KR20190011838A

KR20190011838A - 개선된 먼지 포집 능력을 갖는 필터 구조

Info

Publication number: KR20190011838A
Application number: KR1020197002765A
Authority: KR
Inventors: 살 기글리아; 데이비드 니엠; 셰리 애쉬비 레온; 가브리엘 타시크
Original assignee: 이엠디 밀리포어 코포레이션
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2019-02-07
Also published as: CN106457079A; KR102764961B1; SG11201608399QA; EP3160612A4; JP2019217501A; SG10201911354UA; ES2962695T3; KR20200058600A; JP6568545B2; JP6963592B2; JP2017522175A; KR20210115050A; US12059644B2; CN112957789A; KR20220078713A; EP3160612A1; KR20160134792A; WO2015200239A1; US20170173509A1; EP3160612B1

Abstract

제1 및 제2 고분자 섬유 함유 필터 매트들 사이에 위치된 거친 다공성 고분자 부직포 내부층을 갖는 복합 필터 매체를 포함하는 유체 여과 장치. 제1 및 제2 필터 매트들에 있어서의 섬유들의 직경은 서로 다르고, 각각의 필터 매트는 상이한 구멍 크기 정격을 갖는다. 필터 매트들에 있어서의 제1 및 제2 고분자 섬유는 전기방사 나노섬유일 수 있다. 상기 내부층은, 제1 또는 제2 필터 매트에 비교했을 때 더 거친 구멍 크기를 가지며, 이에 따른 복합 매체는 그 사이의 거친 내부층의 존재 없이 서로 위에 직접 적층되는 필터층에 비해 증대된 먼지 포집 능력을 갖는다.

Description

개선된 먼지 포집 능력을 갖는 필터 구조{FILTER STRUCTURE WITH ENHANCED DIRT HOLDING CAPACITY}

본 출원은 2014. 6. 26.자 출원된 미국 가출원 제62/017,463호를 우선권 주장한 것이다.

본 발명은 일반적으로 유체 여과 장치에 관한 것으로, 특히 복합 매체 필터 구조를 채용한 유체 여과 장치 및 이와 같은 장치 및 구조들을 사용하고 제조하는 방법에 관한 것이다.

원치않는 입자들 및 오염물들의 제거를 위해 설계되는 유체 필터들은 막히기 쉬운데 이는 입자 및 오염물이 필터 매체에서 걸릴 때 유체 통로가 막히거나 제한이 있는 사실 때문이다. 필터의 능력(용량) 또는 서비스 수명은 최소 값을 초과하는 비율로 유체가 흐르도록 하거나 최대 값 미만의 압력에서 소망 유속을 유지하도록 하는 성능에 관련된다.

필터의 필요한 먼지 포집 능력 또는 서비스 수명을 증가시키기 위한 하나의 해결방안은 보다 거친 구조를 갖는 전치 필터(prefilter)로 최종 필터를 보호하는 것이다. 전치 필터는 일반적으로 최종 필터보다 큰 입자 크기 제거율을 갖는다. 전치 필터의 보다 거친 구조는 최종 필터를 막을 수 있는 비교적 큰 입자들을 제거하기 때문에, 최종 필터의 서비스 수명을 증가시킨다. 또한, 그의 보다 거친 구조로 인해, 전치 필터는 동일한 입자 문제에 대해 최종 필터만큼 쉽게 막히지 않을 것이다. 따라서, 조합된 전치 필터 및 최종 필터는 그 자체로 최종 필터에 비해 보다 긴 필터 서비스 수명을 가능케 한다.

그러나, 필터 장치에 대한 보다 거친 구조의 전치 필터의 부가는, 장치에서 부가적 전치 필터 재료를 지지하고 수용하는 것에 관련된 비용과 같은 단점들이 있다. 전치 필터의 부가는 여과 시스템에 의해 점유되는 공간을 증대시킬 수 있다. 컴팩트성이 여과 시스템의 소망 특성이기 때문에 이 필터 용적의 증대는 단점으로 여겨진다.

따라서, 비교적 큰 오염물들 및 최종 필터를 막을 수 있는 입자들을 제거할 수 있는, 증대된 서비스 수명 및 요구되는 먼지 포집(dirt-holding) 능력을 갖는 유체 여과 구조를 개발하는 것이 요망된다. 또한, 이들 바람직한 특성들을 갖는 유체 구조를 채용함으로써, 유체 여과 장치의 제조 비용을 절감하면서 이와 같은 장치의 전체 사이즈 요건을 감소시키는 것이 요망된다.

전치 필터 및 최종 필터 조립체들에 관련된 상기 요건 및 문제점들에 따라, 본 발명은 필터층들을 포함하는 적어도 두 개의 섬유 사이에 위치된 보다 거친 다공성 내부층을 갖는 복합 필터 매체를 포함하는 유체 여과 구조들을 제공한다. 어떤 실시예에서, 적어도 두 개의 다공성 필터층들은 각각 상이한 섬유 직경을 갖는 전기방사 고분자 나노섬유들로 제조된다.

본 발명의 다른 실시예는, 적어도 두 개의 고분자 섬유 함유 필터층들 또는 매트들 사이에 위치된 하나 이상의 고분자 부직포의 거친 내부층들을 함유하는 복합 필터 매체를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는, (i) 제1 섬유 직경을 갖는 제1 고분자 섬유들을 구비하는 제1 필터 매트, (ii) 제2 섬유 직경을 갖는 제2 고분자 섬유들을 구비하는 제2 필터 매트, (iii) 제1 필터 매트와 제2 필터 매트 사이에 위치된 거친 내부층을 갖는 복합 필터 매체를 포함하며, 제1 섬유 직경은 제2 섬유 직경과 다르고, 각각의 필터 매트는 실제 구멍 크기들에 의해 결정시 상이한 구멍 크기 정격을 갖는다.

본 발명의 다른 실시예에서, 복합 필터 매체의 제1 및 제2 고분자 섬유들은 나노섬유이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 제1 및 제2 고분자 나노섬유들은 전기방사 (electrospun) 나노섬유이다.

어떤 실시예에서, 본 발명은 제1 또는 제2 필터 층들과 비교시 더 거친(coarser) 구멍 크기를 갖는 내부층을 함유하는 복합 필터 매체를 제공하며, 내부층의 평균 구멍 크기는 내부층의 어느 측상의 제1 또는 제2 섬유 함유 필터층의 평균 구멍 크기보다 약 2 내지 100배 더 크며, 이에 따른 복합 필터 매체는 그 사이의 더 거친 내부층의 존재 없이 서로 위에 직접 적층되는 필터층들에 비해 증대된 먼지 포집 능력을 갖는다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은 적어도 두 개의 고분자 섬유 함유 필터 매트들 사이에 위치된 하나 이상의 고분자의 부직포의 거친 내부층들로 이루어진 복합 매체를 포함하는 유체 여과 구조를 수용하는 유체 여과 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 복합 필터 매체의 적어도 두 개의 고분자 섬유들은 나노섬유이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 나노섬유들은 전기방사 나노섬유이다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은, 적어도 두 개의 고분자 섬유 함유 필터 매트들 사이에 위치된 하나 이상의 고분자 부직포의 거친 내부층들로 이루어진 복합 매체를 포함하는 유체 여과 구조를 수용하는 유체 여과 장치의 사용 방법 및 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예는, 고분자 섬유가 나노섬유인 복합 매체의 사용 방법 및 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예는, 고분자 섬유가 전기방사 나노섬유인 복합 매체의 사용 방법 및 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구항 및 도면에 명시될 것이다. 기술된 특정 실시예는 단지 예시적인 것으로 어떤 방식으로 제한되는 것을 의미하지 않는다. 본 발명의 많은 변경 및 변형예들은 당업자에 명백하게 본 발명의 정신과 보호범위부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 관점 및 이점은 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1A, 1B, 1C는 본 발명의 임의의 실시예에 따른 복합 매체 구조들의 단면도를 도시하고, 도1D는 각각의 필터층 사이에 내부층들이 없는 종래의 다층 필터 매체의 단면도를 도시한다.
도 2는 임의의 실시예에 따른 필터 장치의 스루풋 능력에 대한 내부층의 존재 또는 부재시 및 필터층 구성의 효과를 나타내는 막대 그래프이다.
도 3은 임의의 실시예에 따른 필터 장치의 스루풋 능력에 대한 내부층의 존재 또는 부재시 및 필터층 구성의 효과를 나타내는 막대 그래프이다.
도 4는 임의의 실시예에 따른 필터 장치의 스루풋 능력에 대한 내부층의 존재 또는 부재시 및 필터층 구성의 효과를 나타내는 막대 그래프이다.
도 5는 임의의 실시예에 따른 필터 장치의 스루풋 능력에 대한 내부층의 존재 또는 부재시 및 필터층 구성의 효과를 나타내는 막대 그래프이다.

달리 지시되지 않는 한, 청구항들을 포함하여 명세서에 사용된, 내용물의 양을 나타내는 모든 숫자들, 세포 배양, 처리 조건 등은 모든 예에서 용어 "약"으로 변경되도록 이해되어야 한다. 따라서, 달리 반대로 지시되지 않는 한, 수치적 파라미터들은 근사적이며 본 발명에 의해 얻어지는 소망 특성에 따라 변경될 수 있다.

명세서 및 첨부된 청구범위의 목적을 위해, 달리 지시되지 않는 한, 청구항들 및 명세서에 사용된, 내용물의 양을 나타내는 모든 숫자들, 재료들의 백분율 및 비율, 반응 조건, 및 기타 수치들은 모든 예에서 용어 "약"으로 변경되도록 이해되어야 한다.

따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 이하의 명세서 및 첨부된 청구범위에 명시된 수치적 파라미터들은 근사적이며 본 발명에 의해 얻어지는 소망 특성에 따라 변경될 수 있다. 적어도, 청구항들의 범위에 대한 균등물의 원칙의 적용을 제한하도록 하는 것이 아니며, 각각의 수치적 파라미터들은 통상적인 기술을 적용함으로써 기록된 유효 숫자를 고려하여 적어도 이해되어야 한다.

본 발명의 넓은 범위를 명시하는 수치 범위 및 파라미터들이 근사적임에도 불구하고, 특정 실시예에 명시된 수치들은 가능한 한 정확히 기록된다. 그러나, 원래 임의의 수치는 필수적으로 각각의 테스트 측정에서 발견되는 표준 편차로부터 비롯되는 오류들을 포함한다. 더욱이, 본 명세서에 기술된 모든 범위는 그에 포함된 모든 부차적 범위를 망라하도록 이해되어야 한다.

본원에서 값들의 범위의 인용은 범위 내에 들어가는 각각의 별도의 값에 개별적으로 언급하는 약칭 방법으로만 기능하도록 되며, 달리 지시되지 않는 한, 본원에 개별적으로 기술되더라도 각각의 별도의 값이 명세서에 사용된다.

본원에 기술된 모든 방법들은 달리 지시되거나 달리 문맥에 의해 부정되지 않는 한 임의의 적절한 순서로 실행될 수 있다.

달리 주장되지 않는 한 본원에 제공된 임의의 모든 예들 또는 예시적 용어(예컨대, "-와 같은(such as)"는 단지 본 발명을 보다 잘 조명하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 의도는 아니다. 명세서에서의 용어는 본 발명의 구현에 필수적인 임의의 청구되지 않은 요소들로서 이해되어서는 안된다.

본 발명의 많은 수정 및 변형예들은 그 정신과 범위를 벗어남이 없이 행해질 수 있으며 이는 당업자에 명백하다. 본원에 기술된 특정 실시예는 단지 예시적으로만 제공되며 달리 제한하고자 하는 의미가 아니다. 명세 및 예들은 예시적으로만 고려되며 본 발명의 진실한 범위와 정신은 첨부된 청구범위에 의해 지시된다.

보다 상세히 본 발명을 기술하기 전에, 다수의 용어들이 정의될 것이다. 이들 용어의 사용은 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니고 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위해서만 작용한다. 상세한 설명에 걸쳐 부가적인 정의가 명시될 수 있다.

I. 정의

달리 지시되거나 문맥에 의해 명백히 부정되지 않는 한, 본 발명을 기술하는 문맥에서(특히 이하의 청구범위의 문맥에서) 용어들 "하나(a, an)", "그(the)" 및 유사한 지시대상들의 사용은 단일 또는 복수 모두 포괄하도록 이해되어야 한다.

달리 지시되지 않는 한, 일련의 요소들 앞에 오는 용어 "적어도"는 구성에서모든 요소들을 지칭하도록 이해되어야 한다.

본 명세서에 사용되는 용어 "나노섬유"는 수 나노미터로부터 1,000 나노미터까지 가변하는 직경들을 갖는 섬유들을 지칭한다.

본 명세서에 사용되는 용어들 "유체 여과 구조(fluid filtration structure)", "복합 매체(composite media}", "(하나의) 필터 매체(filter medium)", 또는 "(복수의) 필터 매체(filter media)"는, 통과하는 입자들과 오염물은 물론 유체가 소정 물질을 수반하는 재료들의 집합을 지칭하며, 입자 및 오염물은 상기 매체 내 또는 그 위에 퇴적된다.

본 명세서에 사용되는 용어 "투과율"은 유체의 용적이 필터에 걸쳐 소정의 압력 강하로 소정 영역의 유체 매체를 통과하는 비율을 지칭한다. 투과율의 공통 단위는 압력 강하의 각 psi에 대한 시간당 제곱미터당 리터이며, LMH/psi로 약칭된다.

본 명세서에 사용되는 용어 "전기방사((electrospinning 또는 electrospun)"는 고분자 용액으로부터 나노섬유를 제조하거나 이와 같은 용액에 전위를 인가함으로써 용융되는 전기방사 공정을 지칭한다. 정전 방사 공정을 행하기 위한 적절한 장치를 포함하여, 여과 매체에 대한 전기방사 나노섬유 매트를 제조하기 위한 정전 방사 공정은 국제출원 공보 WO 2005/024101, WO 2006/131081, 및 WO 2008/106903에 기재되어 있으며, 각각은 참고로 본원에 전적으로 채용되어 있으며, 또한 각각은 체코 공화국, 리베렉의 엘마르코 에스. 알. 오.에 양도되었다.

용어 "나노섬유 매트"는, 매트의 두께가 전형적으로 적어도 매트에 있어서의 단일 섬유의 직경보다 약 100배 크도록 한 다중 나노섬유들의 조립체를 지칭한다. 나노섬유들은 매트에서 무작위로, 또는 하나 또는 다수의 축들을 따라 정렬될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 용어 "생물약제학 물질(biopharmaceutical preparation)" 또는 "샘플"은, 관심을 가지고 있는 생성물(예컨대, 치료 단백질 또는 항체) 및 원치 않는 성분, 입자, 및 오염물 또는 단백질 응집물(예컨대, 관심을 가지고 있는 생성물의 고분자량 응집물)과 같은 입자들을 포함하는 임의의 액체 조성물을 지칭한다.

Ⅱ. 예시적 유체 여과 구조

도 1A는, 제1 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(26)와 제2 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(28) 사이에 위치된 적어도 하나의 거친 다공성 부직포 내부층(25)을 함유하는 복합 매체를 포함하는 유체 여과 구조(20)의 예시적 실시예를 도시한다.

도 1B는, 제1 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(32)와 제2 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(36) 사이에 위치된 적어도 하나의 거친 다공성 부직포 내부층(35), 및 제1 및 제2 섬유 함유 필터 매트들에 비해 각각 상이한 구멍 크기 정격을 갖는 부가적 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트들(34, 38)을 함유하는 복합 매체를 포함하는 유체 여과 구조(30)의 예시적 실시예를 도시한다. 매트들(36, 38; 및 32, 34)은 각각 서로의 위에 적층되어 비대칭 구조를 형성한다. 이와 같이 매트 구조를 비대칭으로 생성함으로써 복합 매체 섬유들의 먼지 포집 능력을 개선한다. 실제로, 문제의 스트림에 면하는 유체 여과 구조의 보다 거친 부분은, 특정 크기("유지(retentive)" 층)보다 큰 입자들의 통과를 방지하도록 설계된 구조의 보다 미세한 부분에 대한 전치 필터로서 기능한다.

도 1C는, 제1(42) 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(42)와 제2 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(44) 사이; 제3 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(46)와 제2 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(44) 사이; 및 제4 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(48)와 제3 전기방사 고분자 섬유 함유 필터 매트(46) 사이에 위치된 적어도 하나의 거친 다공성 부직포 내부층(45)을 구비하는 복합 매체를 포함하는 유체 여과 구조(40)의 예시적 실시예를 도시한다.

Ⅲ. 예시적 나노섬유 고분자 재료들

본 발명의 전기방사 나노섬유들로 사용하기 위해 적절한 고분자들의 임의의 예시적 실시예는 열가소성 및 열경화성 고분자를 포함한다. 적절한 고분자들의 비제한적인 예를 들면, 나일론, 폴리이미드, 지방족 폴리아미드, 방향족 폴리아미드, 폴리술폰, 셀룰로스, 셀룰로스 아세테이트, 폴리에테르 술폰, 폴리우레탄, 폴리(우레아 우레탄), 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴. 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리프로필렌, 폴리아닐린, 폴리(에틸렌 옥시드), 폴리(에틸렌 나프탈레이트), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐리덴 플루오르화물), 폴리(비닐 부틸렌), 이들의 공중합체, 유도체 화합물, 블렌드 및 조합을 포함한다. 적절한 폴리아미드 축합 고분자는, 나일론-6; 나일론-4,6; 나일론-6,6; 나일론 6,6-6,10; 이들의 공중합체, 및 일반적인 다른 선형 지방족 나일론 조성물 등을 포함한다.

본 명세서에 사용되는 용어 "나일론"은, 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론 6,6-6,10, 이들의 공중합체, 유도체 화합물, 블렌드 및 조합을 포함한다.

Ⅳ. 다공성 섬유 매트를 형성하는 예시적 방법들

다공성 섬유 매트의 임의의 예시적 실시예는 나일론 용액으로부터 나노섬유(들)를 퇴적함으로써 제조된다. 이러한 나노섬유 필터 매트는, (예컨대 잔류 용제가 증발 또는 제거된 후) 건조 기준으로 측정된 경우, 약 0.1 g/m²과 약 10 g/m² 사이에 바람직한 평량(basis weight)을 갖는다.

다른 예시적 실시예에서, 나일론은, 이에 한정되지 않으나, 포름산, 황산, 아세트산, 2,2,2,-트리플루오로에탄올, 2,2,2,3,3,3-헥사플루오로프로판올, 및 물을 포함하는 용제들의 혼합물에서 용해된다.

다른 예시적 실시예에서, 전기방사를 위한 용액을 제조하기 위해 일군의 용제들에서 건조 나일론 고분자를 용해하고(즉, 우선 저장 용액을 제조) 다음에 다른 용제들을 첨가함으로써 나일론 용액이 제조된다.

다른 예시적 실시예에서, 나일론 고분자(예컨대, 출발)는 용액 제조의 도중에 부분적으로 가수분해되어, 부분적으로 가수분해된 나일론 고분자(예컨대, 종료)의 평균 분자량이 시작 나일론 고분자의 평균 분자량보다 적게 된다.

임의의 예시적 실시예에서, 단일 또는 다층 다공성의 거친 부직포 내부층 기재(substrate) 및 지지부는 가동 집합 벨트상에 배치되어 집합하고 전기방사 나노섬유 필터층과 결합하여, 합성 여과 매체 구조를 형성한다.

입자 제거를 위해 다공성 필터 멤브레인을 생성하기 위한 하나의 바람직한 방법은 섬유들 간의 공간이 필터 구멍을 구성하도록 다공성 매트 기재상에 제어된 크기의 섬유들을 위치시키는 것이다. 평균 구멍 직경은 다음과 같이 식 1에 따른 섬유 직경에 관련된다:

식 1(식에서, d는 평균 구멍 직경,

는 섬유 직경, ε은 매트의 공극률이다.)

복합층으로 된 섬유 필터 구조는 서로에 대해 상이하게 조절된 섬유 크기의 필터 매트들을 적층함으로써 형성될 수 있다. 이렇게 하여, 기본적인 비대칭 다공성 구조가 형성될 수 있다. 상기와 같이, 이 비대칭 다공성 구조에 의해 대칭 구조보다 높은 먼지 포집 능력을 가능케 한다.

도 1D는, 섬유 함유 필터 매트가 전형적으로 서로에 대해 직접 놓인 통상적인 층들의 섬유 필터를 도시한다.

그러나, 놀랍게도, 임의의 섬유 필터 매트 층들보다 더욱 많이 거친 구멍 크기를 갖는 다공성 층들을 갖는 섬유 필터 매트 층들을 분리함으로써, 이러한 섬유 여과 구조들에서의 막힘 저항이, 섬유 필터 매트 층들이 서로 직접 접촉하는(즉, 각각의 여과 매트층 사이에 다공성 지지 내부층이 위치되지 않은) 여과 구조에 비해 실질적으로 개선된다는 것이 발견되었다.(도 1A)

비록 입자들이 상이한 섬유 크기들의 섬유 매트 층들 간의 경계에 포착되도록 하는 경향을 증대시킬 수 있는 것으로 추측될 수 있더라도. 개별적 섬유 매트 층들을 분리하는 거친 내부층과 관련된 보다 높은 막힘 저항을 가능케 하는 메카니즘은 잘 이해되지 않는다. 실제 메카니즘에도 불구하고, 다공성의 거친 내부층의 부가는 필터 막힘의 감소로 이어져 필터의 서비스 수명을 증대시킨다.

다층 여과 구조를 선택하기 위한 다른 고려사항들은 매체 및 장치의 경제성과 편리성은 물론 살균의 용이성 및 타당성 검증이다. 여과 매체에 대한 바람직한 필터층 구성은 종종 실제 고려사항들에 기초하여 선택된다.

Ⅴ. 나노섬유를 집합하기 위한 예시적 내부층 기재

거친 내부층상에 집합 또는 퇴적된 유체 필터층들은 단일 또는 다층 구성으로 된다.

단일 또는 다층으로 된 다공성의 거친 내부층의 예를 들면, 비제한적으로, 스펀본디드 부직포, 멜트블로우 부직포, 니들 펀치 부직포, 스펀레이스 부직포, 웨트 레이드 부직포, 수지 접착 부직포 및 이들의 조합을 포함한다.

다공성의 거친 내부층의 예시적 실시예는 합성 또는 자연 고분자 재료로 제조된다. 열가소성 재료는 이러한 사용을 위한 고분자의 유용한 부류이다. 열가소성 재료들은, 비제한적으로, 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시스(sheathed) 폴리에틸렌/폴리프로필렌 섬유, PVDF, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아릴술폰, 폴리페닐술폰, 폴리비닐클로라이드를 포함하는 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 등과 같은 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 아크릴레이트, 스티렌 고분자 및 이들의 혼합물을 포함한다. 다른 합성 재료는 셀룰로스, 에폭시, 우레탄 등을 포함한다

적절한 다공성의 거친 내부층 기재는 다공성 부직포 기재(즉, 약 1 μm 내지 약 100 μm의 구멍 크기를 갖는 것들)를 포함한다.

다공성의 거친 내부층 재료는, 친수성 부직포 또는 소수성 부직포일 수 있으며, 비 제한적으로, 폴리올레핀, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 불소, 폴리테타플루오로에틸렌, 폴리술폰, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아클릴레이트, 및 폴리메타크릴레이트를 포함한다.

다공성의 거친 내부층은, 기하학적 및/또는 물리적 구조 및/또는 내부층의 형상과 관련된 두 개의 주요 대향면들 또는 측면들(즉, 대향하는 제1 및 제2 측면)을 갖는다. 복합 매체가 샘플 여과에 사용될 때, 유체는 내부층 기재 및 대향하는 타측(면)을 통해 일측(면)으로부터 흐른다.

본 발명의 두 개의 대향면 사이의 두께 치수는 다공성이다. 이 다공성 영역은 구멍들과 관련된 표면 영역을 갖는다. 용어 "표면", "표면들" 또는 "표면 영역", 또는 유사한 용법에 관련된 혼동을 방지하기 위해, 기하학적 표면은 외부 또는 안면(facial surface) 또는 측면으로 지칭된다. 구멍들과 관련된 표면 영역은 내부 또는 다공성 표면 영역으로 지칭된다.

내부층의 다공성 재료는, 빈 공간인 구멍들, 및 내부층 재료의 물리적 실시예를 이루는 스켈레톤 또는 고상(solid) 매트릭스를 포함한다. 예컨대, 부직포 내부층에 있어서, 무작위로 배향된 섬유들은 매트릭스를 이루고 내부층에 그의 형태를 부여한다.

복합 매체가 복합 매체 수단의 표면에 코팅 또는 커버링을 포함하는 경우는 구멍들을 완전히 막지 않도록, 즉 대류 흐름을 위해 다공성 구조의 많은 부분을 유지하도록 내부 및 외부 면들이 코팅되는 것을 의미한다. 특히, 내부 표면 영역에 대해, 코팅 또는 커버링은, 구멍들의 상당한 부분이 개방된 채로 다공성 매트릭스가 코팅 또는 커버된 것을 의미한다.

Ⅵ. 실행된 예시적 테스트 방법.

"평량(basis weight)"은 ASTM D-3776에 의해 정해지며, 이는 본 명세서에 참고로 채용되고 g/m²으로 기록된다.

"공극률(porosity)"은 g/m²의 샘플의 평량을 g/cm³의 고분자 밀도로 나누고, 마이크로미터의 샘플 두께로 나누고, 100을 곱하고, 100에서 결과적인 수를 뺌으로써 계산되는데, 즉, 공극률 = 100 - [평량/(밀도 × 두께) × 100]이다.

섬유 직경은 다음과 같이 결정된다: 주사 전자 현미경(SEM) 화상이 나노섬유 매트 샘플의 각 측면이 60,000배 배율로 촬영되었다. 직경이 10인 명확히 구별가능한 나노섬유들이 각각의 SEM 화상으로부터 측정되고 기록된다. 결점들은 포함되지 않았다(즉, 나노섬유들의 덩어리들, 고분자 방울, 나노섬유의 교차). 나노섬유 매트 샘플의 각 측의 평균 섬유 직경이 계산되었다. 또한, 측정된 직경들은 SEM에 대해 샘플 준비시 적용되는 금속 코팅을 포함한다. 이러한 코팅은 측정된 직경에 대략 4 내지 5 nm를 더하는 것이 설정되었다. 이때 기록된 직경들은 측정된 직경으로부터 5 nm를 뺌으로써 이 차이에 대해 수정된다.

두께는 ASTM D1777-64에 의해 결정되며, 이는 본 명세서에 참고로 채용되고 마이크로미터로 기록되며 단위는 "μm"로 표시된다.

"투과율(permeability)"은 유체가 소정 압력 강하에서 소정 영역의 복합 필터 매체 샘플을 통과하는 비율이고 25mm의 직경(3.5cm² 필터 영역)을 갖는 복합 필터 매체 샘플을 통해 탈이온을 통과시킴으로써 측정된다. 수압(물 헤드 압력) 또는 공압(물 위의 기압)을 이용하여 복합 필터 매체 샘플을 통해 물이 강제 통과된다.

전기방사 매트의 버블 포인트, 액체-액체 프로메트리(prometry), 및 임의 크기의 입자들을 갖는 챌린지 테스트와 같은 통상적인 멤브레인 기술을 사용하여 측정될 수 있다. 섬유 매트의 유효 구멍 크기는 일반적으로 섬유 직경에 따라 증가하고 공극률에 따라 감소한다.

멤브레인 제조자는 공칭 구멍 크기 정격들을 상업적 멤브레인 필터에 할당하며, 이는 통상적으로 실제 구멍의 기하학적 크기보다는 입자 또는 미생물에 대한 임의의 잔류 기준을 충족하는 것을 나타낸다.

본 발명의 예시적 설명을 의도하는 이하의 예시적 실시예에 의해 본 발명은 더욱 명확해질 것이다.

실시예

전기방사를 위한 나일론 스톡 용액의 제조

실시예 1. 본 발명의 임의의 실시예에 따라 전기방사를 위한 나일론 용액을 제조하기 위해 예시적 절차를 제공한다.

나일론 6은 미국, 뉴저지, 플로르햄 파크의 바스프사에 의한 상표 Ultramid B24로 공급된다. 나일론 6의 용액은 두 용제들의 혼합물로 제조되었다: 중량비 2:1로 존재하는 아세트산과 포름산. 직경이 대략 120 nm, 11% 중량의 섬유를 생성하기 위해, 나일론 6의 용액이 제조되었고, 직경이 대략 160 nm, 12.4% 중량의 섬유를 생성하기 위해, 나일론 6의 용액이 제조되었고, 직경이 대략 200 nm, 13.7% 중량의 섬유를 생성하기 위해, 용액이 제조되었다. 용액들은 80℃에서 5 내지 6시간 동안 유리 반응기에서 용제 및 고분자의 각 혼합물을 강하게 교반함으로써 제조되었다. 용액들은 후에 실온으로 냉각된다.

실시예 1에서, 나일론 나노섬유 매트는 전기방사에 의해 제조된 두 개의 다른 섬유 직경 크기를 갖는 나노섬유로부터 제조되며, 이때, (1) 제1 매트는 대략 20 μm 두께이고 대략 120 nm의 섬유 직경을 갖는 나노섬유를 함유하고, 박테리아 b. diminuta를 유지하도록 설계되고, (2) 제2 매트는 대략 20 μm 두께이고 대략 200 nm의 섬유 직경을 갖는 나노섬유를 함유하며, 제2 매트는 제1 매트보다 비교적 높은 구멍 크기를 갖는다.

제2 매트는 제1 매트를 함유하는 120 nm 직경의 섬유에 대해 전치 필터층으로 기능할 수 있다.

한 세트의 여과 장치들이, OptiScale 25 캡슐 포맷(EMD 밀리포어 코포레이션, 빌레리카, 매사추세츠)으로, 200 nm 직경의 섬유 함유 제2 매트가 120 nm 직경의 섬유 함유 제1 매트위에 직접 적층되도록 제조되었다. OptiScale 25 캡슐 장치는 명목상 25 nm 직경을 갖는 멤브레인 디스크를 함유하고 3.5 cm² 의 정면 표면 영역을 함유한다.

제2 세트의 여과 장치들이, 5 μm 내지 10 μm 범위에 섬유 직경을 갖는 폴리프로필렌 부직포 내부층이 200 nm 직경 섬유 함유 제2 매트와 120 nm 직경 섬유 함유 제1 매트 사이에 삽입되도록 제조되었다.

다음, 이들 필터 구성의 각각은, 2 psig로 동작되는, 0.45 μm 정격 멤브레인을 통해 여과된 물에 2g/1 EMD 소이(세포 배양 매체)로 구성되는 스트림으로 시도된다.

도 2는, 약 120 nm의 섬유 직경을 갖는 나노섬유를 함유하는 다공성 제1 매트 위에 직접 적층되는 약 200 nm의 섬유 직경을 갖는 나노섬유를 함유하는 다공성 제2 매트를 갖는 필터 구성이 약 120 nm의 섬유 직경을 갖는 나노섬유를 함유하는 단일 다공성 매트를 갖는 필터 구성과 비교시 보다 높은 스루풋 능력이 달성되는 것을 도시한다. 그러나, 놀랍게도, 약 200 nm의 직경을 갖는 섬유를 함유하는 다공성 나노섬유 매트와 약 120 nm의 직경을 갖는 섬유를 함유하는 다공성 나노섬유 매트 사이에 위치된 거친 부직포 내부층을 함유하는 필터 구조가 제1의 두 필터 구성들 중 어느 하나보다 높은 스루풋 능력을 나타내는 것이 발견되었다.

실시예 2는 또한, 실시예 1의 약 120 nm 및 200 nm의 직경을 갖는 섬유를 함유하는 매트들에 더해, 부가적 나노섬유 함유 매트가 대략 160 nm의 직경을 갖는 섬유를 함유하는 약 20 마이크로미터 두께로 생성되는 두 개의 필터층들 사이에 거친 다공성 내부층을 포함하는 이점을 보여준다. 이 부가적 나노섬유 함유 매트는 120 nm 섬유 함유 매트와 200 nm 섬유 함유 매트 사이에 위치되었다.

도 2는, 나노섬유 함유 매트들이 서로 위에 직접 적층되는 제1 세트의 여과 장치를 도시한다. 제2 세트의 여과 장치에 대해, 약 5 μm 내지 10 μm의 대략적인 섬유 직경을 갖는 거친 폴리프로필렌 부직포 층이 120 nm 섬유 함유 매트와 200 nm 섬유 함유 매트 사이, 및 160 nm 섬유 함유 매트와 200 nm 섬유 함유 매트 사이에 위치된다. 실시예 1에서와 같이, 모든 필터 구조는 OptiScale 25 캡슐들에 위치된다.

실시예 1에서와 같이, 층상(graded) 섬유 구조들은 단일 층 구조를 능가했다. 또한, 나노섬유의 거친 내부층들을 함유하는 구조들은 나노섬유 매트들이 서로에 대해 직접 적층되는 구조들을 능가했다.

비대칭 또는 층상 구멍 구조의 필터는 대칭 구조에 비해 스루풋 능력이 개선될 수 있다. 상이한 섬유 크기들의 나노섬유 층들 사이에 다공성 지지부의 부가는 비대칭 구조의 능력 이점을 더 향상시키는 것이 놀라웠다.

실시예 3은 또한, 두 개의 여과층들 사이에 거친 다공성 내부층을 포함하는 것의 이점을 보여준다. 실시예 2에 기술된 3개의 나노섬유 층들은, 약 75 μm 두께이고 약 15 μm 내지 20 μm의 섬유 직경을 갖는 섬유들로 구성되는 나일론 부직포 내부층이 160 nm 나노섬유 층에 인접하여 위치되도록 배치된다. 다른 변형예에서, 나일론 부직포 내부층은 160 nm과 200 nm 나노섬유 층들 사이에만 위치되며, 200 nm 나노섬유 층은 160 nm 나노섬유 층에 인접하여 위치되도록 위치된다.

이들 두 필터 구조들의 스루풋 능력은 실시예 1에서 기술된 바와 같이 측정되었고, 부직포 내부층이 존재하지 않는(즉, 3개의 나노섬유 층들이 서로 인접하는) 필터 구조에 비교되며, 상기 필터 구조는 160 nm와 120 nm 나노섬유 층들 사이에 위치된 내부층을 함유한다.

도 4는, 최고 수행 복합 매체 구조가 200 nm와 160 nm 나노섬유 함유 층 사이는 물론 160 nm와 120 nm 나노섬유 함유 층 사이에 위치된 부직포 내부층을 갖는 것을 도시한다. 200 nm와 160 nm 나노섬유 함유 층들 사이에만 위치된 부직포 내부층을 갖는 복합 매체 구조는 두 개의 부직포 층들을 갖는 구조 및 어떤 부직포 층들도 없는 필터 구조에 대해 중간적인 능력 특성을 나타냈다. 나일론 부직포 내부층이 160 nm와 120 nm 나노섬유 함유 층들 사이에만 위치된 필터 구조의 먼지 포집 능력 성능은 임의의 부직포 내부층이 없는 필터 구조와 많이 다르지 않았다.

실시예 4는 마이코플라즈마 및 레트로바이러스의 유지를 위해 설계되는 두 개의 필터층들 간에 거친 다공성 내부층을 포함하는 것의 이점을 보여준다. 70 nm 나노섬유로 구성되는 나노섬유 매트는 마이코플라즈마를 유지할 수 있는 구멍 크기를 가지며 40 nm 나노섬유로 구성되는 나노섬유 매트는 레트로바이러스를 유지할 수 있는 구멍 크기를 갖는다. 70 nm 및 40 nm의 나노섬유 매트들은 실시예 3에 기재된 3개의 나노섬유 층에 결합된다. 한 변형예에서, 약 75 μm 두께이고 약 15 μm 내지 20 μm의 섬유 직경을 갖는 나일론 부직포 내부층이 70 nm 및 40 nm 나노섬유 층들 사이에 위치된다. 제2 변형예에서, 70 nm 및 40 nm 섬유 층들은 그들 사이에 내부층을 갖지 않는다.

이들 두 개의 여과 구조들의 스루풋 능력은 실시예 1에 기술된 바와 같이 측정되었다. 도 5는, 70 nm와 40 nm 나노섬유 함유층 사이에 위치된 부직포 내부층을 함유하는 복합 매체 필터 구조가 70 nm와 40 nm 나노섬유 층 사이에 임의의 부직 층들이 없는 필터 구조에 비해 우수한 능력 특성을 나타내는 것을 도시한다.

사용 방법

어떤 실시예에서, 본 발명은 액체 샘플로부터 소망의 액체 생물약제학적 제조 샘플들을 여과, 분리, 제조, 식별, 검출, 및/또는 정제하기 위해 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명은, 비제한적으로, 크로마토그래피; 고압 액체 크로마토그래피(HPLC); 전기이동; 겔 여과; 샘플 원심분리; 온라인 샘플 제조; 진단 키트 테스트; 진단 테스트; 화학물질의 전달; 생체분자의 전달; 높은 스루풋 스크리닝; 친화성 결합 에세이; 액체 샘플의 정제; 유체 샘플 성분의 크기 기반 분리; 유체 샘플 성분의 화학적 특성 기반 분리; 유체 샘플 성분의 생물학적 특성 기반 분리; 유체 샘플 성분의 정전 특성 기반 분리; 및 이들의 조합을 포함하는 샘플 제조 방법에 사용될 수 있다.

단백질 제조를 위한 통상적인 공정은 종종, 소망의 단백질을 제조하기 위해 포유류 또는 박테리아 셀 라인이 재조합형으로 조작되는 세포 배양 방법을 수반한다. 필터들은, 박테리아, 균류, 마이코플라즈마 및 바이러스와 같은 미생물들에 의한 박테리아 오염을 감소시키도록 사용될 수 있다. 예컨대, 120 nm 직경의 나노섬유들의 매트를 포함하는 나노섬유 멤브레인은 Brevendumonas diminuta 종의 박테리아의 제거를 위해 적절하다. 70 nm 직경의 나노섬유들의 매트를 포함하는 나노섬유 멤브레인은 Acholeplasma laidlawil 종의 박테리아의 제거를 위해 적절하다.

바이오리액터의 세포의 성장은 단백질, 아미노산 및 첨가제의 풀을 포함하는 세포 배양 매체에 의해 지원된다. 이들 첨가제는 이들이 필터 매체에서 포착될 때 필터를 막아 유체 통로를 막을 수 있으며, 이에 의해 필터의 수명을 제한한다. 실시예 1에 기술된 바와 같이, EMD 소이는 나노섬유 필터에 있어서의 박테리아 유지층을 막을 수 있는 세포 배양 매체이다. 따라서, 박테리아 또는 미생물을 제거하는 필터들이 매체를 여과하도록 사용될 수 있는 반면, 이들은 상기한 막힘 현상으로 인해 제한된 수명을 가질 수도 있다. 예컨대 전치 필터층 및 부직포 내부층이 박테리아 유지 나노섬유층의 상류에 위치되는, 본 발명의 실시예를 채용하는 필터는 이러한 매체를 여과하도록 사용될 수 있고 종래 기술을 사용하여 제조된 필터에 비해 긴 수명을 가진다.

본원에 인용된 공개공보, 특허 출원 및 특허들을 포함하는 모든 참고자료들은, 각 참고자료가 개별적으로 또한 특정적으로 참고로 채용되며 또한 전체적으로 명시되는 경우와 동일한 정도로 참고로 채용된다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 발명을 수행하기 위해 발명자들에 알려진 최상의 모드를 포함하여 기술되었다. 물론 바람직한 실시예들의 변형예들은 상기 설명을 읽음에 따라 당업자들에 명백할 것이다. 발명자들은 당업자가 이러한 변형예들을 적절히 채용하기를 기대하며, 본 발명은 본원에 특정적으로 기재된 것과 달리 실행되도록 하는 것을 의도한다. 따라서, 본 발명은, 적용가능한 법에 의해 허용되는 바와 같이 첨부한 청구범위에 기재된 요지의 모든 변경 및 균등물을 포함한다. 더욱이, 모든 가능한 변형예에 있어서 상기 요소들의 임의의 조합은 본원에 달리 지시되거나 문맥에 의해 명백히 유추되지 않는 한 본 발명에 포함된다. 상기 설명은 독립적 유용성을 갖는 다수의 별개의 발명들을 포함할 수 있다. 비록 이들 발명들의 각각은 바람직한 형태(들)에 기술되었지만, 본원에 기술되고 도시된 특정 실시예는 수많은 변형예들이 가능하기 때문에 제한 목적으로 고려되어서는 안된다.

Claims

유체 여과 장치를 사용하여 세포 배양 매체를 여과하기 위한 방법으로, 복합물이,
(i) 대향하는 제1 및 제2 측면들을 갖는 다공성 내부층,
(ii) 상기 내부층의 제1 측면상에 위치된 제1 섬유 함유 필터층, 및
(iii) 상기 내부층의 제2 측면상에 위치된 제2 섬유 함유 필터층을 포함하고,
제1 및 제2 섬유 함유 필터층들의 섬유들은 상이한 섬유 직경을 갖고, 각각의 섬유 함유 필터층은 상이한 구멍 크기 정격을 갖고, 상기 내부층은 제1 또는 제2 섬유 함유 필터층보다 더 거친 구멍 크기를 갖는 여과 방법.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 섬유 함유 필터층들의 고분자는 열가소성 고분자 및 열경화성 고분자로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 고분자 재료인 여과 방법.
제2항에 있어서, 상기 섬유는 나노섬유인 여과 방법.
제1항에 있어서, 상기 내부층은 부직포를 포함하는 여과 방법.
제4항에 있어서, 상기 부직포는 고분자 섬유를 포함하는 여과 방법.
제5항에 있어서, 상기 고분자 섬유는 폴리프로필렌으로부터 제조되는 여과 방법.
제3항에 있어서, 제1 섬유 함유 필터층의 나노섬유는 10 nm 내지 1,000 nm의 섬유 직경을 갖고, 제2 섬유 함유 필터층의 나노섬유는 10 nm 내지 1,000 nm의 섬유 직경을 갖는 여과 방법.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 섬유 함유 필터층들은 전기방사(electrospun) 나노섬유 매트를 포함하는 여과 방법.
제8항에 있어서, 상기 나노섬유는 열가소성 고분자 및 열경화성 고분자로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 고분자 재료인 여과 방법.
제8항에 있어서, 상기 나노섬유는, 열가소성 고분자, 열경화성 고분자 나일론, 폴리이미드, 지방족 폴리아미드, 방향족 폴리아미드, 폴리술폰, 셀룰로스, 셀룰로스 아세테이트, 폴리에테르 술폰, 폴리우레탄, 폴리(우레아 우레탄), 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴. 폴리(에틸렌 테레프탈레이트), 폴리프로필렌, 폴리아닐린, 폴리(에틸렌 옥시드), 폴리(에틸렌 나프탈레이트), 폴리(부틸렌 테레프탈레이트), 스티렌 부타디엔 고무, 폴리스티렌, 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐리덴 플루오르화물), 폴리(비닐 부틸렌), 이들의 공중합체 및 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 고분자 재료인 여과 방법.
제8항에 있어서, 상기 나노섬유는, 나일론-6, 나일론-6,6, 나일론 6,6-6,10, 나일론-6 공중합체, 나일론-6,6 공중합체, 나일론 6,6-6,10 공중합체 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 고분자 재료인 여과 방법.
제1항에 있어서, 제1 섬유 함유 필터층은 1 μm 내지 1,000 μm 의 두께를 갖고 제2 섬유 함유 필터층은 1 μm 내지 1,000 μm의 두께를 갖는 여과 방법.
제1항에 있어서, 제1 및 제2 섬유 함유 필터층들은, 격자형 필터, 커리큘라(curricular)형 필터, 디스크형 필터, 주름진 필터, 깊이 필터 및 이들의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 여과 방법.
제1항에 있어서, 상기 내부층의 평균 구멍 크기는, 내부층의 어느 측상의 제1 또는 제2 섬유 함유 필터층의 평균 구멍 크기보다 2 내지 100배 큰 여과 방법.
제1항에 있어서, 박테리아 또는 마이코플라즈마가 세포 배양 매체로부터 제거되는 여과 방법.