JP4972811B2

JP4972811B2 - 濾過カートリッジ

Info

Publication number: JP4972811B2
Application number: JP2008102120A
Authority: JP
Inventors: ジエームズ・ジエイ・ビグナ; ポール・ローウエル; ジヨージフ・エム・アルマジアン
Original assignee: イーエムディーミリポアコーポレイション
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-04-10
Also published as: US20080257814A1; JP2008264779A; CN101293154A; EP1987869B1; ATE529169T1; SG147373A1; EP1987869A1; ES2375069T3; CN101293154B

Description

本出願は、その全体の内容が参照として本明細書に組み込まれている、２００７年４月２３日に出願した米国仮出願第６０／９２５，７７４号の利益を主張するものである。

本発明は濾過カートリッジに関し、より詳細には、別の外側ハウジングのない濾過カートリッジに関する。

様々の高分子材料の膜フィルタが知られており、それらは体積で約５０から８０％の間の間隙率を有する一般に薄い多孔性構造である。それらは比較的脆弱であり、様々な種類の機械的支持および補強と共に一般に使用される。単位面積当たりにそのような膜を通る液体の流量は細孔のサイズの関数である。細かい、例えば、約１ミクロンより小さい細孔をもったフィルタを通る高い流量を得るために、比較的大きいフィルタ面積が必要である。したがって、そのような面積は、大きい個別のフィルタを使用しまたは多数のより小さい個別のフィルタを並列して使用することによって提供されてきた。殺菌などの重要な薬剤の適用例における使用のために、そのような膜およびそれらの支持装置は、漏れまたは小さい粒子もしくは有機体が通過できる欠陥があってはならない。

したがって、多くの小さいフィルタは、支持板および関連する装置で、平行流れ用に手で組み立てられ、それから試験され、必要ならば、しばしば使用者の場所で、相当の費用と不都合において、殺菌された。手による組立てが必要な試験を通らない場合には、動作を繰り返さなければならない。より大きな、より複雑な濾過システムの機械部品は、一般に清掃され再使用され、フィルタだけが交換される。これまでは、使い捨てプラスチックで提供された１つのアセンブリも、相対的移動部品で機械的に固定された。

大きい面積の個別の膜フィルタは、平らにもしくは円筒形に支持され、またはコンパクトなハウジングに配置するために襞をつけられていた。平らな膜用のホルダは、与えられたフィルタ面積に対して、大きく、通常使い捨てではなく、分解、清掃、再組立ておよびフィルタの各交換と共に試験も必要とする。脆弱な膜に襞をつけることは、折り目にストレスの集中をもたらし、使用において、脆弱な膜の屈曲を可能にし、通常、上流側および下流側の一方または両方に流れスクリーンの差し込みが必要となり、端部および重ね合わせたシームを密封するための注型封入および／または接着剤を必要とする。折り目、シームまたは端部での起こり得る破損の心配のために、別の平らな最終フィルタが、重要な適用例、例えば薬剤および静脈の流体の殺菌において、追加の保証のために襞つきカートリッジと共に、ときどきは、直列で使用される。さらに、襞つきカートリッジの構造において多くの様々な材料の使用は、濾液への抽出可能物の源を増加させる。

米国特許第４５０１６６３号明細書は、複数の積重ね濾過モジュールから形成され、かつ分離した外側ハウジングを有する濾過カートリッジを開示する。このカートリッジは、それがサンプル損失をもたらす大きなホールドアップ体積を有するので望ましくない。
米国特許第４５０１６６３号明細書

したがって、大きな濾過面積と、小さいホールドアップ体積とを有する濾過カートリッジを提供することは望ましいであろう。そのようなカートリッジは、最小のサンプル損失を有する大容量の濾過を提供するであろう。

本発明は、少なくとも１つの膜を通り、濾過カートリッジからの出口を通る、入口から濾過カートリッジまで流体の流れを保証するために積み重ねられ互いに結合された、１つまたは複数の濾過ユニットから形成された濾過カートリッジを提供する。濾過モードは、行き止まりの、通常の流れの濾過（ＮＦＦ）である。各濾過ユニットは１つの膜支持板、または内部および外部周辺のところで共に密封された２つの膜支持板を含む。各膜支持板は第１面および第２面を有する。単一膜または１つまたは複数の膜層を有する複合膜などの濾過膜は、各膜支持板の第１および第２面のそれぞれに結合される。濾過カートリッジは、一方は入口を有し、他方は出口を有するエンドキャップを備えている。各エンドキャップは、流体がエンドキャップの内部に入ることを防止する分離板に密封される。流体偏向板は上部分離板に密封され、インカミング流体を濾過ユニットの外部径方向部分に導くように機能する。

図１を参照して、例えば、０．５平方メートルの濾過面積を有する自蔵式の濾過カートリッジ２０が示される。カートリッジ２０は、上部エンドキャップ２２と、下部エンドキャップ２４と、偏向板３０と、分離板８０および８０ａと、偏向板３０と分離板８０ａの間の複数の濾過ユニット２６とを含む。下部エンドキャップ２４は、上部エンドキャップ２２（図５ａおよび５ｂ）と同じ構成を有する。分離板８０ａは、分離板８０（図６ａおよび６ｂ）と同じ構成を有する。濾過ユニット２６は、２つの膜支持板５８（図３ａ、３ｂ）を結合することによって作成される。好ましくは、エンドキャップ２２および２４および濾過ユニット２６は、同じプラスチック材料製であり、内部または外部周辺のところで熱または溶剤などで、選択的に共に溶着される。エンドキャップ２２および２４は、フィッティング２８、３６に取り付けられた管などの出口導管へと連結するように構成された、それぞれ、フィッティング２８、３６を備えている。フィッティング２８は、クランピング（図示せず）などによってそれに取り付けられた導管の出口から、濾過ユニット２６のスタックへの入口を含む。フィッティング３６は、クランピング（図示せず）などによってそれに取り付けられた導管の入口まで、濾過ユニット２６のスタックからの出口を含む。

任意の適切なタイプのベント３２が分離板８０に取り付けられ、エンドキャップ２２を通って延び、したがって、スタートアップ時に、濾過カートリッジからの空気の通気を可能にする。これは、例えば、空気を排出するために開けられ、その後閉じられる、手動で開く弁を含むことができる。エンドキャップ２４は、ベント３２および出口３６と、構造および機能が同じベント３４を備えている。ベント３４は分離板８０ａに取り付けられ、エンドキャップ２４を通って延びる。

使用では、濾過されるべき液体は、入口フィッティング２８に入り、濾過ユニット２６のスタック中に流入し、この後で説明されるように濾過ユニット２６のスタックの内部の濾過膜を通過し、それから、濾液は出口フィッティング３６から流出する。

図２ａおよび２ｂを参照して、上面３８と底面４０を有する流体偏向板３０が示される。面３０の上面３８は、熱溶着などによって、流体入口８２（図６ａまたは６ｂ）を有する分離ディスク８０上の内面８５に結合される。プロング４８は内部周辺面８１（図６ａ）に結合される。外部周辺面４４は外部周辺面７９（図６ａ）に結合される。板３０の上面３８は、流体入口２８（図１）と一致する中央位置に、その間に流体の流れをもたらすスペース５０を提供する複数のプロング４８を有する。底面４０は、熱結合などによって、膜支持板５８（図３ｂ）の平らな内部周辺面５６に結合された平らな内部周辺面５３を含む。外部周辺面５４は外部周辺面５７（図３ｂ）に結合される。流体偏向板３０は、下で説明するように、スペース５０から濾過膜の面までの流体の流れを可能にする周辺流体パスウェイ（穴）６を含む。

図３ａ、３ｂおよび３ｃを参照して、膜支持板５８は上面６４（図３ｂ）と底面６２（図３ａ）とを有する。膜支持板５８は、下に説明するように濾過膜を通る流体の流れをもたらす周辺流体パスウェイ（穴）６６を備えている。穴６６および穴６（図２ａおよび図２ｂ）は、流体の流れがもたらされる限り、整列しても整列しなくてもよい。底面６２は、流体がスペース７０を通ることを可能にするスペース７０をその間に有するプロング６８を備えている。底面６２は、下で説明する多数の濾過ユニット２６内の底面６２と同じ設計を有する第２膜支持板に結合される。上面６４は、熱結合などによって、上面６４と同じ設計を有する第２膜支持板に結合される。２つの膜支持板から濾過ユニットを形成するために、プロング６８が、第２膜支持板上の同じ構成のプロングに結合される。底面６２は、上面６４上の複数の流体の流れ経路７４と交互に並ぶ複数の流体の流れ経路７２を有する。面６２および６４上の流れ経路７２および７４は、濾過膜で覆われる。各濾過膜は、複合膜などの１つまたは複数の膜層を含むことができる。インカミング流体６０は、偏向板３０（図２ｂ）の上面３８に接触し、径方向外向きに、穴６（図２ｂ）に向けられる。プロング６８は、下で説明するように、それを通る濾液の通過のための流体出口７６を囲む。

図４を参照して、濾過カートリッジ２０は、上部エンドキャップ２２と、分離板８０と、偏向板３０と、濾過ユニット２６と、分離板１０２と、底部エンドキャップ２４とを含む。

使用では、図４を参照して、濾過されるべきインカミングフィード流体は、入口フィッティング２８に入り、それから流体偏向板３０に接触する。流体はプロング４８の間のパッセッジウェイ５０を通って通過し、径方向外向きに穴６（図２ｂ）および穴６６（図３ａ）を通って流れる。フィード流体は、膜９６、９７、９９および１００の上を流れ、それらを通って、プロング６８（図３ａ）の間のスペース７０を通って、出口フィッティング３６から出て濾液として集められる。

図５ａおよび５ｂを参照して、エンドキャップ２２（ならびにエンドキャップ２４）は入口４０と、それを通ってフィッティング８４（図６ｂ）が延びる穴４６とを備える。内部周辺面５２および外部周辺面８６は、それぞれ、分離ディスク８０（図６ｂ）の面８９および８８に結合される。

図６ａおよび６ｂを参照して、分離ディスク８０は上面８３（図６ｂ）と下面８５（図６ａ）とを有する。ディスク８０は、下で説明するように流体入口または流体出口として機能することができる流体の流れ経路８２を備えている。ディスク８０はフィッティング８４を備えている。フィッティング８４は、ベント３２または３４（図１）が、スタートアップの間、カートリッジ２０内部からの気体または液体の通過を可能にするハウジングを含む。上面８３は、外部周辺の平らな面８８のところでエンドキャップ２２の底面８７への熱結合などによって、外部周辺面８６（図５ｂ）に結合され、内部周辺面８９は、エンドキャップ２２（図５ｂ）の内部周辺面５２に結合される。

図７を参照して、フィルタカートリッジ１０４は、上部分離板８０に結合された上面エンドキャップ２２を含む。上部分離板８０は、それぞれ、外部および内部隣接面のところで流体偏向板３０に結合される。偏向板３０は、それぞれ、外部および内部隣接周辺面のところで膜支持板５８に結合される。板５８は、それに結合された濾過膜９６および９７を有する。膜支持板５８は、それぞれ、外部および内部隣接周辺面のところで底部分離板１０８に結合される。底部分離板１０８は、底部エンドキャップ２４に結合される。分離板８０は、ホールドアップ流体が上部エンドキャップ２２に入るのを防止する。分離板１０８は、ホールドアップ液体が底部エンドキャップ２４に入るのを防止する。

使用では、図７を参照して、濾過されるべきインカミングフィード流体は、入口フィッティング２８に入り、それから流体偏向板３０に接触する。流体はプロング４８の間のパッセッジウェイ５０を通って通過し、径方向外向きに穴６（図２ｂ）を通って流れる。フィード流体は、膜９６および９７の上を通りそれからそれらを通り、プロング６８（図３ａ）の間のスペース７０を通り、出口フィッティング３６から出て濾液として集められる。

図８を参照して、フィルタカートリッジ１３０は、上部分離板８０に結合された上面エンドキャップ２２を含む。上部分離板８０は、それぞれ、外部および内部隣接面のところで流体偏向板１１０に結合される。偏向板１１０は、それぞれ、外部および内部隣接周辺面のところで膜支持板５８に結合される。板５８は、それに結合された濾過膜９６および９７を有する。膜支持板５８は、それぞれ、外部および内部隣接周辺面のところで底部分離板１０２に結合される。底部分離板１０２は、上部分離板８０と同じ構成を有する。底部分離板１０２は、底部エンドキャップ２４に結合される。分離板８０は、ホールドアップ流体が上部エンドキャップ２２に入るのを防止する。分離板１０２は、ホールドアップ液体が底部エンドキャップ２４に入るのを防止する。図８を参照して、濾過されるべきインカミングフィード流体は、入口フィッティング２８に入り、それから流体偏向板１１０に接触する。流体はプロング４８の間のパッセッジウェイ５０を通って通過し、径方向外向きに穴１１１を通って流れる。フィード流体は、膜９６および９７の上を流れ、それらを通って、プロング６８（図３ａ）の間のスペース７０を通って、出口フィッティングから出て濾液として集められる。

上で述べたように要素のスタックを、外部周辺面および内部周辺面に密封することによって、漏れを防止するための外部ハウジングの必要がなくなる。

図９ａおよび９ｂを参照して、分離ディスク１０８は上面１０９と底面１１３とを有する。ディスク１０８は、上で説明したように流体入口または流体出口として機能することができる流体の流れ経路８２を備えている。ディスク１０８はフィッティング８４を備えている。フィッティング８４は、ベント３２が、スタートアップの間、カートリッジ１０４内部からの気体または液体の通過を可能にするハウジングを含む。上面１０９は、外部周辺の平らな面８８のところでエンドキャップ２４の底面への熱結合などによって、外部周辺面８６（図５ｂ）に結合され、内部周辺の平らな面８９は、エンドキャップ２４（図５ｂ）の内部周辺面５２に結合される。キャップ２４はキャップ２２と同じ構成を有する。ディスク１０８は、その間にスペース１１９を有するプロング１１５を備えている。プロング１１５は、出口３６と連通する流体パッセージウェイを提供するためにディスク５８（図３ａ）のプロング６８に結合される。

図１０ａおよび１０ｂを参照して、流体偏向板１１０（図８参照）は、底面１１６上で、その間にスペース１１４を有する１組の底部プロング１１２を含む。内部周辺面１１８は膜支持板５８（図３ａ）の内部周辺面７１に密封される。上面１２０は、その間にスペースを有し、かつ上（図２ｂ）で説明されたのと同じように機能する上部プロング４８を有する。板１１０は穴１１１を有する。

上の発明を、膜の細孔のサイズより大きいサイズの粒子が膜を通って流出することを防止するサイズ排除濾過のために使用することができる。

あるいは、濾過膜の他のタイプを使用することができる。１つのそのようなタイプの膜は、イオン交換化学（陰イオンもしくは陽イオン化学）、または疎水的相互作用化学、またはホストセルプロテイン（ＨＰＣ）、核酸、エンドトキシン、ウィルスなどの一般に汚染物である、選択された成分を結合し、かつそれらを流体ストリームから取り除くプロテインＡまたはＧ配位子などの親水的化学などの化学を含む吸着膜である。あるいは、化学は、望ましい分子（ペプチドまたはプロテイン、抗体など）を結合でき、流体の残りおよびその構成成分が流れることを可能にすることができる。それから、１つまたは複数の膜は、任意の残余の結合されない材料を取り除くために洗われ、それから望ましい分子は液体内の変化（ｐＨ、イオン強度など）によって膜から溶出される。

本発明の濾過カートリッジの斜視図である。本発明の濾過カートリッジで使用される流体偏向板の底面の斜視図である。図２ａの流体偏向板の上面の斜視図である。本発明の濾過カートリッジで使用される膜支持板の第２面の底面図である。図３ａの膜支持板の第１面の上面図である。図３ａおよび図３ｂの膜支持板の出口における断面図である。２つの濾過ユニットを有する本発明の濾過カートリッジの断面図である。本発明の濾過カートリッジのエンドキャップの外面の斜視図である。図５ａのエンドキャップの内面の斜視図である。本発明の濾過カートリッジのベントを有する分離板の底面の斜視図である。図６ａの分離板の上面の斜視図である。１つの膜支持板を利用する本発明の別の濾過カートリッジの分解断面図である。１つの膜支持板を利用する本発明の別の濾過カートリッジの分解断面図である。図７のカートリッジに利用される底部分離板の底面の斜視図である。図９ａの分離板の上面の斜視図である。図８のカートリッジに使用される流体偏向板の底面の斜視図である。図１０ａの流体偏向板の上面の斜視図である。

符号の説明

６、６６周辺流体パスウェイ（穴）
２０濾過カートリッジ
２２上部エンドキャップ
２４下部エンドキャップ
２６濾過ユニット
２８、３６、８４フィッティング
３０、１１０偏向板
３２、３４ベント
３６出口、出口フィッティング
４０入口、底面
３８、６４、８３、１０９、１２０上面
４４、５４、５７、７９、８６、８８外部周辺面
４６、１１１穴
４８、６８、１１２、１１５プロング
５０、７０、１１４、１１９スペース
５２、５３、５６、７１、８１、８９、１１８内部周辺面
５８膜支持板
６０インカミング流体
６２、８５、８７、１１３、１１６底面
７２、７４流体の流れ経路
７６流体出口
８０、８０ａ、１０２、１０８分離板
８２流体入口、流体の流れ経路
８５内面
８８、８９面
９６、９７、９９、１００膜
１０４、１３０フィルタカートリッジ
１１１貫通穴

Claims

流体入口と流体出口とを有する濾過カートリッジであって、
少なくとも１つの濾過ユニットを含み、各濾過ユニットが少なくとも１つの膜支持板を含み、膜支持板のそれぞれが、膜支持板の底面と膜支持板の上面とに結合された濾過膜を有し、膜支持板が、流体フィードが膜の少なくとも１つを通過した場合を除いて、流体出口に入ることを防止する密封部を形成するように、内部周辺面および外部周辺面で互いに結合され、前記濾過カートリッジがさらに、
流体入口を有する上部エンドキャップと、
流体出口を有する底部エンドキャップと、
上部エンドキャップに結合され、かつ上部エンドキャップの流体入口と一致する中央開口を有する第１分離板と、
底部エンドキャップと濾過ユニットの１つとに結合された第２分離板と、
濾過ユニットの１つの内部周辺面および外部周辺面に結合され、かつ第１分離板の内部周辺面および外部周辺面に結合された偏向板とを含み、前記偏向板が、外部周辺面の内側に１つ以上の周辺穴を有し、前記少なくとも１つの膜支持板が、外部周辺面の内側に１つ以上の周辺穴を有し、前記濾過カートリッジがさらに、
流体の流れ経路を含み、該流体の流れ経路が、流体入口から、濾過膜を通過し、流体入口からの流体フィードが濾過膜を迂回することを防止する流体出口を通過し、かつ前記膜支持板の外周縁、前記第１および第２分離板の外周縁、ならびに前記偏向板の外周縁の全ての内側にあり、前記膜支持板の外周縁、前記第１および第２分離板の外周縁、ならびに前記偏向板の外周縁が、液体密封部および濾過カートリッジの外面を形成する、濾過カートリッジ。
前記第１および第２分離板それぞれが、底面にベントを形成する開口および上面から延びるベントフィッティングを有し、前記上部エンドキャップおよび底部エンドキャップそれぞれが、前記第１および第２分離板のベントフィッティングが通って延びる開口を含む、請求項１に記載の濾過カートリッジ。
流体入口と流体出口とを有する濾過カートリッジであって、
膜支持板を備える濾過ユニットを含み、前記膜支持板は、膜支持板の底面に結合された第１濾過膜と、膜支持板の上面に結合された第２濾過膜とを有し、前記濾過カートリッジがさらに、
流体入口を有する上部エンドキャップと、
流体出口を有する底部エンドキャップと、
第１分離板とを含み、該第１分離板は、内部および外部周辺で前記上部エンドキャップの底面に前記第１分離板の上面によって結合され、かつ上部エンドキャップの流体入口と一致する中央開口を有し、前記濾過カートリッジがさらに、
偏向板を含み、該偏向板は、内部および外部周辺で前記第１分離板の底面に結合される上面を有し、かつ外部周辺面の内側に周辺穴を有し、
前記膜支持板は、前記膜支持板の内部周辺面および外部周辺面で前記偏向板に結合され、少なくとも１つの前記膜支持板は、外部周辺面の内側に周辺穴を有し、
前記偏向板の周辺穴と前記膜支持板の周辺穴とが、互いに対して整列される位置および互いに対して整列されない位置からなる群から選択された位置にあり、前記濾過カートリッジがさらに、
内部および外部周辺で前記底部エンドキャップに結合された第２分離板を含み、
前記膜支持板の外部周辺結合部、前記第１および第２分離板の外部周辺結合部、ならびに前記偏向板の外部周辺結合部が、液密密封部を形成し、かつ全ての流体が、前記上部エンドキャップの流体入口を通過して、前記膜支持板の外部周辺結合部、前記第１および第２分離板の外部周辺結合部、ならびに前記偏向板の外部周辺結合部の内側を流れ、前記膜支持板の外部周辺結合部、前記第１および第２分離板の外部周辺結合部、ならびに前記偏向板の外部周辺結合部が、前記濾過カートリッジの外壁を形成する、濾過カートリッジ。
前記第１および第２分離板それぞれが、底面にベントを形成する開口および上面から延びるベントフィッティングを有し、前記上部エンドキャップおよび底部エンドキャップそれぞれが、前記第１および第２分離板のベントフィッティングが通って延びる開口を含む、請求項３に記載の濾過カートリッジ。
前記偏向板の周辺穴と前記膜支持板の周辺穴とが、互いに対して整列される、請求項３に記載の濾過カートリッジ。
前記偏向板の周辺穴と前記膜支持板の周辺穴とが、互いに対して整列されない、請求項３に記載の濾過カートリッジ。
前記偏向板の周辺穴と前記膜支持板の周辺穴とが、互いに対して整列される、請求項１に記載の濾過カートリッジ。
前記偏向板の周辺穴と前記膜支持板の周辺穴とが、互いに対して整列されない、請求項１に記載の濾過カートリッジ。
流体入口と流体出口とを有する濾過カートリッジであって、
少なくとも１つの濾過ユニットを含み、各濾過ユニットが、少なくとも１つの膜支持板を含み、各膜支持板が、膜支持板の底面と膜支持板の上面とに結合された濾過膜を有し、前記少なくとも１つの膜支持板が、流体フィードが濾過膜の少なくとも１つを通過した場合を除いて、流体出口に入ることを防止する密封部を形成するように、内部周辺面および外部周辺面で隣接する膜支持板、第１分離板、第２分離板、または偏向板に結合され、前記濾過カートリッジがさらに、
流体入口を有する上部エンドキャップと、
流体出口を有する底部エンドキャップと、
上部エンドキャップに結合され、かつ上部エンドキャップの流体入口と一致する中央開口を有する第１分離板と、
底部エンドキャップと濾過ユニットの１つとに結合された第２分離板とを含み、
前記第１および第２分離板それぞれが、底面にベントを形成する開口および上面から延びるベントフィッティングを有し、前記上部エンドキャップおよび底部エンドキャップそれぞれが、前記第１または第２分離板のベントフィッティングが通って延びる開口を含み、前記濾過カートリッジがさらに、
前記少なくとも１つの膜支持板の１つの内部周辺面および外部周辺面に結合され、かつ第１分離板の内部周辺面および外部周辺面に結合された偏向板を含み、前記偏向板が、外部周辺面の内側に１つ以上の周辺穴を有し、前記偏向板の上面が、流体の流れ経路の内部で間にスペースを有する一連のプロングを有し、前記プロングが、前記中央開口に隣接する前記第１分離板の内部周辺面に結合され、
前記少なくとも１つの膜支持板が、外部周辺面の内側に１つ以上の周辺穴を有し、前記濾過カートリッジがさらに、
流体の流れ経路を含み、該流体の流れ経路が、流体入口から、濾過膜を通過し、流体入口からの流体フィードが濾過膜を迂回することを防止する流体出口を通過し、かつ前記膜支持板の外周縁、前記第１および第２分離板の外周縁、ならびに偏向板の外周縁の全てから内側にあり、前記膜支持板の外周縁、前記第１および第２分離板の外周縁、ならびに偏向板の外周縁が、前記濾過カートリッジの外面に対する液体密封部を形成する、濾過カートリッジ。