一种用于连续病毒灭活的装置及其设计方法

本发明属于生物化工领域的病毒灭活方法，具体涉及一种用于连续病毒灭活的装置及其设计方法。

背景技术：

1、病毒灭活步骤在生物制品生产过程中是必不可少的。以抗体生产为例，其典型的下游处理过程包括两个的病毒清除步骤，分别为病毒灭活(低ph或表面活性剂)和病毒过滤。其中，病毒灭活是通过料液与灭活剂接触一定时间来实现的，典型的灭活剂为低ph缓冲液或表面活性剂。目前，病毒灭活过程通常是在间歇式反应器中进行，先将料液与病毒灭活剂混合均匀，或者用酸或碱溶液调节至合适的ph，然后将溶液转移到孵育装置中，进行定时病毒灭活，一般为30-60min。在批次处理过程中，所有物料在孵育装置中与灭活剂接触的时间几乎相同，因此病毒灭活情况也几乎相同。

2、抗体连续生物制造可以显著提高过程效率和集约化程度，是目前生物制药的发展趋势。为了实现全过程的抗体连续生产，构建合适的连续病毒灭活装置很重要。但是，连续病毒灭活装置的设计比较复杂，其难点主要在于连续孵育装置存在扩散效应，因此连续病毒灭活过程的关键过程参数(cpps)由批次孵育时间变为物料在孵育装置中的停留时间分布(residence time distribution，rtd)。连续病毒灭活过程中，在设定孵育时间前离开孵育装置的流体都有可能灭活不充分；在设定孵育时间后离开孵育装置的流体可能会含有更多的抗体聚集体等杂质成分。

3、针对连续病毒灭活过程的关键过程参数rtd，专利ep2918294a1、ep3498106a1、cn106163576b和cn111432650a设计了螺旋构型的管道反应器，专利cn113015787a设计了平面蛇形盘绕构型的管道反应器。这些设计可以增加流体在管道中的径向混合，降低管壁引起的粘滞效应，实现物料在装置中具有较窄的停留时间分布，使不同流体的病毒灭活时间相近。

4、但是，上述用于连续病毒灭活的管道反应器需要在较大的流速条件(雷诺数re>100)下，径向混合作用才趋于稳定，停留时间分布状况才趋于一致。该局限性导致上述管道反应器无法在低流速条件下使用。此外，高雷诺数的流动状态往往需要更高的压力驱动，不利于该灭活单元整合进入连续工艺过程。因此，设计新型管道反应器，提高管道内的径向混合作用，是解决问题的关键。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明一方面提出了一种用于连续病毒灭活的装置。所述的装置由连续的弯曲管路构成，弯曲管路由多个弯管单元依次串联组成；弯管单元为弯曲管路的最小重复单元，弯管单元由4段相同的半圆弧形弯管串联组成，相邻半圆弧形弯管的轴线所在平面互相垂直；其中第一段和第三段半圆弧形弯管位于第二段半圆弧形弯管的轴线所在平面同侧，第二段和第四段半圆弧形弯管位于第三段半圆弧形弯管的轴线所在平面的异侧。

2、本发明还提供一种用于连续病毒灭活的装置的设计方法，其目标是设计装置的弯曲管路内径d、弯曲管路的总长度l和弯管单元的数目n；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

3、1)设定装置的雷诺数re，re≥30，设定物料停留时间分布窄度指标tmean/tmin，tmean/tmin＜1.2；设定半圆弧形弯管的曲率直径d与弯曲管路内径d之比p，2≤p≤5；

4、2)根据物料流量q、物料黏度η、物料密度ρ以及设定的re，确定弯曲管路内径d，计算公式如下：

5、

6、3)根据物料流量q、弯曲管路内径d、物料中的病毒灭活所需时间tinactivation以及物料停留时间分布窄度指标tmean/tmin，确定弯曲管路的总长度l，计算公式如下：

7、

8、4)根据弯曲管路的总长度l、弯曲管路内径d以及半圆弧形弯管的曲率直径d与弯曲管路内径d之比p，确定弯管单元的数目n，计算公式如下：

9、

10、物料流量q的范围为1-500ml/min。

11、本发明还进一步提供一种所述方法设计的装置在连续病毒灭活中的应用：将装置放置在无菌环境，高压柱塞泵将待病毒灭活的物料和灭活试剂输入至混合池充分混合，随后输入装置进行连续病毒灭活；所述待病毒灭活的物料为蛋白溶液；所述灭活试剂为甘氨酸溶液或聚乙二醇辛基苯基醚溶液或聚山梨酯溶液。

12、本发明还进一步提供一种所述方法设计的装置在连续病毒灭活中的应用，将装置放置在无菌环境，高压柱塞泵将待病毒灭活的物料和灭活试剂输入至混合池充分混合，随后输入装置进行连续病毒灭活；所述待病毒灭活的物料为蛋白溶液；所述灭活试剂为甘氨酸溶液或聚乙二醇辛基苯基醚溶液或聚山梨酯溶液。

13、本发明公开的一种用于连续病毒灭活的装置，具有以下优点：

14、1)基于特殊设计的弯曲管路，削弱了轴向的扩散效应,强化了管道内的径向混合，使得物流一致性高，停留时间分布窄度指标tmean/tmin较小；

15、2)适用范围广，雷诺数re>30即可产生较窄的停留时间分布，可用于较低的流速；

16、3)装置压降小，在优选操作条件下，压降始终小于8kpa，更容易整合进入连续过程；

17、4)装置设计与放大简便，根据本发明公开的设计方法，可以确定最优的装置参数，以满足1-500ml/min的物料流量要求；

18、5)通用性强，可用于抗体等蛋白溶液，适用于低ph灭活、表面活性剂灭活等不同灭活机制介导的连续病毒灭活过程。

技术特征：

1.一种用于连续病毒灭活的装置，其特征在于，所述的装置由连续的弯曲管路构成，弯曲管路由多个弯管单元依次串联组成；弯管单元为弯曲管路的最小重复单元，弯管单元由4段相同的半圆弧形弯管串联组成，相邻半圆弧形弯管的轴线所在平面互相垂直；其中第一段和第三段半圆弧形弯管位于第二段半圆弧形弯管的轴线所在平面同侧，第二段和第四段半圆弧形弯管位于第三段半圆弧形弯管的轴线所在平面的异侧。

2.根据权利要求1所述的用于连续病毒灭活的装置，其特征在于弯曲管路内径为1mm-20mm。

3.根据权利要求1所述的用于连续病毒灭活的装置，其特征在于半圆弧形弯管的曲率直径与弯曲管路内径的比例为2-5，优选比例为2。

4.根据权利要求1所述的用于连续病毒灭活的装置，其特征在于所述装置的制造加工方式为管或软管盘绕。

5.一种根据权利要求1所述用于连续病毒灭活的装置的设计方法，其目标是设计装置的弯曲管路内径d、弯曲管路的总长度l和弯管单元的数目n；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述设计方法，其特征在于，所述雷诺数re满足：30≤re≤100。

7.根据权利要求5所述设计方法，其特征在于，步骤1)中，物料在装置内最小停留时间tmin是累计停留时间分布函数f(t)＝0.005时对应的时间，即物料刚刚离开装置时对应的时间；物料在装置内平均停留时间tmean是累计停留时间分布函数f(t)＝0.5时对应的时间，即有一半物料离开装置时对应的时间。

8.根据权利要求5所述设计方法，其特征在于，物料流量q的范围为1-500ml/min。

9.一种权利要求5所述方法设计的装置在连续病毒灭活中的应用，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述连续病毒灭活为低ph或表面活性剂介导的病毒灭活过程。

技术总结
本发明提供了一种用于连续病毒灭活的装置及其设计方法，属于生物化工领域。用于连续病毒灭活的装置的核心在于特殊设计的弯曲管路，弯曲管路由多个弯管单元依次串联组成。弯管单元为弯曲管路的最小重复单元，由4段相同的半圆弧形弯管串联组成，相邻半圆弧形弯管的轴线所在的平面互相垂直。本发明提出的装置采用非固定轴、非固定面的管路盘绕方式，弯曲管路内物料流动具有较窄的停留时间分布，所有待灭活物料管路内的孵育时间相近。为了方便实现连续病毒灭活，提出了相应的管路参数设计方法。本装置可以用于低pH灭活、表面活性剂灭活等不同灭活机制介导的连续病毒灭活过程。

技术研发人员：林东强,陈武炜,姚善泾
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15