用于膜色谱的系统的制作方法

以下描述涉及用于膜色谱的系统。背景生物制药或药物生产涉及从其中提取活性药物成分(api)的溶液的纯化。这些溶液，也称为进料，可以化学合成或生物有机地生产。进料包括需要彼此分离的多种组分，例如一种或多种目标组分和杂质。色谱是用于进行这种分离过程的技术。色谱分离过程的细节可以选自多种可用的选择，例如涉及相互作用机理、过程类型和固定相。基于相互作用机制，色谱可以例如分类为离子交换、疏水相互作用、亲和性或混合模式色谱。过程类型可以涉及过程执行的时间方面，例如分批或连续操作，和/或涉及固定相中目标产物和分离介质之间相互作用的方面，例如捕获、结合和洗脱或流通。色谱固定相例如是基于颗粒/树脂的、基于膜的、基于棒状的(monolith)和基于纤维的。色谱过程步骤中最大的差异是由动力学限制的和非动力学限制的固定相引起的。动力学限制的固定相是通常需要超过或约2分钟的停留时间来结合的那些固定相，例如基于树脂的固定相，而非动力学限制的固定相需要少于2分钟进行结合，例如基于膜的固定相。色谱过程通常由多个循环组成，每个循环包括平衡、装载、一个到几个洗涤步骤、洗脱、再生和原位清洗(cip)。在平衡中，准备用于装载步骤的固定相，在所述装载步骤中，各个目标物质的结合位点必须是可自由接近的。平衡缓冲液除去来自先前的步骤(例如cip)的残留物，这些残留物对固定相的结合性质有负面影响。在装载期间中，使包括组分混合物的进料与固定相相互作用，其中一种或多种组分在固定相上停留，而其它组分继续移动。例如，在结合和洗脱模式中，目标组分应该结合到固定相，而要分离的组分应该移动通过固定相。在洗涤步骤中冲洗掉未结合的组分，以防止它们在洗脱过程中被带入到洗脱液中的目标组分中。在洗脱期间，通过固定相上的物理化学环境性质(ph值、电导率)的改变，用洗脱缓冲液将目标组分从固定相的结合位点置换出来，然后收集。在再生期间，在固定相上的环境的物理化学性质的变化比在洗脱步骤中更明显，溶解性差的杂质(例如脂质、染料、dna)以恢复固定相的结合能力。为了减少生物负载并消除即使在再生步骤之后仍残留在固定相上的可能污染物，进行cip步骤。这通常用苛性钠碱液进行。常规的色谱技术是柱色谱，其中固定相(也称为“分离介质”)是置于柱或管中的树脂。分离机制由树脂的物理化学特性决定。可以针对柱设计调节的两个参数是柱的直径和分离介质的填充高度。这些确定了固定相的体积，固定相的体积应该基于待处理的进料的体积以及其中存在的目标组分的浓度和分离介质的结合能力来选择。根据影响因素，例如分离介质的成本相对于处理时间和/或缓冲液消耗的成本，选择固定相的体积，使得进行2至20个循环以处理整个进料体积。特别地，应该选择分离介质的填充高度，以便：-柱通过期间在由进料覆盖的距离上补偿柱床中的任何不均匀性以及分离的效率、生产率和分辨率的相关降低；-实现进料在固定相上达到最高可能的结合能力所需的停留时间；-对于限定的停留时间和所得的流速，填充的分离介质的压降/背压不超过阈值。例如，如果色谱柱填充有3巴的填充压力，则在过程中不能超过这个压力，否则填充床将被压缩，并且在柱中将形成顶部空间(即在柱的上部和被过压压缩的分离介质床之间的液体填充的空腔)。这将损害所述过程和分离机制。应该选择柱的直径，以便：-根据填充高度，填充的分离介质的体积的量使得过程时间尽可能短，其中结合能力与填充的分离介质的体积成正比；-根据过程时间和循环次数，所需体积的分离介质的成本不超过给定阈值。柱色谱循环的持续时间通常大于10分钟，范围通常为数小时。例如，对于其中处理含有抗体的进料的蛋白质a柱色谱，如果填充高度是20cm、柱直径是25cm且柱体积是9.8l，则一个循环需要几乎四个小时，如下表中更详细说明的：以柱体积为单位表示的每个步骤的体积是指给定步骤所需的给定流体/介质的体积。柱色谱的一个替代方案是膜色谱，其中固定相由一个或多个膜吸附器提供，即用与树脂上的那些官能团类似的官能团衍生的微孔或大孔膜。在欧洲专利申请ep 2274081a1中公开了一种示例性的膜吸附器。相对于树脂，在膜吸附器上的停留时间较短，因为主要负责传质的是对流，导致相对于在树脂中占主导地位的扩散机制有更有效的吸附。因此，所述过程的生产率，即每单位进料体积和每单位时间获得的产物的量(通常以g/(l*h)表示)，相对于基于树脂的柱色谱法，可以增加大于3倍。此外，与柱色谱相比，在膜色谱中几乎完全利用了固定相。概述本发明的一个目的是提供具有如例如通过一个或多个以下因素定量的改进的过程质量和效率的膜色谱系统：所获得的目标组分的量、所获得的目标组分的纯度、进行所述过程所需的时间量和进行所述过程所需的资源(例如缓冲液)的量。在独立权利要求中阐述了根据本发明的该目的的实现。本发明的进一步发展是从属权利要求的主题。根据一个方面，提供了被配置成处理包括多种组分的进料流体的色谱系统，其中所述进料流体的多种组分中的至少一种组分是目标组分。色谱系统包括：流动路径，其包括多个流体控制部件，所述多个流体控制部件被配置成控制流体流动；固定相，其中所述固定相是连接到所述流动路径的至少一个膜吸附器，并且所述固定相被配置成分离所述目标组分；其中所述流动路径被配置成使得所述目标组分的收获被优化。进料流体(也称为“进料”)包括多种组分或物质，其中至少一种是目的组分，即目标组分。色谱过程的目的是收获目标组分，即将目标组分与进料的其它组分分离，然后收集目标组分作为所述过程的产物。产物基本上由目标组分组成，这意味着纯度的程度，即目标组分在总产物中的相对量(例如按重量、质量、体积计)接近100％，例如大于99％。例如，产物的纯度对于药物和生物制药应用特别重要。进料可以包括一种以上的待收获的目标组分，使得色谱过程可以产生一种以上的产物。此外，中间体和/或副产物也可以在进行色谱过程时获得并且可以被收集。在一些情况下，可以分别收集不同浓度的目标组分。不关注的进料流体的组分(也称为“废料组分”)以及在色谱过程中使用的其它物质(例如缓冲液)一起形成过程的废料并收集在一起。示例性地，进料流体可以是溶液，例如含有蛋白质的溶液或含有细胞的溶液。含有细胞的溶液的实例包括疫苗或其它含有病毒的溶液，以及含有哺乳动物细胞的溶液。含有蛋白质的溶液的实例包括含有治疗性蛋白质(例如单克隆抗体、酶、激素等)的液体。在这些情况下，目标组分可以是溶质，例如特定类型的细胞或特定的蛋白质。废料组分可以包括dna、盐和宿主细胞蛋白(hcp)。色谱系统包括流动路径。流动路径包括用于实现流体流动，例如用于接收、输送和/或容纳流体的装置，例如导管和容器，以及用于调节流体流动的装置，例如阀、泵、传感器和过滤器。因此，所述流动路径特别包括多个流体控制部件，所述流体控制部件被配置成控制流体流动。流动路径将一个或多个入口点连接到一个或多个出口点，在所述入口点处将一种或多种流体引导到流动路径中，在所述出口点处将一种或多种流体从流动路径中释放。所述流动路径可以包括将一个入口点连接到一个出口点的不同的替代路线。从入口点朝向出口点的方向是流动路径的向前方向，并且它是流体流动的大致宏观方向。表述“x定位在y之后”表示在流体路径的向前方向上，x在y之后，即x比y更靠近出口点并且比y更远离入口点。类似地，“x定位在y之前”表示在流体路径的向前方向上，x在y之前，即x比y更靠近入口点并且比y更远离出口点。流过流动路径的流体包括一种或多种缓冲液、洗涤流体、进料流体(固定相的上游)和进料流体的分离组分(固定相的下游)。缓冲液(或“缓冲溶液”)是在加入酸或碱后有效地抵抗和防止ph值的大的变化的水溶液。这是由于弱酸及其共轭碱或弱碱及其共轭酸的存在。色谱过程可能在一个循环的不同步骤中需要不同的缓冲液。色谱系统包括固定相。所述固定相是色谱系统的一部分，其被配置成将目标组分与废料组分分离，所述废料组分最初在进料流体内混合在一起。可能与其它物质(如稀释用水)混合的进料流体和缓冲液代表流动相。特别地，固定相分离流动相中的目标组分，然后可以对其进行收集。具体地，固定相是一个或多个膜吸附器。在多个膜吸附器的情况下，它们可以堆叠在彼此的顶部上和/或可以串联或并联地提供在流动路径的两个或更多个替代路径上。膜吸附器可以例如吸附目标组分，其随后通过洗脱装置收集。可选地，目标组分可以在流通中获得，即，由于它不被膜吸附器吸附，而进料流体的其它组分可以被吸附的事实。膜吸附器可以例如由具有磺酸或耐盐阴离子交换剂或苯基作为配体的稳定的增强纤维素制成。其它材料可用于膜吸附器，其它物质可用作配体。膜吸附器可以提供在例如由塑料制成的胶囊或框架中。所述至少一个膜吸附器连接到所述流动路径。当连接到流动路径时，膜吸附器变成流动路径的一部分，这意味着流体可以流过膜吸附器。示例性地，膜吸附器可以通过被称为“膜阀”的阀连接到流动路径。例如，膜吸附器(或一堆膜吸附器)可以通过一对膜阀连接到流动路径上，一个膜阀定位在膜吸附器之前，另一个膜阀定位在膜吸附器之后。在这种情况下，流动路径可以包括通过膜吸附器的线路和不通过膜吸附器的替代线路。可选地，膜吸附器可以直接(即没有阀)连接到流动路径的管道或其它输送装置，并且可以仅有一个线路通过膜吸附器。与用相等体积的固定相的柱色谱相比，在色谱系统中使用膜吸附器作为固定相，允许更大的操作流量范围。示例性地，树脂的操作流量范围可以是0.05-2cv/min，更优选地0.1-1cv/min，最优选地0.1-0.5cv/min，而膜吸附器的操作流量范围可以是0.5-40mv/min，更优选地1-30mv/min，最优选地3-20mv/min。色谱系统的流动路径被配置成使得通过膜吸附器对目标组分的收获被优化。所述流动路径，特别是其流体控制部件，适于膜吸附器的操作。换句话说，流动路径内的流体控制的动力学适于膜吸附器的高动态性质/行为。特别地，流动路径的构造/结构设计和/或由流动路径执行的流体流动的控制被最优地配置用于膜色谱。色谱系统可以包括或被配置成连接到控制系统，例如包括处理器，所述控制系统被配置成管理流体控制部件，例如分布式控制系统。控制系统可以接收来自一个或多个流体控制部件(例如传感器)的信号，并且可以将信号发送到一个或多个流体控制部件，例如阀和泵。在特定实例中，所述多个流体控制部件可以包括：第一出口阀，其连接到所述至少一个膜吸附器并且被配置成连接到目标组分收集容器；以及第二出口阀，其连接到所述至少一个膜吸附器并且被配置成连接到废料收集容器；其中第一出口阀和第二出口阀的切换时间小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒。第一和第二出口阀定位在至少一个膜吸附器之后。特别地，第一和第二出口阀可以定位在流动路径的末端。第一出口阀和第二出口阀流体连接到至少一个膜吸附器，这意味着存在从至少一个膜吸附器到第一出口阀和第二出口阀中的每一个的流动路线。换句话说，流体可以从至少一个膜吸附器流向出口阀。例如，一个或多个管道可以将所述至少一个膜吸附器连接到所述出口阀。在一些实例中，一个或多个其它流体控制部件可以置于至少一个膜吸附器和出口阀之间，例如传感器和/或其它阀(例如膜阀)。出口阀中的一个，例如第一出口阀，被配置成例如通过管连接到目标组分收集容器。换句话说，第一出口阀专用于将目标组分从流动路径排放到外部容器中。第二出口阀被配置成例如通过管连接到废料收集容器。换句话说，第二出口阀专用于将废料(例如用过的缓冲液、dna...)从流动路径排放到外部容器中。因此，根据从流动路径，特别是从至少一个膜吸附器在出口阀处进入的流体，一个出口阀打开而另一个出口阀关闭。每个阀可以根据例如来自控制系统的控制信号在打开位置和关闭位置之间切换。示例性地，控制信号可以基于测定在任何给定时间流向出口阀的(部分)流体的内容物的传感器，例如定位在膜吸附器和出口阀之间的诸如紫外(uv)传感器的吸收检测器。如果流体包括的目标组分的分子或颗粒超过特定的某个预定的阈值，则流体可被表示为“目标组分流体”，否则流体可被表示为“废料流体”。阀的切换时间是阀从打开位置到关闭位置所需的时间量，反之亦然。第一出口阀和第二出口阀的切换时间都小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒。换句话说，控制第一和第二出口阀，使得它们在小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒内从打开/关闭位置切换到关闭/打开位置。考虑到膜吸附器运行的高流速，这种相对短的切换时间具有两个优点。首先，第一出口阀可以在如此短的时间内从关闭切换到打开的事实有助于消除或减少目标组分的潜在损失。实际上，如果目标组分流体到达流动路径中第一出口阀所在的点，而第一出口阀仍然关闭，则一部分目标组分流体可能无法正确地收集在目标组分收集容器中。其次，两个出口阀都具有短的切换时间的事实进一步降低了目标组分的潜在损失，并且也减轻或消除了返混的问题。返混是指由于流体在不同于流动路径的向前方向的方向上的运动而引起的流体的不期望混合。膜吸附器下游的流体的返混，特别是在出口处的流体的返混导致目标组分流体与其它流体的不期望的混合。这可能影响所收集的目标组分的纯度并且可能例如增加洗脱体积。所述洗脱体积是从洗脱开始直到洗脱结束含有目标组分的级分的体积，因此应该尽可能低以增加浓度并减少后续步骤的工作量，诸如例如储存室、过程时间或缓冲液消耗。返混问题对于膜色谱比对于柱色谱更重要。一个原因是对于柱色谱，固定相的体积更高，例如，根据工艺设计，150ml膜体积的等效柱体积是10l，使得在柱色谱中洗脱体积的相对变化可忽略不计。例如，如果对于150ml膜吸附器的洗脱体积是200ml，并且等效的10l色谱柱的洗脱体积是15l，则当加入50ml返混流体时，膜色谱系统的增加百分比是25％，而柱色谱系统的增加百分比是0.3％。此外，由于与传统的柱色谱相比固定相的较小体积更小以及每个循环的相关的较低结合能力，因此，为了处理给定体积的进料，相对于柱色谱需要较高的膜色谱循环次数。考虑到相对较高的循环次数，返混的负面影响将大大增加并使膜色谱过程无效。出口阀的短切换时间(特别是从打开到关闭)减少了可能通过阀回流的流体的量。此外，它缩短或消除了两个阀可能都打开的重叠时间，从而能够更快并更准确地改变流动路径的配置，这与膜吸附器的动态性质相匹配。应该注意，在柱色谱系统中，选择较长的阀切换时间(即约为或大于3秒)以便保护填充柱床免受快速压力波动的影响。用于使返混最小化的另一种措施是使系统的死体积最小化，其中死体积是流动路径(即，没有固定相的系统)的体积，并且因此由导管的体积、阀和流体从入口到出口流动通过的所有其它元件的体积之和给出。因此，示例性地，死体积和固定相体积之间的比率(不考虑固定相的孔隙率)可以小于5，优选地小于4，还优选地小于3，最优选地小于2。较小的死体积也有助于减少循环的持续时间。在一些实例中，流动路径的流体控制部件可以进一步包括定位在至少一个膜吸附器之后的一个或多个另外的出口阀。每个另外的出口阀可以专用于排放不同的组分，例如副产物，并且可以被配置成连接到外部容器。另外的出口阀的切换时间也可以小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒。在替代实例中，第二出口阀可以具有约3秒或大于3秒的切换时间，但是多个流体控制部件可以进一步包括定位在第二出口阀之后的止回阀。止回阀是仅允许流体沿一个方向流动的阀。特别地，止回阀只能使流体，例如废液，流向废料收集容器，而不能沿相反方向流动。止回阀的存在减轻或消除了返混的问题。在该实例中，第一出口阀的切换时间可以小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒。可选地，第一出口阀可具有约3秒或大于约3秒的切换时间。在这种情况下，可选地，多个流体控制部件可以进一步包括定位在第一出口阀之后的另一个止回阀。在特定实例中，所述多个流体控制部件可进一步包括：第一入口阀，其被配置成连接到进料流体供应源；第二入口阀，其被配置成连接到缓冲液供应源；其中所述第一入口阀和所述第二入口阀的切换时间小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒。第一和第二入口阀定位在至少一个膜吸附器之前。特别地，第一和第二出口阀可以定位在流动路径的开始处。第一出口阀和第二出口阀流体连接到至少一个膜吸附器，这意味着存在从第一出口阀和第二出口阀中的每一个到至少一个膜吸附器的流动路径。换句话说，流体可以从入口阀流向至少一个膜吸附器。例如，一个或多个管道可以将至少一个膜吸附器连接到入口阀。在一些实例中，一个或多个其它流体控制部件可以置于至少一个膜吸附器和入口阀之间，例如泵、过滤器、传感器(例如uv传感器)和/或其它阀(例如膜阀)。第一入口阀被配置成例如通过管连接到进料流体供应源。换句话说，第一入口阀专用于将进料从外部供应源输入到流动路径中。第二入口阀被配置成例如通过管连接到缓冲液供应源。换句话说，第二入口阀专用于将缓冲液从外部供应源输入到流动路径中。第二入口阀可以连接到多个缓冲液供应源，每个缓冲液供应源提供不同的缓冲液。可选地，流动路径可包括多个(第二)入口阀，其被配置成分别连接到多个缓冲液供应源。在一个实例中，流动路径可以包括两个入口管线，一个从第一入口阀开始，另一个从第二入口阀开始，其中两个入口管线代表在至少一个膜吸附器之前汇合的流动路径的两个平行分支。在多个第二入口阀的情况下，流动路径可以包括三个或更多个入口管线。在另一个实例中，流动路径可以包括单个入口管线，在该入口管线的开始处定位第一和第二入口阀。示例性地，流动路径可以包括至少一个泵。每个入口管线可以具有泵，以限定的流速推进相应流体的流动。泵可以特别地整合在色谱系统中，即可以是流动路径的固定元件，以避免由于连接元件引起的另外的死体积。返混不仅在膜吸附器的下游存在问题。在膜吸附器之前和/或之上的流体的返混将导致流体性质的变化，并且由于膜体积小，将降低目标组分的结合能力和/或洗脱曲线。与前面解释的类似，与膜吸附器相比，上游的返混对柱的分离性能/结合能力也有较小程度的负面影响。入口阀的短切换时间减轻或消除了膜吸附器上游的返混问题。在替代实例中，第一入口阀和第二入口阀可以具有约3秒或大于约3秒的切换时间，并且多个流体控制部件可以进一步包括定位在第一入口阀和第二入口阀之后的至少一个入口止回阀。示例性地，如果流动路径包括至少一个泵，则至少一个入口止回阀可以定位在至少一个泵之后。在存在多个入口管线的实例中，可以存在相应的多个止回阀。在仅有一个入口管线的实例中，可以仅有一个入口止回阀。更一般地，色谱系统中的所有阀的切换时间可以小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒，或者，可选地，在色谱系统中的所有阀之后可以提供有止回阀。在多个入口管线的情况下，流动路径可以进一步包括在每个入口管线中的混合阀，例如第一混合阀和第二混合阀。混合阀可以防止不同输入流体之间的返混。在一个特定的实例中，所述多个流体控制部件可以进一步包括被配置成仅过滤进料流体的过滤器。过滤器可特别用于颗粒分离和生物负载减少，以避免固定相的堵塞。过滤器可以定位在流动路径中的至少一个膜吸附器之前。过滤器可以定位在入口阀之后，所述入口阀被配置成使进料流体进入流动路径。示例性地，流动路径可以包括专用于进料流体的入口管线(“进料入口管线”)，即专用于进料。换句话说，只有进料流体流过进料入口管线。过滤器可以直接(即没有阀)定位在该进料入口管线中，使得仅进料流体流过过滤器。在其它实例中，过滤器可以定位在不同流体流过的流动路径的一部分中。在这种情况下，过滤器可以通过两个阀(“过滤器阀”)连接到导管，以产生仅进料可以流过的路线，而流动路径为其它流体提供替代路线。只有进料流体流过的过滤器的存在有助于减少或消除返混。在特定实例中，所述至少一个膜吸附器具有第一孔径，并且所述过滤器具有第二孔径，所述第二孔径小于所述第一孔径。示例性地，第一孔径的范围可以为约3μm至5μm，而第二孔径的范围可以为约0.2μm至约0.8μm。以这种方式，只有气泡能够到达固定相，这些气泡足够分散以不受阻碍地流过固定相，并且避免了结合能力的降低。因此，可以省去通常在柱色谱系统中实施的气泡捕集器，从而避免另外的死体积。在特定实例中，所述多个流体控制部件可以进一步包括定位在所述至少一个膜吸附器之后的吸收检测器，其中吸收检测器的采样速率小于约0.7s，优选地小于约0.5s，更优选地小于或等于约0.3s。如上所述，吸收检测器可用于监测目标组分。例如，uv传感器可以记录在限定波长(例如280nm)下的吸收。通过打开由该uv信号控制的专用出口阀(第一出口阀)来完成目标组分的洗脱或收集。uv传感器的采样速率对应于测量点的后续记录之间的时间间隔，并且与产物回收率直接相关。小于约0.7s，优选地小于约0.5s，更优选地小于或等于约0.3s的采样速率确保即使对于高流速的膜色谱也能减少或消除产量损失。在特定实例中，多个流体控制部件可以进一步包括定位在至少一个膜吸附器之前的吸收检测器，例如uv传感器。至少一个膜吸附器上游的吸收检测器的存在防止了系统的故障和/或损坏，并通过预测实现自适应过程控制，如下所述的。如果uv信号在预定阈值之上/之下变化，则可以停止所述过程(例如通过停止泵)，并且可以消除原因(例如不均匀性、微生物污染、不正确的中间连接)。因此，不会因为例如缓冲液不正确而导致产物损失或固定相上的物理化学性质发生变化。这也可能与相互关联过程有关，例如在质量偏差的情况下拒绝进料流体。示例性地，如果所述过程停止，则存在于系统中的流体可以经由与专用于目标组分的出口阀不同的出口阀排出，以避免已经收集的目标组分的污染/稀释。可选地，当过程停止时，例如当泵完全减速(ramped down)时，可以关闭所有的出口阀。在空气进入的情况下，例如尽管有空气传感器，或者在空气传感器失效的情况下，也可以采取类似的步骤。所述过程可以停止，并且系统可以排气和/或可以消除原因(例如，缓冲储器清空、软管连接松动)。因此，可以避免在固定相上输入过量的空气。uv检测器进一步使系统能够立即检测膜吸附器上游的流动路径何时不含uv活性物质。因此可以优化冲洗和洗涤体积。另外，一些过程参数可以由上游uv信号直接控制。例如，当进料溶液的组成改变时，可以根据进料浓度减少停留时间或调节洗涤和洗脱步骤。在另一个实例中，在膜吸附器中与生产相关的波动的情况下(通过预先输入进料中目标组分的结合容量和/或滴度)，例如在第一循环中或在灌注期间，可以根据uv信号的函数调节装载量。例如，如果连续操作的灌注生物反应器的浓度改变，则在固定相之前由uv传感器记录，并且可以进行处理(例如通过算法、多元线性回归、神经网络或人工智能)，并且工艺参数可以根据改变的条件进行调整。这确保了色谱过程的安全性和/或在早期阶段标记可能的偏差。如果在膜吸附器之后存在uv传感器，则膜吸附器前和膜吸附器后uv信号的比较可以提供对分离过程的质量的评估。它可以例如基于如通过比较膜吸附器之前和膜吸附器之后的峰面积所看到的产率降低的可变再生步骤或cip步骤进一步实现适应的、自动化的过程控制。在存在过滤器的情况下，膜前uv传感器进一步提供过滤器监测的功能。例如，如果uv信号在给定的时间跨度内显著变化，这表明进料组成的变化或过滤器破裂/缺陷。在这种情况下，下游流体被泵送到废料中，所述过程被中断并且过滤器可以被更换。此外，如果过滤器安装在专用于进料流体的入口管线中，则可以用系统进行两阶段色谱。第一阶段由膜吸附器之前的过滤器和uv传感器给出，而第二阶段由膜吸附器和其后的uv传感器给出。最后，膜前uv传感器可以为相当的系统提供控制功能。通常，这种在固定相之前具有传感器技术的系统配置使得能够实现整个价值链的整合过程控制。上面说明的色谱系统的特征，特别是流动路径的特征在效率和质量方面改进了色谱过程。示例性地，考虑到在流动路径中流体流动的高度动态控制和最小化的死体积，上述膜色谱系统特别适于进行快速循环色谱，例如具有持续时间为约3分钟至约8分钟，以及停留时间为约10秒至约60秒的循环。附图的简要说明下面参考示例性附图来阐述示例性实施方案的细节。根据说明书、附图和权利要求书，其它特征将是显而易见的。然而，应当理解，即使分别描述了实施方案，不同实施方案的单个特征也可以与其它实施方案相结合。图1示出了示例性色谱系统的概念性表示。图2示出了流动路径中的入口管线的概念性表示。图3示出了膜吸附器的最大体积的图，对于没有产物损失的最大体积作为流动路径的一些特征的函数。图4示出了用于确定最佳切换时间的优化程序。图5示出了在色谱系统中uv过滤器的不同采样速率的uv检测信号对体积的图。图6示出了在色谱系统中uv过滤器的不同采样速率的uv检测信号对体积的放大图。图7示出了在色谱系统中过滤器的不同配置的uv检测信号对时间的图。图8示出了在色谱系统中过滤器的不同配置的电导率信号对体积的图。图9示出了在色谱系统中过滤器的不同配置的标准化面积对标准化体积的图。图10示出了在色谱系统中过滤器的不同配置的uv检测信号和电导率信号对时间的图。图11示出了示例性色谱系统的示意图。图12示出了示例性色谱系统的另一个示意图。详述在下文中，将参考附图给出实例的详细描述。应当理解，可以对实施例进行各种修改。除非另有明确说明，否则一个实例的要素可以被结合并用于其他实例以形成新的实例。图1示出了示例性色谱系统100的概念性表示。色谱系统100包括流动路径110和作为固定相的至少一个膜吸附器200。流动路径110包括导管(conduit)，例如管道(pipes)和/或管(tubing)，流体可以在其中流动，并且它包括被配置成调节流体流动的多个流体控制部件。色谱系统100包括控制系统(未示出)，所述控制系统被配置成管理至少部分流体控制部件。色谱系统100可以特别适用于结合和洗脱模式的膜色谱。图1和2中的虚线元件是可选的。流动路径110可以在开始处包括一个或多个入口管线，其中在多个入口管线的情况下，入口管线结合到主管线中。如在图2中更详细地示出的，示例性的入口管线包括至少一个入口阀120，所述入口阀120被配置成将输入流体，例如进料流体、缓冲液或洗涤流体引导到流动路径中。在流动路径110仅包括一个入口管线的情况下，所述入口管线包括至少两个入口阀120，一个专用于进料流体而另一个用于其它输入流体。每个入口阀120被配置成连接到至少一个输入流体供应源。入口管线还包括泵125，并且在入口阀120和泵125之间，可以安装空气传感器130，其被配置成检测入口管中的空气。在泵125之后，入口管线可包括止回阀140，例如，如果入口阀120的切换时间为约3秒或大于约3秒。在止回阀140之后，可以安装其它传感器130，例如压力传感器和流量计，用于监测入口管线。如果入口管线是专用于进料流体的管线，则在泵125之后的传感器130之后，进料入口管线可以包括过滤器150，所述过滤器150被配置成过滤进料流体以便例如消除一些颗粒。特别地，所述过滤器可以直接插入进料入口管线，即没有阀。可选地，过滤器150可以定位在主管线中。下面参考图7至图10提供对过滤器位置的影响的分析。如果流动路径包括多个入口管线，则每个入口管线可以在末端，即在将主管线与其它入口管线连接之前包括混合阀145。混合阀的提供将不同的流体彼此分开并防止返混，如下面参考图10所讨论的。回到图1，流动路径110包括在入口管线之后的主管线，膜吸附器200连接到该主管线。在一个实例中，单个膜吸附器200或一堆在彼此顶部的膜吸附器200可以连接到流动路径110。在另一个实例中，两个膜吸附器200或两堆膜吸附器200可以并联连接到流动路径110。使用两个膜吸附器200或两个并行的叠层可以允许捕获和流通模式的结合或膜体积的扩大，从而允许结合能力的增加。术语“膜体积”是指考虑到孔隙率的单个膜吸附器200或一堆膜吸附器200的体积。例如，1l的膜体积可以是200ml的膜层和800ml的孔隙率的结果。膜吸附器200可以通过(膜)阀连接到流动路径110。主管线可以分支成没有膜吸附器200的路线以及膜吸附器200可以连接到的一个或两个路线。如果过滤器150没有定位在进料入口管线中，则流动路径110的主管线可以包括膜吸附器200上游的过滤器150。所述过滤器150可通过(过滤器)阀连接到流动路径。因此，主管线可以具有两个替代的分支，一个分支具有过滤器150，一个分支不具有过滤器150。流动路径110的主管线可以包括在膜吸附器200之前(以及在过滤器150之后，如果存在的话)的一个或多个传感器160。特别地，uv传感器可以定位在膜吸附器200之前，以提供监测功能并实现对系统的适应控制。其它传感器160可以包括压力传感器、电导率传感器和ph传感器。流动路径110的主管线包括在膜吸附器200之后的一个或多个传感器170。特别地，至少一个uv传感器170定位在膜吸附器200和出口阀之间，其中uv传感器被配置成检测来自膜吸附器200的流体是否包括目标组分，并因此应该被导向产物收集容器或朝向其它出口，例如废料。其它传感器170可以包括压力传感器、电导率传感器和ph传感器。控制系统使用由uv传感器170产生的信号来控制定位在uv传感器170之后的流动路径末端的出口阀。uv传感器170的采样速率可以小于约0.7s，优选地小于约0.5s，更优选地小于或等于约0.3s。下面参考图5和图6给出采样速率的讨论。流动路径110包括至少两个出口阀180和185以及任选地另外的出口阀，其中每个出口阀被配置成连接到收集容器。出口阀180可以连接到目标组分收集容器(并且因此被表示为“目标组分出口阀”)，而出口阀185可以连接到废料收集容器(并且因此被表示为“废料出口阀”)。如果废料出口阀185的切换时间为约3秒或大于约3秒，则流动路径110可以包括在废料出口阀185之后的止回阀195。在一些实例中，如果相应的出口阀的切换时间为约3秒或大于约3秒，则流动路径110可以分别包括在每个出口阀之后的止回阀。对于色谱系统的设计，(膜后)uv传感器170和输出阀之间的流动路径部分是特别相关的。可以在没有损失的情况下操作的最大膜体积vma与体积流速相结合，并且对于快速非动力学限制的固定相，可以相应地设计色谱系统。这种关系可以从以下等式(1)至(4)导出：v＝a·l   (3)其中是在没有损失的情况下的最大体积流速，d是直径，以及l是uv传感器170和输出阀之间的管的长度，并且ttot是总的信号传输时间。总的信号传输时间由从uv传感器检测到目标组分通过的时刻开始直到执行信号，即直到打开目标组分出口阀180的信号传输中的所有时间延迟组成。等式(5)示出了控制系统对于信号传输、传感器采样速率和阀切换时间所需的时间ttot的示例性分解：ttot＝tcont+tsamp.rate+tswitch.   (5)最大体积流速可以表示为每单位时间的膜体积数图3示出了对于每分钟5个膜体积(mv＝5/min)的体积流速，没有损失产物的最大膜体积作为管直径d、管长度l和目标组分出口阀切换时间tswitch的函数。随着阀门切换时间的增加和管长度的减小，最大可能体积vma减小。随着管直径的增加，由于流速的降低，用较短的管长度可以获得固定相的较高的最大体积。假设在mv＝5/min和0.25m的管长度下tcont为0.25s，下表显示了在产物损失发生之前的最大固定相体积vma作为ttot的函数。随着总信号传输时间的增加，可用的固定相体积以及因此没有产物损失的系统的操作范围减小。 <![cdata[t_tot[s]]]> <![cdata[t_switch[s]]]> <![cdata[t_samp.rate[s]]]> <![cdata[v_ma[ml]]]> 0,25 0 0 855 0,55 0 0.3 388 1,25 0 1 171 1,05 0,5 0,3 204 3,55 3 0,3 60 1,75 0,5 1 122 4,25 3 1 50 从上面的所有考虑，可以看出，对于给定的膜体积，当涉及到最小化或消除产物损失时，变量ttot、l、d、mv之间存在相互影响。因此，可以应用优化程序，例如然后其可以用于例如通过多元线性回归或其它方程组求解最优值。vrel.mr是膜体积并且vrel是流动路径或整个系统的死体积(例如包括容纳膜吸附器的胶囊的空体积)。当它们的比率最大化时，色谱过程的结果主要受色谱固定相(例如膜吸附器)的特性的影响。它们的比率越小，流动路径的影响越强。图4示出了用于确定关于管道长度/直径和ttot的最佳切换时间并因此确定可应用的固定相体积的优化程序。如上所述，采样速率与其它参数相结合在优化系统以避免产物损失中起作用。图5和图6示出了单独的采样速率对色谱系统的性能的影响。图5示出了在色谱系统中uv过滤器的不同采样速率的uv检测信号对体积的图。如前所述，通常通过检查是否满足给定条件(“阀切换条件”)，即在限定波长(例如280nm)处的吸收高于给定阈值，例如0.05au，来检测膜吸附器下游的产物/目标分子的存在。只要例如由uv传感器检测到的吸收高于阈值，则通过保持目标组分出口阀180打开来收集产物。图5示出了用q获得的bsa的洗脱峰，并且示出了两个不同扫描速率值(即1s和0.3s)的洗脱曲线上的切割点(cut point)。切割点是uv传感器“意识到”吸收已越过阈值的点。对于不同的扫描速率值，切割点出现在不同的时间/体积，并且在放大的图6中清楚地示出了差异。尽管已经在约2525ml处满足该条件，但是在两种情况下uv传感器都以延迟的方式检测到该条件。然而，对于45l/h的流速，在较快的采样速率的情况下，检测发生在小于4ml之后，而对于1.0s的采样速率，检测发生在大于12ml之后。较高的流速将导致切割点之间较大的体积距离。阴影线区域表示收集产物期间的体积间隔。分别考虑整个洗脱峰及其每个阴影线部分的积分之间的差异，可以计算产物损失。 采样速率[s] 损失[％] 0.3 0.1 1.0 1.1 因此，扫描速率的降低导致产物损失的降低。除了采样速率之外，参考图3和图4，与其他参数结合其它参数考虑的另一个参数是目标组分出口阀180的切换时间。下面参照五个测试说明单独使用的阀切换时间对色谱系统性能的影响。在测试1、2和3中，用水和水/丙酮(2-5％v/v)模拟产物洗脱，因为与蛋白质一样，丙酮吸收280nm波长的光，因此适合作为模型。在测试4和5中，使用用0.5m nacl洗脱的装载有1l牛血清白蛋白(bsa)(c＝3g/l)的q进行分析。对于所有实验，阀切换条件为0.1au。每个测试至少进行3次，并且绘制和分析适当的级分，结果显示在下表中。在测试1和2中，出口阀180和185的切换时间被设定为约3s。在测试2中，止回阀195定位在废料出口阀185之后。在测试3、4和5中，出口阀180和185的切换时间被设定为约0.5s。与测试2和3相比，测试1显示了所收集的级分的显著较低的平均信号强度。此外，提取的级分之间的偏差为所有测试中最高的，为33.4％。止回阀185的实施导致0.890au的显著较高的浓度和3.1％的相对偏差，其相对于测试1显著较低。对于测试3、4和5，观察到与测试2相当的性能。因此，阀切换时间对再现性和产物浓度具有相当大的影响，其中切换时间越短越好。然而，阀切换时间不应太低，即太接近0s，这是由于安全方面，例如当以高体积流量泵送液体时系统中的压力发展。因此，可以选择小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒的阀切换时间，以减少返混和产物损失。因此，系统100的出口阀180和185以及任选的另外的出口阀被设定为具有小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒的切换时间。可选地，出口阀180和185可具有约3秒或更长的切换时间，并且至少废料出口阀185可具有定位在其后的止回阀195。如果存在另外的出口阀，它们也可以具有定位在其后的止回阀。任选地，目标组分出口阀180也可以具有相应的止回阀190。此外，输入阀120可以被控制为具有小于约3秒，优选地小于约1秒，最优选地等于约0.5秒的切换时间。可选地，输入阀120可以具有约3秒或更长的切换时间，并且每个入口管线可以包括止回阀140。相同的概念适用于系统100的流动路径110中的所有阀。在系统的设计中可以考虑的另一个方面是过滤器150(如果存在的话)的位置。根据预过滤器的位置，在返混方面存在差异，这将在下面讨论。图7示出了在色谱系统中过滤器的不同配置的uv检测信号对时间的图。这三种配置如下：a)过滤器通过切换时间约为3s的过滤器阀连接到主管线，仅进料流体流过(点线)b)过滤器直接插入主管线，所有流体的流通(实线)c)过滤器直接插入进料流体入口管线(短划线)用每种配置进行相同的测试程序，其中测试程序的结构如下：用水平衡、用2-5％(v/v)的水/丙酮混合物装载、用水洗涤、人工洗脱和用水再生。通过逐渐增加水/丙酮混合物进行洗脱，直到达到0.2au的信号，然后开始再生。配置a显示在约0.8分钟时信号的下降。在测试的进一步过程中，在第3分钟鉴定出洗脱峰，在第3.7分钟鉴定出另一个峰。由于泵和过滤器之间的管道体积以及过滤器阀的切换时间，在装载过程期间的浓度下降可以通过进料溶液和水之间在过滤器处的返混来解释。这种混合导致装载步骤中不期望的动态浓度分布，这对固定相的结合特性产生负面影响。在配置b的情况下，信号在加载期间没有表现出降低，但是它没有达到恒定值。洗脱峰明显比配置a中的洗脱峰宽，并且第二峰在此也是可见的。由于所有流体都通过过滤器，所以每种流体与先前过滤的流体的残留物混合。这种混合导致浓度的变化，从而对系统的性能产生负面影响。对于配置c，信号在装载阶段显示急剧上升，在洗脱阶段显示尖峰。这里也鉴定出了第二峰值。综合考虑，这种配置显示了流体动力学/返混的最佳结果：信号在所有时间都是稳定的，并显示窄的洗脱峰。虽然配置c具有最低的返混体积，但是配置a可选择在系统中进行线内稀释，同时还具有窄的峰。如图8所示，可以通过减少过滤器阀的切换时间来改善配置a的性能。图8示出了色谱系统中不同配置的过滤器的电导率信号对体积的图。特别地，实线代表配置c，其中过滤器直接安装在进料入口管线中(也称为“线内过滤器”)。短划线代表配置a，其中过滤器通过两个过滤器阀(也称为“在线过滤器”)连接到主管线，修改为过滤器阀具有约0.5s的切换时间。最后，点线还代表具有在线过滤器和约0.5s的切换时间的配置。通过将不同的水和水/丙酮混合物以45l/h运送通过各自的过滤器位置来获得所有的曲线。可以看出，阀切换时间为0.5s的在线过滤器的性能与线内过滤器的性能相当。这在图9中也可以看到，图9示出了线内过滤器和在线过滤器的电导率标准化面积对信号面积质心标准化体积的图。相对于配置c，配置b的不太令人满意的性能可以通过使用由下面的方程7表示的平衡分散模型来理论地解释，其中ci是进料流体中组分的浓度、uint是进料流体的线速度以及dax是轴向分散系数，其是轴向分子扩散和涡流扩散贡献的总和。在一般的速率或平衡分散模型中，浓度随时间变化，并且在这里通过浓度随长度(即，在流动方向上的尺寸)的变化来计算。此外，浓度随时间的变化被分成对流传质和扩散/分散传质。对流项通过线速度和长度变化来描述到下一个长度段的浓度流。扩散/分散传质由轴向分散系数来描述。轴向分散尺寸/效应由轴向分散系数的值和通过横截面积的浓度变化来描述，该横截面积由浓度相对于长度的二阶导数表示，与第二菲克定律(secondfick′s law)相当。浓度相对于长度的二阶导数代表返混。换句话说，浓度随时间的变化是由经由线速度的对流输送以及经由轴向分散系数的返混引起。更准确地说，流体流动的体积越大，返混的影响越大。如方程8所示，局部考虑的浓度变化θ2ci随着长度和轴向分散系数的商的时间浓度变化的总和的增加而增加。c＝第i组分的浓度[g/l/m]t＝时间[s]u＝线速度[mm/s]x＝纵坐标[mm]dax＝轴向分散系数[mm2/s]如果进料永久地只流过过滤器，如在配置c中，则系统中的返混显著减少，因为过滤器内的浓度变化为0。如果过滤器没有直接安装在专门用于进料的入口管线中，则它应该仅让进料流过。此外，它应该是永久地，即在整个循环期间填充有进料。因此，为了避免浓度梯度，过滤器阀的切换时间必须通过进料流回过滤器阀的体积来调节。在所有配置a、b和c中，检测到第二洗脱峰，如图7所示。图10示出了配置a的除了uv信号(实线)之外的电导率信号(短划线)。电导率信号的特征在于装载开始时的小峰，即盐信号，其降低了固定相的结合能力。由于在没有有效防止返混的情况下合并多个入口管线而发生这种不期望的行为。在每个入口管线上提供混合阀145产生专用的混合点，并将不同的介质彼此分离，使得浓度梯度直到混合点的都是0，这意味着不会发生返混(参见方程7)。在在线过滤器的情况下，混合阀的存在还允许减少入口管线交汇点与过滤器位置之间的距离。减少返混的进一步措施涉及从入口到出口的流动路径的一般结构。弯曲和转弯最小化的流动路径，或者换句话说，尽可能直的流动路径减少了流动路径的死体积，从而减少了返混。图11和12示出了色谱系统的两个实例，其中实施了迄今为止所示的一种或多种用于优化色谱过程的措施。图11示出了色谱系统900的示例性实施方式。系统900具有三个入口管线，每个入口管线包括多个入口阀901/903/905、空气传感器907/909/911、泵913/915/917、止回阀919/921/923、压力传感器925/927/929和流量计931/933/935。一个入口管线用于进料，另一个入口管线用于水以进行线内稀释，最后一个入口管线用于缓冲液。在三个入口管线合并之后，沿着流动路径提供过滤器940。特别地，流动路径提供有用于连接过滤器940的两个过滤器阀942、944。流动路径还包括过滤器旁通阀946和排放阀948，它们为进入的流体提供替代路线。随后，将两个膜吸附器(或两个堆叠)960、961各自分别通过两个膜阀962、963和964、965连接到流动路径。每个膜吸附器/每个堆叠的体积为150ml。在膜吸附器960、961之前和之后实施用于测量压力、电导率、ph和吸收的传感器组950和970。流动路径还包括膜旁通阀966。最后，安装四个出口阀980、985、990和995，用于排放废料、最终产物和各种过程中间体。除了多个入口阀901、903、905之外，系统900中的所有阀都被控制为具有小于约3秒的切换时间，然而，在所述多个入口阀901、903、905之后，分别实施止回阀919、921、923。如上所述，由于与传统的柱色谱相比固定相的较小体积以及每个循环的相关的较低结合能力，因此需要更多的膜色谱循环数来处理给定体积的进料。然而，每个循环更短，如从下表对于用系统900进行的蛋白a色谱可以看出的。上述值是指结合和洗脱模式的膜色谱循环，从一个步骤到下一个步骤具有固定的转变。每个步骤的体积以膜体积的单位表示，其为150ml。含有蛋白质的溶液在膜上的停留时间≤20秒，因为对流主要负责传质，导致相对于树脂中占主导地位的扩散机制方面有更有效的吸附。动态结合时间为约20g/l。如前所述，使用图9的系统900执行的膜色谱的循环持续约7分钟，而使用柱色谱的相应循环花费超过4小时。图12示出了色谱系统1000的另一个示例性实施方式。色谱系统1000包括两个入口管线，每个入口管线包括多个入口阀1001/1003、空气传感器1005/1007、泵1009/1011、压力传感器1013/1015、流量计1017/1019和混合阀1021/1023。一个入口管线用于进料，而另一个入口管线用于缓冲液。在两个入口管线合并之后，沿着流动路径提供过滤器1040。特别地，流动路径提供有用于连接过滤器1040的两个过滤器阀1042、1044。所述流动路径进一步包括过滤器旁通阀1046和排放阀1048，它们为进入的流体提供替代路线。随后，将两个膜吸附器(或两个堆叠)1060、1061各自分别通过两个膜阀1062、1063和1064、1065连接到流动路径。每个膜吸附器/每个堆叠的体积为150ml。在膜吸附器1060、1061之前和之后实施用于测量压力、电导率、ph和吸收的传感器组1050和1070。流动路径进一步包括膜旁通阀1066。最后，安装四个出口阀1080、1085、1090和1095，用于排放废料、最终产物和各种过程中间体。系统1000中的所有阀被控制为具有小于约3秒的切换时间。用系统1000进行的蛋白a色谱的循环的每个阶段的持续时间报告在下表中：上述值是指结合和洗脱模式的膜色谱的循环，从一个步骤到下一个步骤具有条件转换，例如，当已经达到给定的uv吸收值或电导率值时，移动到下一个步骤。用图10的系统1000执行的膜色谱的循环持续约4分钟，因此系统1000比图9中所示的系统900更快。部分原因是，如前所述，混合阀的存在允许减少入口管线和过滤器之间的流动路径的长度。此外，条件转换使得循环更短。通过迄今讨论的结构设计和/或流量控制措施实现的返混的减少导致洗脱部分的低峰加宽，从而导致洗脱液中的高产物浓度。因此，在许多循环中不存在稀释液的累积，并且色谱过程在效率和质量方面得到了改进。

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