用于过滤的系统和其相关联的方法
阅读说明：本技术 用于过滤的系统和其相关联的方法 (System for filtering and associated method ) 是由 A·巴尔加夫 P·保尔 P·H·莫翰 A·高雷 P·库马尔 V·约瑟 S·阿拉古尔 M 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：一种方法包括引起第一量的供给流体(28)沿第一方向(72)从生物反应器(12)流向切向流过滤器(16),以使第一量的供给流体(28)分离为渗透流体(42)和渗余流体(48)。此外,控制单元(66)操作成控制至少一个供给流控制装置(24,26)来抑制第一量的供给流体(28)的流动。此外,操作控制单元(66)以控制至少一个供给流控制装置(24,26),以经由切向流过滤器(16)沿与第一方向(72)相反的第二方向(74)引导下者中的至少一个：来自生物反应器(12)的第二量的供给流体(28)的另一流,渗透流体(42)的一部分,以及营养物流体的一部分。(A method includes causing a first quantity of a feed fluid (28) to flow in a first direction (72) from a bioreactor (12) to a tangential flow filter (16) to separate the first quantity of the feed fluid (28) into a permeate fluid (42) and a retentate fluid (48). Further, the control unit (66) is operative to control the at least one supply flow control device (24,26) to inhibit flow of the first amount of supply fluid (28). Furthermore, the control unit (66) is operated to control the at least one feed flow control device (24,26) to direct, via the tangential flow filter (16), at least one of: another stream of a second quantity of feed fluid (28) from the bioreactor (12), a portion of the permeate fluid (42), and a portion of the nutrient fluid.)
技术领域
本说明书的实施例总体上涉及过滤系统，并且更具体地涉及具有切向流过滤器的灌注系统以及用于清洁灌注系统的切向流过滤器的方法。
背景技术
许多物质作为溶液或混合物的存在产生对于待开发的分离溶液或混合物的过程的需要。在化学、制药、食品、石油、医疗保健和废水处理应用中，需要纯化、回收、分离和去除过程流中的物质，这推动了对分离技术的需求。
最常见的过滤过程是微滤(MF)、超滤(UF)和反渗透(RO)。这种过滤过程是压力驱动的，并用于使用过滤器从流体中分离大分子。过滤器通过允许混合物的某些组分通过而同时保持该混合物的其它成分来作为选择性屏障。过滤过程产生两个阶段：渗透物阶段和渗余物阶段。
对于生物处理应用，连续处理是增长的趋势，因为与使用以分批供给模式操作的较大生物反应器相比，较小的生物反应器可用于生产所需量的产品。灌注可通过允许持续供应营养物和去除废物来实现连续处理。连续过程产生较好的产品产量、产品质量、过程强化、减少资本支出并减少运营支出。
与使用过滤器分离过程相关联的缺点是称为过滤器结垢的现象。结垢是指在过滤器的膜或孔隙表面上沉积的物质，称为污垢，导致过滤器性能发生变化，或甚至导致过滤器完全堵塞。结果，由于过滤器堵塞而导致过滤器效率降低，这反过来影响了过滤质量并增加了整体处理时间。在使用一次性切向流过滤器进行连续处理的情形下，过滤器堵塞会限制过程可不中断地运行的持续期。特别地，过滤器堵塞限制了灌注持续期，并限制了在过程结束时可实现的细胞密度。
需要一种具有切向流过滤器的增强的灌注系统以及用于清洁该灌注系统的切向流过滤器的方法。
发明内容
根据本说明书的一个方面，公开了一种系统的操作方法。该方法包括引起第一量的供给流体经由供给流径从生物反应器沿第一方向流向切向流过滤器。该方法还包括由控制单元控制供给流径中的至少一个供给流控制装置来用于控制所述流，并且由于沿所述第一方向的所述流，允许切向流过滤器将第一量的供给流体分为渗透流体和渗余流体。此外，该方法包括操作控制单元以控制至少一个供给流控制装置来抑制或停止第一量的供给流体的流动。另外，该方法包括操作控制单元以控制至少一个供给流控制装置来在预先限定的持续期内经由切向流过滤器沿与第一方向相反的第二方向引导下者中的至少一个以清洁切向流过滤器：a)来自生物反应器的第二量的供给流体的另一流，b)渗透流体的一部分，以及c)来自源的营养物流体的一部分。
根据本说明书的一个方面，公开了一种系统。该系统包括生物反应器和经由供给流径和至少一个供给流控制装置耦合至生物反应器的切向流过滤器。切向流过滤器用于使供给流体分离成渗透流体和渗余流体。该系统还包括通信地耦合到至少一个流控制装置的控制单元。控制单元配置成引起第一量的供给流体经由供给流径从生物反应器沿第一方向流向切向流过滤器。控制单元还配置成控制供给流径中的至少一个供给流控制装置来用于控制所述流。此外，控制单元配置成控制至少一个供给流控制装置来抑制或停止第一量的供给流体的流动。另外，控制器配置成控制至少一个供给流控制装置来在预先限定的持续期内经由切向流过滤器沿与第一方向相反的第二方向引导下者中的至少一个以清洁切向流过滤器：a)来自生物反应器的第二量的供给流体的另一流，b)渗透流体的一部分，以及c)来自源的营养物流体的一部分。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：
图1是根据本说明书的实施例的系统的框图，该系统利用渗透流体通过切向流过滤器的反向流动；
图2是根据本说明书的另一个实施例的系统的框图，该系统利用渗透流体通过切向流过滤器的反向流动；
图3是根据本说明书的实施例的系统的框图，该系统包括具有设置在容器中的隔膜的流体存储单元；
图4是根据本说明书的实施例的系统的框图，该系统包括具有设置在容器中的活塞的流体存储单元；
图5是根据本说明书的实施例的系统的框图，该系统利用供给流体通过切向流过滤器的反向流动。
具体实施方式
除非另外限定，本文的技术和科学用语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员通常理解的相同意义。如本文使用的用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、质量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开。另外，用语“一个”和“一种”不表示量的限制，而是表示至少一个提到项目的存在。“包含”、“包括”或“具有”和本文的其变型的使用意思是涵盖此后所列的项目和其等同物，以及附加项目。用语“通信地耦合”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，且可包括直接或间接的电连接或无线耦合。
根据本说明书的实施例，公开了一种方法。该方法包括引起第一量的供给流体经由供给流径从生物反应器沿第一方向流向切向流过滤器。该方法还包括由控制单元控制供给流径中的至少一个供给流控制装置来用于控制所述流。此外，该方法包括允许切向流过滤器使第一量的供给流体分离为渗透流体和渗余流体。该方法还包括操作控制单元以控制至少一个供给流控制装置来抑制或停止第一量的供给流体的流动。另外，该方法包括操作控制单元以控制至少一个供给流控制装置来在预先限定的持续期内经由切向流过滤器沿与第一方向相反的第二方向引导下者中的至少一个以清洁切向流过滤器：a)来自生物反应器的第二量的供给流体的另一流，b)渗透流体的一部分，以及c)来自源的营养物流体的一部分。
根据另一个实施例，公开了一种相关联的系统。根据本说明书的实施例，示例性系统和方法使得能够减少过滤器堵塞，从而允许强化生物过程并延长切向流过滤器的寿命。整个过滤器清洁过程是完全无菌且自动的，因为不需要用户干预。此外，由于可在生物过程期间进行过滤器的清洁，因此可能产生更高密度的细胞培养物。
参看图1，示出了根据本说明书的实施例的系统10的框图。在所示的实施例中，系统10包括生物反应器12，该生物反应器经由供给流径14耦合至切向流过滤器(例如，中空纤维过滤器)16。切向流过滤器16具有入口18、第一出口20和第二出口22。
系统10还包括供给泵24和耦合到供给流径14的供给控制阀26。供给泵24位于供给控制阀26的上游。例如，生物反应器12用于存储与细胞培养相关联的供给流体28。特别地，供给泵24用于经由供给流径14以预定的流率使供给流体28从生物反应器12供给到切向流过滤器16的入口18。供给控制阀26用于控制经由供给流径14的供给流体28的流动。
另外，系统10包括经由渗透物流径32耦合到第一出口20的渗透物收集单元30。系统10还包括耦合到渗透物流径32的渗透物泵34。此外，系统10包括在渗透物泵34上游的位置处从渗透物流径32延伸到流体存储单元38的转移路径36。另外，系统10包括耦合到转移路径36的渗透物控制阀(也可替代地称为第一渗透物控制阀)40。切向流过滤器16用于通过利用横跨切向流过滤器16的压力差将渗透流体42与供给流体28分离。渗透物泵34用于以预定的流率将第一预定量的渗透流体42经由渗透物流径32供给到渗透物收集单元30。渗透物控制阀40用于控制渗透流体42的部分通过转移路径36到流体存储单元38的流动。
此外，生物反应器12经由渗余物流径46耦合到切向流过滤器16的第二出口22。渗余流体48经由切向流过滤器16的第二出口22并且通过渗余物流径46流向生物反应器12。渗余流体48是分离渗透流体42之后的供给流体28的剩余部分。渗余物阀49耦合到渗余物流径46，并用于控制渗余流体48通过渗余物流径46的流动。此外，源50经由流径52耦合到生物反应器12。源50用于存储营养物流体51。输送泵54耦合到流径52，并且用于将营养物流体51从源50经由流径52输送至生物反应器12。只要有需要，就操作输送泵54以向生物反应器12补充营养物流体51。在此应当注意，所示的系统10是示例性实施例，并且不应解释为限制。系统10的配置可取决于应用来变化。供给泵24和供给控制阀26称为供给流控制装置，渗透物控制阀40和渗透物泵34称为渗透流体流控制装置，并且渗余物阀49称为系统10的渗余物流控制装置。
在另一个实施例中，代替使用供给泵24，可经由过滤器将加压气体从气源供给到生物反应器12，以用于经由供给流径14使供给流体28从生物反应器12供给到切向流过滤器16。在此类实施例中，可不需要渗透物泵34。
在所示的实施例中，系统10还包括控制系统56，该控制系统具有流传感器58和耦合到渗透物流径32的第一压力传感器60。流传感器58位于渗透物控制阀40的下游和渗透物泵34的上游。第一压力传感器60位于渗透物控制阀40的上游。流传感器58用于测量从切向流过滤器16流出到渗透物流径32的渗透流体42的流率。在一个实施例中，流传感器58可输出代表流过渗透物流径32的渗透流体42的流率的信号。在另一个实施例中，流传感器58可输出表示渗透流体42的参数(例如，体积或速度)的信号，以计算渗透流体42的流率。在另一个实施例中，流传感器58可设置在渗透物泵34的下游。设想了可用于测量渗透流体42的流率的任何类型的流传感器。第一压力传感器60用于感测流过渗透物流径32的渗透流体42的压力。
在另一个实施例中，控制系统56可具有耦合至供给流径14的流传感器(未示出)。此类流传感器可用于测量流过供给流径14的供给流体28的流率。
控制系统56还包括耦合到供给流径14的第二压力传感器62。第二压力传感器62位于供给控制阀26的下游。第二压力传感器62用于感测流过供给流径14的供给流体28的压力。控制系统56还包括耦合到渗余物流径46的第三压力传感器64。第三压力传感器64用于感测流过渗余物流径46的渗余流体48的压力。
此外，在所示的实施例中，控制系统56包括具有处理器68的控制单元66和耦合到处理器68的存储器单元70。在一些实施例中，控制单元66用于控制系统10的至少一种功能。在某些实施例中，控制单元66可包括一个以上的处理器，它们彼此协作以执行预期的功能。控制单元66还配置成将内容存储到存储单元70中以及从存储单元中检索内容。在一个实施例中，控制单元66配置成启动和控制系统10的功能。
在一个实施例中，控制单元66包括通用计算机、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器和控制器中的至少之一。在其它实施例中，控制单元66包括定制处理器元件，如但不限于专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)。在一些实施例中，控制单元66可与键盘、鼠标和任何其它输入装置中的至少一个通信地耦合，并且配置成经由控制台从操作者接收命令和/或参数。
在一个实施例中，存储器单元70是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或处理器68可访问的任何其它类型的计算机可读存储器。另外，在某些实施例中，存储单元70可为用程序编码的非暂时性计算机可读介质，该程序具有多个指令以指示处理器68执行一系列步骤以操作系统10。
在所示的实施例中，控制单元66通信地耦合到流传感器58。在一个实施例中，控制单元66配置成从流传感器58接收代表渗透流体42的流率的输出信号。在另一个实施例中，控制单元66配置成从流传感器58接收代表渗透流体42的参数(例如，体积或速度)的输出信号，以根据已知技术计算渗透流体42的流率。
控制单元66还耦合到供给泵24和渗透物泵34，并且配置成控制供给泵24和渗透物泵34的操作。控制单元66还可耦合到输送泵54并且配置成控制输送泵54。控制单元66还耦合到供给控制阀26、渗透物控制阀40和渗余物阀49，并且配置成控制供给控制阀26、渗透物控制阀40和渗余物阀49的致动。另外，控制单元66通信地耦合到第一压力传感器60、第二压力传感器62和第三压力传感器64。在一个实施例中，控制单元66通信地耦合到第一压力传感器60、第二压力传感器62和第三压力传感器64，并且配置成基于来自第一压力传感器60、第二压力传感器62和第三压力传感器64的输出来确定切向流过滤器16的跨膜压力(TMP)。在此应当注意，TMP代表使水通过过滤器所需的压力。在另一个实施例中，控制单元66配置成基于来自第二压力传感器62和第三压力传感器64的输出来确定横跨切向流过滤器16的压力差。
在系统10的操作期间，控制单元66操作供给泵24并控制供给控制阀26以将第一量的供给流体28经由供给流径14从生物反应器12沿第一方向72供给到切向流过滤器16。切向流过滤器16使第一量的供给流体28分离为渗透流体42和渗余流体48。特别地，第一量的供给流体28相对于切向流过滤器16的渗透侧在正压力下切向地横穿切向流过滤器16。控制单元66操作渗透物泵34和渗透物流控制阀40，以将第一预定量的渗透流体42经由渗透物流径32供给到渗透物收集单元30。控制单元66打开渗余物阀49以将渗余流体48通过渗余物流径46供给至生物反应器12。
在某些情况下，控制单元66停止渗透物泵34且打开渗透物控制阀40，以将渗透流体42的一部分经由转移路径36引导到流体存储单元38。控制单元66基于确定的渗透流体42的流率和流体存储单元38的体积来确定在流体存储单元38中填充渗透流体42部分的量所需的时间。如前所述，控制单元66基于流传感器58的输出确定渗透流体42的流率。
此后，控制单元66关闭渗透物控制阀40并停止供给泵24，以停止第一量的供给流体28沿第一方向72从生物反应器12经由切向流过滤器16的流动。此后，控制单元66控制供给控制阀26，打开渗透物控制阀40，且关闭渗余物阀49，以在预先限定的持续期内将渗透流体42的部分在重力下沿与第一方向72相反的第二方向74经由切向流过滤器16从流体存储单元38引导到废物存储单元76以清洁切向流过滤器16。清洁切向流过滤器16的预定持续期可取决于应用来变化。在一个实施例中，以预定的时间间隔执行切向流过滤器16的清洁。在一个实施例中，控制单元66可用于基于耦合到供给流径14的流传感器的输出来确定预定的时间间隔。这里再次地，预定的时间间隔可取决于应用来变化。
在一个实施例中，基于切向流过滤器16的TMP(其由控制单元66基于来自第一压力传感器60、第二压力传感器62和第三压力传感器64的输出来确定)来执行切向流过滤器16的清洁。控制单元66基于以下关系来计算TMP：
TMP=((p2+p3)/2)-p1
其中p1是第一压力传感器60的输出，p2是第二压力传感器62的输出，p3是第三压力传感器64的输出。如果TMP大于阈值极限，则控制单元66确定切向流过滤器16的堵塞，并且如上所述进行清洁过程。
在另一个实施例中，基于横跨切向流过滤器16的压力差(其由控制单元66基于来自第二压力传感器62和第三压力传感器64的输出来确定)来执行切向流过滤器16的清洁。如果横跨切向流过滤器16的压力差大于阈值极限，控制单元66确定切向流过滤器16的堵塞，并且如上所述进行清洁过程。
在又一个实施例中，基于切向流过滤器16的渗透物通量率执行切向流过滤器16的清洁。控制单元66配置成基于测得的渗透流体42的流率来确定切向流过滤器16的渗透物通量率。在此应注意的是，切向流过滤器16的渗透物通量率限定为切向流过滤器16的每单位面积的渗透流体42的测得流率。特别地，如果渗透物通量率下降，则执行切向流过滤器16的清洁。
在又一个实施例中，基于检测到的渗透流体42的压力来执行切向流过滤器16的清洁。特别地，如果检测到的渗透流体42的压力下降，则执行切向流过滤器16的清洁。
在清洁切向流过滤器16之后，控制单元66将系统10从清洁状态切换到正常流动状态。用于清洁切向流过滤器16的渗透流体42的体积和用于使渗透流体42反向流过切向流过滤器16的压力可基于切向流过滤器16的类型和供给流体28的密度来控制。
参看图2，示出了根据本说明书的另一个实施例的系统78的框图。系统78基本上类似于图1所示的系统10。与系统10相似，在所示的实施例中，系统78包括经由渗透物流径32耦合到第一出口20的渗透物收集单元30。系统78还包括耦合到渗透物流径32的渗透物泵34。此外，系统78包括在渗透物泵34上游的位置，从渗透物流径32延伸到流体存储单元38的转移路径36。另外，系统78包括耦合到转移路径36的第一渗透物控制阀40。特别地，第一渗透物控制阀40位于流体存储单元38的下游。系统78还包括第二渗透物控制阀80，该第二渗透物控制阀耦合到渗透物流径32，并且位于渗透物泵34的下游和流体存储单元38的上游。供给泵24和供给控制阀26称为供给流控制装置，第一渗透物控制阀40和第二渗透物控制阀80和渗透物泵34称为渗透流体流控制装置，并且渗余物阀49称为系统78的渗余物流控制装置。
渗透物泵34用于以预定的流率将第一预定量的渗透流体42经由渗透物流径32供给到渗透物收集单元30。在所示的实施例中，第一渗透物控制阀40用于控制经由转移路径36从流体存储单元38到渗透物流径32的渗透流体42的部分的流动。第二渗透物控制阀80用于控制第一预定量的渗透流体42在预定压力下经由渗透物流径32流向渗透物收集单元30的流动。此外，第二渗透物控制阀80还用于控制经由路径82到流体存储单元38的渗透流体42的部分的流动。在所示的实施例中，控制单元66还耦合到第一渗透物控制阀40和第二渗透物控制阀80，并且构造成控制第一渗透物控制阀40和第二渗透物控制阀80的致动。
在系统78的操作期间，控制单元66操作供给泵24并控制供给控制阀26以将第一量的供给流体28经由供给流径14从生物反应器12沿第一方向72供给到切向流过滤器16。切向流过滤器16使第一量的供给流体28分离为渗透流体42和渗余流体48。然后，控制单元66关闭第一渗透物控制阀40，控制第二渗透物控制阀80，并且操作渗透物泵34，以将第一预定量的渗透流体42经由渗透物流径32供给到渗透物收集单元30。控制单元66打开渗余物阀49以将渗余流体48经由渗余物流径46引导到生物反应器12。在某些情况下，控制单元66控制第二渗透物控制阀80以将渗透流体42的一部分经由路径82引导到流体存储单元38。如前文所述，控制单元66基于确定的渗透流体42的流率和流体存储单元38的体积来确定在流体存储单元38中填充渗透流体42部分的量所需的时间。控制单元66基于流传感器58的输出确定渗透流体42的流率。
此后，控制单元66停止供给泵24，以停止第一量的供给流体28沿第一方向72从生物反应器16经由切向流过滤器16的流动。此后，控制单元66停止渗透物泵34，控制供给控制阀26，关闭渗余物阀49，且打开第一渗透物控制阀40，以在预先限定的持续期内将渗透流体42的部分在重力下沿与第一方向72相反的第二方向74经由转移路径36、渗透物流径32和切向流过滤器16从流体存储单元38引导到废物存储单元76以清洁切向流过滤器16。清洁切向流过滤器16的预定持续期可取决于应用来变化。
在另一个实施例中，控制单元66控制供给控制阀26，关闭第一渗透物控制阀40和渗余物阀49，控制第二渗透物控制阀80，并且改变渗透物泵34的旋转方向，以在预先限定的持续期内将渗透流体42的部分沿与第一方向72相反的第二方向74经由路径82、渗透物流径32和切向流过滤器16从流体存储单元38引导到废物存储单元76以清洁切向流过滤器16。在清洁切向流过滤器16之后，控制单元66将系统78从清洁状态切换到正常流动状态。
参看图3，示出了根据本说明书的实施例的系统84的框图。系统84基本上类似于参看图1论述的系统10。在所示的实施例中，系统84包括经由渗透物流径32耦合至第一出口20的渗透物收集单元30。系统84包括耦合到渗透物流径32的渗透物泵34。此外，系统84包括在渗透物泵34上游的位置处从渗透物流径32延伸到流体存储单元86的转移路径36。泵存储单元86包括设置在容器90内的隔膜88。隔膜88可由包括下者中的至少一种但不限于下者的材料制成：橡胶(如氯丁橡胶、丁腈橡胶、乙丙二烯单体橡胶等)、热塑性弹性体(如Saniflex®、wilflexTM、聚氨酯、geolastTM等)和聚四氟乙烯。另外，系统78包括耦合到转移路径36的渗透物控制阀40。渗透物泵34用于以预定的流率将第一预定量的渗透流体42经由渗透物流径32供给到渗透物收集单元30。渗透物控制阀40用于控制流过转移路径36到流体存储单元86的渗透流体42的一部分的流动。
在所示的实施例中，控制单元66还耦合到用于致动布置在容器90内的隔膜88的致动器(未示出)。如前文所述，在某些情况期间，控制单元66停止渗透物泵34且打开渗透物控制阀40，以将渗透流体42的一部分经由转移路径36引导到流体存储单元86。控制单元66打开渗余物阀49以将渗余流体48经由渗余物流径46引导到生物反应器12。此后，控制单元66控制供给控制阀26，关闭渗余物阀49，打开渗透物控制阀40，并在预先限定的持续期内致动隔膜88，以将渗透流体42的部分沿与第一方向72相反的第二方向74经由渗透物流径32和切向流过滤器16从流体存储单元86引导到废物存储单元76以清洁切向流过滤器16。
参看图4，示出了根据本说明书的实施例的系统92的框图。系统92基本上类似于参看图1论述的系统10。在所示的实施例中，系统92包括经由渗透物流径32耦合至第一出口20的渗透物收集单元30。系统92包括耦合到渗透物流径32的渗透物泵34。此外，系统92包括在渗透物泵34上游的位置处从渗透物流径32延伸到流体存储单元94的转移路径36。流体存储单元94包括设置在容器98内的活塞96。另外，系统94包括耦合到转移路径36的渗透物控制阀40。渗透物泵34用于以预定的流率将第一预定量的渗透流体42经由渗透物流径32供给到渗透物收集单元30。渗透物控制阀40耦合到转移路径36，并用于控制流过转移路径36到流体存储单元94的渗透流体42的一部分的流动。
在所示的实施例中，控制单元66还耦合到用于致动布置在容器98内的活塞96的致动器(未示出)。如前文所述，在某些情况期间，控制单元66停止渗透物泵34且打开渗透物控制阀40，以将渗透流体42的一部分经由转移路径36引导到流体存储单元94。控制单元66打开渗余物阀49以将渗余流体48经由渗余物流径46引导到生物反应器12。此后，控制单元66控制供给控制阀26，关闭渗余物阀49，打开渗透物控制阀40，并在预先限定的持续期内致动活塞96，以将渗透流体42的部分沿与第一方向72相反的第二方向74经由渗透物流径32和切向流过滤器16从流体存储单元94引导到废物存储单元76以清洁切向流过滤器16。
参看图1-4，在某些实施例中，可能不需要流体存储单元38,86，94、转移路径36、第一渗透物流控制阀40和第二渗透物流控制阀80，以及路径82。在此类实施例中，控制单元66控制渗透物泵34沿相反方向旋转，以在预先限定的持续期内将渗透流体42的部分沿与第一方向72相反的第二方向74经由渗透物流径32、切向流过滤器16和供给流径14从渗透物收集单元30引导到废物存储单元76以清洁切向流过滤器16。
在某些其它实施例中，代替渗透流体42，可用来自诸如源50或外部源的源的营养物流体51填充流体存储单元38,86,94。在此类实施例中，在预先限定的持续期内沿与第一方向72相反的第二方向74经由渗透物流径32、切向流过滤器16和供给流径14将营养物流体51的一部分从流体存储单元38,86,94引导到废物存储单元76以清洁切向流过滤器16。
参看图5，示出了根据本说明书的实施例的系统100的框图。在所示的实施例中，系统100包括生物反应器102，该生物反应器经由供给流径104耦合至切向流过滤器106。切向流过滤器106具有入口108、第一出口110和第二出口112。
系统100还包括耦合到供给流径104的供给泵114、第一供给控制阀116和第二供给控制阀118。供给泵114位于第一供给控制阀116的上游，且第二供给控制阀118位于第一供给控制阀116的下游。例如，生物反应器102用于存储与细胞培养相关联的供给流体119。特别地，供给泵114用于经由供给流径104以预定的流率使供给流体119从生物反应器102供给到切向流过滤器106的入口108。第一供给控制阀114和第二供给控制阀116用于控制经由供给流径104的供给流体119的流动。
另外，系统100包括经由渗透物流径122耦合到第一出口110的渗透物收集单元120。系统100还包括耦合到渗透物流径122的渗透物泵124、第一渗透物控制阀126和第二渗透物控制阀128。渗透物泵124位于第一渗透物控制阀126的下游，并且第二渗透物控制阀128位于渗透物泵124的下游。切向流过滤器106用于通过利用横跨切向流过滤器106的压力差来将渗透流体130与供给流体119分离。渗透物泵124用于以预定的流率将渗透流体130经由渗透物流径122供给到渗透流体收集单元120。第一渗透物控制阀126和第二渗透物控制阀128用于控制流过渗透物流径122到渗透物收集单元120的渗透流体130的流动。
此外，生物反应器102经由渗余物流径132耦合到切向流过滤器106的第二出口112。系统100还包括耦合到渗余物流径132的第一渗余物控制阀134和第二渗余物控制阀136。渗余流体138经由切向流过滤器106的第二出口112并且通过渗余物流径132流向生物反应器102。渗余流体138是分离渗透流体130之后的供给流体119的剩余部分。第一渗余物控制阀134和第二渗余物控制阀136用于控制渗余流体134经由渗余物流径132流向生物反应器102的流动。
在所示的实施例中，系统100包括供给旁通路径140，其从供给泵114下游的位置处的供给流径104延伸到第一渗余物控制阀134下游和第二渗余物控制阀136上游的位置处的渗余物流径132。第三供给控制阀142和第一止回阀144耦合到供给旁通路径140。第一止回阀144设置在第三供给控制阀142的下游。系统100还包括返回路径146，该返回路径从在第一供给控制阀116和第二供给控制阀118之间的位置处的供给流径104延伸到在第二渗余物控制阀136下游的位置处的渗余物流径132。第四供给控制阀148和第二止回阀150耦合到返回路径146。第二止回阀150设置在第四供给控制阀148的下游。
系统100还包括废物路径152，该废物路径从与供给流径104和返回路径146相交的位置延伸到废物存储单元154。废物控制阀156耦合到废物路径152。供给泵114、第一供给控制阀116、第二供给控制阀118、第三供给控制阀142和第四供给控制阀148、第一止回阀144和第二止回阀150，以及废物控制阀156称为供给流控制装置，渗透物泵124以及第一渗透物控制阀126和第二渗透物控制阀128称为渗透物流控制装置，并且第一渗余物控制阀134和第二渗余物控制阀136称为渗余物流控制装置。在一个实施例中，第一供给控制阀116、第二供给控制阀118、第三供给控制阀142和第四供给控制阀148、第一渗透物控制阀126和第二渗透物控制阀128、第一渗余物控制阀和第二渗余物控制阀134，以及废物控制阀156是夹管阀。系统100的配置可取决于应用来变化。
在另一个实施例中，代替使用供给泵114，可经由过滤器将加压气体从气源供给到生物反应器102，以用于经由供给流径104使供给流体119从生物反应器102供给到切向流过滤器106。在此类实施例中，可不需要渗透物泵124。
在所示的实施例中，系统100还包括控制系统158，该控制系统具有流传感器160和耦合到渗透物流径122的第一压力传感器162。流传感器160位于第一渗透物控制阀126的下游和渗透物泵124的上游。第一压力传感器162位于第一渗透物控制阀126的上游。在另一个实施例中，流传感器160设置在渗透物泵124的下游。流传感器160用于测量流过切向流过滤器106到渗透物流径122的渗透流体130的流率。第一压力传感器162用于感测流过渗透物流径122的渗透流体130的压力。
在另一个实施例中，控制系统158可具有耦合至供给流径104的流传感器(未示出)。此类流传感器可用于测量流过供给流径104的供给流体119的流率。
控制系统158还包括耦合到供给流径104的第二压力传感器164。第二压力传感器164位于第一供给控制阀116的下游。第二压力传感器164用于感测流过供给流径104的供给流体119的压力。控制系统158还包括耦合到渗余物流径132的第三压力传感器166。第三压力传感器166用于感测流过渗余物流径132的渗余流体138的压力。
此外，在所示的实施例中，控制系统158包括具有处理器170的控制单元168和耦合到处理器170的存储器单元172。在一些实施例中，控制单元168用于控制系统100的至少一种功能。控制系统158类似于图1所示的控制系统56。
在所示的实施例中，控制单元168通信地耦合到流传感器160。在一个实施例中，控制单元168配置成从流传感器160接收代表渗透流体130的流率的输出信号。在另一个实施例中，控制单元168配置成从流传感器160接收代表渗透流体130的参数(例如，体积或速度)的输出信号，以根据已知技术计算渗透流体130的流率。
控制单元168还耦合到供给泵114和渗透物泵124，并且配置成控制供给泵114和渗透物泵124的操作。控制单元168还耦合并构造成控制第一供给控制阀116、第二供给控制阀118、第三供给控制阀142和第四供给控制阀148、第一渗透物控制阀126和第二渗透物控制阀128、第一渗余物控制阀134和第二渗余物控制阀136、第一止回阀144和第二止回阀150以及废物控制阀156。另外，控制单元168通信地耦合到第一压力传感器162、第二压力传感器164和第三压力传感器166。在一个实施例中，控制单元168通信地耦合到第一压力传感器162、第二压力传感器164和第三压力传感器166且配置成基于来自第一压力传感器162、第二压力传感器164和第三压力传感器166的输出来确定切向流过滤器106的跨膜压力(TMP)。在另一个实施例中，控制单元168配置成基于来自第二压力传感器164和第三压力传感器166的输出来确定横跨切向流过滤器106的压力差。
在系统100的操作期间，控制单元168操作供给泵114并控制第一供给控制阀116和第二供给控制阀118以将第一量的供给流体119经由供给流径104从生物反应器102沿第一方向174供给到切向流过滤器106。切向流过滤器106使第一量的供给流体119分离为渗透流体130和渗余流体134。控制单元168操作渗透物泵124以将渗透流体130经由渗透物流径122供给到渗透物收集单元120。控制单元168打开渗余流体134以将渗余流体134经由渗余物流径132供给到生物反应器102。
在某些情况期间，控制单元168关闭第一渗透物控制阀126和第二渗透物控制阀128，并停止渗透物泵124，以停止渗透流体130流向渗透物收集单元120的流动。控制单元168还关闭第一供给控制阀116和第二供给控制阀118、第二渗余物控制阀136和废物控制阀156，以在预先限定的持续期内沿与第一方向174相反的第二方向176经由供给旁通路径140、渗余物流径132和切向流过滤器106将第二量的供给流体119从供给流径104引导以清洁切向流过滤器106。清洁切向流过滤器106的预定持续期可取决于应用来变化。在一个实施例中，以预定的时间间隔执行切向流过滤器106的清洁。
在一个实施例中，基于切向流过滤器106的TMP(其由控制单元168基于来自第一压力传感器162、第二压力传感器164和第三压力传感器166的输出来确定)来执行切向流过滤器106的清洁。如果TMP大于阈值极限，则控制单元168确定切向流过滤器106的堵塞，并且如上所述进行清洁过程。在另一个实施例中，基于横跨切向流过滤器106的压力差(其由控制单元168基于来自第二压力传感器164和第三压力传感器166的输出来确定)来执行切向流过滤器106的清洁。如果横跨切向流过滤器106的压力差大于阈值极限，控制单元168确定切向流过滤器106的堵塞，并且如上所述进行清洁过程。
在又一个实施例中，基于切向流过滤器106的渗透物通量率执行切向流过滤器106的清洁。控制单元168配置成基于测得的渗透流体130的流率来确定切向流过滤器106的渗透物通量率。特别地，如果渗透物通量率下降，则执行切向流过滤器106的清洁。
在又一个实施例中，基于检测到的渗透流体130的压力来执行切向流过滤器106的清洁。特别地，如果检测到的渗透流体130的压力下降，则执行切向流过滤器106的清洁。
此后，第二量的供给流体119经由供给流径104、返回路径146和渗余物流径132供给至生物反应器106。在另一个实施例中，关闭第四供给控制阀148并且打开废物控制阀156，以将第二量的供给流体119经由供给流径104和废物路径152从切向流过滤器106引导到废物存储单元154。
在清洁切向流过滤器106之后，控制单元168将系统100从清洁状态切换到正常流动状态。用于清洁切向流过滤器106的渗透流体42的体积和用于使渗透流体130反向流过切向流过滤器106的压力可基于切向流过滤器16的类型和供给流体119的密度来控制。
根据本说明书的实施例，通过切向流过滤器的供给流体或渗透流体或营养流体的反向产生湍流，从而减少了切向流过滤器的堵塞。示例性技术能够延长一次性切向流过滤器的寿命，并且还延长过程可不中断地运行的持续期。因为切向流过滤器可在过程期间以无菌方式进行清洁，所以可获得更高的细胞密度。在一些实施例中，设想了图1-5的所有排列和组合。
尽管本文中示出和描述了本说明书的仅某些特征，但本领域的技术人员将想到许多改型和变化。因此，应该理解，所附权利要求书旨在覆盖落入本说明书的真实精神内的所有此类改型和变化。