專利名稱：改善過濾器比例縮放的方法
技術領域：
本發明涉及改善過濾器比例縮放(scaling)的方法。
背景技術：
過濾設備的生產商通常提供小規模尺寸調整工具(small scale sizing tool)用 于對過程物流進行初始評價以及用于估計全規模過程(full scale process)對膜面積的 需求。理想地，小規模設備應該包含最小的膜面積或過濾介質以節省測試流體并同時也和 它們的相應大規模設備成線性比例縮放。但是，小規模設備性能上的可變性給按比例放大 要求增加了不確定性，從而導致發生潛在的過量的尺寸調整以避免出現所測試的小規模設 備代表性能分布的低端的可能性。例如，對于微過濾膜過濾器而言，有許多因素影響膜性能，包括孔尺寸分布、膜化 學、膜厚度、膜孔隙率和其他因素。盡管膜生產方法經設計以對所有這些因素進行控制從而 最大化均勻性和一致性，但是不可避免地對于所有這些變量而言在正常生產條件內存在某 種分布。這種膜的變化性限制了設備_設備之間的性能一致性，所以限制了能夠從小規模 性能對大規模性能進行預測的精度。大規模樣品或者小規模過濾設備的性能通常用于估計大規模設備的尺寸調整要 求。小規模設備用于尺寸調整的使用提供了顯而易見的經濟優勢。例如，在生物流體的無 菌過濾中，47mm或25mm膜盤提供了方便的形式來評價所述盤對于大規模膜設備(比如，含 有數十倍直至數千倍面積的盒子)的性能。為了精確的按比例放大(scale-up)，小規模設 備中的膜必需能代表大規模設備中的膜。但是，如同在任何生產方法中的那樣，一批膜和另 一批膜在可接受的性能方面存在有限的公差。比例縮放設備中的膜可以源自所述可接受的 性能范圍內的任何地方。相應地，當估計全規模設備的所需尺寸調整時，膜性能方面的變化 性必需得以考慮，從而導致在對比例縮放進行估計時必需使用足夠的安全系數。這能夠通過考慮圖1中所示的膜性能的假想分布來舉例說明。在此示例中，所有 膜批次的平均性能(滲透率或處理能力)被歸一化為1，性能的可接受范圍定義為平均值 的士30%。一種常用的方法是使用小規模設備(small scale device)，所述小規模設備包 含從該群體中隨機選擇的膜，其可以在0. 7-1. 3之間的任何地方行使功能。相似地，大規模 設備(large scale device)能夠在同樣0. 7_1. 3范圍的任何地方行使功能。當從小規模 設備按比例放大至大規模設備時，必須考慮小規模設備包含高端(1.3)膜而大規模設備可 能包含低端(0. 7)膜的可能性。也就是說，必須應用1. 3/0. 7 = 1.86的比例縮放安全系數 (scaling safety factor)，以確保大規模設備需求不會出現尺寸不足的情況(參加圖2)。 在這種情況下，全系統的最壞情況性能將得到精確估計。但是，也可能是小規模設備可能 含有處于所述分布低端(0. 7)的膜而所述大規模設備含有高端(1.3)膜。應用同一安全系數會導致全系統性能是(1. 3/0. 7)/(0. 7/1. 3)或3. 45。結果會得到尺寸過大系數為3. 45 的過濾系統。這個值定義為根據下式(1)的比例縮放系數不確定性比率(scaling factor uncertainty ratio, Usf)Usf= (F1ZS1)/(F1ZiSh) = (F1ZF1) * (S1ZS1) (1)其中，Fh是全規模高端潛在性能，F1是全規模低端潛在性能，Sh是比例縮放設備高 端潛在性能，S1是比例縮放設備低端潛在性能。所以，會希望減少比例縮放設備性能的范圍以降低大規模設備要求并節約成本。
發明內容
現有技術的問題通過本發明得以克服，本發明提供了減少比例縮放設備性能不 確定性的范圍的方法。在一些實施方案中，通過指定用于安裝到比例縮放設備中的所有 合格生產的膜或過濾介質的集合的窄范圍或者子集，比例縮放設備性能不確定性得以減 少，由此減少了比例縮放安全系數。在一些實施方案中，通過確定特定膜在性能分布內的 位置并相應調整比例縮放系數(scaling factor)，減少了可比例縮放系數(scalability factor)。比例縮放不確定性的減少使得成本明顯節省，比如通過減少按比例放大尺寸調整 要求來實現。
圖1是顯示可接受范圍的膜性能的假想分布圖；圖2是膜性能的假想分布圖，顯示大規模設備和小規模設備的可能的值；圖3是膜性能的假想分布圖，顯示大規模設備和小規模設備的可能的值；圖4是小規模設備變化性和比例縮放系數不確定性比率的關系圖；和圖5是根據實施例1的帶褶皺盒子的集合的水滲透率分布圖。
具體實施例方式即使材料和工藝條件盡可能保持常數，但是膜制備工藝固有地導致膜性能存在一 些變化性。為此，已經建立了規程來基于性能對每批次或每卷膜在制備后進行分類或“分 級”。例如，通常進行水滲透率和處理能力測試，比如通過如下進行所述測試使用來自給定 批次的膜構建膜設備，測量水滲透率，并用含有所選尺寸和濃度的顆粒的溶液來填塞膜孔 來對所述設備進行嘗試。測量在指定時間期間比如10分鐘內的處理能力(過濾的體積) 或者某流量減少量比如70%流量減少，得到相對能力值。來自所述給定批次的膜隨后基于 所得到的結果進行性能分級。過濾介質的性能也可以類似的表征。過濾介質是主動從溶 液中分離固體和/或結合溶液中的選定物質的材料。過濾介質的類型包括非織造織物， 活性炭、活性粘土、纖維素、陶瓷、棉、硅藻土、玻璃纖維、離子交換樹脂、金屬、礦物、紙張、尼 龍、砂子、合成纖維、Teflon、聚醚砜、聚酯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙 烯和聚砜。在實施本文公開的方法的一些實施方案中，制備的每一批膜或過濾介質用性能來 表征，建立性能分布。從該分布中，選擇小的子集用于安裝到比例縮放設備中。通過為比例 縮放設備僅僅指定窄范圍的所述分布，從小規模設備到大規模設備(其通過定義能夠包含任何合格的膜或過濾介質)的比例縮放中的不確定性得以最小化。例如，如果對小規模設備選擇僅僅所述分布的中間三分之一，如圖3中所示，那么 小規模設備的性能是從0. 9-1. 1。由于大規模設備的范圍是0. 7-1. 3，所以比例縮放安全系 數(根據等式(1)，其中Sh變為所述分布的所述子集內的該比例縮放設備高端潛在性能，S1 變為所述分布的所述子集內的該比例縮放設備低端潛在性能)將是(1. 3/0. 9)/(0. 7/1. 1) =2.3。在此實施例中，該方法使得和用于比例縮放設備的常規隨機膜選擇相比，按比例放 大尺寸調整的要求節省了大約35%。圖4示出了對于數種水平的膜變化性而言，比例縮放安全系數和小規模性能范圍 之間的關系。現有技術由每條曲線的上端定義。本文公開的方法使得能夠減少比例縮放的 不確定性，如圖4中的箭頭所示。在一些實施方案中，可以通過如下過程來使所述可比例縮放安全系數最小化在 該性能分布內確定小規模設備的位置(例如，使用或者代理性能量化測試或者實際性能量 化測試)，然后調整所述比例縮放系數以考慮所述比例縮放設備來自的所述分布的特定部 分。在這種方法中，在比例縮放設備中可以使用任何膜。收集膜性能的信息，然后將此信息 提供給最終的設備。當對比例縮放設備進行評價時，將該膜性能數據用于確定該比例縮放 系數。例如，使用圖1中的假想分布，假定特定膜具有的性能值為0.9。比例縮放系數簡單 地會是(0.9/0.7) = 1.3。這個系數代表就全分布的低端方面對比例縮放設備進行調整。 由于該比例縮放設備的性能范圍已經充分定義并已知，所以Sh和S1相同，因此等式(1)變 成Usf = F1ZF1(2)在這種情況中比例縮放系數不確定性比率變為1. 3/0. 7或者1. 86，這代表和沒有 告知的膜選擇相比減少46%。實施例1滅菌梯度膜過濾器的關鍵性能參數是水滲透率，其和設備的生產率相關。如下測 量水滲透率將水供給膜，保持所述膜兩側的壓力差，并測量水流速度。根據下式計算滲透 率Lp = Q/ (Α * Δ P)其中Lp是水滲透率，A是膜面積，ΔP是膜兩側壓力差。水滲透率通常用單位L/ (m2-hr-psi) LMH/psi在代表性集合的帶褶皺盒子上測量水滲透率，每個盒子含有大約0. 5m2的聚醚砜 膜，所述膜的名義孔尺寸是0.2微米。圖5示出了分布曲線。水滲透率是從大約lOOOLMH/psi 到大約1300LMH/psi。選擇在所述整個群體中所含的膜的子集，用于安裝到包含0.0034m2 的小規模盤設備中。所選的子集范圍限制到大約1100-1200LMH/psi的膜，其構成了整個膜 群體的大約一半。根據等式1，使用該群體內的任何膜的縮放比例系數不確定性比率(現 有技術方法)是(1300/1000) X (1300/1000) = 1.69。使用本發明的方法，縮放比例系數 不確定性比率減少到(1300/1000) X (1200/1100) = 1. 42，這代表比例縮放系數不確定 性的16%的改善，這直接轉化成和現有技術相比得到了尺寸按比例減小的全尺寸系統(a proportionally smaller sized full size system)。實施例2
基于實施例1的水滲透率分布，從整個膜群體中選擇已經就水滲透率進行過表征 的單一膜。由于該膜的水滲透率已知，所以可以應用等式2，比例縮放系數不確定性比率是 1300/1000 = 1.3，代表和現有技術相比比例縮放系數不確定性有23%的改善。
權利要求
1.降低用于估計全規模過濾設備的要求的過濾比例縮放設備的性能變化性的方法，所 述方法包括a.確定多個膜或過濾介質的性能分布；b.選擇所述分布的子集，所述子集具有在所述分布內的已知范圍的性能；c.將來自所述子集的膜或過濾介質插入到所述過濾比例縮放設備中；和d.為所述過濾比例縮放設備分配比例縮放安全系數，其中所述比例縮放系數和所述分 布內的所述全規模設備高端潛在性能與所述分布的所述子集內的所述比例縮放設備高端 潛在性能的乘積成正比，并且和所述分布的所述子集內的所述比例縮放設備低端潛在性能 與所述分布內的所述全規模設備低端潛在性能的乘積成反比。
2.權利要求1的方法，其中所述子集的膜是單一膜。
3.權利要求1的方法，其中所述比例縮放系數是如下前者除以后者的商值前者是所 述分布內的所述全規模設備高端潛在性能和所述分布的所述子集內的所述比例縮放設備 高端潛在性能的乘積，后者是所述分布的所述子集內的所述比例縮放設備低端潛在性能和 所述分布內的所述全規模設備低端潛在性能的乘積。
全文摘要
本發明涉及改善過濾器比例縮放的方法，進一步涉及降低膜比例縮放設備的性能變化性的方法。通過指定用于安裝到比例縮放設備中的所有合格生產的膜的集合的窄范圍或子集，減少比例縮放設備性能的不確定性，由此降低比例縮放安全系數。在一些實施方案中，所述可比例縮放系數通過如下來降低確定特定膜在性能分布中的位置，并相應調整所述比例縮放系數。
文檔編號B01D61/00GK101992025SQ20101025445
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月12日 優先權日2009年8月13日
發明者K·勞蒂奧, M·布蘭查德, S·吉利亞 申請人:米利波爾有限公司