(57)【要約】  好ましくは流体試料に含有される成分の濃度を増加させるマイクロ流体濾過システム（１００）は、流体回路（１）を有する。流体回路（１）は、以下の要素を備える。流体の通過により流体試料を濃縮液の流れと浸透液の流れとに分離することが可能な接線流濾過要素（７）、流体回路（１）内へ流体フローを発生及び駆動させるポンピング要素（３）、並びに回路内の流体試料の各特性についての情報を獲得する少なくとも１つの要素。回路は更に、内部を流体試料の流体の流れが導通される、流体回路（１）の要素を接続する複数の導管（２４）を備える。回路（１）は、最大５mLの最小作業容積を有する。この最小作業容積は、回路（１）内に空気をポンピングせずに流体が回路（１）を再循環することができるように、回路（１）の要素及び導管（２４）に保持される最小流体体積である。回路（１）の一体化されたマイクロ流体要素（２０）は、回路（１）の要素のグループのうちの少なくとも２つの要素の機能を含む。
2015514003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体回路（１）を有するマイクロ流体フロー濾過システムであって、
前記流体回路（１）が、
−  供給入口（１２）、濃縮液出口（１３）、浸透液出口（１４）、及び、流体試料を、前記供給入口（１２）を通り接線流濾過要素（７）内へと向かって通過させることにより、前記流体試料を、濃縮液の流れと、浸透液の流れとに分離することが可能な半透膜（１５）、を有する接線流濾過要素（７）と、
−  前記流体回路（１）及び前記接線流濾過要素（７）を通る前記流体試料の流体フローを発生及び駆動させるポンピング要素と、
−  前記流体回路（１）内の前記流体試料の各特性についての情報を獲得する少なくとも２つの要素と、
−  前記流体回路（１）の前記各要素を接続し、その内部を前記流体試料の流体の流れが導通される複数の導管（２４）と、
の各要素を備え、
−  前記流体回路（１）の最小作業容積が、前記流体が、前記流体回路（１）中に空気をポンピングせずに、前記流体回路（１）内を再循環できるように、前記各要素及び前記各導管（２４）内に保持される最小流体体積によって定められ、
−  前記流体回路（１）の前記最小作業容積が、最大５mLであり、
−  前記回路（１）の各要素のグループのうちの少なくとも２つの要素の機能が、１つの一体化されたマイクロ流体要素（２０）に一体化され、
−  前記１つの一体化されたマイクロ流体要素（２０）が、前記流体回路（１）の前記最小作業容積の最大４分の１の容積を有する容積要素を定める、
マイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項２】
前記一体化されたマイクロ流体要素（２０）が、前記流体試料の各特性についての情報を獲得する少なくとも２つの要素の機能を一体化し、
−  好ましくは、前記各特性についての情報を獲得する１つの要素が、前記流体試料に含有される各成分の濃度を測定する光学的測定要素であり、
前記各特性についての情報を獲得する１つの要素が、前記流体試料の粘度を測定する測定要素であり、
−  更に好ましくは、前記濃度を測定する前記光学的測定要素がキュベット（６）であり、及び／又は、
前記粘度を測定する前記測定要素が、圧力を測定する少なくとも１つの要素、好ましくは毛細管チャネル要素と組み合わせたもの、である
ことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項３】
前記一体化されたマイクロ流体要素（２０）が、
−  濃度を測定するキュベット（６）又は毛細管チャネル要素、好ましくは透明な毛細管（２８）の形態のものの、
−  前記粘度を測定する少なくとも１つの圧力センサ（２６、２７）の、好ましくは少なくとも２つの圧力センサ（２６、２７）の、
機能を提供する
ことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項４】
前記一体化されたマイクロ流体要素（２０）が、
圧力を測定する少なくとも１つの要素、好ましくは圧力センサ、及び、接線流濾過要素（７）
の機能を提供する
ことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項５】
前記一体化されたマイクロ流体要素（２０）が、
ハウジングを有し、及び、
前記接線流濾過要素（７）が、
前記マイクロ流体要素（２０）の前記ハウジングの一部であるＴＦＦ−ハウジングを有し、好ましくは、前記接線流濾過要素（７）の前記膜が使い捨て可能である
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項６】
前記回路（１）が、流体を含むのに適したリザーバ要素（２）を更に備え、
前記流体回路（１）に一体化される前記リザーバ要素（２）が、共に前記回路（１）に接続する少なくとも１つのリザーバ入口及びリザーバ出口を有し、前記流体試料を含むリザーバ又はタンクであり、
前記リザーバ要素（２）も、また前記回路（１）の各要素のグループの部材である
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項７】
前記リザーバ（２）の容積が、最大１０mL、好ましくは最大１mL、特に好ましくは最大０．７mL、また特に好ましくは最大０．５mLである
ことを特徴とする、請求項６に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項８】
前記回路（１）が、
−  少なくとも１つのバルブ要素（９）、及び／又は、
−  中空繊維要素、及び／又は、
−  前記流体回路を通過する前記流体のフローを調整する調整要素（８）、好ましくはポンプ、及び／又は、
−  前記流体回路内の前記流体の圧力を調整する圧力調整要素、好ましくはバルブ、及び／又は、
−  １つ以上の圧力センサ（４、５、３９）である圧力データを測定する要素、及び／又は、
−  光学的検出要素（６）、
を更に備え、
これらの各要素もまた、前記回路（１）の各要素のグループの部材である
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項９】
前記流体回路（１）の最小作業容積が、最大１mL、好ましくは最大５００μL、更に好ましくは最大２００μL、及び特に好ましくは最大１００μL
である
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項１０】
前記各導管（２４）の内径が、最大１．５mmの、好ましくは最大１mmの、特に好ましくは最大０．７mmの、又は、また特に好ましくは最大０．１mm
を有し、
導管（２４）が、好ましくはチャネル、又は前記回路の要素内の通路、又は管、又はチューブである
ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のマイクロ流体フロー濾過システム。
【請求項１１】
最大５mLの最小作業容積を有した流体回路（１）を備えるマイクロ流体フロー濾過システム、好ましくは請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム、のための、一体化されたマイクロ流体要素（２０）であって、
前記一体化されたマイクロ流体要素（２０）が、
マイクロフロー濾過システムの流体回路の最小作業容積の最大４分の１の容積を有した容積要素を定め、及び、
前記流体回路（１）の各要素のグループのうち少なくとも２つの要素の機能を提供し、
前記各要素のグループが、
接線流濾過要素（７）、流体フローを発生及び駆動させるのに適したポンピング要素、及び、前記回路内の前記流体試料の前記各特性についての情報を獲得する少なくとも２つの要素
を含む、
ことを特徴とする、一体化されたマイクロ流体要素。
【請求項１２】
前記回路内の前記流体試料の前記各特性についての情報を獲得する要素が、
−  前記流体試料内に含有される前記各成分の濃度についての情報を獲得する光学的測定要素、及び／又は、
−  前記流体試料の物理的な前記各特性を測定する、好ましくは前記流体試料の粘度を測定する、要素である
ことを特徴とする、請求項１１に記載の一体化されたマイクロ流体要素。
【請求項１３】
前記光学的測定要素が、透明なキュベット（６）、及び、前記流体試料の前記各特性についての情報を獲得する２つの要素、好ましくは圧力センサ（４、５、２６、２７）、である
ことを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の一体化されたマイクロ流体要素。
【請求項１４】
前記接線流濾過要素（７）、及び、前記流体試料の前記各特性についての情報を獲得する２つの要素、
好ましくは圧力センサ（４、５、２６、２７）、
の機能を含み、及び、
必須でないが、好ましくは、加えて圧力調整要素（８）
の機能を含む
ことを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の一体化されたマイクロ流体要素。
【請求項１５】
毛細管（２８）又は毛細管チャネル、及び、前記流体試料の前記各特性についての情報を獲得する２つの要素、好ましくは圧力センサ（４、５、２６、２７）、の機能を含む、
ことを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の一体化されたマイクロ流体要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好ましくは小体積の流体試料に含有される成分の濃度を増加させるための、マイクロフロー濾過システムに関する。システムは、流体試料の通過により濃縮液の流れと浸透液の流れとに流体試料を分離することが可能な半透膜を有したマイクロ接線流（タンジェンシャルフロー）濾過要素を備える。流体回路は、ポンピング要素、回路内の流体試料の各特性についての情報を獲得する少なくとも１つの要素（例えば、試料の粘度若しくは膜間差圧の測定についての情報を獲得する２つ以上の圧力センサ、又は流体試料の成分の濃度についての情報を獲得する光学キュベット）、各要素を回路及び任意にフロー調整器に接続する複数の導管を更に備える。
【０００２】
流体試料に含有される成分の精製又は濃縮のために半透膜を使用して流体試料を濾過するフロー濾過システムは、技術水準において公知である。これらのシステムは、精製の場合には微粒子状若しくは分子状汚染物質を除去するために使用され、又は例えば研究室での分析のためには流体内の成分の濃度を増加させるために使用される。このようなシステムはまた、ダイアフィルトレーションによって関連する分子又は微粒子を含む溶媒を交換するために適用され得る。このような濾過システムの膜は、フローチャネルの直径全体を膜が覆うように流体試料の流れ方向に対して法線向きに位置することができ、法線流濾過又は全量濾過として特徴づけられるか、又は膜面が、液体試料のフローに略平行に位置することができ、接線流濾過システム（ＴＦＦ−システム）として公知である。
【０００３】
接線流濾過システムは、対応する法線流濾過システムと比べて高い流束及び高い処理量がこのようなシステムによって多くの場合達成され得るように、膜面と略平行な試料のフローの方向に自動的な払拭及び洗浄が行われるという利点を有する。更に、目詰まり、ファウリング、又は濃度分極がこのようなシステム内で生じないように、試料の大きな画分が継続的に膜面上を流れる。これらの及び他の利点に関連して、接線流濾過システム（ＴＦＦ−システム）は、多くの場合生物工学及び製薬プロセスで使用される。
【０００４】
半透膜を有する接線流濾過要素を流体が通過する間、膜の孔径より小さい溶液の成分は浸透液の流れとして膜を通過して流れ、他方で大きな成分は濃縮液の流れに保持される。濃縮液の流れは、フロー回路内で再循環して、再び膜を横断するよう連続的に送り出される。このようなＴＦＦ−システムは、浸透液の流れがシステムから引き出される際に試料溶液の体積を大幅に低減させるために使用される。したがって、システムが濃縮モードで稼働するときに、試料溶液は濃縮される。
【０００５】
他の用途では、緩衝液のような溶液内の２つ以上の成分の分離が実行される必要がある。したがって、１つの成分が浸透液の流れとして引き出され別の成分によってすなわち交換緩衝溶液によって交換されるように、必ずしも必要ではないが分離される成分を典型的に含まない交換緩衝溶液（ダイアフィルトレーション溶液）がシステムに添加され、最終的に、例えば、１つの緩衝液が別の緩衝液によって交換される。ダイアフィルトレーションモード及び濃縮モードは、特別な制御方式を使用して同じシステム内で実行され得る。
【０００６】
文献WO 2006/026253 A2は、工業的−生産規模−システムに研究室規模のＴＦＦ−システムの結果を転送する接線流濾過（ＴＦＦ）プロセス開発装置を説明する。工業的規模プロセスへの「拡大」に関係した情報及びデータが、自動で収集される。したがって、０．５Ｌ〜５Ｌのバッチのリザーバを約２０mL又は２０mL未満の最小容積まで濃縮することが可能な完全自動ＴＦＦ−システムが提供される。そのため、システムの最小再循環容積（最小作業容積とも呼ばれる）は、約２０mL（又は２０mL弱）である。このような最小再循環容積を実現するために、流体を貯蔵する特別なタンクが使用される。
【０００７】
リザーバを収容するタンクは、リザーバの下流端部に位置した混合ゾーンを有する。タンクの入口及び出口は、約２０mLの濃縮のために最終的に得られる体積を可能にするために、混合ゾーンに位置決定される。リザーバの入口及び出口がタンクの底部に位置決定されるが、０．５Ｌ又は２Ｌ又は５Ｌの最大容積を有したタンクの比較的大きな規模のため、最小再循環容積の最小値は約２０mL又は２０mL弱に制限される。最小再循環容積は、２０mLの範囲であり、このようなシステムにより約１５mL又は１０mLまで低減され得るが、それより低い値までは低減されない。したがって、提案されるシステムを、濃縮プロセスの最後に１０mL未満の濃縮された溶液の終了体積を受けるように使用又は最適化することができない。
【０００８】
接線流濾過システムは、多くの場合、生物工学的、化学的、治療的、又は診断的用途で有用な物質の生成プロセスで、所望の物質の濃度を増加させるために使用される。これらの生成プロセスで使用される出発材料及び溶液は、多くの場合高価で稀少であるため、工業的規模のプロセスの前に、研究室規模の濾過プロセスが、少量及び少体積の溶液及び試料だけを使用して行われる。成分が損傷に敏感なタンパク質などである場合、大規模な装置に存在する剪断力及び他の力のために、これは特に重要である。例えば、溶液に濃縮される必要のある生物工学的に生成されたタンパク質は、極めてコストがかかる一方で、工業的規模のプロセス装置において生じる力による損傷に極めて敏感である。したがって、工業的規模の装置で溶液のこのようなタンパク質を濃縮する危険性は高い。更に、これらのタンパク質は、多くの場合、大量に入手不可能である。
【０００９】
したがって、好ましくは１０倍以上で、最大２０mLの出発体積を使用して、溶液の成分を濃縮することができるフロー濾過装置に対する、工業プロセス開発での強い要求が存在する。
【００１０】
本発明の目的は、最大２０mL、好ましくは最大１０mLの溶液の出発体積を扱って、溶液の成分を濃縮することが可能な最適化されたＴＦＦ−システムを提供することである。濃縮プロセスの最後での濃縮された溶液の最終的に得られる体積は、好ましくは最大２mL、特に好ましくは最大１mL、特に好ましくは最大１００μLである。濾過プロセスは速く、そして経済的で、反復可能で、正確でなければならない。
【００１１】
問題は、請求項１に記載の特性を有する流体試料に含有される成分の濃度を増加させるマイクロ流体フロー濾過システムによって解決される。目的はまた、請求項１１に記載の一体化されたマイクロ流体要素によって達成される。
【００１２】
流体試料に含有される成分の濃度を増加させる本発明によるマイクロフロー濾過システムは、流体試料又は溶液が再循環するループの形態の流体回路を有する。流体回路は、接線流濾過要素（ＴＦＦ−要素）、流体回路及び接線流濾過要素を通過する流体試料の流体フローを増加及び駆動させるのに適したポンピング要素、回路内の流体試料の各特性についての情報を獲得する少なくとも２つの各要素、並びに流体試料の流体の流れが導通される流体回路に各要素を接続する複数の導管を備える。任意に、流体回路はまた、回路の圧力及び／又はフローの調整のための調整要素を備える。
【００１３】
流体回路は、最小再循環容積とも呼ばれる最小作業容積を有する。この容積は、回路内に空気をポンピングせずに流体が回路を再循環することができるように、流体回路内に保持されなければならない流体の量である。換言すれば、回路に連続的な流体フローが配置され得るように、流体回路の各要素及びこれらの各要素を接続する導管は流体で充填されなければならない。最小作業容積は、回路で使用される各要素に左右される。例えば、流体を搬送するチューブが回路に取り付けられる場合、これらのチューブもまた最小作業容積に無視できない寄与を有する。本発明によるマイクロ流体濾過システムの回路の最小作業容積は、最大５mLである。好ましくは、回路の最小作業容積は更に小さく、例えば好ましくは最大２mL、更に好ましくは最大１mL、特に好ましくは最大１００μLである。
【００１４】
本発明によれば、流体回路はまた、回路の各要素のグループの少なくとも２つの各要素の機能が一体化される一体化されたマイクロ流体要素を含む。したがって、一体化されたマイクロ流体要素は、回路の上記の各要素の少なくとも２つの機能が実現される回路の要素又はコンポーネントである。したがって、置き換えられる２つの分離した各要素の代わりに、１つだけの一体化されたマイクロ流体要素が回路に配置される。好ましくは、一体化されたマイクロ流体要素は、透過回路ではなく、流体回路の濃縮回路に配置される。回路の２つの各要素の機能が１つだけの要素に提供され、システムの作業容積は減少又は低減するので、特に濃縮モードで、マイクロ流体要素のこのような位置決定は有利である。
【００１５】
一体化されたマイクロ流体要素は、容積を有した容積要素を定める。したがって、別個の容積が、一体化されたマイクロ流体要素に割り当てられ得る。要素の容積は、流体回路の最小作業容積の４分の１を超えない。好ましい実施形態では、一体化されたマイクロ流体要素のこの副容積は、流体回路の作業容積の最大２０％、好ましくは最大１５％、及び更に好ましくは最大１０％である。一体化されたマイクロ流体要素の副容積が小さいほど、流体回路の全作業容積を意味するシステムの全作業容積に対する影響は小さくなる。好ましい実施形態では、一体化されたマイクロ流体要素の容積（副容積）は、少なくとも５００μL、好ましくは最大２００μLである。
【００１６】
これは、一体化されたマイクロ流体要素が２つの置き換えられた各要素より小さなサイズであり得るという利点を有する。一体化されたマイクロ流体要素は、２つの置き換えられた各要素とこれらの各要素を接続する各導管の容積より、小さな容積を有する。したがって、最小作業容積に対する一体化されたマイクロ流体要素の寄与は、流体回路の２つの分離した各要素及びこれらの各要素を接続する各導管の寄与より十分に小さい。特に、各要素へ導管を接続する継手及びチューブ又は流体チャネルが無視できない役割を果たすため、接続導管及び置き換えられた各要素が互いに接続されなければならないという点が、最小作業容積に対する寄与を増加させる。
【００１７】
したがって、一体化されたマイクロ流体要素を使用することで、１つの容積要素に２つの要素の機能を組み合わせることができる。これは、低減させる最小作業容積にプラスの影響を有する。非常に少量（１５mL未満、好ましくは５mL未満）の流体であっても、フロー濾過システムで処理することができ、濃縮モードでは、流体の濃度を１００倍以上まで上昇させることができる。
【００１８】
マイクロ流体濾過システムの好ましい実施形態では、回路は流体を含むのに適したリザーバ要素を更に備え、リザーバ要素は流体回路のループに一体化される。リザーバ要素は、共に回路に接続されたリザーバ入口及びリザーバ出口を有する。好ましくは、リザーバの入口及び出口は、タンクなどでもあり得るリザーバの底部に配置される。これにより、回路の最小作業容積に対するリザーバの寄与が確実に相対的に小さくなる。
【００１９】
好ましくは、リザーバの容積は、最大２０mL、特に最大１０mLである。本発明の間、リザーバのサイズが５mLのリザーバの最大容積へ更に低減し得ることが認識された。好ましい実施形態では、リザーバは、最大２mLの、非常に好ましくは最大１mLの容積を有する。非常に小さな溶液体積が処理されなければならない場合には、リザーバの容積を最大０．７mL又は好ましくは最大０．５mLの容積まで更に低減させることができる。特に約０．５mL以下の流体バッチがマイクロ流体濾過システムで処理されなければならない場合には、一体化されたマイクロ流体要素への回路の少なくとも２つの要素の機能の一体化が重要な役割を果たす。
【００２０】
好ましい実施形態では、濾過システムの回路は、流体溶液に含有される成分の濃度についての情報を獲得する光学的測定要素を備える。濃縮プロセスの間に流体試料が流れ、流体溶液に含有される１つ以上の成分の濃度に関するパラメータの光学的測定が実行され得るように透明な、キュベットなどを、この光学的測定要素は好ましくは備える。
【００２１】
別の好ましい実施形態では、回路は、流体試料の粘度についての情報を獲得する測定要素、及び／又は少なくとも１つのバルブ要素、及び／又は毛細管チャネル要素、及び／又は中空繊維要素を備え、これらの各要素はまた、回路の各要素のグループの部材である。流体試料の粘度についての情報を獲得する測定要素は、通常少なくとも２つの圧力センサからなり、圧力センサの結果は、ハーゲン−ポアズイユの式を使用して、流体試料の粘度を測定するために使用され得る。本発明の開発の間、流体回路の２点での圧力差と回路内の溶液の粘度との間に線形依存性があることを示す調査が実行された。
【００２２】
回路の接線流濾過要素は、供給入口、濃縮液出口、浸透液浸透液出口、並びに供給入口を通り接線流濾過要素内へと向かう流体試料の通過により流体試料を濃縮液の流れと浸透液の流れとに分離することが可能な半透膜を有する。濃縮プロセスのために、いくつかの製造業者から市販される接線流濾過要素が使用され得る。溶液の小さな体積をも処理するマイクロ流体フロー濾過システムのために流体濾過要素を選択するための重要な基準は、最小作業容積に対する接線流濾過要素の寄与である。したがって、膜の表面積及び接線流濾過要素の容積は重要である。フロー濾過要素の最小作業容積に対する寄与は、できる限り小さくなければならず、好ましくはＴＦＦ−要素の最小作業容積は、最大１０００μL、好ましくは最大５００μL又は更に好ましくは最大１００μL、特に好ましくは最大２０μLである。
【００２３】
ポンピング要素が回路に一体化されるポンプであることは、当業者に明白である。ここでは、公知のポンプが使用され得る。例えば、ポンピング要素は、回路内の流体の連続フローを確実にするために、シリンジ又は２つ以上のシリンジを備えることができ、代替的に、ピストンポンプ又は蠕動ポンプ又はギアポンプを使用することができる。
【００２４】
好ましくは、流体の各特性についての情報を獲得する要素は、回路内の圧力及びフローについての情報を獲得する要素、特に好ましくは１つ以上の圧力センサである。
【００２５】
好ましくは、回路内のフローを調整する１つ以上の調整要素もまた、回路内に一体化される。このような各調整要素は、バルブ、各調節可能なポンピング要素及び／又は圧力調整器などであり得る。
【００２６】
好ましい実施形態では、マイクロ流体フロー濾過システムは、含有される成分がタンパク質である溶液のために使用される。特に、例えばプロセス開発のための、流体に含有される少量の成分だけが入手可能な研究分野では、改良されたＴＦＦシステムが、例えば機械的応力に関する技術的プロセス条件に似た条件下で、例えば非常に少量の（例えば１００未満又は更に２０mg未満の）これらの化合物で、濃度実験を実行する必要がある。場合によっては、十分に多い量でこのようなタンパク質を供給することが可能であるが、このような生成は、多くの時間及び材料を必要とし、特別な出費をもたらす。
【００２７】
濃縮率が試料の体積と回路又はマイクロ流体フロー濾過システムの最小作業容積との比率に左右されることが知られている。したがって、少量の流体試料だけが入手可能で、所望の濃縮率が２〜１００以上の範囲にある場合には、回路の最小作業容積を大幅に低減させる必要がある。好ましくは、最小作業容積は、最大１mL、更に好ましくは最大５００μLである。場合によっては、回路の最小作業容積は、最大２００μL、特に好ましくは最大１００μLである。特に、濃縮率が５０より多いと決定される場合には、先に述べたような少量の最小作業容積が好ましい。
【００２８】
好ましい実施形態では、リザーバのない回路の作業容積が特に関心となる。好ましくは、この最小作業容積は、最大９００μL、更に好ましくは最大５００μL、また更に好ましくは最大３５０μLである。最大２００μL、１５０μL、１２０μL、１００μL又は９０μLの回路の最小作業容積が、特に好ましい。所定の濃縮倍率が５０又は１００より多い場合には、このような小さな最小作業容積が好ましい。
【００２９】
小さな最小作業容積を有したマイクロフロー濾過システムを配置するために、回路で使用される導管の内径は、最大１．５mm、好ましくは最大１mmである。２００μL未満の最小作業容積のために、最大０．７mm、又は特に好ましくは最大０．３mmの内径を有する導管が使用される。導管は、好ましくは回路の要素のチャネル又は通路である。それらはまた、管又はチューブであり得る。これらの導管は、回路の一体化されたマイクロ流体要素を回路の他の各要素と接続する。したがって、導管としての剛性管が使用され得る。
【００３０】
本発明によるフロー濾過システムの好ましい実施形態では、システムは、回路の外側に位置するが回路と流体接続する第２のリザーバを備える。第２のリザーバは、回路自体の又はもし存在するならば回路の第１のリザーバ要素の容積よりも、実質的に大きな容積を有する。したがって、第２の外部のリザーバは、濃縮される成分を含有した流体溶液のための主要なリザーバである。好ましくは、回路の外側のこの第２のリザーバは、回路のリザーバ要素の又は回路自体の容積よりも、少なくとも１０倍大きい、好ましくは２０倍大きい容積を有する。
【００３１】
本発明によるシステムは、タンパク質又は分子などのような流体試料に含有される成分を濃縮するために使用され得る。任意に、システムはまた、ダイアフィルトレーションモードで使用され得る。この場合、外部の第２のリザーバは、所望の成分を同様に含有する回路に含まれる溶液内の緩衝液を交換するために使用されるべき緩衝液を含んだ溶液を含む。したがって、緩衝液の交換が容易に実行され得る。ダイアフィルトレーションモードが回路の１つだけのリザーバを使用して同様に提供され得ることは、明らかである。このような場合、回路が流体試料で充填され、リザーバが緩衝溶液で充填される。
【００３２】
生物工学及びプロセス技術の分野では、貫流法を使用した流体試料の成分の濃度、流体試料内の凝集体の形成、及び流体試料の粘度の測定を要求する多くの用途が存在する。典型的な例は、流体試料に含有されるタンパク質の濃度が濃縮プロセスの間にオンラインで測定されなければならないという要求である。したがって、実際の流体パラメータ、すなわち粘度、濃度及び凝集体の形成は、プロセスの間に測定される必要がある。これらのオンラインで測定されたパラメータに基づいて、システムはそれぞれ制御され得る。濃縮及び精製プロセスに不可欠なプロセスパラメータは、プロセスの間に変化する。そのため、関係したプロセスパラメータを調節することによって最適な濃縮プロセスが実行され得るように、タンパク質の濃度及び凝集体の形成率並びに溶液の粘度がリアルタイムで測定されなければならないという結果的な知識がもたらされる。
【００３３】
本発明の主題の開発では、濃度の測定のために、測光方法の使用が実施され得ることが判明した。この測光技術のために、好ましくは試料を希釈せずに流体試料が流れるキュベットが使用される。吸収の光学的測定のために、キュベットを通過する光を伝達し続ける光源が使用される。好ましい実施形態では、光は、流れ方向と垂直にキュベットを横断する。キュベットを使用して測光を実行するとき、好ましくは紫外放射が、試料に含有される化合物の（例えばタンパク質の）濃度を測定するために使用される。濃度のこのオンラインの測定に対する、良好な結果は、２８０nm±１０nmの波長の光の放射を使用して実現され得る。
【００３４】
試料流体での凝集体の出現を測定するためには、２８０±１０nmの波長と２９０nmより大きな波長（例えば３２０〜３３０nm）との吸収値間の比率が好ましい。
【００３５】
加えて、流体試料の粘度は、毛細管の入口及び出口のそれぞれに２つの圧力センサを備えた圧力検知要素を使用して測定され得る。これらの圧力センサは、キュベットを通過する試料のフローの間、入口の圧力センサと出口の圧力センサとの間の圧力の差を検出する。この測定は、キュベットの公知の幾何学的形状、及び所定の（一定の）流束又は流動率を使用して実行される。キュベットを通過するフローの間の圧力の変化に基づき、流体試料の粘度が、ハーゲン−ポアズイユの式のような周知の式に基づいて算出され得る。粘度は、測定された圧力差と比例する。
【００３６】
好ましい実施形態では、本発明による一体化されたマイクロ流体要素は、２つの圧力センサ及びキュベットのこれらの２つの機能を含み、そして組み合わせる。したがって、一体化されたマイクロ流体要素は、１つの要素でリアルタイムかつオンラインで流体試料内の粘度、化合物の濃度、及び凝集体の形成を測定するために、使用され得る。この利点に加えて、この一体化されたマイクロ流体要素の最小作業容積は、３つの分離したコンポーネント及びこれらのコンポーネントを接続する導管を使用する場合より実質的に小さい。
【００３７】
本発明との関連で、並列な流体回路で同じマイクロ流体要素内の試料流体の粘度及び濃度を測定することは、いくつかの困難をもたらすことが認識された。粘度を測定するために、毛細管に沿った圧力損失が検出されなければならない。典型的な研究室規模のシステム又は工業的−生産規模−システムでは、流体システム内を搬送される流体試料の大きな体積のため、並びにチューブ及び流体導管の大きな直径のために、このような測定は不可能である。つまり、このようなシステム内の全体の圧力及び圧力差が低くすぎるため、圧力損失測定に基づく正確な粘度の測定は不可能である。本発明の間、直径が圧力損失に最も大きな影響を有するので、正確な粘度測定のために、毛細管は、直径が非常に小さく（０．５mmより小さく）、好ましくは比較的短い長さ（２００mm未満）でなければならないことが認識された。したがって、チャネルの直径のばらつきは、圧力損失の測定の正確さに大きな影響を有する。粘度の大きな変動を測定するために、高い圧力範囲が、システムで扱われる必要がある。このようなチャネルで発生する典型的な圧力は、１００．０００Pa〜５００．０００Paの範囲、好ましくは最大１，０００，０００Paである。したがって、チャネルは、高い圧力に対して安定していなければならない。そのため、好ましくは毛細管であるチャネルの材料は、好ましくは金属である。本発明者らの調査は、特にガラスチャネルの壁が十分な厚さを有する場合に、ガラスもこの目的に適した材料であることを示した。例えばキュベットに使用されるような、ガラス製の流体チャネルは、非常に高い正確さで製作され、したがって、チャネル直径のばらつきを低減させることができ、圧力測定に対してプラスとなる。
【００３８】
他方で、比較的小さな直径は、濃度を測定するときに、透明な毛細管での光学的測定に対して追加的な利点を示す。特に測定されるのが高い濃度である場合、試料の光学濃度が試料の濃度の増加と共に大幅に増加するので、小さな直径はプラスの効果を有する。これにより、非常に複雑である高い吸収値が測定される。チャネル又はキュベットを通過して測定される吸収を低減させ、吸収測定を単純化するために、試料を通過する光ビームの光路長を低減させる必要がある。キュベットの直径の減少が、光路長を低減させ、したがって測定される吸収を低減させる。そのため、透明なチャネル又は毛細管に適した材料はガラスである。粘度測定に対するチャネル又は毛細管内の圧力に関する要求を満たすために、壁は、十分安定する厚さを有しなければならない。壁の厚さにもかかわらず、濃度の光学的測定は、減少した光路長により依然として可能である。
【００３９】
小さな直径を有するチャネルは、処理される濾過で典型的に形成される凝集体によって遮断又は目詰まりする傾向があるが、小さな直径を有するガラス製の透明なチャネルが、圧力損失測定を介して粘度を測定するために、そして試料の濃度を光学的に測定するために使用され得ることが理解された。したがって、このような透明な毛細管は、２つの圧力センサと組み合わせて、一体化されたマイクロ流体要素で使用され得る。
【００４０】
別の代替的又は累積的な好ましい実施形態では、本発明による一体化されたマイクロ流体要素は、マイクロ接線流濾過要素（ＴＦＦ−要素）及び回路内の流体試料の各特性についての情報を獲得する少なくとも１つの要素の機能を含み、そして組み合わせる。好ましくは、回路内の流体試料の各特性についての情報を獲得する要素は、回路内の流体試料の圧力を測定する圧力センサであり、この圧力値に基づいて、流体試料の粘度を測定するために使用され得る。したがって、この好ましい実施形態では、マイクロＴＦＦ−要素は、少なくとも１つの圧力センサ、更に好ましくは２つの圧力センサと組み合わせられる。
【００４１】
好ましくは、ＴＦＦ−要素は、フィルタカセットであり得るＴＦＦ−ハウジングを備える。ＴＦＦ−ハウジングは、一体化されたマイクロ流体要素のハウジングの一部である。この場合、ＴＦＦ−ハウジングは、マイクロ流体要素のハウジングに一体化される。好ましくは、ＴＦＦ−要素の膜は、使い捨て可能である。膜が目詰まりした場合に、膜を交換することができる。ＴＦＦ−要素の効率が所定の閾値まで低下した場合、膜の交換が必要になる。使い捨て可能な膜を備えたＴＦＦ−要素を設計することは、接続された導管への接続部に接触する必要がないように、特に接続部を開く必要がないように、フィルタカセット（ＴＦＦ−ハウジング）自体が流体回路で不変のままであり得るという利点を有する。更に、ＴＦＦ−要素が２つの圧力センサと共にマイクロ流体要素に一体化される場合、センサはセンサ自体の場所に特にマイクロ流体要素のハウジングのセンサ自体の位置に留まったままである。したがって、目詰まりの際にＴＦＦ−要素の膜だけを交換する場合、センサ自体もそれらの電気接続も影響を受けない。更に、フィルタカセット及び圧力センサを接続するチャネルが短いので、圧力センサを含むＴＦＦ−要素の流体チャネルのサイズ、特に容積を低減させることができる。
【００４２】
更なる好ましい実施形態では、加えて、回路の圧力が制御及び調節され得るように、この一体化されたマイクロ流体要素はまた、圧力調整要素の機能を含む。したがって、２つの要素の機能だけでなく、３つの（又は３つより多くの）要素の機能が、本発明による一体化されたマイクロ流体要素内に一体化される。
【００４３】
本発明による一体化されたマイクロ流体要素の別の好ましい実施形態では、一体化されたマイクロ流体要素は、毛細管又は毛細管チャネルの、及び２つの圧力センサの機能を含む。
【００４４】
本発明は、図に示される特定の実施形態に基づいて、以下でより詳細に例示される。図に示される技術的特性は、本発明の好ましい実施形態を作製するために、個別に又は組み合わせて使用され得る。説明される実施形態は、概略に定められる本発明の何らかの限定を意味するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】濾過システムの概略図である。
【図２】一体化されたマイクロ流体要素を備えた本発明によるフロー濾過回路を示す。
【図３】本発明による粘度の測定のための流体回路の別の概略図である。
【図４】濃度及び粘度を検出するための２つの圧力センサ及び測定要素の機能を含む一体化されたマイクロ流体要素を示す。
【図５ａ】回路の圧力を測定し、流体試料を濾過する機能を含んだ別のマイクロ流体要素の２つの実施形態を示す。
【図５ｂ】回路の圧力を測定し、流体試料を濾過する機能を含んだ別のマイクロ流体要素の２つの実施形態を示す。
【００４６】
図１は、回路１を有した現状技術のマイクロ流体フロー濾過システム１００を示す。回路１は、リザーバ２であるリザーバ要素、流体試料を含む容器又はタンク、ポンプ３であるポンピング要素、３つの圧力センサ４、５、３９、キュベット６、接線流濾過要素７、圧力調整器８、及び回路１から流体を引き出すＴ字状連結であるバルブ９を備える。回路１のそれぞれの機能は、リザーバ２、圧力センサ４、５若しくは３９、又はキュベット６のような単一の要素によって実現される。各要素のそれぞれ、更にこれらの各要素を接続する導管が回路の最小作業容積に寄与するため、最小作業容積は比較的大きい。現状技術では、流体回路１の最小作業容積は、少なくとも約２０mLである。通常は、最小作業容積は約１００mLの範囲である。
【００４７】
図２は、複数の導管２４のための、かつ複数の導管２４による回路１を備えた、本発明によるマイクロ流体濾過システム１００を示す。図２に示される流体回路１もまた、リザーバ２、４−ポート−バルブ（バルブ調製機器）１０によって実現されるポンプ３、及びピストンポンプの役割をする２つのシリンジ１１を備える。
【００４８】
マイクロ接線流濾過要素７は、供給入口１２、濃縮液出口１３、浸透液浸透液出口１４及び半透膜１５を備える。膜１５は、供給入口１２から接線流濾過要素７内への流体試料の通過により濃縮液の流れと浸透液の流れとに流体試料を分離することが可能である。浸透液浸透液出口１４を介して回路１から引き出された浸透液の流れは、浸透液チャンバ１６に収集される。浸透液チャンバは、浸透液の流れの量を量るため、膜１５を通過するフローを制御するため、及び引き出された流体の量を測定するために、はかり１７上に位置し得る。濃縮液の流れは、導管２４を通過して、リザーバ２、バルブ調整機器１０、一体化されたマイクロ流体要素２０を通ってＴＦＦ−要素７へと流れる。この回路は、マイクロ流体要素２０が位置する濃縮回路と呼ばれる。
【００４９】
本発明による回路１はまた、Ｔ字状連結及び出口ポート１８を備えたバルブ９を備える。出口ポート１８は、回路１から流体を引き出すために、特に濃縮プロセスの最後に濃縮された流体を引き出すために使用される。流体は、収集チャンバ２９へ導通される。
【００５０】
圧力調整器８は、流体回路１の圧力（その結果、流体フロー）を調整するための調整要素である。圧力調整器８は、回路１内で測定された圧力値により供給される制御ユニット１９によって制御される。これらの圧力値は、圧力センサ３９、及び一体化されたマイクロ流体要素２０内に一体化される少なくとも１つの圧力センサによって検出される。
【００５１】
一体化されたマイクロ流体要素２０は、分離した別個の要素であるいわゆる容積要素を定める。マイクロ流体要素２０は、マイクロ流体要素２０を通過する流体のフローの間に流体回路の流体が含まれる容積を有する。要素２０の容積は、完全な流体回路１の作業容積の最大２５％である。マイクロ流体要素２０が流体回路の主要各要素の１つであることは明らかである。したがって、その容積を減らすことは、流体回路全体及びその最小作業容積に直接及びプラスの影響がある。そのため、好ましくは、マイクロ流体要素２０の作業容積は、最小作業容積の最大２０％、更に好ましく最大１５％である。マイクロ流体要素２０の容積が最小作業容積の最大１０％の場合、プラスの影響が増加することも明らかである。マイクロ流体要素２０の容積が最大４００μL、好ましくは最大５０μLである場合には、本発明の枠内の調査の間、容積要素２０の容積のプラスの効果が確認された。しかも、これは、少ない流体試料の処理を可能にし、濃縮モードの場合に、高い濃縮率を実現する。
【００５２】
回路１は、図１の参照番号４、５及び６のそれぞれによって示される圧力センサ並びにキュベットの分離した各要素の代わりに、（ここでは一体化された圧力センサの前後の導管のそれぞれの直径と比較して異なる直径を有した毛細管の機能を有する）一体化されたマイクロ流体要素２０を備える。図２に示される実施形態では、一体化されたマイクロ流体要素２０は、回路１に含まれる流体試料の粘度を測定することが可能な粘度モジュール２１である。粘度モジュール２１の寸法は、２つの圧力センサ及びキュベットの分離した各要素の全体の寸法に対して、大幅に低減する。回路１の最小作業容積を全体で減少させることができるように各要素間の導管２４が短縮され得るという点が、重要な役割を果たす。
【００５３】
図３は、リザーバ２、ポンプ３、ホースクランプ２２の形態の圧力調整器８、及び一体化されたマイクロ流体要素２０又はマイクロ流体モジュールである粘度モジュール２１を備えた低減した回路１の主要概略図である。マイクロ流体要素２０は、２つの圧力センサ及びキュベットの機能を含む。粘度モジュール２１は、更に、キュベット機能を提供する一体化された透明な毛細管２８を使用して、光学的測定により、流体試料に含有される化合物の濃度及び凝集を測定することを可能にし、そして例えば圧力検知モジュール２６、２７の形態の、２つの圧力検知要素を使用して圧力勾配又は差を測定することで、粘度を測定することを可能にする。
【００５４】
図３に示される粘度モジュール２１は、この例ではチューブ２５である導管２４に接続するための２つのチューブ継手２３を有する。２つの圧力検知モジュール２６、２７の間に、圧力検知モジュール２６、２７に直接接続される毛細管２８が配置される。
【００５５】
粘度モジュール２１の容積又は最小作業容積は、圧力検知モジュール２６、２７の（又はモジュール２６、２７内の）有効容積、及び毛細管２８の有効容積によって形成される。（一体化されたマイクロ流体要素２０である）粘度モジュール２１の容積を変化させるために、毛細管２８の容積、又は圧力検知モジュール２６に対する流体接続の容積を変化させることができる。
【００５６】
粘度モジュール２１の最小作業容積を低減させ、その結果、回路１の最小作業容積も低減させるために、及び粘度測定を可能にするために、毛細管２８の内径は、好ましくは１００μmと５００μmとの間の範囲となる。特に、１００μmと２５０μmとの間の毛細管２８の内径が好ましい。毛細管が円形断面を有する場合、内径は毛細管２８の直径と理解される。毛細管が丸くない場合、内径は光学的測定の方向（矢印３４）と平行な寸法と理解すべきである。したがって、源３１によって伝達される放射又は光ビームは、内径に沿って毛細管２８を通過して、光学的検出器３２によって受け取られる。光学的測定距離３４に垂直な毛細管の幅は、（光ビームがキュベットを通過するのに小さ過ぎない限り）光学的測定に関係しない。
【００５７】
本発明によれば、毛細管２８は、好ましくは、毛細管２８に沿った実質的に高い圧力勾配を確立するように毛細管２８の流体抵抗及び流体的長さが調節されて、実現される。毛細管に沿った圧力勾配が、少なくともmPa秒（ミリパスカル秒）当たり約０．０５バーの範囲にある場合には、圧力勾配又は圧力差は実質的に高いと理解される。
【００５８】
図４は、本発明による一体化されたマイクロ流体要素２０の詳細図である。マイクロ流体要素２０は、２つの圧力検知モジュール２６、２７の機能、及び毛細管２８として一体化されるキュベット６の機能を含む粘度モジュール２１である。
【００５９】
図４の上部の図は、粘度モジュール２１の上面図である。透明な毛細管２８の幅ｗが接続導管２４の幅より広いことが明確に示される。この配置は、２つの圧力検知モジュール２６、２７での圧力差の測定に基づいて粘度を算出するために使用される。
【００６０】
図４の下部の図は、粘度モジュール２１の側面図である。キュベット要素６（毛細管２８）の高さｈが接続導管２４（好ましくは管である）及び継手２３のそれぞれの高さより小さいことが明確に示される。光学的測定ユニット３０は、毛細管２８より上に配置された発光源３１を備える。発光源３１は、例えば可視光又は紫外線光のような不可視光であり得る電磁放射を発するあらゆる源であり得る。光源３１から光学的測定方向３４に沿って伝達される放射が、粘度モジュール２１の透明な毛細管２８を通過して、検出器３２に到達するように、それぞれの光学的検出器３２は、毛細管２８の下に、好ましくは粘度モジュール２１の下に配置される。これにより、回路１及び粘度モジュール２１内を一方向に流れる溶液に含有された成分の濃度又は凝集体の、オンラインで、リアルタイムの監視が可能となる。
【００６１】
図５ａ、ｂは、図１又は図２にそれぞれ示される接線流濾過要素７の、並びに２つの圧力センサ５及び３９の機能を提供しそして機能を含む一体化されたマイクロ流体要素４０の２つの他の実施形態を示す。
【００６２】
図５ａの上部の図は、図２によるフロー濾過要素７の及び２つの圧力センサ５、３９の機能を備える一体化されたマイクロ流体要素４０の第１の実施形態の概略側断面図である。一体化されたマイクロ流体要素４０は、毛細管チャネル４４が形成されるハウジング５０を備える。毛細管チャネルはまた、供給入口１２、濃縮液出口１３及び浸透液浸透液出口１４を備える。マイクロ流体要素４０のハウジング５０は、接線流濾過要素７のＴＦＦ−ハウジング５１を形成する。好ましい実施形態では、ＴＦＦ−ハウジング５１は、マイクロ流体要素４０のハウジング５０の一部であり得る。一体化されたマイクロ流体要素４０は、濾過要素４１の端部にそれぞれ位置した２つの圧力検知モジュール２６、２７を備える。濾過要素４１は、支持構造４３の上に位置する膜１５を含んだ濾過チャンバ４２が続く供給入口１２を備える。浸透液浸透液出口１４を通って流れる流体が膜１５を通過しなければならないように、膜１５はシーリング４５によって封止される。好ましくは、接線流濾過要素７の膜１５は、使い捨て可能である。したがって、目詰まりの場合、又は所定のプロセス時間後、膜の効率が低下してもよい。このとき、膜だけを交換する必要がある。ＴＦＦ−要素７及びマイクロ流体要素４０は、元のままである。特に、接続導管への接続を交換又は入れ替えする必要はない。更に、膜１５を取り替えるだけでは、圧力検知モジュール２６、２７は影響を受けない。ハウジング５０に膜１５を封止するシーリング４５だけがまた、入れ替えられる。
【００６３】
濾過チャンバ４２の浸透液浸透液出口１４は、流れ方向に略垂直なチャンバ４２の端部に位置する。チャンバ４２の端部にはまた、濃縮液出口１３が、濾過要素４１を通過する流体フローの一部がこの端部でチャンバから離れるように位置決定される。濾過チャンバ４２の前後の流れ方向には、チャネル４４が、マイクロ流体要素４０に実現される。このチャネル４４には、２つの圧力検知モジュール２６及び２７がそれぞれ配置される。したがって、２つの圧力検知モジュール２６、２７間の圧力差は、マイクロ流体要素４０の膜間差圧を算出するために使用され得る。濾過チャンバ４２は更に、乱流プロモータによって補完され得る。
【００６４】
図５ａの下部の図は、上部の図の線Ａ−Ａに沿った上断面図である。マイクロ流体要素の２つの端部では毛細管チャネル４４が比較的小さいことが明確に分かる。圧力検知モジュール２６、２７の領域では、毛細管は広がる。濾過チャンバ４２は、毛細管チャネル４４及び検知モジュール２６、２７に対して更に広がる。検知モジュール２６、２７と濾過チャンバ４２との間で、毛細管チャネルはその（通常）幅を有する。
【００６５】
図５ｂは、濾過要素４１及び２つの圧力検知モジュール２６、２７を備える一体化されたマイクロ流体要素４０の別の実施形態を示す。上部の図は、一体化されたマイクロ流体要素４０の側断面図であり、下部の図は、線Ａ−Ａに沿った上断面図である。図５ａ及び図５ｂの２つの実施形態間の差は、図５ｂに示される実施形態では、供給入口１２及び濃縮液出口１３がマイクロ流体要素４０の上部側に位置することである。したがって、フローは、マイクロ流体要素４０の通過の間、２回方向が変わる。圧力検知モジュール２６及び２７は供給入口１２及び濃縮液出口１３にそれぞれ位置し、その結果、流体が濾過チャンバ４２を通過する前後に、流体の圧力が測定される。
【００６６】
図５ｂ自体の濾過要素４１の構成は、膜１５及び浸透液浸透液出口１４の配置に関しては、図５ａによる濾過要素４１の構成と類似する。上断面図は、毛細管チャネル４４が同様に圧力検知モジュール２６、２７の領域で広がることを明確に示す。
【００６７】
図５ａ及び図５ｂに示されるマイクロ流体要素４０の２つの実施形態は、要素の構成が安価でかつ実行が容易であるという利点を有する。小さな断片だけを互いに配置する必要があるという点により、濾過チャンバ４２の非常に小さな容積が実現され得るように断片を高精度で製造することができる。更に、濾過要素４１と圧力検知モジュール２６、２７との間の不必要な継手及び導管により、最小作業容積を更に低減させることができる。
【００６８】
したがって、特に流体回路内の流体試料に含有される成分の濃縮又は精製のための、この回路に含まれる各要素の少なくとも２つの機能を含んだ、一体化されたマイクロ流体要素又はモジュール４０のこれらの代替実施形態を使用することで、回路１の最小作業容積を低減させることができる。少なくとも２つの回路要素の機能の併合は、少量、好ましくは２０mL未満の液体を濃縮するために最適化された、小さくかつ低下した最小作業容積を有する小型のコンポーネント又はモジュールをもたらす。
【図１】
2015514003.tif 000003
【図２】
2015514003.tif 000004
【図３】
2015514003.tif 000005
【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
2015514003.tif 000008
【国際調査報告】
2015514003.tif 000009
2015514003.tif 000010
2015514003.tif 000011