧度呈现连续上升的梯度变化；

24、且至少第二侧面处所述网状包裹部外周的超细纳米纤维与过滤介质本体骨架缠绕，防止助滤剂的脱离。

25、本发明中，第一侧面至第二侧面紧度梯度上升，因此在靠近第一侧面处紧度较低，纳污空间相对较大，在靠近第一侧面处紧度较高，更加利于精密吸附，同时，在透过液排出的第二侧面处网状包裹部外周的超细纳米纤维与过滤介质本体骨架缠绕，结合其更大的紧度，因此在深层过滤介质在预冲洗或过滤过程中，能够保证助滤剂无法从第二侧面处脱离，从而防止了整个深层过滤介质中助滤剂的脱离。

26、作为优选，

27、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度0-33％处为第一区域，

28、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度33-66％处为第二区域，

29、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度66-100％处为第三区域，

30、各区域所述助滤剂含量标准差和平均值之间的比值为0.01-0.08。

31、在本发明中，各区域助滤剂含量标准差和平均值之间的比值小，说明个区域中助滤剂含量分布均匀，相比于助滤剂分布参差不齐的深层过滤介质，本发明能够消除分层沉淀的现象，即防止了能够被助滤剂吸附或截留的杂质在助滤剂含量多的地方沉淀现象的产生，使得助滤剂吸附或截留更加均匀，不易堵塞；同时，若在某个区域助滤剂含量相对较低，说明在该区域过滤介质本体骨架有更多的空隙未被填满，因此在该区域吸附截留作用低，容易造成杂质的穿透，同时过滤时由于该处过滤阻力较低，细胞收获液也更容易从该处穿透，造成了其余区域的深层过滤介质利用率低的问题，影响深层过滤介质整体过滤性能。

32、作为优选，所述各区域助滤剂含量标准差为0.005-0.04。

33、作为优选，

34、所述过滤介质本体带有正电荷，且电荷量从第一侧面至第二侧面呈现连续上升的梯度变化；

35、取过滤介质本体，向第一侧面以5ml/min速度恒定供给浓度为20ppm的皂黄染液，当透过液在430nm下的透光度下降至95％时，皂黄染液透过量为300-6500μg/cm3；

36、其中：

37、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度0-33％的第一区域透过量为l1，

38、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度66-100％的第三区域透过量为l2，

39、所述l1:l2为1:1.2-3；

40、其中l1为120-2200μg/cm3，l2为150-4200μg/cm3。

41、粗纤维形成骨架，并将助滤剂包裹其中，形成深层过滤介质，同时，可采用带正电荷的粘合剂或再添加电荷添加剂赋予深层过滤介质带正电荷性能，在使用过程中，纤维之间的孔隙能够对细胞和较大的细胞碎片等大粒径杂质进行截留去除，而助滤剂带来的疏水性、带电粘合剂或电荷添加剂所带来正电荷能够吸附直径较小的细胞碎片，或者非所需蛋白组份，如dna和hcp，因此，在待过滤液，即细胞收获液通过深层过滤介质后，非所需生物组分能够通过截留或吸附作用被深层过滤介质从细胞收获液中除去，从而获得含有例如抗体、病毒等所需生物组分的细胞收获液。

42、发明团队在过滤时发现，采用现有的深层过滤介质进行过滤时，很容易就到达额定压差，即深层过滤介质会较快的堵塞，究其原因，是因为细胞收获液非所需生物组分中细胞碎片的含量较高，且直径大小分布较宽，在深层过滤介质上层电荷量也相对较高的情况下，相对细小的主要通过吸附作用除去的细胞碎片容易和大细胞碎片以及细胞一起过快的填满深层过滤介质上层的纳污空间，导致深层过滤介质下层利用率下降，不利于整体过滤。

43、本发明深层过滤介质中，第一侧面至第二侧面紧度呈现连续上升的梯度变化，且电荷量同样从第一侧面至第二侧面呈现连续上升的梯度变化，其中，第一侧面处紧度较低，且电荷含量较少，因此在靠近第一侧面处的深层过滤介质纳污空间较大，能够截留并容纳更多的细胞及较大的细胞碎片，即在此处的主要作用为截留和容纳细胞和细胞碎片等较大的杂质，同时相对较为细小的细胞碎片由于此处电荷吸附较弱，因此相对容易通过，而不挤占过多的纳污空间，而越靠近第二侧面处的深层过滤介质紧度较大，空隙相对较少，因此流路相对更窄，并且更加曲折，细胞收获液在此处过滤时与纤维之间的接触更多，同时在此处的电荷含量也更高，因此能够充分的通过吸附除去细小的细胞碎片(且由于紧度的升高，精度较高，此处部分细小的细胞碎片也能够通过截留的方式过滤，并由于细胞碎片直径较小，即使此处纳污空间小，也不至于堵塞)，同时也能够充分发挥吸附hcp、dna等非所需的蛋白的作用，使得深层过滤介质拥有过滤后细胞收获液浊度更低。

44、因此，采用本发明深层过滤介质对细胞收获液进行过滤时，首先细胞收获液中完整细胞以及大细胞碎片被大量截留，而相对细小的细胞碎片由于此处电荷吸附作用相对较弱而较少的吸附，使得深层过滤介质中靠近第一侧面处的纳污空间能够更多的容纳完整细胞以及大细胞碎片，避免过快堵塞，而当细胞收获液通过靠近第二侧面处时，此处紧度较高，流路狭窄曲折，细胞收获液更容易充满整个平面，与纤维接触更充分，更容易发生电荷吸附作用，配合该处较高的电荷含量，能够更好的吸附除去细小的细胞碎片和hcp、dna等非所需的蛋白；因此，相比于电荷含量较为均等的深层过滤介质，本发明深层过滤介质不易过快堵塞，利用率更高，且过滤液浊度更低，hcp和dna残留也相对较低。

45、作为优选，

46、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度0-33％的第一区域紧度为t1，

47、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度66-100％的第三区域紧度为t2，

48、所述t1:t2为1:1.1-1.7；

49、其中，所述过滤介质本体的紧度为0.2-0.38g/cm3；t1为0.15-0.35g/cm3；t2为0.23-0.40g/cm3。

50、本发明中，第一区域的紧度较低，纳污空间较大，第三区域的紧度较大，利于精密吸附，且将紧度设置在上述范围内时，适用于各种类型的细胞收获液。

51、作为优选，其特征在于，过滤介质本体中：

52、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度0-33％的第一区域孔隙率为n1，

53、自所述第一侧面处于过滤介质本体厚度66-100％的第三区域孔隙率为n2，

54、所述n1:n2为1.1-5:1；

55、其中，n1为25-70％，n2为5-60％。

56、本发明中，第一区域孔隙率相对较大，纳污空间较大，第三区域孔隙率相对较低，利于精密吸附，且将紧度和孔隙率设置在上述范围内时，适用于各种类型的细胞收获液。

57、作为优选，所述过滤介质本体中的纤维含量为10-85wt％，助滤剂含量为15-90wt％。

58、作为优选，所述纤维包括纤维素纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维中的或多种。

59、作为优选，所述助滤剂包括硅藻土、二氧化硅、活性炭中的一种或多种。

60、作为优选，所述助滤剂的渗透率在0.05-6dracy之间。

61、作为优选，所述过滤介质本体包括还包括粘合剂，所述粘合剂含量为1-10wt％；所述粘合剂包括三聚氰胺-甲醛树脂、聚酰胺-表氯醇树脂、乙二醛-聚丙烯酰胺中的一种或多种。

62、作为优选，所述过滤介质本体还包括电荷添加剂，所述过滤介质本体中电荷添加剂占粘合剂总含量1-10wt％。

63、作为优选，所述电荷添加剂包括三乙烯二胺、四乙烯五胺、壳聚糖中的一种或多种。

64、作为优选，所述过滤介质本体的湿强度为150-400kpa之间。

65、一种深层过滤介质的制备方法，其特征在于，包括步骤：

66、s1：打浆，分别选取粗纤维和超细纳米纤维与水混合打浆，得到粗纤维浆料和超细纳米纤维浆料；

67、s2：混合，将超细纳米纤维浆料和助滤剂混合进行预搅拌，制备得到分散体，随后加入至粗纤维浆料中，搅拌形成浓度均匀的分散液；

68、s3：成型，将经搅拌后的分散液置于筛网的上表面，并从筛网的下表面侧抽真空形成负压，形成初成品；

69、s4：烘干，将初成品进行定型烘干；

70、s5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。

71、本发明在制备深层过滤介质时，首先按配比选取粗纤维和超细纳米纤维分别打浆得到浆料，随后将超细纳米纤维浆料和助滤剂预搅拌，得到分散体，再加入粗纤维浆料，搅拌均匀后形成分散液，在本发明中，将分散液置于筛网的上表面后，仅从筛网的下表面侧抽真空形成负压，浆料中的水分被抽离从而形成初成品，在该过程中，由于越靠近筛网处吸力越大，因此越靠近筛网的区域深层过滤介质的紧度越高，并且，本发明纤维由粗纤维和超细纳米纤维组成，其中，细纤维相比粗纤维更容易随着吸力聚集到靠近筛网处，且超细纳米纤维直径小，加拿大游离度更低，分丝帚化程度高，因此其暴露的羟基会更多，所产生的负电荷也越多，相比粗纤维更容易吸引电荷改性剂的附着，因此，本发明制备得到的深层过滤介质电荷量从第一侧面至第二侧面呈现连续上升的梯度变化。

72、作为优选，步骤s1中粗纤维浆料的浓度为4-6wt％；超细纳米纤维浆料的浓度为1-3wt％。

73、作为优选，步骤s2中所述预搅拌包括以下阶段：

74、s21舒展阶段：在35-50℃下，以10-50rpm转速搅拌1-1.5h；

75、s22包裹阶段：在35-50℃下，以50-200rpm转速搅拌1-1.5h；

76、s23定型阶段：在20-35℃下，以10-50rpm转速搅拌0.5-1h。

77、本发明在制备时，预搅拌分为三个阶段，舒展阶段，在较高温度、较低转速下搅拌使得超细纳米纤维能够得到舒展，随后在包裹阶段加快转速，使得超细纳米纤维能够良好包裹助滤剂从而形成分散体，最后降温、降速，使得分散体结构得以定型。

78、作为优选，步骤s2中纤维含量为10-70wt％，助滤剂含量为30-90wt％。作为优选，步骤s2中还加入粘合剂，所述粘合剂含量为1-10wt％。

79、作为优选，步骤s2中还加入电荷添加剂，所述过滤介质本体中电荷添加剂占粘合剂总含量1-10wt％。

80、作为优选，步骤s3中所述抽真空成型步骤如下：

81、s31：抽真空真空度为-10～-60kpa；

82、s32：抽真空真空度为-50～-100kpa。

83、作为优选，步骤s3中抽真空至初成品的含水率小于100％为止。

84、作为优选，步骤s3中所述筛网为双层，一层目数为20-120目，另一层目数为80-500目，且贴近分散液一层的目数小于远离分散液一层的目数。

85、作为优选，步骤s4中所述烘干直至含水率低于10％为止。

86、作为优选，其特征在于，所述烘干温度为60-200℃，烘干时间为3-8h。

87、本发明深层过滤介质中采用粗纤维和超细纳米纤维搭配，采用超细纳米纤维能够大大增加过滤介质本体的过滤精度，从而使得过滤介质本体能够截留吸附粒径更小的杂质，同时超细纳米纤维能够缠绕助滤剂形成网状包裹部，从而在助滤剂的外部形成网状结构，助滤剂能够通过该网状包裹部牢牢“抓”住粗纤维，防止从过滤介质本体中脱落。