高浓度蛋白样品的制备装置及方法与流程

1.本发明涉及蛋白纯化技术领域，尤其是涉及一种高浓度蛋白样品的制备装置及方法。


背景技术：

2.近年来，生物制药产业蓬勃发展。高浓度的蛋白药物可以减少静脉注射量，并使皮下注射成为可能，提高药物的可及性及患者使用的便利性。而高浓度蛋白药物的生产制造对生产设备和生产工艺提出了新的挑战。因此在现有生产设施和生产方式的基础上进行改造，以实现高浓度的蛋白的生产制备，能够降低生产风险，减少公司的硬件成本投入。
3.在常规的蛋白超滤渗滤的设备及工艺中，如果需要满足高浓度蛋白的制备要求，在工艺过程中随着蛋白浓度的升高，进料压力升高，tmp难以控制，进料流速大幅度降低。由于通常对进料循环泵通过“超量泵”设计来实现降低进料循环泵对蛋白的剪切力影响，即进料循环泵工艺流速通常不超过泵最大设计流速的60％。因此在进料流速进一步降低后往往会低于泵的最低设计流速下限而无法继续进一步浓缩。
4.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供高浓度蛋白样品的制备装置，以解决现有技术中存在的高浓度的蛋白样品制备困难等技术问题。
6.本发明的另一目的在于提供高浓度蛋白样品的制备方法，解决了现有方法中蛋白高浓度浓缩的操作难题。
7.为了实现本发明上述目的，特采用以下技术方案：
8.高浓度蛋白样品的制备装置，包括：原料储存单元、透析液储存单元、产品循环单元和超滤膜单元；
9.所述原料储存单元和所述透析液储存单元分别通过第一流路和第二流路与所述产品循环单元的第一进料口连通，所述产品循环单元的出料口分别通过并联设置的第三流路和第四流路与所述超滤膜单元的进料口连通；所述超滤膜单元的出料口通过背压阀与所述产品循环单元的第二进料口连通，所述超滤膜单元还设置有排废口。
10.在本发明的具体实施方式中，所述透析液储存单元通过第五流路连接于第三流路上。进一步的，所述第五流路与第三流路的连接点为第三流路与第四流路上游侧的并联点。
11.在本发明的具体实施方式中，所述产品循环单元的第一进料口上游设置有第一进料泵；所述第一流路和所述第二流路分别接入所述第一进料泵。进一步的，所述第一流路和所述第二流路上分别设置有第一阀门和第二阀门。
12.在本发明的具体实施方式中，所述第三流路上自上游至下游顺次设置有第三阀门、第四阀门和第二进料泵；所述第四流路与所述第三流路的上游侧并联点设置于所述第三阀门和第四阀门中间，所述第四流路与所述第三流路的下游侧并联点设置于所述第二进
料泵和所述超滤膜单元的进料口之间。进一步的，所述第三流路上，在所述第二进料泵和所述下游侧并联点之间设置有第五阀门。
13.在本发明的具体实施方式中，所述第四流路上自上游至下游顺次设置有第七阀门和第三进料泵。进一步的，所述第四流路上，在所述第三进料泵和所述下游侧并联点之间设置有第八阀门。
14.在本发明的具体实施方式中，所述第五流路上设置有第六阀门。
15.在本发明的具体实施方式中，所述超滤膜单元的排废口外接有排废管路；所述排废管路上设置有第九阀门。
16.在本发明的具体实施方式中，所述产品循环单元还设置有产品出口。进一步，所述产品出口设置于所述产品循环单元的底部。所述产品出口外接有产品收集管路；所述产品收集管路上设置有第十阀门。
17.在本发明的具体实施方式中，所述第三进料泵的最低流速限小于或等于所述第二进料泵的最低流速限。
18.本发明还提供了高浓度蛋白样品的制备方法，包括如下步骤：
19.(a)原料送入产品循环单元和超滤膜单元之间循环进行浓缩直至达到目标浓度，得到中间浓缩品；
20.(b)向产品循环单元中送入透析液，所述中间浓缩品在产品循环单元和超滤膜单元之间循环完成透析换液，得到透析换液品；
21.(c)所述透析换液品通过第三流路在产品循环单元和超滤膜单元之间继续循环浓缩，直至背压阀完全打开，降低进料流速，直至达到第三流路的流速下限的1.1～1.3倍，关闭第三流路，打开第四流路，设定第四流路的进料流速为第三流路的流速下限，继续浓缩，逐步降低进料流速以维持tmp恒定，直至达到目标产品的浓度，得到高浓度蛋白样品。
22.在实际操作中，关闭第三流路和第四流路上游侧的并联点前的第三阀门，实现第三流路的关闭。
23.在本发明的具体实施方式中，步骤(c)中，在关闭第三流路之后，打开第四流路之前，还包括：打开第五流路向第三流路输送透析液，将第三流路中的残留产品送至超滤膜单元中，关闭第五流路。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.本发明的高浓度蛋白样品的制备装置，在产品循环单元和超滤膜单元设置并联流路，对产品循环单元和超滤膜单元之间的流路进行改造，并引入透析液的流路，可以实现第三流路的蛋白回收，解决了现有方法中蛋白高浓度浓缩的操作难题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的高浓度蛋白样品的制备装置的结构示意图。
28.附图标记：
29.1-原料储存单元；
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2-透析液储存单元；
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3-产品循环单元；
30.4-超滤膜单元；
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5-背压阀；
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61-第一进料泵；
31.62-第二进料泵；
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63-第三进料泵；
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71-第一阀门；
32.72-第二阀门；
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73-第三阀门；
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74-第四阀门；
33.75-第五阀门；
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76-第六阀门；
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77-第七阀门；
34.78-第八阀门；
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79-第九阀门；
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80-第十阀门。
具体实施方式
35.下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.图1为本发明实施例提供的高浓度蛋白样品的制备装置的结构示意图；如图1所示，本实施例提供的高浓度蛋白样品的制备装置，包括：原料储存单元1、透析液储存单元2、产品循环单元3和超滤膜单元4；
39.所述原料储存单元1和所述透析液储存单元2分别通过第一流路和第二流路与所述产品循环单元3的第一进料口连通，所述产品循环单元3的出料口分别通过并联设置的第三流路和第四流路与所述超滤膜单元4的进料口连通；所述超滤膜单元4的出料口通过背压阀5与所述产品循环单元3的第二进料口连通，所述超滤膜单元4还设置有排废口。
40.进一步的，所述原料储存单元1可以为原料储罐，用于储存待浓缩处理的原料样品，可以为上游得到的中间品；所述透析液储存单元2可以为透析液储罐，用于储存透析液，透析液可用于对原料样品进行透析换液；所述产品循环单元3可以为产品循环罐，所述超滤膜单元4可以为超滤膜包，其规格、孔径和材质等可根据实际需求进行调整选择。
41.进一步的，所述透析液储存单元2通过第五流路连接于第三流路上。
42.进一步的，所述第五流路与第三流路的连接点为第三流路与第四流路上游侧的并联点。通过这样的设置可将透析液储存单元中的透析液通过第五流路送入第三流路，进而利用透析液将第三流路中的物料送入超滤膜单元4中，避免残留。
43.进一步的，所述产品循环单元3的第一进料口上游设置有第一进料泵61；所述第一流路和所述第二流路分别接入所述第一进料泵61。
44.进一步的，所述第一流路和所述第二流路上分别设置有第一阀门71和第二阀门72。
45.通过在第一流路和第二流路上设置的第一阀门71和第二阀门72以及第一进料泵61，可调控向产品循环单元3中的物料输送情况。
46.进一步的，所述第三流路上自上游至下游顺次设置有第三阀门73、第四阀门74和第二进料泵62；所述第四流路与所述第三流路的上游侧并联点设置于所述第三阀门73和第四阀门74中间，所述第四流路与所述第三流路的下游侧并联点设置于所述第二进料泵62和所述超滤膜单元4的进料口之间。
47.进一步的，所述第三流路上，在所述第二进料泵62和所述下游侧并联点之间设置有第五阀门75。
48.进一步的，所述第四流路上自上游至下游顺次设置有第七阀门77和第三进料泵63。
49.进一步的，所述第四流路上，在所述第三进料泵63和所述下游侧并联点之间设置有第八阀门78。
50.在产品循环单元3和超滤膜单元4之间设置上述流路方式，可根据实际需求切换流路，以满足高浓度浓缩的需求。
51.进一步的，所述第五流路上设置有第六阀门76。
52.进一步的，所述超滤膜单元4的排废口外接有排废管路；所述排废管路上设置有第九阀门79。
53.进一步的，所述产品循环单元3还设置有产品出口。
54.进一步的，所述产品出口设置于所述产品循环单元3的底部。所述产品出口外接有产品收集管路；所述产品收集管路上设置有第十阀门80。
55.进一步的，所述第三进料泵的最低流速限小于或等于所述第二进料泵的最低流速限，如所述第三进料泵的最低流速限可以为所述第二进料泵的最低流速限的1/3～1/6等等。
56.进一步的，所述第三进料泵的最高流速限的60％大于或等于所述第二进料泵的最低流速限。
57.为了避免泵对料液的剪切力影响，所使用的进料泵为“超量泵”设计。
58.进一步的，所述第三进料泵为小流量泵，所述第一进料泵、所述第二进料泵和第三进料泵可以为蠕动泵、转子泵或隔膜泵等等。
59.随着放大规模的不同，所使用的的泵及配置泵管的流速范围会有不同。如在实验室小试规模，可选用蠕动泵，第一、第二进料泵和第三进料泵可以采用多种不同规格的泵管(相对应不同的流速范围)的组合。例如，第一进料泵、第二进料泵可配置泵管17#(内径1/4”*外径3/8”)、流速范围17～1700ml/min，18#(内径5/16”*外径7/16”)、流速范围23～2300ml/min，35#(内径5/16”*外径1/2”)、流速范围23～2300ml/min，36#(内径3/8”*外径9/16”)、流速范围29～2900ml/min；第三进料泵可配置泵管16#(内径1/8”*外径1/4”)、流速范围4.8～480ml/min，14#(内径1/16”*外径3/16”)、流速范围1.4～130ml/min，15#(内径3/
16”*外径3/8”)、流速范围10～1000ml/min。但不局限于此。
60.进一步的，所述超滤膜单元4的出料口、排废口和进料口分别设置有压力表。具体的，所述超滤膜单元4的出料口与所述背压阀5之前设置有压力表；所述超滤膜单元4的排废口与所述第九阀门79之间设置有压力表；所述超滤膜单元5的进料口与所述下游侧并联点之间设置有压力表。
61.本发明还提供了高浓度蛋白样品的制备方法，包括如下步骤：
62.(a)原料送入产品循环单元和超滤膜单元之间循环进行浓缩直至达到目标浓度，得到中间浓缩品；
63.(b)向产品循环单元中送入透析液，所述中间浓缩品在产品循环单元和超滤膜单元之间循环完成透析换液，得到透析换液品；
64.(c)所述透析换液品通过第三流路在产品循环单元和超滤膜单元之间继续循环浓缩，直至背压阀完全打开，降低进料流速，直至达到第三流路的流速下限的1.1～1.3倍，关闭第三流路，打开第四流路，设定第四流路的进料流速为第三流路的流速下限，继续浓缩，逐步降低进料流速以维持tmp恒定，直至达到目标产品的浓度，得到高浓度蛋白样品。
65.在实际操作中，关闭第三流路和第四流路上游侧的并联点前的第三阀门，实现第三流路的关闭。
66.进一步的，步骤(c)中，在关闭第三流路之后，打开第四流路之前，还包括：打开第五流路向第三流路输送透析液，将第三流路中的残留产品送至超滤膜单元中，关闭第五流路。
67.进一步的，步骤(a)中，控制进料流速和跨膜压tmp。步骤(a)中的目标浓度可以为原料初始浓度的1.5～2倍。
68.进一步的，步骤(b)中，维持所述产品循环单元中的物料的重量或体积恒定。步骤(b)中，控制进料流速，保持跨膜压tmp恒定。
69.进一步的，步骤(c)中，在所述继续循环浓缩的过程中，维持进料流速不变，控制背压阀以维持tmp恒定。
70.进一步的，步骤(b)中，在透析换液的过程中，通过所述超滤膜单元4的排废口排出的体积为初始送入产品循环单元的原料的体积的5～10倍。
71.进一步的，还包括：通过产品循环单元的产品出口回收产品。
72.具体的，先进行一次超滤：开启第一进料泵61和第二进料泵62，打开第一阀门71、第三阀门73、第四阀门74、第五阀门75和第九阀门79，其余进料泵和阀门保持关闭，原料储存单元1中的原料通过第一进料泵61送入产品循环单元3中，产品循环单元3中的物料通过第二进料泵62送入超滤膜单元4中进行超滤，产品被截留在超滤膜内侧。调节背压阀5以控制跨膜压tmp，溶液及小分子物质在tmp作用下被挤出超滤膜外通过排废口和第九阀门79实现排废。被截留在超滤膜内侧的产品通过背压阀5回路循环至产品循环单元3中，整个过程控制进料流量(控制进料流量为100～400lmh)和tmp(控制tmp为0.5～1.5bar)，经过一定时间的循环后，产品被浓缩至目标浓度后，再进行渗滤。在上述过程中，当预设量的原料储存单元1中的原料送入产品循环单元3中后，即关闭第一阀门71和第一进料泵61。
73.渗滤：产品循环单元3中的产品不断通过第二进料泵62送入超滤膜单元4中，控制tmp，产品被截留在超滤膜内侧，通过背压阀5回路循环至产品循环单元3中，溶液及小分子
被挤出超滤膜外通过排废口和第九阀门79实现排废。同时，开启第一进料泵61和第二阀门72，透析液储存单元2中的透析液通过第一进料泵61不断送入产品循环单元3中，维持产品循环单元的重量(体积)恒定，如此联动反复，完成产品循环单元3中产品的透析换液，在渗滤过程中控制进料流速，保持tmp的恒定。过程中，第二阀门72、第三阀门73、第四阀门74、第五阀门75和第九阀门79打开，第一进料泵61和第二进料泵62开启，控制背压阀，其余阀门和进料泵保持关闭。
74.二次超滤：渗滤结束后，关闭第二阀门72和第一进料泵61，停止向产品循环单元3中补充透析液；产品仍旧在产品循环单元3和超滤膜单元4之间循环实现浓缩。维持进料流速不变，控制背压阀5以维持tmp，随着样品浓度的进一步升高，产品粘度增大，进料压力会逐渐增大，直至背压阀5完全打开后，降低进料流速，以维持tmp的恒定。过程中，第三阀门73、第四阀门74、第五阀门75和第九阀门79打开，第二进料泵62开启，其余阀门和进料泵关闭。随着样品浓度的进一步升高，进料流速会一直降低至接近第二进料泵62的流速下限，此时(当进料流速达到第三流路的流速下限的1.1～1.3倍时)，关闭第三阀门73和第九阀门79，再打开第六阀门76，将第二进料泵62调至最低流速，透析液储存单元2中的透析液通过第六阀门76，流经第四阀门74和第五阀门75，将第四阀门74和第五阀门75管路中的产品推送至超滤膜单元4中，停止第二进料泵62，关闭第四阀门74、第五阀门75和第六阀门76，打开第三阀门73、第七阀门77、第八阀门78和第九阀门79，开启第三进料泵63，第三进料泵63为小流程泵，设定第三进料泵63的流速为第二进料泵62的最小流速，继续将产品循环单元3中的产品送入超滤膜单元4中进一步浓缩，随着样品浓度升高，逐渐将第三进料泵63的流速降低以维持tmp恒定，直至达到目标产品的高浓度，过程中进料流速仍旧在第三进料泵63的流速范围内。
75.在整个过程中，控制进料流量为100～400lmh，控制tmp为0.5～1.5bar。
76.进一步的，在回收产品过程中，保持第三进料泵63运行，排空超滤膜单元4及流路中的产品残留。
77.进一步的，在排空后，开启第二阀门72和第一进料泵61，开启第七阀门77、第八阀门78和第三进料泵63，将透析液送至产品循环单元3中，对产品循环单元3进行润洗，并将超滤膜单元4中产品顶洗出后，通过第十阀门10单独回收。
78.实施例1
79.本实施例提供了高浓度蛋白样品的制备方法，包括如下步骤：
80.以实验室规模为例，产品循环罐容积500ml，超滤膜包(厂家科百特)规格为面积0.1m2，孔径30kd，pes材质。第一进料泵和第二进料泵使用蠕动泵，选用泵管17#(内径1/4”*外径3/8”)、流速范围17～1700ml/min；第三进料泵使用蠕动泵，选用泵管16#(内径1/8”*外径1/4”)、流速范围4.8～480ml/min。中间产品的蛋白浓度为28.3g/l，体积700ml，需浓缩至230g/l，并将产品替换至目标制剂溶液体系(透析液)中。
81.(1)将中间产品通过第一阀门71、第一进料泵61转入产品循环罐中，由于产品循环罐容积为500ml，转移至450ml时，开启第三阀门73、第四阀门74、第五阀门75和第九阀门79，关闭第二阀门72、第六阀门76、第七阀门77、第八阀门78和第十阀门80，开启第二进料泵62，使产品在产品循环罐和超滤膜包之间进行浓缩，同时中间产品继续通过第一阀门71和第一进料泵61进入产品循环罐，直至700ml中间产品全部转移入产品循环罐中，产品循环罐中产
品浓缩至50g/l，即产品循环罐中320ml(系统死体积为75ml)时，结束一次超滤步骤。
82.(2)关闭第一阀门71，保持第三阀门73、第四阀门74、第五阀门75和第九阀门79开启，再开启第二阀门72，保持第六阀门76、第七阀门77、第八阀门78和第十阀门80关闭，进行渗滤，将透析液储罐中的透析液输送至产品循环罐中，过程中维持产品循环罐320ml的体积恒定，进口流量198lmh，即330ml/min，跨膜压tmp为10psi，超滤膜包排废口排出2800ml时，即7倍中间产品体积后，结束渗滤步骤。
83.(3)关闭第二阀门72，停止第一进料泵61，保持第三阀门73、第四阀门74、第五阀门75和第九阀门79开启，第一阀门71、第六阀门76、第七阀门77、第八阀门78和第十阀门80关闭，第二进料泵62维持330ml/min的进料流速继续浓缩，浓缩过程中不断调节背压阀，以维持tmp保持15psi。随着蛋白浓度升高，进口压力不断升高，直至背压阀5完全放开后，开始调节进料流速，逐步降低进料流速，直至20ml/min。打开第六阀门76，关闭第三阀门73，以第二进料泵62的最低流速限17ml/min泵入透析液5ml，将第四阀门74和第五阀门75间管路内的产品用透析液推至超滤膜包内。关闭第四阀门74、第五阀门75和第六阀门76，打开第三阀门73、第七阀门77和第八阀门78，将第三进料泵63流速调整至17ml/min，继续进行浓缩，过程中逐渐降低进料流速以维持tmp为15psi，最终流速降至10ml/min，产品循环罐中保留有10ml体积的产品时，结束二次超滤。关闭第九阀门79，打开第十阀门80，将产品循环罐中产品通过第十阀门80回收，过程中第三进料泵63保持运行，排空超滤膜包及管路中的产品残留。结束后，10ml透析液通过第二阀门72和第一进料泵61进入产品循环罐，润洗产品循环罐后，通过第七阀门77、第三进料泵63和第八阀门78将超滤膜包中产品顶洗出后，通过第十阀门10单独回收。最终得到的产品浓度为235g/l，得率为95％。
84.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。