Фильтрация с контролем внутреннего засорения - RU2460576C2

Чертежи

Показать все 58 чертежа(ей)

Описание

Настоящая заявка имеет приоритет заявки США сер. № 60/971769 от 12 сентября 2007 г., которая включена в данный документ полностью путем ссылки.

Заголовки разделов в данном документе применены единственно с целью упорядочивания и не должны истолковываться как ограничивающие каким-либо образом описываемый предмет изобретения.

Данное изобретение относится к фильтрации с контролем внутреннего засорения и, в частности, к фильтрации с применением мембран, предоставляющей равномерное трансмембранное давление и контроль внутреннего засорения для разделения жидкости и твердой фазы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Микрофильтрация и ультрафильтрация используются для отделения соединений в биологических бульонах или других жидких средах. В индустрии напитков микрофильтрация применяется для очистки пива и вина и в молочной промышленности микрофильтрация и ультрафильтрация могут быть применены для обработки, например, сырной сыворотки или молока. Микрофильтрация в последнее время применяется также в биотехнической промышленности, хотя отчасти и довольно сдержанно, для отделения и очистки продуктов.

Микрофильтрация является в принципе привлекательным методом отделения растворенных веществ от суспензий с высоким содержанием твердотельных веществ, например суспензий, образованных ферментацией, молока или соков с пульпой. Разнообразие различных видов микрофильтрации используется на практике, включая устройства с пластинами и рамами, керамическими трубами, полыми волокнами и мембранами. Пластины и рамы применяются нечасто, однако они способны обрабатывать среды с высокой концентрацией твердотельных частиц. Этот вид, однако, сравнительно дорог и требует крупногабаритного оборудования, занимающего большую площадь, при применении в промышленных масштабах. Керамические трубы широко применяются в молочной промышленности и пищевой промышленности по причине высокой пропускной способности, простоты эксплуатации, простоты стерилизации/очистки и долговечности мембраны. Однако устройства с керамическими трубами обычно очень дороги и требуют большей мощности по сравнению с другими устройствами для микрофильтрации для того, чтобы поддерживать очень высокие расходы поперечных потоков, требующиеся для минимизации засорения. Полые волокна являются альтернативой керамическим трубам. Они не являются такими прочными при применении или простыми в эксплуатации и обращении как керамические трубы, однако менее дороги и требуют много меньшей площади, занимаемой оборудованием, по сравнению с устройствами с керамическими трубами или с пластинами и рамами.

Мембраны со спиральной намоткой также применяются для определенных операций микрофильтрации. Конструкции мембран со спиральной намоткой обычно включают оболочку из листовой мембраны, намотанной вокруг трубу для пермеата, которая перфорирована, чтобы обеспечить сбор пермеата. При ссылке на Фиг. 3, типичная конструкция мембранного модуля со спиральной намоткой включает цилиндрический внешний корпус и центральную трубу для сбора, заключенную внутри корпуса и имеющую множество отверстий или щелей, которые служат в качестве средств для сбора пермеата. Лист, содержащий два мембранных слоя и слой с каналами для пермеата, расположенный между мембранами, намотан по спирали вокруг трубы вместе с прокладкой подводящего канала, разделяющей слои намотанного листа. Слой с каналами для пермеата обычно является пористым материалом, который направляет пермеат от каждого мембранного слоя по спиральному пути к трубе для сбора. Во время функционирования исходный раствор, подлежащий разделению, вводится в один конец цилиндра и протекает в осевом направлении по подводящему каналу и подводящей прокладке, при этом поток ретентата удаляется из другого осевого конца корпуса. Края мембраны и слоя с каналами для пермеата, которые не прилегают к трубе для сбора, герметизированы, чтобы удерживать и направлять поток пермеата внутри слоя с каналом для пермеата между мембранами к трубе для сбора. Пермеат, который проходит через мембранные слои, протекает в радиальных направлениях через средства для сбора пермеата к центральной трубе и удаляется из центральной трубы через выпускное отверстие для пермеата.

Виды применения мембран со спиральной намоткой в промышленных масштабах большей частью ограничены обработкой сильно разбавленных (с низким содержанием твердотельных компонентов) технологических жидких сред. Модули с мембраной со спиральной намоткой часто применяются в отдельности или в комбинации для отделения материалов со сравнительно низким содержанием твердотельных компонентов посредством обратного осмоса высокого давления, например, для получения чистой воды из солевого раствора; или ультрафильтрации низкого давления, например, в области молочной промышленности, например, для концентрирования белка молочной сыворотки. Теоретически конфигурация мембраны со спиральной намоткой представляет сравнительно большую площадь поверхности мембраны для процесса разделения по отношению к площади, занимаемой фильтрующим модулем. Чем больше площадь мембраны в системе фильтрации, тем больше скорость просачивания, которая потенциально доступна, при идентичных всех остальных параметров. Однако мембраны со спиральной намоткой склонны к засорению при высоком расходе. Засорение приводит к уменьшению плотности потока, которая определяет пропускную способность системы, и к уменьшению прохождения, которое определяет выход продукта. К сожалению, трансмембранное давление (TMP) на входе мембраны со спиральной намоткой много выше, чем TMP на выходе. Это происходит потому, что сопротивление мембраны создает градиент давления на стороне ретентата, тогда как давление пермеата является равномерно низким на протяжении мембраны. Соответственно, оптимальное TMP может быть достигнуто обычно лишь в пределах сравнительно короткой зоны вдоль мембраны. В верхнем течении от этой оптимальной зоны мембрана подвергается чрезмерному давлению и склонна к засорению, в то время как в нижнем течении от этой зоны низкое TMP приводит к субоптимальной плотности потока. Мембраны со спиральной намоткой часто эксплуатируются последовательно, что обостряет проблему засорения.

Генерирование обратных импульсов является обычным известным методом восстановления плотности потока и уменьшения засорения в фильтрах. Генерирование обратных импульсов выполнялось в спиральных мембранах, например, посредством принуждения возврата собранного пермеата назад в канал для пермеата, чтобы создать значительное избыточное давление со стороны пермеата мембраны. В прошлом концепции генерирования обратных импульсов не обеспечивали создания равномерных локальных величин трансмембранного давления вдоль стороны пермеата мембраны. Градиент давления внутри пространства для пермеата имел тенденцию становиться сравнительно более высоким на входе обратного потока пермеата и сравнительно более низким в местах канала для пермеата, удаленных от источника обратного потока. Поэтому уровень локализованного устранения засорения и восстановления плотности потока варьировался значительным и непрогнозируемым образом вдоль длины мембраны в осевом направления. При предшествующих попытках генерирования обратных импульсов либо создавалось неудовлетворительно низкое давление обратного потока в пространстве для пермеата, что приводило к субоптимальной очистке, либо высокие величины давления обратного потока, созданные со стороны пермеата и достаточные для стимулирования некоторого уровня устранения засорения, привели бы к повреждению мембраны вследствие расслаивания. Генерирование обратных импульсов, основанное на таких методах реверсирования потока пермеата, может вызывать гидродинамическую ударную волну или эффект гидравлического удара для устранения засорения, что приводит к жесткому воздействию на мембрану. К тому же, уровень любого достигнутого восстановления плотности потока и устранения засорения имеет тенденцию к постепенному снижению после нескольких циклов фильтрации при применении таких видов обработки с генерированием обратных импульсов. В некоторых случаях применяли сжатый воздух для усиления эффекта генерирования обратных импульсов. Однако некоторые спиральные мембраны, в частности, могут не быть достаточно устойчивы, чтобы выдерживать генерирование пневматических обратных импульсов. Некоторые поставщики, например, Trisep и Grahamtek, производят спиральные мембраны, сконструированные, чтобы контролировать напряжения, вызываемые генерированием обратных импульсов.

Baruah, G., et al., J Membrane Sci, 274 (2006) 56-63 описывают установку для микрофильтрации, протестированную на трансгенном козьем молоке и имеющую керамическую мембрану для микрофильтрации, которая снабжена узлом для генерирования обратных импульсов, рециркуляцией пермеата в прямоточном режиме, чтобы достигнуть, как сообщается, равномерного трансмембранного давления (UTMP), и системой контроля охлаждения/температуры. Генерирование обратных импульсов выполняется посредством захватывания пермеата. Это делается закрытием клапана генерирования обратных импульсов и клапана позади выпускного отверстия насоса. Регулированием байпаса узла для генерирования обратных импульсов переменное количество жидкости принуждается тем самым к введению в систему, чтобы создать обратный импульс. Однако какие-либо факторы, которые могут вызвать неравномерное обратное давление в проходе для фильтрата во время генерирования обратных импульсов, являются нежелательными, поскольку любые эффекты устранения засорения, достигнутые на мембране, также будут склонны быть неравномерными. Кроме того, керамические фильтры обычно более дорогие, чем другие виды фильтров для микрофильтрации (MF), например спиральные мембраны, и они будут предоставлять меньшую площадь рабочей поверхности на единицу длины по сравнению со спиральными видами фильтров. Brandsma, R.L., et al., J Dairy Sci, (1999) 82:2063-2069, описывают обеднение белками и кальцием молочной сыворотки посредством микрофильтрации кислого снятого молока перед изготовлением сыра в устройстве для микрофильтрации, обладающем, как сообщается, возможностью поддержания UTMP. Керамические мембраны на базе глинозема описаны в качестве фильтрующих средств, которые очищались при использовании цикла с 1,5 массовыми процентами NaOH и 1,5 массовыми процентами азотной кислоты при применении системы UTMP в качестве механизма промывки противотоком. По существу, цикл промывки противотоком, как это описано Brandsma et al., включает применение внешних химикатов, чтобы очистить керамическую мембрану. Применение внешних жестких химикатов и значительные периоды простоя оборудования, связанные с их применением для очистки фильтров, не является совершенным.

Имеется потребность в концепциях фильтрации, которая может обеспечить высокие прохождение и выходы при разделениях жидкости и твердой фазы, проводимых для исходных потоков с содержанием твердой фазы от низкого до высокого, более постоянным и менее прерывистым образом при пониженных затратах на оборудование и эксплуатационных расходах и эффективном устранении засорения без применения химических добавок для очистки.

Перекрестно-точная фильтрация также может быть применена для разделения сходных растворенных веществ или компонентов на основании различий в их молекулярной массе. Отделение сахара с применением нанофильтрации является одним из примеров. Отделение молочных белков (главным образом казеина и сыворотки) является другим примером, который активно исследуется в области молочной промышленности. Были достигнуты некоторые успехи с трубчатыми керамическими мембранами, применяемыми с высокими скоростями поперечных потоков. К сожалению, гидродинамика мембран со спиральной намоткой заранее сделала этот вид процесса чрезвычайно неэффективным в случае полимерных мембран со спиральной намоткой вследствие образования слоя поляризованных частиц, который образуется со временем при функционировании. Этот засоряющий слой приводит к уменьшенным величинам плотности потока и непрохождению веществ, в частности, белков молочной сыворотки. Интенсивность образования засоряющего слоя возрастает по мере увеличения соотношения между TMP и скоростью поперечного потока. Устройство, которое может устранить связь между поперечным потоком и TMP, обеспечило бы функционирование при условиях минимального засорения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из аспектов данное изобретение предоставляет способ фильтрации, содержащий предоставление мембранного модуля, включающего мембрану, определяющую стороны пермеата и ретентата, противоположные одна другой, впускное отверстие и выпускное отверстие, поток исходного материала, протекающий из впускного отверстия к выпускному отверстию в осевом направлении вдоль стороны ретентата мембраны, поток пермеата, протекающий в осевом направлении из впускного отверстия к выпускному отверстию вдоль стороны пермеата мембраны, и обводную линию для рециркуляции пермеата для предоставления параллельного потока рециркулируемого пермеата в модуль; регулирование расхода потока или давления на стороне пермеата или ретентата мембраны, чтобы обеспечить базовые величины давления у впускного отверстия и выпускного отверстия на сторонах пермеата и ретентата мембраны, так что разность в базовых величинах давления между сторонами пермеата и ретентата мембраны является по существу одной и той же у впускного отверстия и выпускного отверстия, при этом на стороне пермеата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия, и на стороне ретентата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия; и периодическое регулирование давления на стороне пермеата мембраны, чтобы уменьшить разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны у впускного отверстия и выпускного отверстия, по меньшей мере, на около 50% по сравнению с разностью между базовыми величинами давления. В одном из вариантов осуществления мембрана является мембраной со спиральной намоткой.

В некоторых вариантах осуществления периодическое регулирование давления на стороне пермеата мембраны происходит при интервалах примерно от 1 минуты до 6 часов с продолжительностью примерно от 1 до 60 секунд, и промежуточные периоды времени включают функционирование на стадиях разделения. В одном из вариантов осуществления, когда давление периодически уменьшается на стороне пермеата мембраны, разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны уменьшается по существу до нуля у впускного отверстия и выпускного отверстия.

В некоторых вариантах осуществления способ также содержит периодическое выполнение операции создания обратного равномерного трансмембранного давления (rUTMP) посредством либо увеличения давления пермеата, либо уменьшения давления ретентата, что приводит к контролируемому созданию избыточного давления на стороне пермеата мембраны по сравнению с давлением на стороне ретентата мембраны, чтобы предоставить обратный поток через мембрану, наряду с тем, что поддерживается осевой поток из впускного отверстия к выпускному отверстию на обеих сторонах мембраны, при этом разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны по существу одна и та же у впускного отверстия и выпускного отверстия во время указанной операции создания rUTMP. В некоторых вариантах осуществления операция создания rUTMP выполняется периодически при интервалах примерно от 1 минуты до 6 часов с продолжительностью примерно от 1 до 60 секунд, и промежуточные периоды времени включают функционирование на стадиях разделения.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет способ фильтрации, включающий предоставление мембранного модуля со спиральной намоткой, включающего мембрану, определяющую стороны пермеата и ретентата, противоположные одна другой, впускное отверстие и выпускное отверстие, поток исходного материала, протекающий из впускного отверстия к выпускному отверстию в осевом направлении вдоль стороны ретентата мембраны, поток пермеата, протекающий в осевом направлении из впускного отверстия к выпускному отверстию вдоль стороны пермеата мембраны, и обводную линию для рециркуляции для предоставления параллельного потока рециркулируемого пермеата в модуль; и регулирование расхода потока пермеата, чтобы обеспечить базовые величины давления у впускного отверстия и выпускного отверстия на сторонах пермеата и ретентата мембраны таким образом, чтобы разность в базовых величинах давления между сторонами пермеата и ретентата мембраны являлась по существу одной и той же у впускного отверстия и выпускного отверстия, при этом на стороне пермеата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия, и на стороне ретентата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия. В одном из вариантов осуществления мембрана является мембраной со спиральной намоткой.

В некоторых вариантах осуществления способ также содержит периодическое регулирование давления на стороне пермеата мембраны, чтобы уменьшить разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны у впускного отверстия и выпускного отверстия, по меньшей мере, на около 50% по сравнению с разностью между базовыми величинами давления. В одном из вариантов осуществления, когда давление периодически уменьшается на стороне пермеата мембраны, разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны уменьшается по существу до нуля у впускного отверстия и выпускного отверстия. В некоторых вариантах осуществления периодическое регулирование давления на стороне пермеата мембраны происходит при интервалах примерно от 1 до 30 минут с продолжительностью примерно от 1 до 10 секунд, и промежуточные периоды времени включают функционирование на стадиях разделения.

В некоторых вариантах осуществления способ также содержит периодическое выполнение операции создания rUTMP на указанной стороне пермеата мембраны, посредством либо увеличения давления пермеата, либо уменьшения давления ретентата, что приводит к контролируемому созданию избыточного давления на стороне пермеата мембраны по сравнению с давлением на стороне ретентата мембраны, чтобы предоставить обратный поток через мембрану, наряду с тем, что поддерживается осевой поток из впускного отверстия к выпускному отверстию на обеих сторонах мембраны, при этом разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны по существу одна и та же у впускного отверстия и выпускного отверстия во время указанной операции создания rUTMP.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет способ фильтрации, включающий предоставление мембранного модуля, включающего мембрану, определяющую стороны пермеата и ретентата, противоположные одна другой, впускное отверстие и выпускное отверстие, поток исходного материала, протекающий из впускного отверстия к выпускному отверстию в осевом направлении вдоль стороны ретентата мембраны, поток пермеата, протекающий в осевом направлении из впускного отверстия к выпускному отверстию вдоль стороны пермеата мембраны, и обводную линию для рециркуляции пермеата для предоставления параллельного потока рециркулируемого пермеата в модуль; регулирование расхода потока пермеата таким образом, чтобы разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны являлась по существу одной и той же у впускного отверстия и выпускного отверстия, при этом давление на стороне пермеата мембраны больше у впускного отверстия, чем у выпускного отверстия, и давление на стороне ретентата мембраны больше у впускного отверстия, чем у выпускного отверстия; и периодическое выполнение операции создания rUTMP на указанной стороне пермеата мембраны, посредством либо увеличения давления пермеата, либо уменьшения давления ретентата, что приводит к контролируемому созданию избыточного давления на стороне пермеата мембраны по сравнению с давлением на стороне ретентата мембраны, чтобы предоставить обратный поток через мембрану, наряду с тем, что поддерживается осевой поток из впускного отверстия к выпускному отверстию на обеих сторонах мембраны, при этом разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны по существу одна и та же у впускного отверстия и выпускного отверстия во время указанной операции создания rUTMP. В одном из вариантов осуществления мембрана является мембраной со спиральной намоткой.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет способ фильтрации для разделения потока фильтрующейся текучей среды модулем с фильтрующей мембраной со спиральной намоткой на поток пермеата и поток ретентата, данный способ содержит: (a) протекание потока исходного материала, подлежащего разделению, при некотором расходе через впускное отверстие для потока исходного материала и в осевом направлении через сторону ретентата мембраны со спиральной намоткой при избыточном давлении в первом направлении протекания через канал для ретентата мембранного модуля; (b) выведение потока ретентата, протекающего в осевом направлении, через выпускное отверстие для ретентата мембранного модуля; (c) отбор потока пермеата, протекающего в радиальном направлении внутри канала для пермеата, расположенного на стороне пермеата мембраны, которая противоположна ее стороне для ретентата, в трубу для сбора пермеата, соединенную с ним с возможностью протекания текучей среды, при этом труба для сбора содержит по меньшей мере один элемент гидравлического сопротивления; (d) протекание потока собранного пермеата через центральную трубу для сбора пермеата к выпускному отверстию для пермеата для выпуска из модуля; (e) возврат части пермеата, выпущенного из указанной трубы для сбора пермеата, к ее впускному отверстию для пермеата при некотором расходе пермеата; и (f) регулирование расхода потока пермеата, чтобы обеспечить базовые величины давления у впускного отверстия и выпускного отверстия на сторонах пермеата и ретентата мембраны таким образом, чтобы разность в базовых величинах давления между сторонами пермеата и ретентата мембраны являлась по существу одной и той же у впускного отверстия и выпускного отверстия, при этом на стороне пермеата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия, и на стороне ретентата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия.

В одном из вариантов осуществления способ также содержит (g) периодическое регулирование давления на стороне пермеата мембраны, чтобы уменьшить разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны у впускного отверстия и выпускного отверстия, по меньшей мере, на около 50% по сравнению с разностью между базовыми величинами давления. В некоторых вариантах осуществления периодическое регулирование давления на стороне пермеата мембраны происходит при интервалах примерно от 1 минуты до 6 часов с продолжительностью примерно от 1 до 60 секунд, и промежуточные периоды времени включают функционирование на стадиях разделения. В одном из вариантов осуществления, когда давление периодически уменьшается на стороне пермеата мембраны, разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны уменьшается по существу до нуля у впускного отверстия и выпускного отверстия.

В одном из вариантов осуществления способ также содержит (g) периодическое выполнение операции создания rUTMP на указанной стороне пермеата мембраны посредством либо увеличения давления пермеата, либо уменьшения давления ретентата, что приводит к контролируемому созданию избыточного давления на стороне пермеата мембраны по сравнению с давлением на стороне ретентата мембраны, чтобы предоставить обратный поток через мембрану, наряду с тем, что поддерживается осевой поток из впускного отверстия к выпускному отверстию на обеих сторонах мембраны, при этом разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны по существу одна и та же у впускного отверстия и выпускного отверстия во время указанной операции создания rUTMP. В некоторых вариантах осуществления операция создания rUTMP выполняется периодически при интервалах примерно от 1 минуты до 6 часов с продолжительностью примерно от 1 до 60 секунд, и промежуточные периоды времени включают функционирование на стадиях разделения. В некоторых вариантах осуществления во время операции создания rUTMP трансмембранное давление (TMP) изменяется менее чем на 40% вдоль всей длины мембраны по сравнению с величиной TMP на любом из концов мембраны в осевом направлении. В некоторых вариантах осуществления каналы для пермеата и ретентата поддерживаются непрерывным образом при избыточном давлении от около 0,1 до около 10 бар во время указанной операции создания rUTMP.

В некоторых вариантах осуществления любого из способов, описанных в данном документе, на стороне пермеата мембраны включен элемент гидравлического сопротивления, при этом пермеат протекает через данный элемент гидравлического сопротивления, и расход пермеата, протекающего через элемент гидравлического сопротивления, изменяется, чтобы создать регулируемый градиент давления. В некоторых вариантах осуществления элемент гидравлического сопротивления выбирается из группы, состоящей из конической унитарной вставки, пористой среды, плотно размещенной во внутреннем пространстве, определенном трубой для сбора, через которую протекает пермеат, статического смесительного узла, установленного внутри трубы для сбора, через которую протекает пермеат, и по меньшей мере одной перегородки, продолжающейся в радиальном направлении внутрь от внутренней стенки трубы для сбора, через которую протекает пермеат. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит коническую унитарную вставку. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит коническую унитарную вставку, поддерживаемую внутри трубы для сбора посредством по меньшей мере одного упругого уплотнительного кольца, расположенного между вставкой и внутренней стенкой трубы для сбора, и указанная коническая унитарная вставка включает по меньшей мере одну канавку, продолжающуюся ниже указанного упругого уплотнительного кольца, обеспечивая прохождение текучей среды под уплотнительным кольцом и вдоль внешней поверхности конической унитарной вставки. В некоторых вариантах осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит пористую среду, выбранную из гранул и пены. В некоторых вариантах осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит сферические полимерные гранулы. В некоторых вариантах осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит статический смесительный узел.

В некоторых вариантах осуществления любого из способов, описанных в данном документе, мембрана выбирается из поливинилиденфторидной (PVDF), полисульфоновой или полиэфирсульфоновой мембраны, и указанная мембрана имеет размер пор от около 0,005 до около 5 микрометров. В некоторых вариантах осуществления мембрана выбирается из полисульфоновой или полиэфирсульфоновой мембраны, имеющей размер пор от около 0,005 до около 2 микрометров.

В некоторых вариантах осуществления любого из способов, описанных в данном документе, поток исходного материала содержит полипептид, нуклеиновую кислоту, гликопротеин или биополимер. В некоторых вариантах осуществления поток исходного материала содержит продукт ферментации от бактериального производящего организма. В некоторых вариантах осуществления бактериальный производящий организм выбирается из группы, состоящей из Bacillus sp, Escherichia sp, Pantoea sp, Streptomyces sp и Pseudomonas sp. В некоторых вариантах осуществления поток исходного материала содержит продукт ферментации от грибкового производящего хозяина. В некоторых вариантах осуществления грибковый производящий хозяин выбирается из группы, состоящей из Aspergillus sp, Trichoderma sp, Schizosaccharomyces sp, Saccharomyces sp, Fusarium sp, Humicola sp, Mucor sp, Kluyveromyces sp, Yarrowia sp, Acremonium sp, Neurospora sp, Penicillium sp, Myceliophthora sp и Thielavia sp. В некоторых вариантах осуществления поток исходного материала содержит протеазу, и фильтрация выполняется при температуре, поддерживаемой при около 15°C или менее. В некоторых вариантах осуществления поток исходного материала содержит амилазу, и фильтрация выполняется при температуре, поддерживаемой при около 55°C или менее.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет устройство для фильтрации, содержащее: (a) модуль с фильтрующей мембраной со спиральной намоткой, содержащий мембрану со спиральной намоткой, канал для ретентата, продолжающийся вдоль стороны ретентата мембраны, для приема потока исходного материала из впускного отверстия для потока исходного материала и протекания ретентата в осевом направлении через сторону ретентата мембраны к выпускному отверстию для выпуска ретентата из модуля; канал для пермеата, расположенный на стороне пермеата мембраны, которая противоположна стороне для ретентата, для радиального протекания пермеата, проходящего через мембрану, к центральной трубе для сбора пермеата, соединенную с ним с возможностью протекания текучей среды, указанная труба для сбора содержит по меньшей мере один элемент гидравлического сопротивления и определяет канал для протекания собранного пермеата к выпускному отверстию для пермеата для выпуска собранного пермеата из модуля, и указанная труба для сбора имеет впускное отверстие для пермеата для введения по меньшей мере части выпущенного пермеата назад в трубу для сбора; (b) насос для пермеата для возврата части пермеата, выпущенного из указанной трубы для сбора пермеата, при регулируемом расходе во впускное отверстие для пермеата трубы для сбора; (c) насос для потока исходного материала для подачи потока исходного материала во впускное отверстие для потока исходного материала при регулируемом расходе, при этом указанные насос для пермеата и насос для потока исходного материала управляются взаимозависимым образом; (d) контроллер для взаимозависимого управления насосом для пермеата и насосом для потока исходного материала таким образом, что соответствующие расходы потока исходного материала и потока пермеата в мембранный модуль регулируются взаимозависимым образом, эффективным для обеспечения попеременного выполнения стадий разделения и устранения засорения во время эксплуатации, при этом поддерживается в основном равномерное трансмембранное давление в осевом направлении вдоль мембраны во время выполнения обеих стадий функционирования. В некоторых вариантах осуществления устройство также содержит (e) линию для подачи воды под давлением, соединенную с возможностью протекания текучей среды с каналом для пермеата.

В некоторых вариантах осуществления устройство для фильтрации также содержит корпус, имеющий первый и второй концы в осевом направлении и определяющий кольцевое пространство, в котором расположена центральная труба для сбора пермеата; листовую мембрану, намотанную по спирали вокруг трубы для сбора пермеата, указанная листовая мембрана содержит пористый элемент, расположенный между полупроницаемыми мембранными слоями, чтобы определить проход для пермеата как канал для радиального потока, и прокладку, расположенную между витками листовой мембраны, чтобы определить канал для ретентата, при этом внешний край вдоль осевого направления и боковые края листовой мембраны герметизированы, и ее внутренний край вдоль осевого направления соединен с возможностью протекания пермеата с указанной трубой для сбора пермеата.

В некоторых вариантах осуществления насос для пермеата и насос для потока исходного материала также могут управляться для периодического создания избыточного давления на стороне пермеата мембраны по сравнению со стороной ретентата, достаточного для образования обратного потока через мембрану со стороны пермеата к стороне ретентата при одновременном поддержании осевого сонаправленного принудительного прямотока в каналах для пермеата и ретентата.

В некоторых вариантах осуществления насос для потока исходного материала может управляться таким образом, чтобы уменьшать расход, наряду с тем, что насос для пермеата может управляться таким образом, чтобы поддержать выпускаемый пермеат при обеспечении возврата с постоянным расходом. В некоторых вариантах осуществления насос для пермеата может управляться таким образом, чтобы увеличить долю возврата выпущенного пермеата во впускное отверстие для пермеата, наряду с тем, что насос для потока исходного материала может управляться таким образом, чтобы поддержать постоянный расход потока исходного материала.

В некоторых вариантах осуществления элемент гидравлического сопротивления выбирается из группы, состоящей из конической унитарной вставки, пористой среды, плотно размещенной во внутреннем пространстве, определенном трубой для сбора, через которую протекает пермеат, статического смесительного узла, установленного внутри трубы для сбора, через которую протекает пермеат, и по меньшей мере одной перегородки, продолжающейся в радиальном направлении внутрь от внутренней стенки трубы для сбора, через которую протекает пермеат. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит коническую унитарную вставку. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит коническую унитарную вставку, поддерживаемую внутри трубы для сбора посредством по меньшей мере одного упругого уплотнительного кольца, расположенного между вставкой и внутренней стенкой трубы для сбора, и указанная коническая унитарная вставка включает по меньшей мере одну канавку, продолжающуюся ниже указанного упругого уплотнительного кольца, обеспечивая прохождение текучей среды под уплотнительным кольцом и вдоль внешней поверхности конической унитарной вставки. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит пористую среду, содержащую сферы, плотно размещенные во внутреннем пространстве, определенном трубой для сбора.

В некоторых вариантах осуществления мембрана имеет размер пор фильтрующей среды от около 0,005 микрон до около 5 микрон. В некоторых вариантах осуществления мембрана имеет размер пор фильтрующей среды от около 0,05 микрон до около 0,5 микрон. В некоторых вариантах осуществления мембрана выбирается из поливинилиденфторидной (PVDF), полисульфоновой или полиэфирсульфоновой мембраны, и указанная мембрана имеет размер пор от около 0,005 до около 5 микрометров. В одном из вариантов осуществления мембрана выбирается из полисульфоновой или полиэфирсульфоновой мембраны, имеющей размер пор от около 0,005 до около 2 микрометров.

В некоторых вариантах осуществления устройство для фильтрации также содержит несколько клапанов для регулирования протекания текучей среды через устройство, несколько датчиков для получения данных о текучей среде при ее протекании через устройство и сеть для компьютерной обработки данных, способную по меньшей мере к приему, передаче, обработке и регистрации данных, относящихся к функционированию указанных насосов, клапанов и датчиков, при этом зарегистрированные данные, собранные во время процесса фильтрации потока, являются достаточно полными, чтобы предоставить возможность управления процессом фильтрации потока. В некоторых вариантах осуществления датчики выбираются по меньшей мере из одного из датчиков расхода потока, датчиков давления, датчиков концентрации, датчиков pH, датчиков электропроводности, датчиков температуры, датчиков мутности, датчиков поглощения в ультрафиолете, датчиков люминесценции, датчиков показателя преломления, датчиков осмотической концентрации раствора, датчиков твердотельных веществ, датчиков ближнего инфракрасного излучения или датчиков инфракрасного излучения с преобразованием Фурье.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет конечный пермеат в качестве продукта или конечный ретентат в качестве продукта, полученный в соответствии с любым из способов, описанных в данном документе.

В другом аспекте данное изобретение предоставляет модуль с мембранным фильтром со спиральной намоткой, содержащий спирально намотанную мембрану, определяющую стороны пермеата и ретентата, трубу для сбора пермеата, соединенную с возможностью протекания текучей среды со стороной пермеата мембраны, по меньшей мере один элемент гидравлического сопротивления, установленный внутри трубы для сбора пермеата, который действует таким образом, что уменьшает гидростатическое давление в пермеате, протекающем между впускным и выпускным концами трубы для сбора. В одном из вариантов осуществления труба для сбора пермеата расположена примерно в центре внутри модуля. В некоторых вариантах осуществления элемент гидравлического сопротивления выбирается из группы, состоящей из конической унитарной вставки, пористой среды, размещенной во внутреннем пространстве, определенном трубой для сбора, через которую протекает пермеат, статического смесительного узла, установленного внутри трубы для сбора, через которую протекает пермеат, и по меньшей мере одной перегородки, продолжающейся в радиальном направлении внутрь от внутренней стенки трубы для сбора, через которую протекает пермеат. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит коническую унитарную вставку. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит коническую унитарную вставку, поддерживаемую внутри трубы для сбора посредством по меньшей мере одного упругого уплотнительного кольца, расположенного между вставкой и внутренней стенкой трубы для сбора, и указанная коническая унитарная вставка включает по меньшей мере одну канавку, продолжающуюся ниже указанного упругого уплотнительного кольца, обеспечивая прохождение текучей среды под уплотнительным кольцом и вдоль внешней поверхности конической унитарной вставки. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит пористую среду, плотно размещенную во внутреннем пространстве, определенном трубой для сбора. В некоторых вариантах осуществления элемент гидравлического сопротивления выбирается из группы, состоящей из сплошных или полых полимерных сфер, сплошных полимерных сфер, стеклянных гранул, сплошных керамических сфер, сплошных металлических сфер, полых металлических сфер, композитных сфер и их комбинаций. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит статический смесительный узел, размещенный внутри трубы для сбора. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит крыльчатку, приспособленную для вращения внутри трубы для сбора. В одном из вариантов осуществления элемент гидравлического сопротивления содержит по меньшей мере одну перегородку, продолжающуюся в радиальном направлении внутрь от внутренней стенки трубы для сбора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Квалифицированному специалисту будет понятно, что чертежи, описанные ниже, предназначены лишь для иллюстративных целей. Чертежи не предполагают ограничение каким-либо образом идей данной заявки. Детали, пронумерованные на разных фигурах одинаковым образом, относятся к одним и тем же деталям, если не указано иное. Чертежи не обязательно нарисованы в масштабе.

Фиг. 1 иллюстрирует спектр способов фильтрации.

Фиг. 2 представляет собой упрощенный чертеж, иллюстрирующий устройство для микрофильтрации в соответствии с разными вариантами осуществления данного изобретения со спиральной мембраной, приспособленное для параллельной рециркуляции пермеата и имеющее элемент гидравлического сопротивления в трубе для сбора пермеата.

Фиг. 3A является схематическим представлением мембраны со спиральной намоткой.

Фиг. 3B представляет собой частичный вид поперечного сечения мембраны со спиральной намоткой.

Фиг. 4A представляет собой частичный вид поперечного сечения спиральной мембраны для устройства для микрофильтрации, в котором коническая унитарная вставка установлена в трубе для сбора в качестве элемента гидравлического сопротивления (FRE) в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 4B представляет собой перспективный вид концевой части конической унитарной вставки по Фиг. 4A.

Фиг. 4C представляет собой перспективный вид концевой части конической унитарной вставки по Фиг. 4A в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 4D представляет собой перспективный вид концевой части конической унитарной вставки по Фиг. 4A в соответствии с другим вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 5 представляет собой частичный вид поперечного сечения спиральной мембраны для устройства для микрофильтрации, в котором плотно размещенные сферы расположены в трубе для сбора в качестве элемента гидравлического сопротивления (FRE) в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 6 представляет собой частичный вид поперечного сечения спиральной мембраны для устройства для микрофильтрации, в котором лопастная мешалка установлена в трубе для сбора в качестве элемента гидравлического сопротивления (FRE) в соответствии с альтернативным вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 7 представляет собой частичный вид поперечного сечения спиральной мембраны для устройства для микрофильтрации, в котором перегородки установлены в трубе для сбора в качестве элемента гидравлического сопротивления (FRE) в соответствии с другим альтернативным вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 8 представляет собой частичный вид поперечного сечения спиральной мембраны в соответствии с Фиг. 7 вдоль ее продольного направления в соответствии с другим альтернативным вариантом осуществления данного изобретения.

Фиг. 9 представляет собой упрощенный чертеж сравнительного устройства для микрофильтрации с мембраной со спиральной намоткой.

Фиг. 10 является графическим представлением величин гидростатического давления на сторонах пермеата и ретентата в процессе разделения, выполняемом в сравнительном устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 9.

Фиг. 11 является графическим представлением величин гидростатического давления на сторонах пермеата и ретентата в режиме UTMP, реализуемом в устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2.

Фиг. 12 является графическим представлением величин гидростатического давления на сторонах пермеата и ретентата при выполнении сравнительной операции промывки противотоком в устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2.

Фиг. 13 является графическим представлением величин гидростатического давления на сторонах пермеата и ретентата при выполнении сравнительной операции промывки противотоком, когда насос для подачи исходного материала отключен, в устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2.

Фиг. 14 является графическим представлением величин гидростатического давления на сторонах пермеата и ретентата в режиме создания обратного UTMP (rUTMP), обеспечиваемом параллельной рециркуляцией пермеата в устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2 в варианте осуществления в соответствии с данным изобретением.

Фиг. 15A-15I представляют собой упрощенные чертежи, иллюстрирующие устройство для микрофильтрации со спиральной мембраной, приспособленное для разных конфигураций потоков пермеата и ретентата. Фиг. 15A иллюстрирует конфигурацию устройства для микрофильтрации с протеканием лишь потока исходного материала. Фиг. 15B-15E подробно иллюстрируют варианты осуществления данного изобретения. Фиг. 15B иллюстрирует конфигурацию устройства для микрофильтрации с предоставлением условий параллельной рециркуляции пермеата (CCPR), чтобы обеспечить UTMP по спиральной мембране вариантов осуществления данного изобретения. Фиг. 15C иллюстрирует конфигурацию устройства для микрофильтрации с предоставлением условий нулевого UTMP (nUTMP) по спиральной мембране. Фиг. 15D и 15E иллюстрируют альтернативные конфигурации потоков в устройстве для микрофильтрации с предоставлением условий создания обратного UTMP (rUTMP) по спиральной мембране. Фиг. 15F иллюстрирует конфигурацию устройства для микрофильтрации с предоставлением условий диафильтрации лишь со свободным протеканием. Фиг. 15G иллюстрирует конфигурацию устройства для микрофильтрации с предоставлением условий диафильтрации с UTMP. Фиг. 15H иллюстрирует конфигурацию устройства для микрофильтрации с предоставлением условий рециркуляции лишь со свободным протеканием. Фиг. 15I иллюстрирует конфигурацию устройства для микрофильтрации с предоставлением условий рециркуляции с UTMP.

Фиг. 16 представляет собой таблицу, показывающую типичные установочные параметры оборудования для различных режимов функционирования конфигураций устройства для микрофильтрации, проиллюстрированных на Фиг. 15A-15I.

Фиг. 17 представляет собой упрощенный чертеж устройства для микрофильтрации со спиральной мембраной, использованного для проведения экспериментальных исследований, описанных в примерах, которые представлены в данном документе.

Фиг. 18 иллюстрирует данные, полученные из экспериментальных исследований параметров фильтрации, включая плотность потока пермеата и коэффициент объемной концентрации (VCF), при этом организм-хозяин и энзим в подаваемом бульоне являются бульоном Bacillus subtilis и протеазой. «LMH» представляет собой единицу измерения в л/м²/ч.

Фиг. 19 иллюстрирует данные, полученные из указанных выше в отношении Фиг. 18 экспериментальных исследований параметров фильтрации, включая среднюю плотность потока пермеата во времени и коэффициент объемной концентрации (VCF), при этом организм-хозяин и энзим в подаваемом бульоне являются бульоном Bacillus subtilis и протеазой.

Фиг. 20 иллюстрирует данные, полученные из указанных выше в отношении Фиг. 18 экспериментальных исследований параметров фильтрации, включая общее прохождение и коэффициент объемной концентрации (VCF), при этом организм-хозяин и энзим в подаваемом бульоне являются бульоном Bacillus subtilis и протеазой.

Фиг. 21 иллюстрирует данные, полученные из других экспериментальных исследований параметров фильтрации, включая плотность потока пермеата и коэффициент объемной концентрации (VCF), при этом организм-хозяин и энзим в подаваемом бульоне являются другим бульоном Bacillus subtilis и протеазой, чем в эксперименте, из которого получены данные, проиллюстрированные на Фиг. 18-20.

Фиг. 22 иллюстрирует данные, полученные из указанных выше в отношении Фиг. 21 экспериментальных исследований параметров фильтрации, включая среднюю плотность потока пермеата во времени и коэффициент объемной концентрации (VCF), при этом организм-хозяин и энзим в подаваемом бульоне являются бульоном Bacillus subtilis и протеазой.

Фиг. 23 иллюстрирует данные, полученные из указанных выше в отношении Фиг. 21 экспериментальных исследований параметров фильтрации, включая, в частности, общее прохождение и коэффициент объемной концентрации (VCF), при этом организм-хозяин и энзим в подаваемом бульоне являются бульоном Bacillus subtilis и протеазой.

Фиг. 24 показывает влияние различных режимов функционирования на общее прохождение, данные о котором получены из эксперимента, указанного выше в отношении Фиг. 21.

Фиг. 25 показывает схему экспериментальной установки, на которой были проведены испытания, чтобы исследовать влияние распределения давления для различных суммарных потоков пермеата в системе трубы для пермеата.

Фиг. 26-30 иллюстрируют данные, полученные на экспериментальной установке Фиг. 25.

Фиг. 31 представляет собой схему, показывающую иллюстративные неограничивающие варианты осуществления в соответствии с особенностями данного изобретения при указании общих условий процесса, ассоциированных с каждым вариантом.

Фиг. 32 является схематическим представлением опытного перекрестноточного устройства для фильтрации, как показано на фигурах с 15A по 15I. В этом представлении устройство сконфигурировано для работы в непрерывном режиме при подаче потока исходного материала через клапан 41VC60 и выведении ретентата и пермеата при отдельных расходах через клапаны 41VC63 и 43VC60, соответственно.

Фиг. 33 показывает плотность потока очищенного бульона, определенную измерением количества разбавленного бульона, подаваемого в устройство, изображенное на Фиг. 32.

Фиг. 34 показывает мгновенные значения плотности потока пермеата из того же эксперимента, что и на Фиг. 33. Это демонстрирует вариации плотности потока, генерированные системой UTMP/rUTMP на протяжении прогона.

Фиг. 35 показывает расширенный вид графика, представленного на Фиг. 34, показывающего более ясным образом изменение плотности потока для цикла UTMP/rUTMP. При нахождении только в режиме UTMP наблюдается уменьшение плотности потока, и начало цикла rUTMP выражается быстрым снижением плотности потока, когда UTMP уменьшается до nUTMP. Затем имеет место короткий период rUTMP, за которым следует восстановление плотности потока, когда давление возвращается к заданному значению. Плотность потока после цикла rUTMP много выше плотности потока перед циклом rUTMP.

Фиг. 36 является графиком, который представляет прохождение протеазы в разные моменты времени во время эксперимента, описанного в примере 4.

Фиг. 37 является графиком, который представляет мгновенные величины прохождения протеазы как функции поперечного давления (ΔP) во время эксперимента, описанного в примере 5. Образцы для расчета прохождения были взяты, когда процесс протекал при определенных условиях в течение 30 минут.

Фиг. 38 является графиком, который представляет мгновенные величины прохождения протеазы как функции равномерного трансмембранного давления (UTMP) во время эксперимента, описанного в примере 5. Образцы для расчета прохождения были взяты, когда процесс протекал при определенных условиях в течение 30 минут.

Фиг. 39 является графиком, который представляет плотность потоков очищенного бульона во время эксперимента, описанного в примере 5.

Фиг. 40 является графиком, который представляет плотность потока пермеата в ходе трехкратного концентрирования снятого молока в эксперименте, описанном в примере 6.

Фиг. 41 является графиком, который представляет плотность потока пермеата, которая наблюдалась во время эксперимента, описанного в примере 7.

Фиг. 42 является графиком, который представляет плотность потока пермеата, которая наблюдалась во время эксперимента, описанного в примере 8.

Фиг. 43 показывает электрофоретический анализ образцов пермеата, отобранных при фильтровании снятого молока, как описано в примере 6, при различных величинах UTMP, которые, как указано, находятся в интервале от 0,5 до 4,0 бар. В качестве мембраны применялась полиэфирсульфоновая (PES) мембрана Microdyn 0,05 мкм со спиральной намоткой. При фильтрации поток пермеата возвращали в резервуар для исходного материала. Образец ретентата также анализировали в геле, в качестве которого использовали 10% гель Bis-Tris, Invitrogen (Carlsbad, CA), с применением буфера MES. Образцы вначале нагревали и обрабатывали восстановителем перед размещением их в геле. Белковые зоны окрашивали красителем Coomassie. Объем образца (мкл), помещенного в каждую полоску геля, указан для каждого образца. Стандарт молекулярной массы Invitrogen SeeBlue Plus2 включен в качестве эталона размера белка.

Фиг. 44 изображает экспериментальную установку, которая использована для эксперимента, описанного в примере 10.

Фиг. 45 изображает расчетные градиенты давления для экспериментальной установки, изображенной на Фиг. 44.

Фиг. 46 показывает результаты эксперимента, описанного в примере 9.

ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Следует понимать, что представленные ниже описания приведены лишь в качестве примеров в пояснительных целях. Сопроводительные чертежи включены в эту заявку и составляют ее часть, иллюстрируя несколько примерных вариантов осуществления вместе с описанием. Теперь будут рассмотрены различные варианты осуществления, примеры которых иллюстрируются сопроводительными чертежами.

На всем протяжении данной заявки в описаниях различных вариантов осуществления применяется термин «содержащий», однако специалисту в данной области техники будет понятно, что в некоторых отдельных случаях вариант осуществления может быть в качестве альтернативы описан с применением термина «состоящий в основном из» или «состоящий из».

С целью лучшего понимания заявки и не ограничивая никоим образом объем данного изобретения, как это будет понятно специалисту в данной области, применение единственного числа включает множественное число, если специально не указано иное. Поэтому существительные в единственном числе и термин «по меньшей мере один» применяются взаимозаменяемым образом в этой заявке.

Если не указано иное, то все числовые значения, выражающие количества, процентные содержания или пропорции и другие численные величины, применяемые в данном описании и формуле изобретения, следует понимать как совмещенные во всех случаях с термином «около». В соответствии с этим, если не указано иначе, числовые параметры, приведенные далее в последующем описании и приложенной формуле изобретения, являются приближенными и могут изменяться в зависимости от желательных свойств, которые необходимо получить. В некоторых случаях «около» может пониматься как означающее среднюю величину ±5%. Поэтому, например, около 100 мл, может означать 95-105 мл. Разумеется, каждый численный параметр должен истолковываться по меньшей мере, принимая во внимание число указанных значащих цифр и применяя обычные методы округления.

В соответствии с различными вариантами осуществления предоставляются методы, которые относятся к процессам или действиям, привлеченным к приготовлению образцов и другим процедурам. Понятно, что в различных вариантах осуществления способ или процесс может быть выполнен в указанном порядке выполнения процессов, однако в связанных вариантах осуществления порядок может быть изменен, если это кажется специалисту в данной области подходящим, чтобы получить желательный результат.

Для целей данной заявки применяются следующие определения.

Промывка противотоком относится к изменению направления потока через мембрану, чтобы удалить засоряющие вещества, накапливающиеся на подающей стороне или стороне ретентата мембраны. Во время промывки противотоком поток текучей среды будет протекать со стороны пермеата к подающей стороне/стороне ретентата.

Параллельная рециркуляция пермеата (CCPR) относится к случаю, когда пермеат активно закачивается (рециркулируется) через сторону пермеата мембранного устройства в том же самом направлении, что и поток исходного материала. В случае данного изобретения это режим протекания, который позволяет авторам изобретения достигнуть UTMP на всем протяжении мембранного элемента.

Скорость поперечного потока относится к приведенной скорости потока исходного материала, когда он перемещается через мембранное устройство. Она обычно сообщается в м/с.

Устранение засорения относится к удалению материалов, вызывающих засорение, с поверхности фильтрующей мембраны.

Исходный материал или поток исходного материала относится к жидкости, которая подлежит фильтрации мембраной, и во время процесса на него может также делаться ссылка как на ретентат.

Плотность потока относится к расходу, при котором текучая среда проходит через мембрану. Она обычно сообщается в LMH (литрах на квадратный метр площади мембраны в час).

Элемент гидравлического сопротивления (FRE) относится к конструкционному узлу или элементу любого типа, применяемому для увеличения степени перепада давления пермеата внутри пространства для сбора пермеата. Это может быть сделано посредством создания сопротивления протеканию пермеата через трубу для сбора фильтрующего модуля, либо посредством сужения площади поперечного сечения канала для протекания, либо генерацией турбулентности. Сопротивление протеканию потока приводит к большему перепаду давления по сравнению с несуженным потоком, обеспечивая для простоты управления широкий интервал величин перепада давления в мембранном фильтрационном узле.

Засорение следует понимать как означающее закупоривание пор в мембране слоем геля, слоем осадка, блокирование пор материалом в виде частиц или внутренним связыванием молекул с порами мембраны или же физической закупоркой пор нерастворимыми веществами.

Прохождение представляет собой долю растворенного вещества, которая проходит через мембрану во время фильтрации. На практике прохождение определяется вычислением соотношения концентрации растворенного вещества в пермеате и концентрации растворенного вещества в ретентате и обычно выражается в процентах.

Пермеат представляет собой жидкость, которая прошла (проникла) через фильтрующую мембрану. На него может также даваться ссылка как на фильтрат.

Ретентат представляет собой жидкость, которая остается на стороне подачи фильтрующей мембраны, и во время проведения процесса на него могут ссылаться как на подаваемый материал. На него может также даваться ссылка как на концентрат.

Обратное равномерное трансмембранное давление (rUTMP) относится к перепаду давления на фильтрующей мембране, при котором давление больше на стороне пермеата, чем на стороне ретентата мембраны, и разность давлений по существу постоянна на протяжении длины мембранного устройства.

Трансмембранное давление (TMP) относится к разности давления между стороной ретентата и стороной пермеата мембраны. Трансмембранное давление на входе (ITMP) относится к разности давления между потоком ретентата и потоком пермеата у впускного отверстия мембранного модуля или устройства для фильтрации. Трансмембранное давление на выходе (OTMP) относится к разности давления между потоком ретентата и потоком пермеата у выпускного отверстия мембранного модуля или устройства для фильтрации.

Равномерное трансмембранное давление (UTMP) относится к разности давления между потоком ретентата и потоком пермеата мембраны, когда разность давлений является по существу постоянной на протяжении длины фильтрующей мембраны, и/или когда разность в базовых величинах давления между сторонами пермеата и ретентата мембраны является по существу одной и той же у впускного отверстия и выпускного отверстия при базовом давлении у впускного отверстия больше базового давления у выпускного отверстия как на стороне пермеата, так и на стороне ретентата мембраны.

ΔP относится к перепаду давления в исходной жидкости между впускным отверстием для подачи исходной жидкости и выпускным отверстием в осевом направлении вдоль стороны ретентата в мембранном устройстве.

ΔP пермеата относится к перепаду давления от впускного отверстия к выпускному отверстию в осевом направлении вдоль стороны пермеата мембраны.

Коэффициент объемной концентрации (VCF) относится к величине объема ретентата, вытекающего из фильтрующего модуля, разделенной на объем исходного материала, поступающего в модуль для устройства непрерывного действия, или величине объема исходного материала или бульона, разделенной на объем ретентата в фильтрующем устройстве периодического действия.

Биологический бульон следует понимать как исходную биологическую текучую среду, полученную культивированием или ферментацией биологических организмов, например, бактерий, грибков, клеток млекопитающих или насекомых или же растительных клеток. Биологический бульон может содержать желательный продукт, среду для ферментирования и клетки или остатки клеток. Биологические бульоны могут также быть получены экстракцией из биологических образцов, например, растительного вещества или животных тканей, или могут означать применение промежуточных продуктов процесса, например преципитатов, кристаллов или экстрактов.

Отделение клеток следует понимать как процесс, посредством которого клетки, остатки клеток и/или твердые частицы удаляются, чтобы обеспечить отделение и извлечение желательных соединений и очистить бульон для дальнейшей обработки. Отделению клеток могут предшествовать процедуры лизиса клеток.

Осветление следует понимать как удаление материала в виде частиц из раствора.

Термин «клеточная паста» должен пониматься как означающий материал в части ретентата фильтрующего модуля при фильтрации биологического бульона, и этот термин часто относят к ретентату, который выводится из устройства для фильтрации.

Концентрирование следует понимать как удаление воды из бульона, и этот термин может быть отнесен к применению мембраны, например, в процессах микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации или обратного осмоса, к хроматографии, осаждению и кристаллизации. Концентрирование также может быть выполнено методами испарения.

Концентрационная поляризация должна пониматься как накапливание удерживаемых молекул (гелевого слоя) на поверхности мембраны, и она может быть обусловлена комбинацией факторов: трансмембранным давлением, скоростью поперечного потока, вязкостью образца и концентрацией растворенного вещества.

Диафильтрация должна пониматься как процесс фракционирования, посредством которого компоненты меньших размеров вымываются через мембрану, оставляя желательные компоненты большего размера в ретентате. Она может являться эффективным методом для удаления или замены солей, буферов, удаления детергентов, материалов с низкой молекулярной массой или изменения ионного окружения или pH. В данном процессе может обычно применяться мембрана для микрофильтрации или ультрафильтрации, которая используется для отделения продукта, представляющего интерес, от смеси при поддержании постоянной концентрации компонента большего размера. Диафильтрация может быть выполнена, например, фильтрацией пермеата, воды или буферизованного раствора соли.

Термин «текучие среды» используется в обычном смысле и, если не указано иное в конкретном контексте, может охватывать жидкие материалы, содержащие диспергированные и/или растворенные компоненты, чистые жидкости или другие текучие материалы.

Фракционирование следует понимать как избирательное разделение молекул на основании физических или химических свойств.

Гелевый слой или пограничный слой следует понимать как микроскопически тонкий слой соединений, который может быть сформирован на стороне ретентата мембраны. Это может вызывать удерживание молекул вследствие загрязнения или засорения мембраны и, тем самым, уменьшать плотность потока.

Фильтрация, например микрофильтрация или ультрафильтрация, должна пониматься как процесс, в котором применяются мембраны, чтобы отделить соединения большего размера от соединений меньшего размера, например, соединения с большей молекулярной массой от соединений с меньшей молекулярной массой. Она может быть применена для концентрирования смесей и ее эффективность определяется такими факторами как, например, номинально задерживаемая молекулярная масса или размер пор и вид фильтрующей среды, условиями обработки и свойствами отделяемой смеси. Соединения с более низкой молекулярной массой могут быть больше, чем соединения с более низкой молекулярной массой, отделенные ультрафильтрацией. Относительные способности к отделению для сравнения возможностей ультрафильтрации и микрофильтрации могут быть найдены представленными на Фиг. 1. Естественно, как можно видеть, имеет место некоторое перекрывание между двумя способами фильтрации. Устройство и способы, описанные в данном документе, могут быть, однако, применимы ко всем видам фильтрации, включая, например, мембранные устройства в качестве устройств для очистки (например, мембраны для микрофильтрации (MF), мембраны для ультрафильтрации (UF)). В вариантах осуществления в соответствии с данным изобретением микрофильтрация может быть применена для отделения суспендированных частиц в интервале от около 0,05 до около 10 микрон, в интервале от около 0,1 до около 8 микрон, в интервале от около 1 до около 5 микрон или от около 0,05 до около 100 микрон, 125 микрон или больше от текучих сред, таких как биологические текучие среды, например, бульон для ферментирования.

Номинально задерживаемая молекулярная масса (MWCO) должна пониматься как обозначение размера (в килодальтонах) для мембран для ультрафильтрации. MWCO определяется как молекулярная масса глобулярного белка, который на 90% задерживается мембраной.

Скорость просачивания представляет собой расход потока или объем пермеата в единицу времени, протекающего через мембрану, и обычно выражается в литрах в минуту (LPM).

Выход продукта или выход представляет собой общее количество продукта, отобранного в поток продукта, обычно выражается в процентах от общего количества в исходном потоке.

Белки, полипептиды или биологически полученные полимеры следует понимать как молекулы биологического или биохимического происхождения или полученные в лабораторных условиях (in vitro). Они образованы из конденсированных структурных элементов аминокислот и включают энзимы, структурные белки и полимеры клеточного происхождения, например, клетчатки, крахмал, полигидроксимасляная кислота и полилактат.

Поток продукта представляет собой поток пермеата или ретентата, который содержит продукт, представляющий интерес. Например, в процессе концентрирования поток продукта является ретентатом, поскольку продукт задерживается, в то время как растворитель (вода) проходит через фильтр. В процессе отделения клеток поток продукта является пермеатом, поскольку продукт проходит через фильтр, в то время как клетки и остатки клеток задерживаются.

Чистота продукта или чистота представляет собой степень отделения продукта в потоке продукта. Под чистотой может пониматься количество отделенного желательного соединения по сравнению с суммарным количеством других компонентов в потоке, и она может быть выражена как массовое процентное содержание. В качестве альтернативы, под чистотой может пониматься отношение концентрации продукта к концентрации другого выбранного компонента в потоке продукта, и она может быть выражена в массовых процентах. В различных вариантах осуществления чистота измеряется непосредственно или косвенно инструментальным образом или вручную, например, посредством определения ферментативной активности (например, при определении колориметрическим путем); и/или посредством определения цвета продукта измерением поглощения, по формуле вычисления координат CIELAB или в соответствии с фармакопейными статьями США (USP) и так далее, чтобы определить цвет продукта, и/или посредством измерения уровня содержания примесей (например, измерением содержания микробных примесей в свежем продукте или в качестве части исследований долговечности при хранении); и/или посредством определения общего содержания белка или другого компонента продукта; и/или органолептически по запаху, вкусу, текстуре, визуальному цвету и так далее (например, в свежем продукте или в качестве части исследований долговечности при хранении).

Непрохождение следует понимать как неспособность соединения проходить через фильтрующую среду вследствие, например, образования геля, осадка или пограничного слоя на поверхности мембраны; взаимодействия электростатических зарядов между соединением и поверхностью мембраны; или малого размера пор мембраны.

Тангенциально-поточная фильтрация (TFF) должна пониматься как процесс, в котором жидкая смесь, содержащая компоненты, подлежащие отделению фильтрацией, рециркулирует через плоскость мембраны.

Ультрафильтрация должна пониматься как процесс с применением мембран для отделения соединений с большой молекулярной массой от соединений с малой молекулярной массой. Она применяется для концентрирования раствора и ее эффективность определяется номинально задерживаемой молекулярной массой мембраны. Относительные способности к отделению для сравнения возможностей ультрафильтрации и микрофильтрации могут быть найдены представленными на Фиг. 1. Естественно, как можно видеть, имеет место некоторое перекрывание между двумя способами фильтрации. Ультрафильтрация может быть применена для концентрирования суспендированных твердотельных частиц и растворенных веществ с молекулярной массой более 1000 дальтонов и размером более около 0,005 микрона и вплоть до около 0,1 микрона.

Активный сбор пермеата относится к процессу, в котором давление пермеата регулируется, и расход, при котором пермеат собирается или удаляется из обводной линии для пермеата, регулируется клапаном или другим дозирующим узлом.

В соответствии с различными вариантами осуществления предоставлены уникальные способы, операции, устройства и модули для разделения жидкости и твердой фазы с контролем внутреннего засорения. Среди других неожиданных результатов и преимуществ, способы и устройства в соответствии с различными вариантами осуществления данного изобретения делают возможными более полное использование большой площади поверхности по длине и небольшой площади опорной поверхности, занимаемой спиральными фильтрующими мембранами, в частности, чтобы получить увеличенные прохождение и выход, наряду с контролем засорения мембраны с помощью манипулирования в ходе процесса технологическими текучими средами, без добавления внешних химикатов для очистки или повреждения мембран.

В соответствии с различными вариантами осуществления способ фильтрации осуществляется в видах мембран, функционирующих с предоставлением уникальных возможностей работы при равномерном трансмембранном давлении (UTMP), которые эффективны для контроля засорения мембраны. Виды мембран, пригодных для применения со способами фильтрации, описанными в данном документе, включают, например, системы со спиралью, пластиной и рамой, плоским листом, керамической трубой и полыми волокнами.

В соответствии с различными вариантами осуществления способ фильтрации реализован в таком формате мембраны, который содержит предоставление мембранного модуля, включающего мембрану, определяющую стороны пермеата и ретентата, противоположные одна другой, впускное отверстие и выпускное отверстие, поток исходного материала, протекающий из впускного отверстия к выпускному отверстию в осевом направлении вдоль стороны ретентата мембраны, поток пермеата, протекающий в осевом направлении из впускного отверстия к выпускному отверстию вдоль стороны пермеата мембраны, и обводную линию для рециркуляции пермеата для предоставления параллельного потока рециркулируемого пермеата в модуль. Расход потока и/или давление потока пермеата и/или ретентата регулируется, чтобы предоставить базовые величины давления у впускного отверстия и выпускного отверстия на сторонах пермеата и ретентата мембраны таким образом, чтобы разность в базовых величинах давления между сторонами пермеата и ретентата мембраны являлась по существу одной и той же у впускного отверстия и выпускного отверстия, при этом на стороне пермеата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия, и на стороне ретентата мембраны базовое давление у впускного отверстия больше, чем базовое давление у выпускного отверстия.

В некоторых вариантах осуществления давление на стороне пермеата мембраны периодически регулируется, чтобы уменьшить разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны у впускного отверстия и выпускного отверстия, по меньшей мере, на около 50%, 60%, 70%, 80% или 90% по сравнению с разностью между базовыми величинами давления («пониженное UTMP»). В другом варианте осуществления, когда давление периодически увеличивается на стороне пермеата мембраны, разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны уменьшается по существу до нуля у впускного отверстия и выпускного отверстия. В этом варианте осуществления равные и противоположные давления предусмотрены на противоположных сторонах пермеата и исходного материала мембраны, так что на мембране создается нулевой или близкий к нулю градиент давления. Это создает в модуле условие «нулевого UTMP», которое позволяет поперечному потоку исходного материала очистить сторону ретентата мембраны. В одном из вариантов осуществления этот режим функционирования с нулевым UTMP может быть создан один или несколько раз во время рабочего периода фильтрации, например, прерывистым или периодическим образом при равных временных интервалах или непостоянных временных интервалах (например, при необходимости) при в остальном нормальных рабочих условиях протекания для условий параллельной рециркуляции пермеата и, в частности, для условий UTMP. В некоторых вариантах осуществления пониженное или нулевое UTMP имеет место с интервалами от 1 минуты до 6 часов, от 4 часов до 8 часов, от 1 минуты до 30 минут, от 1 минуты до 10 минут, от 10 минут до 30 минут или от 10 минут до 1 часа при продолжительности от 1 секунды до 1 минуты, от 1 секунды до 30 секунд или от 1 секунды до 10 секунд. Продолжительность относится к времени, в течение которого TMP понижено до желательного уровня, и не включает время, которое требуется, чтобы пермеат достиг пониженного давления. В отдельном варианте осуществления этот режим функционирования с пониженным или нулевым UTMP может быть применен к мембране со спиральной намоткой, хотя не ограничивается ею. Он может быть также применен к разнообразным другим видам микрофильтрации, с применением пластины и рамы, керамических труб, полых волокон и так далее.

В некоторых вариантах осуществления предоставляется обратное равномерное трансмембранное давление (rUTMP). В таком варианте осуществления сторона пермеата мембраны периодически промывается противотоком, т.е. создается обратный поток через мембрану посредством либо увеличения давления пермеата, либо уменьшения давления ретентата, что приводит к контролируемому созданию избыточного давления на стороне пермеата мембраны по сравнению с давлением на стороне ретентата мембраны. Это регулируемое создание избыточного давления предоставляет обратный поток через мембрану, наряду с тем, что поддерживается осевой поток из впускного отверстия к выпускному отверстию на обеих сторонах мембраны. Разность в давлении между сторонами пермеата и ретентата мембраны является по существу одной и той же у впускного отверстия и выпускного отверстия во время промывки противотоком (создания rUTMP). Стадия промывки противотоком (создания rUTMP) удаляет засоряющий слой или другой засоряющий материал из мембраны. В других конкретных вариантах осуществления устранения засорения созданием rUTMP периодический внутренний обратный поток может быть предоставлен увеличением давления пермеата и/или уменьшением давления ретентата по отношению одного к другому, например, регулированием расхода потока(ов) пермеата и/или ретентата и/или регулированием степени рециркуляции пермеата, что приводит к контролируемому созданию избыточного давления на стороне пермеата. Обратный поток через мембрану предоставляется при одновременном поддержании принудительного прямотока в линиях для исходного материала и пермеата.

В одном из вариантов осуществления способ с UTMP имеет две стадии устранения засорения, из которых первая стадия включает предоставление условий пониженного UTMP или nUTMP, таких, которые описаны в данном документе, за ней следует последующая стадия создания цикла rUTMP, включающая предоставление условия контролируемого избыточного давления.

В соответствии с другими различными вариантами осуществления способ фильтрации, например, по меньшей мере один из способов, указанных выше, реализуется в виде мембраны со спиральной намоткой, при этом по меньшей мере один элемент гидравлического сопротивления (FRE) включен в пространство для пермеата, например, трубу для сбора, фильтрующего модуля со спиральной намоткой. В различных вариантах осуществления FRE применяется в комбинации с параллельной рециркуляцией пермеата в фильтрующий модуль через обводную линию для рециркуляции пермеата. Элемент гидравлического сопротивления частично препятствует перемещению пермеата в переднем направлении через трубу для сбора или затрудняет его таким образом, что внутри трубы для сбора между ее впускным отверстием и выпускным отверстием для пермеата может быть создан перепад давления. Изменением расхода потока пермеата посредством FRE регулируемый градиент давления на стороне пермеата, близкий по величине к градиенту давления ретентата, может быть создан по длине стороны для пермеата мембраны. Посредством включения элемента гидравлического сопротивления (FRE) во внутреннее пространство трубы для сбора пермеата фильтрующего модуля в комбинации с периодическим изменением расхода потока пермеата через элемент гидравлического сопротивления, размещенный в трубе для сбора, регулируемый градиент давления, близкий по величине к градиенту давления ретентата, может быть создан по длине стороны для пермеата мембраны. Избыточное давление на стороне пермеата, таким образом, может быть создано контролируемым образом в канале для пермеата во время прерывистых стадий пониженного или нулевого UTMP и/или rUTMP при поддержании прямотока как потока исходного материала, так и рециркуляционных потоков пермеата через модуль. Результирующие величины обратного давления и плотностей потоков являются нежесткими и постоянными по длине мембраны при уклонении от чрезмерного избыточного давления или разрежения, что предоставляет возможность оптимального устранения засорения и минимизации риска повреждения мембраны, например, деламинирования мембранного модуля со спиральной намоткой. В результате достигаются значительно более высокие плотности потоков и способность к эффективной обработке жидкостей, содержащих высокую концентрацию твердотельных частиц, которая была бы весьма проблематичной в случае спирального мембранного устройства. Поддержание принудительного потока через проход для ретентата во время стадий пониженного или нулевого UTMP и/или rUTMP способствует удалению частично вытесненных засоряющих материалов со стороны ретентата мембраны, которые могут быть унесены, прежде чем они осядут снова на стороне ретентата, когда давление противотока для промывки уменьшено. Когда достигнуто в основном равномерное устранение засорения по длине мембраны, то плотность потока восстанавливается по существу равномерно по длине мембраны. Это является мягким режимом устранения засорения, который минимизирует опасность механического повреждения полимерных мембран, например, конструкций со спиральной намоткой, при поддержании достаточного поперечного потока и обратного потока, чтобы устранить засорение вымыванием твердотельных частиц разрушением слоя, осажденного на мембране. Также устраняется засорение вследствие избыточного давления.

Элементы гидравлического сопротивления могут иметь различную форму. В различных вариантах осуществления они являются пассивными средствами, например, конической унитарной вставкой, пористой средой, например, гранулами или пеноматериалом. В других различных вариантах осуществления они являются активными средствами, например, статическим смесителем, или другими средствами для создания сопротивления протеканию текучей среды через трубу для сбора, эффективного для образования перепада давления между впускным отверстием и выпускным отверстием трубы. Величина градиента давления на стороне пермеата определяется линейным сопротивлением или пористостью элементов гидравлического сопротивления и расходом рециркулируемого потока, обеспечивая независимое регулирование TMP и расход поперечного потока. Когда градиенты давления на сторонах ретентата и пермеата мембраны смещены один относительно другого на постоянную величину разности давления, то результатом этого является равномерное трансмембранное давление (UTMP). Посредством регулирования TMP до оптимального уровня на протяжении всей длины мембраны эффективно используется вся мембрана в целом, а не только ее часть, как тогда, когда давление пермеата не ограничивается. Кроме того, предотвращается засорение вследствие избыточного давления на стороне ретентата. Результатом этого является значительно более высокое прохождение продукта.

В различных вариантах осуществления достигается и поддерживается существенно уменьшенное засорение мембраны в устройствах для фильтрации со спиральной мембраной, посредством чего достигается улучшенное извлечение и поддержание высоких плотностей потоков и прохождений после многочисленных циклов фильтрации (т.е. циклов отделение/устранение засорения) на протяжении значительных периодов времени эксплуатации. Варианты осуществления в соответствии с данным изобретением могут предоставить новые благоприятные возможности для применения фильтрации на базе спиральной мембраны при процессах разделения исходного материала с высоким содержанием твердой фазы. В различных вариантах осуществления значительные преимущества в отношении плотности потока вследствие UTMP достигаются в видах со спиральной мембраной в случае жидкостей с высокой концентрацией твердой фазы. В отличие от солоноватой воды для устройств очистки воды и т.п., способы в соответствии с вариантами осуществления, описанными в данном документе, могут также быть применены для исходных смесей, имеющих содержание твердой фазы на несколько порядков больше, чем во многих обычных видах применения спиральных мембран.

В различных вариантах осуществления поток исходного материала, подлежащий разделению, содержит по меньшей мере 25%, например, по меньшей мере 15% и, например, по меньшей мере 5% диспергированной твердой фазы. Неожиданно в различных вариантах осуществления данного изобретения более слабый поперечный поток, в случае фильтрации определенных высококонцентрированных бульонов, например бульонов B. subtilis, приводит к первоначальной более высокой плотности потока. Этот результат является поразительным и неожиданным, поскольку на высокую скорость поперечного потока часто ссылаются в области мембран как на важный фактор для установления высоких плотностей потоков, и повышенные скорости, как полагают, необходимы, чтобы очищать поверхность мембраны и поддерживать плотность потока.

В различных вариантах осуществления стадии устранения засорения способов в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения (пониженное или нулевое UTMP и/или rUTMP) регулируются таким образом, что выполняются периодически, например, с интервалами от примерно 1 минуты до 6 часов, от 4 часов до 8 часов, от 1 минуты до 30 минут, от 1 минуты до 10 минут, от 10 минут до 30 минут или от 10 минут до 1 часа при продолжительности от 1 секунды до 1 минуты, от 1 секунды до 30 секунд или от 1 секунды до 10 секунд. Проходы или каналы для ретентата и пермеата постоянно поддерживаются при избыточном давлении от около 0,1 до около 10 бар во время циклов устранения засорения. В различных вариантах осуществления во время устранения засорения трансмембранное давление (TMP) изменяется менее чем на 40%, например, менее чем на 20% и, например, менее чем на 10%, вдоль всей длины мембраны в осевом направлении по сравнению с величиной TMP на каждом конце мембраны в осевом направлении. Как указано, технологическая текучая среда применяется в режиме промывки противотоком, так что для очистки фильтра не требуются внешние химикаты и значительные перерывы в процессе.

Продукт может быть извлечен из пермеата, ретентата или обоих потоков, выходящих из мембранного модуля в фильтрующих устройствах, сконфигурированных и функционирующих в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. В соответствии с различными вариантами осуществления предоставляется экономически эффективный способ промышленного масштаба в разных вариантах осуществления, который обеспечивает возможность извлечения белков, например энзимов. Поток исходного материала может содержать белок, полипептид, нуклеиновую кислоту, гликопротеин или биополимер. Поток исходного материала может содержать продукт ферментации от бактериального производящего организма, например, Bacillus sp, Escherichia sp, Pantoea sp, Streptomyces sp и/или Pseudomonas sp. Поток исходного материала может содержать продукт ферментации от грибкового производящего хозяина, например, Aspergillus sp, Trichoderma sp, Schizosaccharomyces sp, Saccharomyces sp, Fusarium sp, Humicola sp, Mucor sp, Kluyveromyces sp, Yarrowia sp, Acremonium sp, Neurospora sp, Penicillium sp, Myceliophthora sp и/или Thielavia sp. Поток исходного материала может содержать серин-протеазу, и фильтрация выполняется при температуре, поддерживаемой при величине от около 12°C до около 18°C, или амилазу, и фильтрация выполняется при температуре, поддерживаемой при величине от около 20°C или 35°C до около 45°C или около 60°C. В некоторых вариантах осуществления поток исходного материала является исходным потоком молочной промышленности, например, молоком (например, необработанным цельным молоком, цельным молоком, снятым молоком), сывороткой, гидролизатами сыворотки, пахтой, свернувшимся казеином (посредством кислоты или энзима) или т.п.

В различных других вариантах осуществления также предоставлены устройства для фильтрации для реализации на практике данных способов. Устройство для фильтрации может содержать фильтрующий мембранный модуль со спиральной намоткой, насос для пермеата для возврата части пермеата, выпущенного из трубы для сбора пермеата, содержащей по меньшей мере один элемент гидравлического сопротивления, при регулируемом расходе во впускное отверстие для пермеата трубы для сбора и насос для потока исходного материала для подачи потока исходного материала во впускное отверстие для потока исходного материала при регулируемом расходе. Предоставляется контроллер, ручной или автоматический или же их комбинация, для совместного управления насосом для пермеата и насосом для потока исходного материала, так что соответствующие расходы потока исходного материала и потока пермеата в мембранный модуль регулируются совместно эффективным образом, чтобы обеспечить поочередное выполнение стадий разделения и устранения засорения во время рабочего периода, при этом равномерное трансмембранное давление в основном поддерживается в осевом направлении вдоль мембраны во время обеих стадий функционирования. В качестве альтернативы, насосы и/или клапаны могут управляться независимым образом. Устройство для фильтрации может содержать несколько клапанов для регулирования протекания текучей среды через устройство, несколько датчиков для получения данных о текучей среде при ее протекании через устройство и сеть для компьютерной обработки данных, способную по меньшей мере к приему, передаче, обработке и регистрации данных, относящихся к функционированию насосов, клапанов и датчиков, при этом зарегистрированные данные, собранные во время процесса фильтрации потока, являются достаточно полными, чтобы предоставить возможность автоматизированного управления процессом фильтрации. В различных вариантах осуществления мембрана может содержать поливинилиденфторидную (PVDF), полисульфоновую или полиэфирсульфоновую мембрану с размером пор от около 0,005 до около 5 микрометров или около от 0,005 до около 20 микрометров.

Обводная линия для пермеата действующего устройства может включать клапан, который предоставляет возможность удаления пермеата из циркуляционного контура. Обводная линия для пермеата включает клапан, расположенный в верхнем течении насоса для пермеата, который соединен с линией для подачи воды под давлением. Данный клапан является регулируемым. Когда давление воды установлено более высоким, тогда давление пермеата внутри обводной линии, открывающее этот клапан, делает возможным создания избыточного давления в обводной линии для пермеата по сравнению со стороной ретентата в степени, достаточной для генерации обратного потока через мембрану со стороны пермеата к стороне ретентата при одновременном поддержании осевого сонаправленного принудительного прямотока в каналах для пермеата и ретентата.

В различных других вариантах осуществления предоставлен модуль с мембранным фильтром со спиральной намоткой, содержащий спирально намотанную мембрану, определяющую стороны пермеата и ретентата, трубу для сбора пермеата, соединенную с возможностью протекания текучей среды со стороной пермеата мембраны, по меньшей мере один элемент гидравлического сопротивления, установленный внутри трубы для сбора пермеата, который действует таким образом, что уменьшает гидростатическое давление в пермеате, протекающем между впускным и выпускным концами трубы для сбора.

Способы и устройства для фильтрации различных вариантов осуществления в соответствии с данным изобретением также могут предоставлять значительное снижение затрат, а также улучшение качества продукта. В различных вариантах осуществления они применимы для микрофильтрации, ультрафильтрации, нанофильтрации, по отдельности или при совмещении вариантов. Снижение затрат обусловлено как высокими выходами при эффективном отделении и/или концентрировании растворов и/или растворенных веществ от суспензий с высоким содержанием твердотельных веществ, так и устранением исходных материалов в других операциях фильтрации. Различные варианты осуществления данного изобретения обеспечивают дополнительную экономию затрат вследствие снижения стоимости мембран и сопутствующего оборудования, обусловленного более высокими плотностями потока пермеата в расчете на единицу площади мембраны и потенциально улучшенной очисткой и уменьшенной опасностью повреждения мембран во время устранения засорения. Различные варианты осуществления данного изобретения имеют применение, в различных вариантах осуществления, для бульонов для ферментирования, фармацевтических продуктов, химикатов, молочных продуктов, соевого соуса и в других областях пищевой промышленности, например, для фруктового сока, овощного сока, пивоварения, дистиллирования и т.д. Различные варианты осуществления включают извлечение и очистку энзимов или других макромолекул из бульона для ферментирования, осветление сока и удаление загрязнений из молока или концентрирование и/или отделение компонентов молока и т.п.

В соответствии с различными вариантами осуществления предоставлен способ фильтрации для разделения потока фильтрующейся текучей среды фильтрующим мембранным модулем со спиральной намоткой на поток пермеата и поток ретентата, данный способ содержит протекание потока исходного материала, подлежащего разделению, через впускное отверстие для потока исходного материала и в осевом направлении через сторону ретентата мембраны со спиральной намоткой при избыточном давлении в первом направлении протекания через проход для ретентата мембранного модуля. Поток ретентата, протекающий в осевом направлении, отбирается через выпускное отверстие для ретентата мембранного модуля. Поток пермеата, протекающий в радиальном направлении внутри прохода для пермеата, расположенного на стороне пермеата мембраны, которая противоположна ее стороне для ретентата, собирается в центральной трубе для сбора пермеата, соединенной с ним с возможностью протекания текучей среды. Труба для сбора содержит по меньшей мере один элемент гидравлического сопротивления, который частично препятствует протеканию пермеата в переднем направлении через трубу, однако не блокирует его поток. Поток собранного пермеата протекает через центральную трубу для сбора пермеата к выпускному отверстию для пермеата для выпуска из модуля. Часть пермеата, выпущенного из указанной трубы для сбора пермеата, возвращается в трубу через впускное отверстие для пермеата, чтобы предоставить параллельную рециркуляцию пермеата через мембранный модуль во время процесса разделения. Расходы потоков пермеата и исходного материала в мембранный модуль регулируются совместно эффективным образом, чтобы обеспечить последовательные циклы фильтрации, содержащие поочередные стадии разделения и устранения засорения во время рабочего периода, во время которого равномерное трансмембранное давление поддерживается по длине мембраны в осевом направлении на обеих стадиях функционирования. В различных вариантах осуществления давление на стороне пермеата мембраны периодически регулируется, чтобы уменьшить разность давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны у впускного отверстия и выпускного отверстия по меньшей мере на около 50% по сравнению с разностью между базовыми величинами давления.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует в обобщенном виде устройство 100 для микрофильтрации для реализации на практике различных вариантов осуществления в соответствии с данным изобретением. Устройство 100 для фильтрации включает спиральную мембрану 101, насос 103 для пермеата, насос 109 для потока исходного материала и другие компоненты, например, клапаны, манометры, термометры, расходомеры, резервуары для подачи/сбора и т.д., для предоставления интегрированного действующего устройства. Фильтрующий мембранный модуль 101 со спиральной намоткой скомпонован для предоставления параллельного потока пермеата через обводную линию 104 для рециркуляции пермеата, включающую регулирующий клапан 106 и насос 103 для пермеата. Насос 103 для пермеата может управляться таким образом, чтобы возвращать часть пермеата, выпущенного из выпускного отверстия 105 для пермеата модуля 101 (т.е. из выпускного конца трубы для сбора пермеата), при регулируемом расходе во впускное отверстие 107 для пермеата трубы для сбора пермеата, расположенной внутри фильтрующего модуля 101. Особенности модуля 101 поясняются более подробно ниже. Насос 109 для потока исходного материала предусмотрен для подачи потока исходного материала, подлежащего разделению, во впускное отверстие 111 для потока исходного материала фильтрующего модуля 101 при регулируемом расходе. Поток исходного материала проходит через теплообменник 115 перед введением в фильтрующий модуль 101. Ретентат выпускается из фильтрующего модуля 101 через выпускное отверстие 113, расположенное на противоположном в осевом направлении конце модуля.

Клапан 106, насос 103 для пермеата и насос 109 для потока исходного материала регулируются совместно таким образом, как это описано более подробно ниже, чтобы предоставить режимы функционирования с UTMP, нулевым UTMP и rUTMP. Равномерное трансмембранное давление (UTMP) предоставляется в различных вариантах осуществления во время стадий отделения в качестве нормального рабочего условия посредством предоставления параллельной рециркуляции пермеата через трубу для сбора спирального фильтрующего модуля во время разделения исходного материала рециркуляцией части пермеата во впускное отверстие трубы для сбора для повторного протекания через трубу. Спиральная мембрана 101, насос 103 для пермеата, насос 109 для потока исходного материала и клапан 106 могут регулироваться таким образом, чтобы состояние UTMP предоставлялось во время стадий отделения рабочего периода, которые чередуются со стадиями нулевого UTMP (nUTMP) или обратного UTMP (rUTMP), предоставляемыми при регулируемых временных интервалах в качестве чередующихся стадий устранения засорения, применяемых к мембране вдоль всей ее длины в осевом направлении. Для целей данного документа длина в осевом направлении определяется параллельно осевому размеру 110 фильтрующего модуля 101.

В различных вариантах осуществления спиральная мембрана 101 имеет особенности совместно с фильтрующим модулем, проиллюстрированные на Фиг. 3A, хотя и не неограниченные ими. Фиг. 3B показывает спиральную мембрану 101 в поперечном сечении в соответствии с одним неограничивающим вариантом осуществления данного изобретения. Однако спиральная мембрана также может иметь значительные модификации в соответствии с другими различными вариантами осуществления данного изобретения, такими, как проиллюстрированные на Фиг. 4-8 и описанные более подробно ниже. Как показано на Фиг. 3B, спиральная мембрана 101 обычно включает перфорированную центральную трубу 10 для сбора, имеющую отверстия 11 для введения пермеата из канала 12 для пермеата во внутреннее пространство 13 трубы 10. Труба 10 может быть изготовлена из полужесткого или жесткого материала, например пластика, металла, керамики и т.п. Канал 12 для пермеата расположен между мембранами 14 и 15, чтобы образовать листовую мембрану 16, которая обернута по спирали вокруг трубы 10 один или несколько раз. Края мембраны и слоя с каналами для пермеата, которые не прилегают к трубе для сбора, обычно герметизированы, например, обычным образом с помощью адгезива или других уплотнительных средств, чтобы удерживать и направлять поток пермеата внутри канала для пермеата между мембранами к трубе 10. Канал 12 для пермеата может быть слоем или материалом из пористой среды, например, листом или лентой из пористой ткани, войлока, сетки или другого пористого материала. Мембраны 14 и 15 могут быть гибкими листовыми материалами, которые являются полупроницаемыми по отношению к диспергированным дискретным твердотельным материалам, в зависимости от размера диспергированных материалов. Мембраны могут быть микропористыми полимерными листовыми материалами, например, микропористыми листами термопластичных пленок. Прокладка 17 подводящего канала разделяет слои намотанного листа 16 и используется для введения текучего материала, подлежащего разделению, в спиральную мембрану 101. Чтобы упростить эту иллюстрацию, показана лишь частичная навивка листовой мембраны 16 вокруг трубы 10. Для целей данного документа радиальный размер 112 фильтрующего модуля 101 ортогонален осевому размеру 110.

При ссылке на Фиг. 4-8, в различных вариантах осуществления данного изобретения в пространстве 13 для пермеата может быть установлен элемент гидравлического сопротивления. Для целей данного документа элемент гидравлического сопротивления или «FRE» может быть отдельным компонентом или несколькими компонентами, применяемыми совместно, как это будет более понятно из представленных далее неограничивающих иллюстраций.

При ссылке на Фиг. 4A, коническая унитарная вставка 102 установлена внутри трубы 10 для сбора. Отверстия 11 трубы, показанные на этой фигуре, через которые пермеат вводится во внутреннее пространство 13 трубы 10 из спиральной мембраны 101 во время операции фильтрации, являются лишь иллюстрацией, поскольку их число, периодичность и размер могут варьироваться и отличаться на практике. Коническая вставка 102 имеет один конец 114 в осевом направлении вблизи впускного отверстия 107 трубы, имеющий диаметр в поперечном сечении больше диаметра в поперечном сечении противоположного конца 116 в осевом направлении, расположенного ближе к выпускному отверстию 105 трубы. В этой иллюстрации коническая вставка 102 в основном имеет отрицательный (уменьшающийся) наклон между ее концами 114 и 116. Коническая вставка 102 может являться видом конструкции из металла, пластика, керамики или других материалов, которая стабильна и долговечна в окружении пермеата. Коническая конструкция вставки 102 способствует более ровному градиенту перепада давления, поскольку просачивание через мембрану вносит вклад в общий поток пермеата вдоль длины в осевом направлении трубы для сбора пермеата. Упругое уплотнительное кольцо или прокладка 117, 118, такое как уплотнительное кольцо с круглым сечением, расположено между вставкой 102 и внутренней стенкой 119 трубы 10 для сбора на каждом конце в осевом направлении вставки 102, чтобы поддерживать вставку в боковом положении во внутреннем пространстве 13 трубы 10. Противовыдвижной узел (ATD) 108 проиллюстрирован как поддерживающий один из противоположных в продольном направлении концов 121 вставки 102 на месте, чтобы предотвратить ее перемещение в продольном направлении.

Как показано более подробно на Фиг. 4B, несколько канавок 120 предусмотрено на поверхности конической вставки 102 на каждом ее конце 114 и 116 в осевом направлении, которые продолжаются дальше того места, в котором установлены упругие уплотнительные кольца 117 или 118, в соответствии с применением, обеспечивая возможность прохождения текучего пермеата под уплотнительным кольцом и вдоль внешней поверхности 121 конической унитарной вставки 102 дальше от уплотнительного кольца. Эта иллюстрация показывает канавки на конце 114 конической вставки 102 со стороны впускного отверстия, однако понятно, что подобная конфигурация с канавками может быть применена на противоположном в осевом направлении конце вставки 102, чтобы предоставить возможность протекания пермеата через участок, на котором используется уплотнительное кольцо 118, чтобы поддерживать осевой конец 116 в фиксированном боковом положении по отношению к внутренней стенке 119. Как показано на Фиг. 4A, ATD также может включать упругое кольцо 108A в качестве уплотнительного средства, когда он закреплен внутри впускного отверстия 107 внутреннего пространства 13 трубы 10. Канавки (не показаны) могут быть предусмотрены на части поверхности ATD, продолжающейся во впускное отверстие трубы 10, аналогичные тем, что предусмотрены на вставке 102, чтобы предоставить возможность протекания пермеата в пространство 13 трубы. Аналогичная система поддержки ATD может быть применена на противоположном конце вставки 102, чтобы стабилизировать оба противоположных конца вставки 102.

Фиг. 4C иллюстрирует альтернативный вариант осевого конца 114A для конической вставки 102, который сконфигурирован, чтобы механически сцепляться с соответствующим участком ATD 108 (не показан). Чтобы уменьшить перепад давления на ATD, конец вставки был модифицирован. 60-градусные вырезы сформированы в центре концов, чтобы содействовать распределению потока к периметру вставки.

Фиг. 4D иллюстрирует альтернативный вариант осевого конца 114B для конической вставки 102, который сконфигурирован, чтобы механически сцепляться с соответствующим участком ATD (не показан). Противоположные концы в осевом направлении вставки 102 удалены, и канавки 117A увеличены в тех местах, где размещаются уплотнительные кольца круглого сечения 117. Чтобы поддерживать вставку 102 в этом варианте осуществления, на ее концах закреплены центрированные тонкие ребра 114B.

Коническая вставка 102 оказывает значительное влияние на расходы потока рециркулируемого пермеата, уменьшая расходы потока, чтобы поддерживать существенный перепад давления, например, примерно 2 бара, через мембраны. По сравнению со вставкой с постоянным диаметром коническая вставка 102 предоставляет чрезвычайно сходные результаты. Увеличение диаметра вставки, т.е. уменьшение проходного сечения внутри трубы для пермеата, приводит к уменьшению расхода потока, требующегося для поддержания существенного перепада давления, например, примерно 2 бара. Без намерения установления связи с какой-либо теорией полагают, что стержень или вставка с отрицательным сужением приводит к постепенному увеличению проходного сечения, что создает более высокое давление у впускного отверстия и более низкое давление у выпускного отверстия трубы для сбора пермеата. Коническая вставка сконструирована, чтобы предоставить дополнительный поток пермеата в нижнем течении трубы для пермеата, а также для создания желательного существенного перепада давления, например, перепада давления примерно 2 бара.

При ссылке на Фиг. 5, в другом варианте осуществления сферы 19 плотно размещены внутри пространства 13 трубы для сбора в сравнительно неподвижном состоянии, определяя промежуточные пространства для протекания пермеата через трубу. Элемент гидравлического сопротивления в трубе для сбора вызывает эффект образования перепада давления в пространстве для пермеата между его впускным отверстием и выпускным отверстием. FRE демпфирует противодавление текучей среды, прикладываемое к стороне пермеата мембран во время стадий противотока, обеспечивая возможность приложение избыточного, однако нежесткого, и более равномерного обратного давления по длине мембраны. Сферы могут быть дискретными сплошными или полыми пластиковыми шариками, стеклянными гранулами, сплошными керамическими сферами, сплошными или полыми металлическими сферами, композитными сферами и т.п. Элементы гидравлического сопротивления не ограничиваются сферическими геометрическими формами. Материал гидравлического сопротивления должен быть устойчив и инертен по отношению к окружению из текучей среды. Достаточный объем промежуточных пустот резервируется в заполненной трубе 10, так что может поддерживаться прямой поток пермеата.

При ссылке на Фиг. 6, элемент гидравлического сопротивления в качестве альтернативы может быть статическим смесителем 20, например, радиально продолжающейся лопастной мешалкой, закрепленной для вращения на вращающемся стержне, который размещен внутри пространства 13 в его осевом направлении и может механически приводиться во вращение двигателем или другим приводным средством (не показано), расположенным с внешней стороны трубы 10, чтобы перемешивать пермеат внутри трубы 10. Один или несколько статических смесителей может быть размещено таким образом внутри трубы 10, чтобы нарушать ламинарный поток пермеата через трубу 10 в единственном месте или в нескольких местах при равных или нерегулярных интервалах вдоль длины трубы.

При ссылке на Фиг. 7 и 8, в качестве альтернативы элемент гидравлического сопротивления может быть одной или несколькими перегородками 201 и 202, которые продолжаются в радиальном направлении внутрь от внутренней стенки 119 трубы 10 для сбора в пространство 13 для пермеата, определенном данной трубой для сбора. Как проиллюстрировано на Фиг. 8, в различных вариантах осуществления несколько перегородок 201 и 202 и т.д. может быть расположено вдоль внутренней стенки 119 трубы 10 для сбора в шахматном порядке на расстоянии одна от другой при равных или нерегулярных интервалах вдоль продольного направления трубы 10, чтобы создать нелинейное протекание, например, змеевидное протекание, пермеата через трубу 10. Перегородки могут иметь другие формы и конфигурации. Перегородки могут быть сформированы интегрированным образом на внутренней стенке трубы 10 для сбора пермеата или, в качестве альтернативы, они могут быть установлены в имеющиеся структуры трубы для сбора. Например, может быть предоставлена в основном трубчатая вставка, поддерживающая перегородки на своей внутренней поверхности, которая имеет наружный диаметр, откалиброванный в соответствии с внутренним диаметром имеющейся трубы для сбора, чтобы обеспечить возможность вставки или телескопического введения внутрь имеющейся трубы для сбора.

Элементы гидравлического сопротивления 18, 20, 201, 202 и т.д. частично препятствуют перемещению пермеата в переднем направлении через трубу 10 для сбора или затрудняют его и нарушают ламинарный поток пермеата через трубу для сбора, так что внутри трубы для сбора вдоль длины трубы для сбора между ее впускным отверстием и выпускным отверстием для пермеата может быть создан перепад давления. Избыточное давление со стороны пермеата может быть создано контролируемым образом в канале 12 для пермеата во время чередующихся стадий устранения засорения при одновременном поддержании протекания в переднем направлении как потока исходного материала, так и рециркуляционных потоков пермеата. Эти эффекты способствуют предоставлению нежесткого и равномерного избыточного обратного давления на стороне пермеата мембраны во время обратного потока, которое может удалять слой, образовавшийся на стороне ретентата мембраны и предоставлять возможность его уноса посредством непрерывного протекания потока исходного материала в переднем направлении.

В различных вариантах осуществления и при ссылке на Фиг. 2 насос 103 для пермеата и насос 109 для потока исходного материала могут регулироваться таким образом, чтобы обеспечивалось поддержание по существу равномерного трансмембранного давления между сторонами ретентата и пермеата фильтра вдоль всего размера мембраны в осевом направлении между впускным отверстием и выпускным отверстием модуля. Устройство для фильтрации содержит клапаны для регулирования протекания текучей среды через устройство. Устройство для фильтрации может также содержать несколько датчиков для получения данных о текучей среде при ее протекании через устройство и сеть для компьютерной обработки данных, способную по меньшей мере к приему, передаче, обработке и регистрации данных, относящихся к функционированию насосов, клапанов и датчиков, при этом зарегистрированные данные, собранные во время процесса фильтрации потока, являются достаточно полными, чтобы предоставить возможность автоматизированного управления процессом фильтрации потока.

Фиг. 9 представляет собой упрощенный чертеж сравнительного устройства для микрофильтрации без параллельной рециркуляции пермеата. Фиг. 10 является графическим представлением величин гидростатического давления в устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 9. Сторона подачи исходного материала имеет значительный перепад давления через устройство, поскольку возникает сопротивление протеканию исходного материала, когда он проходит через узкие подводящие каналы внутри мембранного элемента. Пермеат собирается в полой центральной трубе с пренебрежимо малым сопротивлением. Наряду с тем фактом, что расходы потока пермеата являются долей расходов потока ретентата, отсутствует измеримая ΔP. К тому же пермеат обычно выпускается в пространство с атмосферным давлением, так что отсутствует существенное гидростатическое давление на стороне пермеата устройства. Для этого устройства типична большая разность в величинах TMP между впускным отверстием (TMP1) и выпускным отверстием (TMP2) устройства.

Фиг. 11 является графическим представлением величин гидростатического давления в режиме UTMP в применении к устройству для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2. Поскольку пермеат рециркулирует через трубу для пермеата с элементом гидравлического сопротивления (FRE), например, с размещением в трубе конической вставки или плотно расположенных пластиковых сфер, то измеримое и регулируемое гидростатическое давление создается на стороне пермеата мембранного устройства. Это позволяет создать по существу постоянное TMP на протяжении длины мембраны, независимо от скорости поперечного потока.

Фиг. 12 является графическим представлением величин гидростатического давления при выполнении сравнительной операции промывки противотоком в устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2, за исключением того, что не включен элемент гидравлического сопротивления. Пермеат закачивается обратно в трубу для пермеата от выпускной стороны. Поскольку отсутствует измеримый перепад давления в трубе для пермеата, то давление пермеата будет быстро выравниваться по длине мембранного устройства. Если продолжается подача ретентата, то имеют место значительные вариации в величине давления при промывке противотоком в разных точках по длине устройства. В этом варианте впускная сторона не будет подвергаться достаточной промывке противотоком, чтобы эффективно удалить засоряющие вещества, а выпускная сторона будет подвергаться давлению обратного потока, которое может чрезвычайно вредно действовать на мембрану со спиральной намоткой.

Фиг. 13 является графическим представлением величин гидростатического давления при выполнении сравнительной операции промывки противотоком в устройстве для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2, когда подача исходного материала отключена во время промывки противотоком. Преимущество этого режима заключается в том, что достигается равномерное обратное давление, так что все точки мембраны имеют по существу одни и те же расходы при промывке противотоком, и можно избежать экстремальных величин обратного давления. Однако, поскольку нет потока исходного материала в переднем направлении при избыточном давлении во время промывки противотоком, то отсутствует поперечный поток на стороне ретентата, так что, даже если засоряющие вещества могут быть отделены от поверхности, они не будут эффективно удаляться от границы раздела жидкость-мембрана. Соответственно, имеет место высокая вероятность быстрого повторного засорения вследствие высокой концентрации засоряющих веществ на указанной границе раздела при возобновлении воздействия избыточного давления исходного материала. Кроме того, это неэффективно с точки зрения эксплуатации, поскольку этот режим требует приостановки насоса для подачи исходного материала и включения насоса для создания обратного давления пермеата или другого узла создания обратного давления. В зависимости от того, каким образом вы эксплуатируете устройство, вы будете иметь либо интервалы времени с медленной промывкой противотоком, что приводит к более продолжительному технологическому времени, либо резкое изменение величин давления, что приводит к повреждению мембраны.

Без намерения установления связи с теорией, засорение возрастает, когда движущая сила, затягивающая частицы в мембрану, которая обусловлена трансмембранным давлением (TMP), больше способности тангенциального потока текучей среды к уносу частиц с поверхности. Оптимальные плотность потока и прохождение при микрофильтрации требуют регулирования TMP в узком интервале. Если TMP слишком низкое, то плотности потока являются субоптимальными, а при высоком TMP может происходить быстрое и необратимое засорение. Сравнительные устройства, проиллюстрированные посредством ссылки на Фиг. 12, могут не достигать корректного баланса в этом отношении на значительном протяжении длины мембраны в осевом направлении.

Фиг. 14 является графическим представлением величин гидростатического давления в режиме rUTMP, задействованном параллельной рециркуляцией пермеата (CCPR), в применении к устройству для фильтрации со спиральной намоткой в соответствии с Фиг. 2. Производительность насоса для подачи исходного материала может быть уменьшена, или же может быть увеличена производительность насоса для рециркуляции пермеата, чтобы создать избыточное давление на стороне пермеата мембранного устройства. В этом случае достигается по существу эквивалентный поток для промывки противотоком на всем протяжении мембранного устройства, без чрезмерных величин обратного давления, и быстрый, нежесткий способ создания обратного потока. Поддерживается достаточный поперечный поток ретентата, чтобы уносить засоряющие вещества, которые отделены от поверхности мембраны со стороны ретентата.

Выяснено, что комбинация параллельной рециркуляции пермеата и включение элемента гидравлического сопротивления в пространство для пермеата мембранных модулей со спиральной намоткой предоставляет возможность независимого регулирования скорости поперечного потока и величин трансмембранного давления, посредством чего обеспечивается функционирование с равномерным трансмембранным давлением внутри спиральной мембраны. Данная комбинация также предоставляет возможность очистки противотоком посредством обратного равномерного трансмембранного давления (rUTMP), которое является рабочим приемом для поддержания поразительно высоких величин как плотностей потоков, так и прохождения вдоль мембраны. Условия протекания при rUTMP приводят к образованию обратного потока через мембрану при одновременном поддержании осевого потока, как в линии исходного материала, так и в линии пермеата. Результирующие обратные давления и плотности потока являются нежесткими и равномерными вдоль длины мембраны, при уклонении от чрезмерного избыточного давления или разрежения, что предоставляет возможность оптимального устранения засорения. Это приводит к существенно более высоким плотностям потоков и к возможности эффективной обработки жидкостей с высоким содержанием твердотельных веществ, которая была бы весьма проблематичной в случае типичного спирального мембранного устройства. Также неожиданно было найдено, что более слабые поперечные потоки могут давать улучшенные результаты в отношении плотности потока для определенных бульонов для ферментирования или других исходных материалов с высоким содержанием твердотельного вещества.

В способах в соответствии с различными вариантами осуществления данного изобретения равномерное обратное давление может достигаться либо увеличением скорости работы насоса для пермеата, либо уменьшением скорости работы насоса для ретентата.

Другой вариант осуществления функционирования для схемы производственного процесса, представленной на Фиг. 2, содержит захватывание пермеата в циркуляционный контур, в котором в обводную линию включен насос, и наложение давления посредством соединения резервуара высокого давления с обводной линией. Это делается перекрыванием соединения циркуляционного контура с перетоком для пермеата. Посредством перекрывания соединения с перетоком для пермеата пермеат захватывается в циркуляционный контур и уравновешивается в давлении. Затем открывается резервуар высокого давления, который присоединен перед впускным отверстием насоса. Циркуляция пермеата продолжается без уменьшения, в то время как давление на стороне пермеата увеличено посредством резервуара повышенного давления. Это делает возможным создание равномерного TMP вдоль мембраны, даже если давление на стороне пермеата превышает его величину на стороне ретентата, данное условие в этом документе называется созданием rUTMP. Дополнительные подробности предоставлены для этих и других применимых режимов устройства для микрофильтрации со ссылками на Фиг. 15A-15I.

Фиг. 15A-15I показывают различные пути протекания ретентата и пермеата при режимах функционирования, которые могут быть осуществлены в устройстве для микрофильтрации по данному изобретению. Хотя любой один или несколько режимов, проиллюстрированных этими фигурами, могут быть включены в операцию обработки в соответствии с идеями данного изобретения, режимы, проиллюстрированные на Фиг. 15B-15E, представляют особый интерес в соответствии с различными вариантами осуществления данного изобретения. На этих фигурах активные потоки представлены более жирными линиями, например, поток исходного материала в фильтрующий модуль SWM и потоки пермеата и ретентата, выходящие из фильтрующего модуля SWM, как проиллюстрировано на Фиг. 15B. Также на этих фигурах сильно зачерненные клапаны, например, клапан 43HV45 на Фиг. 15B, закрыты для протекания, а слабозачерненные клапаны, например, клапан 43VC60 на Фиг. 15B, открыты для протекания.

Фиг. 16 представляет собой таблицу, обобщающую базовые установочные параметры оборудования для предоставления различных условий функционирования, проиллюстрированных на Фиг. 15A-15I. Перед включением устройства для фильтрации клапаны подачи гликоля и возвратной линии в теплообменник, клапаны подачи воды для диафильтрации и клапаны подачи сжатого воздуха в устройство для фильтрации открываются в качестве части операций подготовки к пуску. Контрольно-измерительное оборудование устанавливается по умолчанию для пуска, например, так, как это указано на Фиг. 16. Когда устройство для фильтрации включено, все автоматизированные узлы (клапаны, насосы и т.п.) устанавливаются при предварительно заданных параметрах по умолчанию. В одном из вариантов осуществления устройство для фильтрации может быть подготовлено для выполнения процесса посредством первоначального прогона в режиме рециркуляции воды. Режим рециркуляции воды является исходной точкой всех других рабочих режимов. Ко всем другим режимам переход осуществляется от рециркуляции воды. Поэтому для двух основных рабочих режимов, режима с подачей лишь исходного материала (FFO) и режима с параллельной рециркуляцией пермеата (с параллельным потоком пермеата (CCPR)), установочные параметры по умолчанию являются параметрами для режима с рециркуляцией. После того как процесс готов к выполнению (разбавление и смешивание, подача при температуре и т.п.) оператор изменяет параметры по умолчанию на подходящие экспериментальные параметры процесса, чтобы функционировать в другом режиме (периодический режим, диафильтрация или порционная подача).

Устройство для фильтрации на Фиг. 15A-15I, например, включает спиральную мембрану SWM, насос 41PF40 для пермеата, насос 41PF30 для потока исходного материала и другие компоненты, например, клапаны (43HV41, 43HV45, 43VA40, 43VC60, 43HV42, 42VC60, 41VC62, 72VC60), манометры (PI), контроллеры давления на клапанах (PIC), датчики давления (PT), датчики температуры (TT), контроллеры температуры на клапанах (TIC), расходомеры (FI), датчики расхода (FIT), контроллеры расхода на клапанах (FIC), резервуары для подачи/сбора (РЕЗЕРВУАР), теплообменник (HE), датчик уровня в резервуаре (LT), контроллер питательного клапана (LICZ) и т.д. для предоставления интегрированного функционального устройства для разделения. В некоторых проиллюстрированных конфигурациях фильтрующий мембранный модуль со спиральной намоткой SWM скомпонован для предоставления параллельного потока пермеата через обводную линию 1501 для рециркуляции пермеата (см., например, Фиг. 15B-15E). В этих вариантах осуществления часть пермеата, выпущенного из выпускного отверстия для пермеата модуля SWM (т.е., из выпускного конца трубы для сбора пермеата), возвращается при регулируемом расходе во впускное отверстие для пермеата трубы для сбора пермеата, размещенной в фильтрующем модуле SWM. Особенности модуля SWM были проиллюстрированы выше. Поток исходного материала 1502 закачивается во впускное отверстие для потока исходного материала фильтрующего модуля SWM при регулируемом расходе. Поток исходного материала проходит через теплообменник HE перед введением в фильтрующий модуль SWM. Ретентат выпускается из фильтрующего модуля SWM через выпускное отверстие, расположенное на противоположном в осевом направлении конце модуля SWM.

Более конкретно, Фиг. 15A иллюстрирует условия с подачей лишь в переднем направлении (режим FFO) без предоставления условий параллельной рециркуляции пермеата (CCPR). В этой конфигурации не предоставляется параллельная рециркуляция пермеата.

При ссылке на Фиг. 15B конфигурация потоков в режиме CCPR проиллюстрирована для предоставления условий UTMP по спиральной мембране в качестве нормального рабочего условия процесса в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. Фиг. 15G и 15I, которые рассматриваются более подробно ниже, также показывают вариации этого режима протекания.

При ссылке на Фиг. 15C устройство с мембраной со спиральной намоткой, имеющее проиллюстрированную схему производственного процесса, может быть применено, чтобы реализовать варианты осуществления с нулевым UTMP (nUTMP) в соответствии с данным изобретением. Пермеат не собирается в этом режиме функционирования. Клапан 42VC60, насос для рециркуляции пермеата и насос для подачи исходного материала поддерживаются при их установленных параметрах, чтобы поддерживать заданные значения давления со стороны подачи и расходы поперечных потоков как для пермеата, так и для ретентата. Клапан 43VC60 закрыт во время этого режима функционирования. Достаточная параллельная рециркуляция пермеата предоставляется, чтобы уравновесить поток исходного материала, так что TMP по существу равно нулю повсюду в осевом направлении вдоль мембраны. Конфигурации потоков при nUTMP и rUTMP, проиллюстрированные Фиг. 15C-15E, представляют те специфические стадии процесса, при которых имеет место nUTMP и/или rUTMP, а в остальное время процесса технологические потоки определяются режимом CCPR, например, таким, который иллюстрируется Фиг. 15B.

При ссылке на Фиг. 15D устройство с мембраной со спиральной намоткой, имеющее проиллюстрированную схему производственного процесса, в качестве альтернативы может быть применено, чтобы реализовать варианты осуществления с обратным UTMP (rUTMP) в соответствии с данным изобретением. Первая стадия создания rUTMP в соответствии с Фиг. 15D или 15E представляет собой создание условий nUTMP, таких как те, что проиллюстрированы Фиг. 15C. На второй стадии обеспечиваются установочные параметры оборудования, указанные на Фиг. 16, чтобы создать избыточное давление на стороне пермеата устройства. В частности, управляющий клапан 43VA40 может быть открыт, чтобы создавать избыточное давление на стороне пермеата, пока результирующий поток в FD4261 не приблизится к нулю, указывая, что условия промывки противотоком установлены на протяжении мембраны модуля SWM.

На Фиг. 15E представлен альтернативный режим для предоставления условий rUTMP по сравнению с тем, что проиллюстрирован Фиг. 15D. Первая стадия создания rUTMP в соответствии с Фиг. 15E также представляет собой создание условий nUTMP, таких как те, что проиллюстрированы Фиг. 15C. Затем на стороне подачи устройства создается пониженное давление с применением установочных параметров оборудования, таких как те, что указаны на Фиг. 16, указывая, что условия промывки противотоком установлены на протяжении мембраны модуля SWM. В частности, клапан 41VC62 может быть открыт, чтобы предоставить перепуск потока исходного материала из выпускного отверстия насоса для подачи исходного материала в его впускное отверстие, уменьшая тем самым поток исходного материала к мембране.

Типичная логика управления для предоставления режимов nUTMP или rUTMP функционирования в устройстве для микрофильтрации по Фиг. 15C-E включает следующие этапы, со следующими определениями событий таймера:

T20 = Время фиксирования перед повторным приведением в действие автоматического управления.

T21 = Время цикла nUTMP.

T22 = Время цикла rUTMP в режиме 1.

T23 = Время цикла rUTMP в режиме 2.

T24 = Время между окончанием цикла и началом следующего цикла.

Этапы логики управления:

1. Старт последовательности nUTMP.

2. Фиксировать скорость насоса для подачи исходного материала (41PF30).

3. Фиксировать скорость насоса для рециркулирования пермеата (41PF40).

4. Фиксировать положение регулирующего клапана на выпускном отверстии для ретентата (42VC60).

5. Регулирующий клапан (43VC60) обводной линии для пермеата закрывается.

6. Величина разности расходов (FD 4261) падает ниже 0,05 л/мин.

7. Если T22 = 0, то перейти к этапу 9.

8. Если T22 = X секунд, то старт подпрограммы rUTMP1.

1. Открыть управляющий клапан rUTMP (43VA40).

2. Старт обратного отсчета T22.

3. После истечения времени T22 закрыть управляющий клапан rUTMP (43VA40).

4. Перейти к этапу 11.

9. Если T23 = 0, то перейти стадии 11.

10. Если T23 = X секунд, то старт подпрограммы rUTMP2.

1. Разблокировать клапан перепуска ретентата (41VC62).

2. Держать клапан открытым, пока величина разности расходов (FD 4261) не достигнет величины SP. Примечание: SP будет представлять собой отрицательный результирующий поток.

3. После достижения SP старт обратного отсчета T23.

4. После прохождения времени T23 закрыть клапан перепуска ретентата (41VC62).

5. Перейти к этапу 11.

11. После истечения времени цикла повторно приводится в действие автоматическое управление регулирующего клапана (43VC60) обводной линии для пермеата.

12. Старт обратного отсчета T20.

13. После истечения времени T20 повторно приводится в действие автоматическое управление насоса для подачи исходного материала (41PF30), насоса для рециркулирования пермеата (41PF40) и регулирующего клапана на выпускном отверстии для ретентата (42VC60).

14. Конец последовательности nUTMP или rUTMP.

15. Старт обратного отсчета T24 для следующего цикла.

Фиг. 15F, подобно Фиг. 15A, иллюстрирует условия с протеканием потока исходного материала в переднем направлении (режим FFO) без предоставления условий CCPR. В этой конфигурации не предоставляется параллельная рециркуляция пермеата. В отличие от Фиг. 15A, клапаны 41VC60 и 41VH41 открыты, чтобы предоставить возможность введения воды для диафильтрации в этой схеме.

Фиг. 15G, подобно Фиг. 15B, иллюстрирует предоставление условий CCPR. В отличие от Фиг. 15B, на Фиг. 15G клапаны 41VC60 и 41VH41 открыты, чтобы предоставить возможность введения воды для диафильтрации в этой схеме.

Фиг. 15H, подобно Фиг. 15A, иллюстрирует условия с протеканием лишь потока исходного материала в переднем направлении, без параллельной рециркуляции пермеата (режим FFO). В этой конфигурации не предоставляется параллельная рециркуляция пермеата. В отличие от Фиг. 15A, клапан 43VA42 для пермеата открыт, чтобы предоставить возможность отвода части пермеата в накопительный резервуар 41B20 для ретентата для рециркуляции пермеата к стороне ретентата устройства.

Фиг. 15I, подобно Фиг. 15B, иллюстрирует предоставление условий CCPR. В отличие от Фиг. 15C, на Фиг. 15I клапан 43VA42 для пермеата открыт, чтобы предоставить возможность отвода части пермеата в накопительный резервуар 41B20 для ретентата для рециркуляции пермеата также через сторону ретентата устройства.

В соответствии с различными вариантами осуществления данного изобретения, такими как тот, что проиллюстрирован Фиг. 15B, во время режима с CCPR (UTMP) поддерживается плотность потока в интервале от около 0,1 до около 200 л/м²/ч, например, от около 10 до около 60 л/м²/ч вдоль спиральной мембраны во время стадий отделения в циклах фильтрации.

В различных вариантах осуществления стадии устранения засорения (пониженное или нулевое UTMP и/или rUTMP) способов в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения регулируются таким образом, что выполняются периодически, например, с интервалами от примерно 1 минуты до 12 минут при продолжительности от 1 секунды до 60 секунд. Вид потока исходного материала, подлежащего обработке, может влиять на выбор этих переменных. Например, для некоторых исходных потоков стадия устранения засорения может быть применена каждые несколько минут (например, некоторые протеазы), и для более разбавленных потоков она может быть применена не так часто, например, примерно каждый час или каждые несколько часов (например, солоноватая вода). В различных вариантах осуществления во время устранения засорения трансмембранное давление (TMP) изменяется менее чем на 40%, например, менее чем на 20% и, например, менее чем на 10%, вдоль всей длины мембраны в осевом направлении по сравнению с величиной TMP на каждом конце мембраны в осевом направлении. В различных вариантах осуществления проходы для ретентата и пермеата постоянно поддерживаются при избыточном давлении от около 0,1 до около 60 бар, в частности от около 0,1 до около 10 бар, во время циклов промывки противотоком. В соответствии с различными вариантами осуществления способ фильтрации может действовать при трансмембранных давлениях, которые могут находиться в интервале от около 0,1 бар до около 60 бар, например, от около 0,1 до около 10 бар, например, от около 0,1 до около 5 бар, например, от около 0,1 до около 1,0 бар. Нижний предел интервала TMP может быть определен выбором мембранного устройства. Термин «бар» определяется как единица давления, соответствующая 10⁵ Па. Обычные давления могут рассматриваться как находящиеся в интервале от около 0,1 до около 1.5 бар; однако этот интервал может изменяться в зависимости, например, от белка, подлежащего фильтрации, или от применяемой фильтрационной среды. Высокие давления могут рассматриваться как начинающиеся от около 1,5 до около 2,0 бар и выше. Устройство и способы, описанные в данном документе, могут функционировать при обычных и/или высоких давлениях.

В опциональном другом варианте осуществления в соответствии с идеями данного изобретения очистка воздухом может быть применена для улучшения процесса. Очистка воздухом может быть применена в виде периодической инжекции тонких пузырьков воздуха в обводную линию для рециркуляции пермеата перед впускным отверстием фильтрующего модуля. Пузырьки воздуха могут предоставить дополнительное усилие при удалении засоряющих веществ, которые могут накапливаться на стороне ретентата мембраны. Это предоставляет преимущество, заключающееся в том, что осуществляется более эффективное устранение засорения, или же требуется меньший обратный поток пермеата, чтобы обеспечить эквивалентный уровень устранения засорения. Вертикально ориентированное устройство является предпочтительным для этого опционального варианта осуществления, включающего очистку воздухом, в котором потоки жидкостей направлены вверх. Это способствует удалению воздуха из устройства.

Примеры различных материалов мембраны, которые могут быть применены в мембранах способа или устройства, могут содержать полисульфон (PS), полиэфирсульфон (PES), поливинилидендифторид (PVDF), полиарилсульфон, регенерированную целлюлозу, полиамид, полипропилен, полиэтилен, политетрафторэтилен (PTFE), ацетат целлюлозы, полиакрилонитрил, виниловый сополимер, полиамиды, поликарбонат или их смеси или т.п. Размер пор мембраны может изменяться в зависимости от материала мембраны и вида применения. В различных вариантах осуществления мембрана может иметь размер пор фильтрующей среды от около 0,005 микрона до около 0,05 микрона, от около 0,05 микрона до около 0,5 микрона, от около 0,5 микрона до около 1 микрона, от около 1 микрона до около 5 микрон, от около 5 микрон до около 10 микрон или от около 10 микрон до около 100 микрон. В одном из типичных вариантов осуществления мембрана содержит поливинилидендифторидную (PVDF), полисульфоновую или полиэфирсульфоновую мембрану с размером пор от около 0,005 до около 5 микрометров, и в частности, например, от около 0,005 до около 2 микрометров.

Хотя идеи данного изобретения иллюстрируются здесь при применении со спиральными листовыми мембранами, в отношении которых достигнуты особенно неожиданные и выгодные результаты, следует принимать во внимание, что данное изобретение включает варианты осуществления при других видах фильтров, например, с пластинами и рамами, керамическими трубами, полыми волокнами, фильтром из нержавеющей стали или другими конфигурациями фильтра.

В различных вариантах осуществления устройство для фильтрации может управляться контроллером. Контроллер может играть роль в регулировании различных параметров способа фильтрации, например TMP, коэффициента концентрации (CF), результирующей скорости просачивания, плотности потока, чистоты и выхода. Устройство может также содержать клапаны, которые содействуют управлению устройством. Подходящая схема управления может быть определена на основании требований в отношении фильтрации или очистки соединений, представляющих интерес.

В соответствии с различными вариантами осуществления устройство для фильтрации может содержать несколько датчиков для получения данных об образце текучей среды, когда она протекает через технологический путь для текучей среды. В различных вариантах осуществления устройство для фильтрации может содержать сеть для компьютерной обработки данных, способную по меньшей мере к приему, передаче, обработке и записи данных, связанных с функционированием указанных насосов, клапанов и датчиков, и записанные данные, собранные во время процесса фильтрации потока, могут быть достаточно всесторонними, чтобы обеспечивать управление процессом фильтрации.

В соответствии с различными вариантами осуществления датчики могут содержать детекторы, которые измеряют расход потока, давление, концентрацию, pH, проводимость, температуру, мутность, поглощение в УФ-области, люминесценцию, показатель преломления, осмотическую концентрацию раствора, содержание твердых веществ, ближнее ИК-излучение или ИК-излучение с преобразованием Фурье. Такие детекторы могут быть применены для мониторинга и управления протеканием процедур фильтрации и для обеспечения их надежности.

В соответствии с различными вариантами осуществления устройство может содержать устройство для микрофильтрации, которое сконструировано или адаптировано таким образом, что устройство для фильтрации способно к автоматизации для частичного или полного автоматического самоконтроля во время рабочего периода.

Специалистам в данной области должно быть понятно, что оптимальное функционирование устройства основывается на знании того, как конкретные исходный материал и продукт ведут себя при различных рабочих условиях, и что это знание обычно приобретается благодаря исследованиям в масштабах опытного и промышленного производства.

Для данного набора условий обработки и установочных параметров оборудования производственная система может быть предварительно опробована, чтобы эмпирически узнать, как конкретные исходный материал и продукт будут соответствовать различным наборам условий обработки, примененным к устройству, примеры которого приведены в данном документе. Например, такие эмпирические исследования могут быть использованы для разработки прогнозирующей модели, которая включает в себя математические алгоритмы соотношений между величинами параметров от датчиков, желательное регулирование, чтобы изменить величину одного из эксплуатационных параметров, и выбор и степень регулирования, которое должно быть выполнено в отношении других эксплуатационных параметров, чтобы поддержать их постоянными во время регулирования другого параметра. Для реализации такой прогнозирующей модели контроллер может содержать программируемый логический контроллер (PLC), имеющий доступ к системе команд, материализованной в микроэлектронном аппаратном обеспечении, установленном на материнской плате или т.п., и/или в программном обеспечении, загруженном на удаленный компьютер (не показан) при соединении с ним посредством графического интерфейса пользователя. Коммерчески доступные модули PLC могут быть модифицированы, чтобы поддерживать эти функциональные возможности, основанные на идеях и указаниях, представленных в данном документе. Система контроллера может иметь компоненты как аппаратного обеспечения, так и программного обеспечения, которые могут быть адаптированы для разработки и осуществления таких алгоритмов для контроля процесса, которые в качестве примера представлены в данном документе.

В соответствии с различными вариантами осуществления все способы, узлы и устройства, описанные в данном документе, применимы к бульонам для ферментирования, фармацевтическим продуктам, химикатам, молочным продуктам, соевым продуктам и другим продуктам пищевой промышленности и т.д. В соответствии с различными вариантами осуществления все способы, узлы и устройства, описанные в данном документе, применимы к разделению жидкости и твердой фазы, выполняемому для водных растворов белков, полипептидов и биологически полученных полимеров и соединений с небольшими молекулами, которые могут находиться в смеси вирусов или клеток (от бактерий, грибков, земноводных, рептилий, птиц, млекопитающих, насекомых, растений или химер), остатков клеток, остаточных компонентов среды, нежелательных биополимеров, произведенных клетками-хозяевами, и загрязняющих компонентов, введенных в систему во время обработки бульона, которая может происходить при подготовке для микрофильтрации. Способы, узлы и устройства могут быть также применены для обработки исходных потоков, которые образованы во время извлечения желательных молекул, например преципитатов, растворителей водных экстрактов и суспензий кристаллов. В различных вариантах осуществления устройство для фильтрации может содержать фильтрующий узел, однако в некоторых вариантах осуществления ссылка на устройство для фильтрации может быть применена к фильтрующему узлу или фильтрующей установке.

В различных вариантах осуществления соединения или компоненты, представляющие интерес, могут быть белком, полипептидом, нуклеиновой кислотой, гликопротеином, другим биополимером или соединением с небольшой молекулой. В различных вариантах осуществления соединения могут содержать лечебные белки, например, антитела, ферментативно активные белковые лекарственные средства (энзимы), и гормоны. Они могут также содержать, например, структурные белки, например, коллаген, эластин и родственные молекулы. Гормоны могут включать, однако не ограничиваясь ими, фолликулостимулирующий гормон, лютеинизирующий гормон, фактор, высвобождающий кортикотропин, соматостатин, гонадотропин, вазопрессин, окситоцин, эритропоэтин, инсулин и т.п. Лечебные белки могут включать, однако не ограничиваясь ими, фактор роста, который представляет собой белок, который связывается с рецепторными окончаниями на поверхности клетки с основным результатом, заключающимся в активировании клеточной пролиферации и/или дифференциации, фактор роста, производный от тромбоцитов, эпидермальный фактор роста, фактор роста нервов, фактор роста фибробластов, инсулиноподобные факторы роста, трансформирующие факторы роста и т.п.

В соответствии с различными вариантами осуществления энзимы могут быть получены способом промышленного масштаба. Могут быть использованы любые энзимы, и неограничивающий перечень энзимов включает фитазы, ксиланазы, β-глюканазы, фосфатазы, протеазы, амилазы (альфа или бета), глюкоамилазы, целлюлазы, фитазы, липазы, кутиназы, оксидазы, трансферазы, редуктазы, гемицеллюлазы, маннаназы, эстеразы, изомеразы, пектиназы, лактазы, пероксидазы, лакказы, другие оксиредуктазы и их смеси.

В некоторых вариантах осуществления извлеченный энзим является гидролазой, которая включает, однако не ограничивается ими, протеазы (бактериальные, грибковые, кислотные, нейтральные или щелочные), амилазы (альфа или бета), липазы, целлюлазы и их смеси, например, энзимы, продаваемые под торговыми наименованиями Purafect®, Purastar®, Properase®, Puradax®, Clarase®, Multifect®, Maxacal®, Maxapem® и Maxamyl® компании Genencor Division, Danisco US, Inc. (USP 4760025 и WO 91/06637); Alcalase®, Savinase®, Primase®, Durazyme®, Duramyl®, Clazinase® и Termamyl®, продаваемые Novo Industries A/S (Дания).

Целлюлазы являются энзимами, которые гидролизуют β-D-глюкозидные связи в клетчатке. Энзимы, разлагающие клетчатку, традиционно разделяются на три основных класса: эндоглюканазы, экзоглюканазы или целлобиогидролазы и β-глюкозидазы (J. Knowles et al., TIBTECH (1987) 5:255-261). Примером целлюлазы является Multifect® BGL, поставляемый Genencor Division, Danisco US, Inc. Целлюлазы могут быть получены, например, из видов Aspergillus, Trichoderma, Penicillium, Humicola, Bacillus, Cellulomonas, Thermomonospore, Clostridium и Hypocrea. Многочисленные целлюлазы описаны в научной литературе, примеры которой включают, в отношении получения из Trichoderma reesei, S. Shoemaker et al., Bio/Technology (1983) 1:691-696, где описана CBHI; T. Teeri et al., Gene (1987) 51:43-52, где описана CBHII; M. Penttila et al., Gene (1986) 45:253-263, где описана EGI; M. Saloheimo et al., Gene (1988) 63:11-22, где описана EGII; M. Okada et al., Appl Environ Microbiol (1988) 64:555-563, где описана EGIII; M. Saloheimo et al., Eur J Biochem (1997) 249:584-591, где описана EGIV; и A. Saloheimo et al., Molecular Microbiology (1994) 13:219-228, где описана EGV. Экзо-целлобиогидролазы и эндоглюканазы из иных видов, чем Trichoderma, также описаны, например, Ooi et al., 1990, которые описывают кодирование последовательности комплементарных ДНК (кДНК) для эндоглюканазы F1-CMC, произведенной Aspergillus aculeatus; T. Kawaguchi et al., 1996, которые описывают клонирование и секвенирование кДНК, кодирующей бета-глюкозидазу 1 от Aspergillus aculeatus; Sakamoto et al., 1995, которые описывают последовательность кДНК, кодирующую эндоглюканазу CMCase-1 от Aspergillus kawachii IFO 4308; и Saarilahti et al., 1990 которые описывают эндоглюканазу от Erwinia carotovara.

Протеазы включают, однако не ограничиваясь ими, серин, металлопротеазы, тиолпротеазы или кислотные протеазы. В некоторых вариантах осуществления протеазой будет являться сериновая протеаза (например, субтилизин). Сериновые протеазы хорошо известны в данной области, и ссылка делается на Markland et al., Honne-Seyler's Z Physiol. Chem (1983) 364:1537-1540; J. Drenth et al., Eur J Biochem (1972) 26:177-181; патенты США №№ 4760025 (RE 34606), 5182204 и 6312936 и EP 0 323299. Средства для измерения протеолитической активности рассмотрены в K.M. Kalisz, "Microbial Proteinases" Advances in Biochemical Engineering and Biotechnology, A. Fiecht Ed. 1988.

Ксиланазы включают, однако не ограничиваясь ими, ксиланазы от Trichoderma reesei и разновидность ксиланазы от T. reesei, обе поставляются Danisco A/S, Дания и/или Genencor Division, Danisco US Inc., Пало-Альто, Калифорния, а также другие ксиланазы от Aspergillus niger, Aspergillus kawachii, Aspergillus tubigensis, Bacillus circulans, Bacillus pumilus, Bacillus subtilis, Neocallimastix patriciarum, Streptomyces lividans, Streptomyces thermoviolaceus, Thermomonospora fusca, Trichoderma harzianum, Trichoderma reesei, Trichoderma viride.

Примерами фитазы являются Finase L®, фитаза от Aspergillus sp., поставляемая AB Enzymes, Дармштадт, Германия; Phyzyme™ XP, фитаза от E. coli, поставляемая Danisco, Копенгаген, Дания, и другие фитазы, например, от следующих видов: Trichoderma, Penicillium, Fusarium, Buttiauxella, Citrobacter, Enterobacter, Penicillium, Humicola, Bacillus и Peniophora.

Амилазы могут быть, например, от следующих видов: Aspergillus, Trichoderma, Penicillium, Bacillus, например, B. subtilis, B. stearothermophilus, B. lentus, B. licheniformis, B. coagulans, и B. amyloliquefaciens. Подходящие грибковые амилазы получены из Aspergillus, например, A. oryzae и A. niger. Протеазы могут быть от Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus lentus, Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis и видов Aspergillus и Trichoderma.

Вышеуказанные перечни энзимов являются лишь примерами и не предполагают каких-либо ограничений. Например, организмы-хозяева, производящие энзимы, могут включать Mucor sp, Kluyveromyces sp, Yarrowia sp, Acremonium sp, Neurospora sp, Myceliophthora sp и Thielavia sp. Любой энзим может быть применен в вариантах осуществления в соответствии с данным изобретением, включая дикие типы, рекомбинантные и вариантные энзимы от бактериальных, грибковых, растительных и животных источников, и кислотные, нейтральные или щелочные pH-активные энзимы.

В соответствии с различными вариантами осуществления этот способ может также быть применен для очистки биологически полученных полимеров, например, полимолочной кислоты, полигидроксимасляной кислоты и подобных соединений. Однако способ или устройство никоим образом не являются ограничивающими в отношении получения или обработки вышеуказанных полимеров.

В соответствии с различными вариантами осуществления этот способ может быть также применен для очистки биологически полученных соединений с небольшими молекулами, например, витаминов (например, аскорбиновой кислоты), этанола, пропандиола, аминокислот, органических красителей (например, красителя индиго), нутрицевтиков (например, бетаина и карнитина), корригентов (например, бутилбутирата), ароматических веществ (например, терпенов), органических кислот (например, щавелевой, лимонной и янтарной кислот), антибиотиков (например, эритромицина), фармацевтических продуктов (например, статинов и таксанов), антиоксидантов (например, каротиноидов), стеринов и жирных кислот. Однако способ или устройство никоим образом не являются ограничивающими в отношении получения или обработки вышеуказанных соединений с небольшими молекулами.

Желательная чистота компонента или соединения, представляющих интерес, в пермеате, ретентате или клеточной пасте может составлять, например, от около 1% до около 100%. В различных вариантах осуществления чистота компонента, представляющего интерес, может составлять от около 1% до около 25% чистоты, например, от около 25% до около 50% чистоты, например, от около 50% до около 75% чистоты, например, от около 75% до около 90% чистоты, например, от около 90% до около 95% чистоты, например, от около 95% до около 97% чистоты или от около 97% до около 99% чистоты.

В соответствии с различными вариантами осуществления исходная жидкость для выполнения процесса может быть получена из продуктивного организма или продуктивных клеток. Продуктивный организм может быть вирусом, бактериями или грибком. Продуктивные клетки могут содержать прокариотические или эукариотические клетки. В различных вариантах осуществления продуктивные клетки могут содержать бактериальные клетки, клетки насекомых, клетки млекопитающих, грибковые клетки, растительные клетки или линию клеток от предыдущих ссылок на клетки. Линии клеток могут содержать клетки от млекопитающих, птиц, земноводных или насекомых. Клетки могут быть трансформированы или трансфицированы ДНК или другими нуклеиновыми кислотами, представляющими интерес, так что клетки экспрессируют биополимер, представляющий интерес. Способы трансформации и/или трансфекции хорошо известны в данной области и могут быть найдены, например, в патенте США № 7005291, который включен в данный документ во всей его полноте посредством ссылки.

В различных вариантах осуществления исходная жидкость может быть получена из нетрансформированных или нетрансфицированных клеток или из других источников, например, животной или растительной ткани, таким образом, что исходная жидкость, полученная из источника, может протекать через многостадийное фильтрующее устройство. В различных других вариантах осуществления исходная жидкость может быть получена из трансгенных клеток или организмов, например, трансгенных животных. Результаты процесса могут быть независимыми от начального или исходного материала, вводимого в процесс в качестве исходной жидкости. Способ может быть применим к бульонам, полученным экстракцией из растительных или животных материалов, и промежуточным продуктам или конечным формам продуктов, которые могут содержать суспензии кристаллов, преципитаты, пермеаты, ретентаты, клеточную пасту или экстракты. В различных вариантах осуществления поток исходного материала, подлежащий разделению, может содержать, например, по меньшей мере 25%, например, по меньшей мере 15% и, например, по меньшей мере 5% диспергированной твердой фазы.

В соответствии с различными вариантами осуществления бактериальный производящий организм может быть любого бактериального вида, например, вида Bacillus, Streptomyces или Pseudomonas, например, Bacillus subtilis, Bacillus clausii, Bacillus licheniformis, Bacillus alkalophilus, Escherichia coli, Pantoea citrea, Streptomyces lividans, Streptomyces rubiginosus или Pseudomonas alcaligenes.

В соответствии с различными вариантами осуществления устройство для фильтрации может содержать теплообменник, соединенный с возможностью протекания текучей среды с потоками исходного материала и пермеата, чтобы охлаждать ферментативные компоненты ниже температур их активации, когда такие температуры активации ниже температур окружающей среды в зоне протекания процесса. Таким образом может быть предотвращен или ингибирован автолиз энзимов во время обработки. Например, поток исходного материала, содержащий сывороточную протеазу, может быть обработан при температурах процесса в температурном интервале от около 15°C или менее. Для этой цели теплообменники могут быть размещены на линии потока исходного материала в верхнем течении мембранного модуля и на линии пермеата в нижнем течении модуля.

В торговой практике часто для достижения большой величины часто располагают группу мембранных элементов последовательно в одном корпусе. Например, может иметься несколько (например, 4, 6 или больше) мембранных элементов, расположенных в ряд в одном корпусе. Это обеспечивает экономию в расчете на один корпусированный элемент посредством уменьшения количества требуемых фитингов, общей площади, занимаемой оборудованием, трубопроводов, регулирующих клапанов и контрольно-измерительного оборудования. Это, однако, создает проблему для фильтрации низкого давления (микрофильтрации и ультрафильтрации). Поскольку перепад давления через каждый элемент является обычно значительным по сравнению с трансмембранным давлением в верхнем течении элемента, 10% или более, трансмембранное давление может быть существенно уменьшенным в элементах, расположенных в нижнем течении. Это, как правило, приводит к тому, что устройства функционируют выше оптимального TMP в верхнем течении элементов, и также к ограничению поперечного потока, который может быть применен вследствие результирующего увеличения TMP. Это наиболее существенно в случае микрофильтрации, при которой более низкие TMP и поперечные потоки большой величины часто являются предпочтительными для минимизации засорения. Это также приводит к серьезным последствиям в очистке, когда просачивание через элементы в верхнем течении может стать таким большим, что, когда мембрана становится чистой, и через нее отбирается поток чистой воды, это по существу лишает элементы в нижнем течении исходной среды для очистки и, тем самым, устраняет воздействие на них поперечных потоков очистного раствора, требующегося для эффективной очистки. Результатом этого явилась бы неполная очистка или увеличенная продолжительность циклов очистки.

Рециркуляция пермеата для регулирования трансмембранного давления направлена на разрешение этих проблем. Поскольку TMP и поперечный поток могут регулироваться независимым образом, то скорость поперечного потока исходного материала может быть увеличена или уменьшена без негативного влияния на TMP. Это предоставляет преимущество в единственном элементе, однако это преимущество осложняется в последовательности элементов. Чем больше длина пути для исходного материала, тем больше различие между высоким и низким TMP на каждом конце устройства для фильтрации. Также для очистки или других процессов, в которых просачивание через элемент в верхнем течении достаточно высокое, чтобы влиять на подачу поперечного потока в элементах в нижнем течении, UTMP для устройства может быть понижено, чтобы уменьшить скорость просачивания, обеспечивая, тем самым, адекватный поперечный поток для всех элементов.

Также могут быть подобраны определенные конструкции FRE для применения в последовательном устройстве. Поскольку трубы для сбора пермеата группы мембран в последовательности взаимно соединены, то поток пермеата увеличивается при его протекании от впускного отверстия к выпускному отверстию устройства для фильтрации. В зависимости от степени рециркуляции пермеата и вклада просачивания от фильтрации, возможно такое состояние, при котором общий поток пермеата у выпускного отверстия может существенно превышать общий поток пермеата (зависящий только лишь от степени рециркуляции) у впускного отверстия. В этом случае перепад давления на единицу длины будет изменяться на всем протяжении устройства, поскольку перепад давления является функцией скорости потока в квадрате. Для поддержания более линейного перепада давления на всем протяжении длинного устройства для фильтрации требуется FRE, который предоставляет меньшее сопротивление, когда поток протекает в нижнем течении трубы для сбора пермеата. Любой FRE может быть отрегулирован таким образом, чтобы предоставлять большее или меньшее сопротивление, например, шариковые элементы могут быть увеличены в размере для уменьшения сопротивления потоку. Трубчатая коническая вставка обладает двойным преимуществом, заключающимся в том, что она не только может быть легко спроектирована для предоставления расчетного перепада давления в пределах прогнозируемого интервала потока внутри элемента, но также может иметь отрегулированные диаметры конического профиля, чтобы соответствовать увеличению расходов потока в нескольких элементах в последовательности. Например, площадь поперечного сечения потока пермеата в элементе в нижнем течении может быть увеличена посредством уменьшения диаметра вставки в трубе для пермеата, посредством чего уменьшается сопротивление протеканию, чтобы соответствовать увеличению расхода потока, обусловленному просачиванием через фильтр.

ПРИМЕРЫ

Приведенные ниже примеры лишь представляют различные варианты осуществления данного изобретения. Примеры не предназначены для ограничения данного изобретения каким бы то ни было образом.

В примерах 1-3 были выполнены эксперименты для определения плотность потока и прохождения различных бульонов Bacillus в спиральном устройстве, имеющем схему производственного процесса, проиллюстрированного на Фиг. 17, которая аналогична схемам процесса, описанным в связи с Фиг. 15B-15E, при некоторых модификациях. В этом устройстве для фильтрации были испытаны мембранные элементы разных производителей и разные бульоны для ферментирования. При ссылке на Фиг. 17 устройство с мембраной со спиральной намоткой, имеющее проиллюстрированную схему производственного процесса, было применено, чтобы реализовать режимы протекания с CCPR и с прерывистым обратным UTMP (rUTMP) в соответствии с данным изобретением. Устройство для фильтрации, проиллюстрированное на Фиг. 17, например, включает спиральную мембрану 1701 (SWM), насос 1703 для пермеата, насос 1709 для потока исходного материала и другие компоненты, например, клапаны (1706, 1720-1723), манометры (PI), датчики давления (PT), контроллер клапанов, датчики температуры (TT), расходомеры (FI), датчики расхода (FIT), контроллеры расхода на клапанах (FIC), резервуары для подачи/сбора (РЕЗЕРВУАР), теплообменник 1715 (HE), контроллер температуры на клапанах (TIC), датчик уровня в резервуаре (LT), контроллер питательного клапана (LICZ) и т.д. для предоставления интегрированного функционального устройства для разделения. Фильтрующий мембранный модуль 1701 со спиральной намоткой скомпонован для предоставления параллельного поток пермеата через обводную линию 1704 для рециркуляции пермеата, включающую клапан 1706 ограничения потока и насос 1703 для пермеата. Насос 1703 для пермеата может управляться таким образом, чтобы возвращать часть пермеата, выпущенного из выпускного отверстия 1705 для пермеата модуля 1701 (т.е., из выпускного конца трубы для сбора пермеата), при регулируемом расходе во впускное отверстие 1707 для пермеата трубы для сбора пермеата, расположенной внутри фильтрующего модуля 1701. Особенности модуля 1701 поясняются более подробно ниже. Насос 1709 для потока исходного материала предусмотрен для подачи потока исходного материала, подлежащего разделению, во впускное отверстие 1711 для потока исходного материала фильтрующего модуля 1701 при регулируемом расходе. Поток исходного материала проходит через теплообменник 1715 перед введением в фильтрующий модуль 1701. Ретентат выпускается из фильтрующего модуля 1701 через выпускное отверстие 1713, расположенное на противоположном в осевом направлении конце модуля. Насос 1703 для пермеата, насос 1709 для потока исходного материала и регулирующие клапаны регулируются совместно таким образом, как это описано в данном документе, чтобы предоставить режимы функционирования с UTMP и rUTMP.

Пример 1

При прогонах 1-4 были проведены эксперименты по определению VCF на бульоне для ферментирования с применением мембран Alfa Laval из полисульфона (PS) с номинальным размером пор 0,2 мкм. Организм-хозяин и энзим в подаваемом бульоне являлись бульоном B. subtilis и протеазы, полученном в качестве бульона FNA от Genencor Division, Danisco US, Inc. Рабочая температура составляла 15°C, величина pH бульона составляла 5,8 и твердотельные пластиковые шарики диаметром 3 мм были использованы в качестве элемента гидравлического сопротивления (FRE). FRE были плотно размещены в трубе для сбора мембраны со спиральной намоткой до заполнения пространства трубы между ее концами в осевом направлении и поддерживались на месте перфорированными пластинами в виде диска на каждом конце трубы. Оценивались режимы UTMP и UTMP/rUTMP операции фильтрации. Первоначально были оценены два разных пути создания повышенного давления пермеата, которыми являлись замедление работы насоса для подачи исходного материала или увеличение скорости работы насоса для рециркуляции пермеата.

Прогоны 1-4 выполнялись при следующих условиях. Прогон 1 представлял собой контрольный прогон, при котором не применялось UTMP. Среднее TMP составляло 1,5 бар, и расход потока составлял 9,9 м³/ч. При прогоне 2 был применен лишь режим UTMP без создания rUTMP. FRE был включен в трубу для сбора пермеата, однако стадия устранения засорения не применялась. UTMP составляло 1 бар и расход потока составлял 11,8 м³/ч. При прогоне 3 был использован режим UTMP/rUTMP при UTMP 1 бар и расходе потока 12 м³/ч. rUTMP создавалось в течение 1 минуты каждые 10 минут посредством уменьшения скорости работы насоса для подачи исходного материала. Скорость работы насоса уменьшалась до тех пор, пока не наблюдался результирующий отрицательный поток пермеата. Это указывало на обратный поток через мембрану. При прогоне 4 был использован режим UTMP/rUTMP при UTMP 1 бар и расходе потока 12 м³/ч. rUTMP создавалось в течение 1 минуты каждые 10 минут посредством увеличения скорости работы насоса для пермеата. Скорость работы насоса увеличивалась до тех пор, пока не наблюдался результирующий отрицательный поток пермеата. Это указывало на обратный поток через мембрану.

Результаты прогонов 1-4 представлены в таблицах 1-4. Результаты для плотности потока при разных полученных VCF представлены в виде графиков на Фиг. 18 и 19, и результаты для прохождения представлены в виде графика на Фиг. 15. Среди других полученных сведений, результаты на Фиг. 18 и 19 показывают, что добавление UTMP приводило к более низкой плотности потока, пока оно не было объединено с созданием rUTMP. Минимальное снижение плотности потока наблюдалось при прогоне 3, в котором был применен режим UTMP/rUTMP, включающий регулирование скорости работы насоса для подачи исходного материала. Фиг. 20 показывает, что все прогоны с применением UTMP имели значительные улучшения в общем прохождении.

В приведенной ниже таблице 5 обобщены достигнутая величина VCF, общее прохождение и концентрирование посредством ультрафильтрации для прогонов 1-4. «C» относится к концентрации растворенного вещества, «C₀» относится к первоначальной концентрации растворенного вещества, «V₀» относится к первоначальному объему исходного материала, «V» относится к объему ретентата и «σ» относится к непрохождению, при этом C=C₀(V₀/V)^σ.

Пример 2

При прогонах 5-11 были проведены эксперименты по определению VCF на другом бульоне для ферментирования с применением схемы производственного процесса, сходной с той, что указана для примера 1, в которых также оценивались различные мембраны, включая спиральную мембрану Koch с номинальным размером пор 1,2 мкм в качестве контрольной, мембрану Alfa Laval из полисульфона (PS) с номинальным размером пор 0,2 мкм в качестве контрольной и также для активного сбора пермеата и мембрану Microdyn из полиэфирсульфона с номинальным размером пор 0,05 мкм в качестве контрольной и также для активного сбора пермеата. Организмом-хозяином, использованным для приготовления подаваемого бульона, являлся бульон B. Subtilis, и энзимом являлась протеаза, полученные в качестве бульона FN3 от Genencor Division, Danisco US, Inc. Рабочая температура составляла 15°C.

Прогоны 5-11 выполнялись при следующих условиях. Прогон 5 являлся контрольным прогоном с применением спиральной мембраны Koch (Koch Membrane Systems, Inc.), в котором происходил лишь пассивный сбор пермеата, а именно, не имели место ни UTMP, ни параллельная рециркуляция пермеата (т.е. отсутствовал активный сбор пермеата). Среднее TMP составляло 1,5 бар, и расход потока составлял 9 м³/ч. Прогон 6 являлся контрольным прогоном с применением мембраны из полисульфона (PS) 0,2 мкм, в котором происходил лишь пассивный сбор пермеата, а именно, не имели место ни UTMP, ни параллельная рециркуляция пермеата. Среднее TMP составляло 1,5 бар, и расход потока составлял 9 м³/ч. При прогоне 7 была использована мембрана Alfa Laval из полисульфона (PS) 0,2 мкм с применением режима UTMP/rUTMP при UTMP 1 бар и расходе потока 8,4 м³/ч. rUTMP создавалось в течение 30 секунд каждые 10 минут посредством уменьшения скорости работы насоса для подачи исходного материала. Скорость работы насоса уменьшалась до тех пор, пока не наблюдался результирующий отрицательный поток пермеата. Это указывало на обратный поток через мембрану. При прогоне 8 была использована мембрана Alfa Laval из полисульфона (PS) 0,2 мкм с применением режима UTMP/rUTMP при UTMP 1 бар и расходе потока 8,2 м³/ч. rUTMP создавалось в течение 5 секунд каждые 2 минут посредством уменьшения скорости работы насоса для подачи исходного материала. Скорость работы насоса уменьшалась до тех пор, пока не наблюдался результирующий отрицательный поток пермеата. Это указывало на обратный поток через мембрану. При прогоне 9 была использована мембрана Microdyn из полиэфирсульфона (PES) 0,05 мкм с применением лишь пассивного сбора пермеата, а именно, не имели место ни UTMP, ни параллельная рециркуляция пермеата. TMP составляло 1,5 бар, и расход потока составлял 9,8 м³/ч. При прогоне 10 была использована мембрана Microdyn из полисульфона (PS) 0,05 мкм с применением режима UTMP/rUTMP при UTMP 0,9 бар и расходе потока 8,1 м³/ч. rUTMP создавалось в течение 5 секунд каждые 2 минут посредством уменьшения скорости работы насоса для подачи исходного материала. Скорость работы насоса уменьшалась до тех пор, пока не наблюдался результирующий отрицательный поток пермеата. Это указывало на обратный поток через мембрану. При прогоне 11 была использована мембрана Microdyn из полисульфона (PS) 0,05 мкм с применением режима UTMP/rUTMP при UTMP 0,8 бар и расходе потока 8,1 м³/ч. rUTMP создавалось в течение 5 секунд каждые 2 минут посредством уменьшения скорости работы насоса для подачи исходного материала. Скорость работы насоса уменьшалась до тех пор, пока не наблюдался результирующий отрицательный поток пермеата. Это указывало на обратный поток через мембрану.

Результаты прогонов 5-11 представлены в таблицах 6-12. Результаты для плотности потока при разных полученных VCF представлены в виде графиков на Фиг. 21 и 22, и результаты для прохождения представлены в виде графика на Фиг. 23. Среди других полученных сведений, результаты на Фиг. 21-21 показывают, что добавление UTMP давало более низкие плотности потока, пока оно не было объединено с созданием UTMP. Фиг. 23 показывает, что все прогоны с применением UTMP имели значительные улучшения в общем прохождении. Минимальное снижение плотности потока наблюдалось в прогонах 7, 8, 10 и 11, в котором был применен режим UTMP/rUTMP.

В приведенной ниже таблице 13 обобщены достигнутая величина VCF, общее прохождение и концентрирование посредством ультрафильтрации для прогонов 6-11.

Пример 3

Были проведены экспериментальные исследования для получения данных о распределении перепада давления от впускного отверстия к выпускному отверстию в трубе для сбора пермеата, снабженной конической вставкой, которая установлена внутри трубы для сбора пермеата в качестве элемента гидравлического сопротивления. Чтобы достичь точных результатов, имеющуюся мембрану спирального мембранного устройства, Koch Membrane Systems, Inc., разворачивали и удаляли и расположенную внутри трубу для сбора пермеата использовали отдельно для этих экспериментов. Труба для пермеата была модифицирована таким образом, что вода могла быть инжектирована в герметизированном состоянии при регулярных интервалах вдоль длины трубы и локальное давление и расход потока измерялись в местах инжекции, в то время как другие отверстия трубы вдоль ее длины были блокированы. Труба имела впускное отверстие и выпускное отверстие на ее противоположных концах для введения рециркулированной воды или другого испытательного пермеата и выпуска пермеата/воды, собранной внутри и проходящей через отдельную трубу. При ссылке на Фиг. 25, для целей этого эксперимента две трубы 251 и 252 для пермеата получали таким образом и модифицировали так, что восемь (8) мест для инжекции, манометры и расходомеры были установлены на каждой трубе для пермеата. На Фиг. 25 схематически показана лишь труба 251, чтобы упростить иллюстрацию, поскольку труба 252 была идентична ей. Внутри каждой трубы для сбора пермеата была установлена коническая вставка, имеющая общую конфигурацию, показанную на Фиг. 4A и 4D. Две трубы для пермеата были взаимно соединены с применением противовыдвижного узла (Alfa Laval). Противовыдвижной узел был также установлен на каждом внешнем конце труб для пермеата. Было установлено оборудование, чтобы предоставить в целом общую конфигурацию, показанную на Фиг. 25, в которой параллельная рециркуляция пермеата и расход пермеата при инжекции могли бы регулироваться и контролироваться.

Испытания проводились при нескольких разных ΔP (3,4, 3,2, 3,0, 2,5, 2,0 бар) и расходах потока пермеата (8 л/мин, 22 л/мин, 32 л/мин). Коническая вставка имела коническую конструкцию с диаметрами от 0,91 дюйма до 0,90 дюйма и от 0,90 дюйма до 0,89 дюйма (две вставки для двух труб). Результаты представлены на Фиг. 26-30. Эти фигуры относятся к манометрам 1-8, установленным в трубе 251 для пермеата (от ее впускного отверстия до выпускного отверстия), и манометрам 9-16, установленным в трубе 252 для пермеата (от ее впускного отверстия до выпускного отверстия). Как показано посредством данных на Фиг. 26-30, наблюдалось, что значительный и сравнительно равномерно распределенный перепад давления имеет место от начального впускного отверстия до конечного выпускного отверстия труб для пермеата. Кроме того, наблюдалось, что влияние противовыдвижного узла (ATD), расположенного между двумя трубами 251 и 252 для пермеата, т.е. между манометрами 8 и 9, на перепад давления было минимальным.

Пример 4

Эксперимент выполняли с применением устройства и способа, представленных в общем виде на Фиг. 32. Целью этого эксперимента являлась демонстрация эффективности устройства с UTMP/rUTMP в промышленном непрерывном процессе.

37,5 кг бульона Bacillus subtilis для ферментирования, содержащего щелочную протеазу, помещали в резервуар для исходного материала вместе с 22,5 кг воды. Устройство приводили в действие и обеспечивали возможность установления следующих рабочих условий:

Эти установочные параметры приводили к UTMP 1,0 бар и ΔP 1,5 бар как на стороне исходного материала, так и на стороне пермеата. Как исходный материал, так и пермеат рециркулировали во время запуска. Мембраной, применяемой для этого эксперимента, была Koch MFK 601 3838 с прокладкой 80 мил (2,032 мм).

После того как система стабилизировалась, начинали эксперимент. Пермеат направляли в резервуар для сбора. Ретентат выпускали при соотношении 4,7 части пермеата на 1 часть ретентата. Исходный материал из внешнего накопительного резервуара подавали в резервуар для исходного материала устройства, чтобы поддерживать общую массу жидкости в устройстве 60 кг. Исходный материал из внешнего накопительного резервуара получали смешиванием 166,6 кг бульона Bacillus subtilis для ферментирования, содержащего щелочную протеазу, с 633 кг воды. Этот исходный материал поддерживали при 10°C.

Устройство было настроено для применения периодического создания rUTMP. Установочные параметры создания rUTMP были следующие:

Интенсивность rUTMP результирующий поток пермеата -0,5 л/мин (избыточное давление пермеата 0,1 бар)

Эксперимент проводили в течение 6 часов. Результаты показаны на Фиг. 32-36.

Пример 5

Эксперимент выполняли с применением устройства и способа, представленных в общем виде на Фиг. 15I.

Это был эксперимент с критической плотностью потока, спланированный, чтобы показать влияние различных величин UTMP и ΔP.

Порядок проведения эксперимента был следующим:

1. Предварительно загрязняли мембрану посредством функционирования в течение 1 часа при условиях, которые, как предполагалось, давали наибольшую степень засорения. В этом случае это было UTMP 1,5 бар и ΔP 0,8 бар.

2. Вручную выполняли цикл создания rUTMP, чтобы удалить засоряющие вещества. Это приводило мембрану к полузасоренному состоянию.

3. Выполняли первое условие испытаний в течение 30 минут, отбирая образец в конце 30-минутного цикла, чтобы проверить прохождение энзима.

4. Повторяли этапы 2 и 3 для всех условий испытания.

40 кг бульона Bacillus subtilis для ферментирования, содержащего щелочную протеазу, помещали в резервуар для исходного материала вместе с 40 кг воды. Устройство приводили в действие и обеспечивали возможность стабилизации функционирования при следующих рабочих условий:

При этих условиях выполняли прогон в течение 1 часа, чтобы предварительно засорить мембрану, и затем выполняли прогоны при указанных ниже условиях таким образом, как это описано выше.

Мембраной, применяемой для этого эксперимента, была Koch MFK 601 3838 с прокладкой 80 мил (2,032 мм).

Результаты представлены на Фиг. 37-39.

Пример 6

Концентрирование снятого молока

В резервуар на 500 л добавляли 252 кг воды и нагревали до 50°C. После нагревания воды до данной температуры медленно добавляли 25 кг порошка сухого снятого молока и смешивали его при перемешивании. Молочный раствор оставляли гидратироваться в течение 90 минут при 50°C.

92 кг исходного материала закачивали в опытный блок для MF (спиральное устройство, как показано на Фиг. с 15A по 15I), содержащий мембранный модуль для микрофильтрации 3838 из PES 0,05 мкм, поставляемый Microdyn Technologies Inc. Трубу для пермеата заполняли пластиковыми шариками 8 мм, действующими в качестве FRE. Устройство запускали и обеспечивали возможность доведения до нужной температуры при условиях очень низкого UTMP (0,2 бара). После того как устройство было нагрето и исходный материал находился при 50°C, начинали процесс концентрирования. Устройство было установлено при следующих эксплуатационных параметрах для концентрирования молока.

Исходный материал непрерывно подавали из резервуара на 500 л, чтобы компенсировать уменьшение объема от пермеата, оставляющего устройство, так что количество исходного материала в устройстве поддерживалось при 92 кг на всем протяжении этого эксперимента. Процесс выполняли, пока все 277 кг снятого молока не были поданы при остаточном объеме 92 кг, что приводило к трехкратному (3X) концентрированию.

Результаты представлены на Фиг. 40.

Пример 7

Критическая плотность потока для концентрата снятого молока

Молочный 3X-концентрат, образованный, как описано выше в примере 6, был использован в эксперименте для оценки прохождения и плотности потока при различных UTMP. Для всех условий давление поперечного потока составляло 0,8 бар и температура исходного материала составляла 50°C. Пермеат и ретентат непрерывно рециркулировали в резервуар для исходного материала, так что состав исходного материала был одинаковый на всем протяжении эксперимента. Молоко рециркулировали при каждом условии в течение 30 минут.

Результаты представлены на Фиг. 41 и 43.

Пример 8

Диафильтрация молочного 3X-концентрата

После эксперимента с критической плотностью потока, описанного выше, линию для подачи деионизированной воды подключали к резервуару для исходного материала блока MF. Для устройства обеспечивали возможность стабилизации при следующих эксплуатационных параметрах:

Пермеат затем подавали в резервуар для сбора пермеата и воду непрерывно подавали в резервуар для исходного материала, чтобы поддерживать массу 92 кг исходного материала в устройстве. Этот процесс выполняли до сбора 185 кг пермеата.

Результаты представлены на Фиг. 42.

Пример 9

В устройстве, отображенном на Фиг. 15I, выполняли эксперимент с критической плотностью потока при использовании бульона альфа-амилазы от Bacillus licheniformis. Клетки подвергали лизису лизоцимом от Innovapure. Бульон имел величину pH, отрегулированную до 10 с помощью NaOH. 40 литров бульона смешивали с 40 литрами воды и обеспечивали возможность достижения температуры 50°C. Мембрану предварительно засоряли в течение 1 часа при перепаде давления (DP) 1,0 бар и UTMP 1,5 бар. Мембрану затем подвергали создаваемому вручную rUTMP в течение 10 секунд перед началом эксперимента. Стадию создания вручную rUTMP в течение 10 секунд выполняли при каждом изменении условий. Используемая мембрана являлась мембраной Koch MFK 601 из PES 1,2 мкм с прокладками 80 мил (2,032 мм).

Были применены следующие рабочие условия: (все давления в барах)

Каждое условие выполняли в течение 20 минут и в момент завершения отбирали образцы ретентата и пермеата для анализа. Результаты представлены на Фиг. 46.

Пример 10

Фиг. 24 показывает влияние разных режимов функционирования на общее прохождение для прогонов с применением мембраны Laval из полисульфона (PS) 0,2 мкм при VCF 1.

Четыре эксперимента выполняли на оборудовании, представленном на Фиг. 44, чтобы испытать относительные эксплуатационные параметры для четырех разных режимов функционирования: нормального (нет FRE или рециркуляции пермеата), только UTMP, UTMP/nUTMP и UTMP/rUTMP. Во всех случаях использовался бульон щелочной протеазы для ферментирования от Bacillus subtilis. Объемы партий и разбавления были одинаковыми для всех четырех прогонов. Один и тот же модуль MF из полисульфона 0,2 мкм от Alfa Laval были использован для всех четырех экспериментов.

Были применены следующие рабочие условия:

Для каждого эксперимента 40 кг бульона смешивали с 80 кг воды и обеспечивали возможность достижения 15°C. Затем начинали эксперименты. Пермеат собирали в отдельный резервуар и выполняли процесс до тех пор, пока остаточная масса исходного материала в устройстве не составляла 40 кг, что соответствовало VCF = 1,0. Собранный пермеат подвергали анализу на щелочную протеазу и определяли общее прохождение для каждого эксперимента.

Цикл nUTMP выполняли в течение 5 секунд каждые 3 минуты. nUTMP создавали просто перекрыванием перепускного клапана для пермеата, как показано на Фиг. 44. Это позволяло уравнять давление пермеата с давлением со стороны исходного материала вследствие непрерывного просачивания от исходного материала к пермеату, которое создает давление на стороне пермеата, когда рециркуляционный контур становится закрытым контуром. rUTMP создавалось в течение 5 секунд каждые 2 минуты. Режим с rUTMP создавался, как это описано выше, когда уменьшалась скорость работы насоса для подачи исходного материала. Фиг. 24 также включает данные от прогона 7 из примера 2 (F down 30 с/10 мин).

Пример 11

В ходе разработки способа и устройства были сделаны некоторые конструкционные изменения в оборудовании, которые привели к улучшенной гидродинамике и улучшенным возможностям управления. Основные изменения отображены на следующих фигурах.

Фиг. 17: Это схема первоначального оборудования для фильтрации, настроенная для UTMP и rUTMP.

Фиг. 44: Она показывает модификацию, сделанную в оборудовании, представленном на Фиг. 17. Вместо наличия резервуара для пермеата в обводной линии для рециркуляции пермеата, рециркуляционный контур закрыт. Это предоставляет возможность создания nUTMP перекрыванием перепускного клапана для пермеата.

Фиг. с 15A по 15I: Они представляют переконструированное оборудование, которое включает автоматическое управление UTMP, nUTMP и 2 режима создания rUTMP. Первоначальные режимы создания rUTMP (снижение скорости работы насоса для подачи исходного материала или увеличение скорости работы насоса для пермеата) еще могут быть использованы, однако цикл с rUTMP не может быть автоматизирован.

Потенциальным основным преимуществом полностью автоматизированного устройства, отображенного на Фиг. 15, является более равномерное создание цикла с rUTMP. В первоначальной схеме, если скорость работы насоса для подачи исходного материала уменьшается, то это будет приводить к уменьшению перепада давления, когда исходный материал проходит через фильтрующий модуль, так что давления исходного материала у впускного отверстия и у выпускного отверстия не будут уменьшаться на одну и ту же величину. В предположении, что пермеат рециркулируется при примерно постоянной степени рециркуляции во время этого цикла, обратный поток будет больше у впускного отверстия модуля по сравнению с выпускным отверстием.

Напротив, если скорость работы насоса для пермеата увеличивается, то перепад давления через трубу для сбора пермеата возрастает. В предположении, что степень рециркуляции исходного материала является почти постоянной, обратный поток будет опять же больше у впускного отверстия модуля по сравнению с выпускным отверстием. Расчетные градиенты давления отображены на Фиг. 45.

Устройство, отображенное на Фиг. 15, имеет полностью автоматическое управление обоими насосами и клапанами регулирования давления (43VC60 и 42VC60). Это предоставляет возможность поддержания одинаковой разности давления между впускным отверстием и выпускным отверстием фильтрующего модуля во время цикла с rUTMP, как отображено на Фиг. 14.

Перечень оборудования, использованного в примерах:

Фиг. 31 представляет собой схему, показывающую иллюстративные неограничивающие варианты осуществления, как ряда с 1 по 4, так и ряда с 10 по 15, в соответствии с вышеописанными или дополнительными аспектами данного изобретения при указании общих условий процесса, ассоциированных с каждым вариантом.

Другие варианты осуществления данного изобретения будут очевидны специалистам в данной области из рассмотрения представленного описания и осуществления на практике данного изобретения, раскрытого в данном документе. Предполагается, что описание и примеры должны рассматриваться как иллюстративные и не ограничивающие формулу изобретения. Все указанные ссылки, патенты и заявки на патент включены во всей их полноте в данный документ посредством ссылки.

Реферат

Изобретение относится к фильтрации с контролем внутреннего засорения. Предложены способ и устройство для фильтрации с разделением потока фильтрующейся текучей среды посредством фильтрующего мембранного модуля с равномерными трансмембранным давлением и плотностью потока вдоль мембраны и внутренним контролем засорения мембраны посредством циклов прерывистого периодического снижения разности давлений между сторонами пермеата и ретентата мембраны и/или промывки противотоком во время разделения и извлечения и/или очистки белков, пептидов, нуклеиновых кислот, биологически полученных полимеров и других соединений или материалов из водных текучих сред. Изобретение обеспечивает эффективную фильтрацию, эффективное устранение засоров и снижение затрат на оборудование и эксплуатационные расходы. 5 н. и 43 з.п. ф-лы, 58 ил., 16 табл., 11 пр.

Формула