Teorie di riduzione/aumento-dei filtri del flusso tangenziale

Il flusso di permeazione e la permeabilità sono due parametri cruciali nella filtrazione a membrana. Il flusso di permeazione è il volume di liquido che può passare per unità di tempo e per unità di area della membrana. La permeabilità è il rapporto tra la concentrazione del prodotto target nel permeato e la sua concentrazione nella soluzione di ritorno. Quando si confrontano filtri a flusso tangenziale di diverse dimensioni, è necessario controllare le variabili per ridurre al minimo le interferenze: selezionare membrane con materiale, dimensione dei pori e produttore coerenti; utilizzare soluzioni di alimentazione con composizione e concentrazione identiche; e condurre esperimenti in condizioni di temperatura ambiente uniformi. Una volta soddisfatte queste condizioni iniziali, è anche necessario controllare le condizioni sperimentali secondo tre principi (lo stesso volume di soluzione di alimentazione per unità di area della membrana, la stessa forza di taglio e lo stesso flusso di acqua iniziale) per garantire che il flusso di permeazione e la permeabilità dei filtri di diverse dimensioni siano approssimativamente coerenti in ogni momento.

 

Principio 1: Lo stesso volume di filtrazione del liquido di alimentazione corrisponde ad un'area unitaria della membrana.

Il flusso di permeazione, la permeabilità e le proprietà della membrana sono strettamente correlati. Oltre a garantire lo stesso materiale della membrana e la stessa dimensione dei pori, per ottenere lo stesso flusso di permeazione e permeabilità, le condizioni della superficie della membrana (torta del filtro e polarizzazione della concentrazione) dei filtri grandi e piccoli dovrebbero essere simili in qualsiasi momento. Per rendere il panello di filtrazione e la polarizzazione della concentrazione simili sulla superficie della membrana, il volume dello stesso liquido di alimentazione (sostanza, concentrazione) filtrato per unità di area dovrebbe essere lo stesso sia per i filtri grandi che per quelli piccoli. Pertanto, il rapporto del volume del liquido di alimentazione tra i filtri grandi e quelli piccoli dovrebbe essere uguale al rapporto delle rispettive aree della membrana, ovvero il volume del liquido di alimentazione corrispondente alla stessa area unitaria della membrana.

 

Principio 2: Le forze di taglio sulla superficie della membrana sono le stesse.

Nell'industria biofarmaceutica, le soluzioni di alimentazione che devono essere filtrate sono per lo più biologicamente attive. La forza di taglio sulla superficie della membrana non influenza solo la formazione del pannello filtrante e la polarizzazione della concentrazione, ma anche la bioattività dei prodotti biologici. Pertanto, è necessario garantire che la forza di taglio sulla superficie della membrana dei filtri a flusso tangenziale sia grandi che piccoli sia la stessa durante le operazioni sperimentali.

 

Principio3 : Stesso flusso iniziale

Nelle stesse condizioni del liquido di alimentazione, delle proprietà della superficie della membrana e delle condizioni operative, se il flusso iniziale è lo stesso e i cambiamenti della superficie della membrana sono simili, il flusso successivo sarà solitamente simile. Pertanto è necessario garantire che il flusso iniziale sia lo stesso in modo che il flusso corrispondente di volta in volta dei filtri grandi e piccoli sia simile.

Sebbene il materiale della membrana, la dimensione dei pori e il produttore dei filtri grandi e piccoli siano gli stessi, la loro resistenza totale alla filtrazione differisce a causa delle differenze nelle strutture di riempimento della membrana. Quando le resistenze di filtrazione dei filtri grandi e piccoli differiscono, sono necessari diversi valori di pressione transmembrana (TMP) per ottenere lo stesso flusso di permeato. Tipicamente, la pressione transmembrana (TMP) è la differenza tra le pressioni medie di ingresso e uscita e la pressione del permeato. Poiché il permeato sia nei filtri grandi che in quelli piccoli è collegato alla pressione atmosferica, la pressione del permeato in entrambi è 0 Pa. (pressione relativa). Pertanto, la pressione transmembrana nell'esperimento è la media della pressione di ingresso e della pressione di uscita.

Quando tutti e tre i principi di cui sopra sono soddisfatti e con le stesse condizioni iniziali, teoricamente il flusso di permeazione nello stesso momento dopo l'inizio della filtrazione sia per i filtri grandi che per quelli piccoli sarà lo stesso. Quando il flusso di permeazione in ogni momento è esattamente lo stesso, si può concludere che il tempo di filtrazione totale per entrambi i tipi di filtri è uguale. Vedere la figura seguente.

 

 

Diagramma schematico delle interazioni interne dei parametri fisico-chimici e operativi rilevanti

Riferimenti: Guo Shuyin. Progettazione e verifica di un piccolo filtro a flusso tangenziale e teoria del ridimensionamento del filtro a flusso tangenziale [D]. Università della Scienza e della Tecnologia della Cina Orientale, 2016.