專利名稱：改善過濾器比例縮放的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改善過濾器比例縮放(scaling)的方法。
背景技術(shù)：
過濾設(shè)備的生產(chǎn)商通常提供小規(guī)模尺寸調(diào)整工具(small scale sizing tool)用 于對過程物流進(jìn)行初始評價以及用于估計全規(guī)模過程(full scale process)對膜面積的 需求。理想地，小規(guī)模設(shè)備應(yīng)該包含最小的膜面積或過濾介質(zhì)以節(jié)省測試流體并同時也和 它們的相應(yīng)大規(guī)模設(shè)備成線性比例縮放。但是，小規(guī)模設(shè)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(dǎo)致發(fā)生潛在的過量的尺寸調(diào)整以避免出現(xiàn)所測試的小規(guī)模設(shè) 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(xué)、膜厚度、膜孔隙率和其他因素。盡管膜生產(chǎn)方法經(jīng)設(shè)計以對所有這些因素進(jìn)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(chǎn)條件內(nèi)存在某 種分布。這種膜的變化性限制了設(shè)備_設(shè)備之間的性能一致性，所以限制了能夠從小規(guī)模 性能對大規(guī)模性能進(jìn)行預(yù)測的精度。大規(guī)模樣品或者小規(guī)模過濾設(shè)備的性能通常用于估計大規(guī)模設(shè)備的尺寸調(diào)整要 求。小規(guī)模設(shè)備用于尺寸調(diào)整的使用提供了顯而易見的經(jīng)濟(jì)優(yōu)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(guī)模膜設(shè)備(比如，含 有數(shù)十倍直至數(shù)千倍面積的盒子)的性能。為了精確的按比例放大(scale-up)，小規(guī)模設(shè) 備中的膜必需能代表大規(guī)模設(shè)備中的膜。但是，如同在任何生產(chǎn)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(shè)備中的膜可以源自所述可接受的 性能范圍內(nèi)的任何地方。相應(yīng)地，當(dāng)估計全規(guī)模設(shè)備的所需尺寸調(diào)整時，膜性能方面的變化 性必需得以考慮，從而導(dǎo)致在對比例縮放進(jìn)行估計時必需使用足夠的安全系數(shù)。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(guī)模設(shè)備(small scale device)，所述小規(guī)模設(shè)備包 含從該群體中隨機(jī)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(guī)模 設(shè)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(dāng)從小規(guī)模 設(shè)備按比例放大至大規(guī)模設(shè)備時，必須考慮小規(guī)模設(shè)備包含高端(1.3)膜而大規(guī)模設(shè)備可 能包含低端(0. 7)膜的可能性。也就是說，必須應(yīng)用1. 3/0. 7 = 1.86的比例縮放安全系數(shù) (scaling safety factor)，以確保大規(guī)模設(shè)備需求不會出現(xiàn)尺寸不足的情況(參加圖2)。 在這種情況下，全系統(tǒng)的最壞情況性能將得到精確估計。但是，也可能是小規(guī)模設(shè)備可能 含有處于所述分布低端(0. 7)的膜而所述大規(guī)模設(shè)備含有高端(1.3)膜。應(yīng)用同一安全系數(shù)會導(dǎo)致全系統(tǒng)性能是(1. 3/0. 7)/(0. 7/1. 3)或3. 45。結(jié)果會得到尺寸過大系數(shù)為3. 45 的過濾系統(tǒng)。這個值定義為根據(jù)下式(1)的比例縮放系數(shù)不確定性比率(scaling factor uncertainty ratio, Usf)Usf= (F1ZS1)/(F1ZiSh) = (F1ZF1) * (S1ZS1) (1)其中，F(xiàn)h是全規(guī)模高端潛在性能，F(xiàn)1是全規(guī)模低端潛在性能，Sh是比例縮放設(shè)備高 端潛在性能，S1是比例縮放設(shè)備低端潛在性能。所以，會希望減少比例縮放設(shè)備性能的范圍以降低大規(guī)模設(shè)備要求并節(jié)約成本。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)的問題通過本發(fā)明得以克服，本發(fā)明提供了減少比例縮放設(shè)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(shè)備中的所有 合格生產(chǎn)的膜或過濾介質(zhì)的集合的窄范圍或者子集，比例縮放設(shè)備性能不確定性得以減 少，由此減少了比例縮放安全系數(shù)。在一些實施方案中，通過確定特定膜在性能分布內(nèi)的 位置并相應(yīng)調(diào)整比例縮放系數(shù)(scaling factor)，減少了可比例縮放系數(shù)(scalability factor)。比例縮放不確定性的減少使得成本明顯節(jié)省，比如通過減少按比例放大尺寸調(diào)整 要求來實現(xiàn)。


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(guī)模設(shè)備和小規(guī)模設(shè)備的可能的值；圖3是膜性能的假想分布圖，顯示大規(guī)模設(shè)備和小規(guī)模設(shè)備的可能的值；圖4是小規(guī)模設(shè)備變化性和比例縮放系數(shù)不確定性比率的關(guān)系圖；和圖5是根據(jù)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(shù)，但是膜制備工藝固有地導(dǎo)致膜性能存在一 些變化性。為此，已經(jīng)建立了規(guī)程來基于性能對每批次或每卷膜在制備后進(jìn)行分類或“分 級”。例如，通常進(jìn)行水滲透率和處理能力測試，比如通過如下進(jìn)行所述測試使用來自給定 批次的膜構(gòu)建膜設(shè)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(shè)備進(jìn)行嘗試。測量在指定時間期間比如10分鐘內(nèi)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(jié)果進(jìn)行性能分級。過濾介質(zhì)的性能也可以類似的表征。過濾介質(zhì)是主動從溶 液中分離固體和/或結(jié)合溶液中的選定物質(zhì)的材料。過濾介質(zhì)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(zhì)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(shè)備中。通過為比例 縮放設(shè)備僅僅指定窄范圍的所述分布，從小規(guī)模設(shè)備到大規(guī)模設(shè)備(其通過定義能夠包含任何合格的膜或過濾介質(zhì))的比例縮放中的不確定性得以最小化。例如，如果對小規(guī)模設(shè)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(guī)模設(shè)備的性能是從0. 9-1. 1。由于大規(guī)模設(shè)備的范圍是0. 7-1. 3，所以比例縮放安全系 數(shù)(根據(jù)等式(1)，其中Sh變?yōu)樗龇植嫉乃鲎蛹瘍?nèi)的該比例縮放設(shè)備高端潛在性能，S1 變?yōu)樗龇植嫉乃鲎蛹瘍?nèi)的該比例縮放設(shè)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(shè)備的常規(guī)隨機(jī)膜選擇相比，按比例放 大尺寸調(diào)整的要求節(jié)省了大約35%。圖4示出了對于數(shù)種水平的膜變化性而言，比例縮放安全系數(shù)和小規(guī)模性能范圍 之間的關(guān)系?，F(xiàn)有技術(shù)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(shù)最小化在 該性能分布內(nèi)確定小規(guī)模設(shè)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(diào)整所述比例縮放系數(shù)以考慮所述比例縮放設(shè)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(shè)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(shè)備。當(dāng)對比例縮放設(shè)備進(jìn)行評價時，將該膜性能數(shù)據(jù)用于確定該比例縮放 系數(shù)。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(shù)簡單 地會是(0.9/0.7) = 1.3。這個系數(shù)代表就全分布的低端方面對比例縮放設(shè)備進(jìn)行調(diào)整。 由于該比例縮放設(shè)備的性能范圍已經(jīng)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(shù)不確定性比率變?yōu)?. 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(guān)鍵性能參數(shù)是水滲透率，其和設(shè)備的生產(chǎn)率相關(guān)。如下測 量水滲透率將水供給膜，保持所述膜兩側(cè)的壓力差，并測量水流速度。根據(jù)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(cè)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(guī)模盤設(shè)備中。所選的子集范圍限制到大約1100-1200LMH/psi的膜，其構(gòu)成了整個膜 群體的大約一半。根據(jù)等式1，使用該群體內(nèi)的任何膜的縮放比例系數(shù)不確定性比率(現(xiàn) 有技術(shù)方法)是(1300/1000) X (1300/1000) = 1.69。使用本發(fā)明的方法，縮放比例系數(shù) 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(shù)不確定 性的16%的改善，這直接轉(zhuǎn)化成和現(xiàn)有技術(shù)相比得到了尺寸按比例減小的全尺寸系統(tǒng)(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(jīng)就水滲透率進(jìn)行過表征 的單一膜。由于該膜的水滲透率已知，所以可以應(yīng)用等式2，比例縮放系數(shù)不確定性比率是 1300/1000 = 1.3，代表和現(xiàn)有技術(shù)相比比例縮放系數(shù)不確定性有23%的改善。
權(quán)利要求
1.降低用于估計全規(guī)模過濾設(shè)備的要求的過濾比例縮放設(shè)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(zhì)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(nèi)的已知范圍的性能；c.將來自所述子集的膜或過濾介質(zhì)插入到所述過濾比例縮放設(shè)備中；和d.為所述過濾比例縮放設(shè)備分配比例縮放安全系數(shù)，其中所述比例縮放系數(shù)和所述分 布內(nèi)的所述全規(guī)模設(shè)備高端潛在性能與所述分布的所述子集內(nèi)的所述比例縮放設(shè)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(nèi)的所述比例縮放設(shè)備低端潛在性能 與所述分布內(nèi)的所述全規(guī)模設(shè)備低端潛在性能的乘積成反比。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述子集的膜是單一膜。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述比例縮放系數(shù)是如下前者除以后者的商值前者是所 述分布內(nèi)的所述全規(guī)模設(shè)備高端潛在性能和所述分布的所述子集內(nèi)的所述比例縮放設(shè)備 高端潛在性能的乘積，后者是所述分布的所述子集內(nèi)的所述比例縮放設(shè)備低端潛在性能和 所述分布內(nèi)的所述全規(guī)模設(shè)備低端潛在性能的乘積。
全文摘要
本發(fā)明涉及改善過濾器比例縮放的方法，進(jìn)一步涉及降低膜比例縮放設(shè)備的性能變化性的方法。通過指定用于安裝到比例縮放設(shè)備中的所有合格生產(chǎn)的膜的集合的窄范圍或子集，減少比例縮放設(shè)備性能的不確定性，由此降低比例縮放安全系數(shù)。在一些實施方案中，所述可比例縮放系數(shù)通過如下來降低確定特定膜在性能分布中的位置，并相應(yīng)調(diào)整所述比例縮放系數(shù)。
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(yōu)先權(quán)日2009年8月13日
發(fā)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