Teorier om nedskalering/skalering-Opp Tangential Flow-filtre

Permeasjonsfluks og permeabilitet er to avgjørende parametere i membranfiltrering. Permeasjonsfluks er volumet av væske som kan passere per tidsenhet og per enhet membranareal. Permeabilitet er forholdet mellom konsentrasjonen av målproduktet i permeatet og konsentrasjonen i returløsningen. Når man sammenligner tangentielle strømningsfiltre av forskjellige størrelser, er det nødvendig å kontrollere variabler for å minimere interferens: velg membraner med konsistent materiale, porestørrelse og produsent; bruk fôrløsninger med identisk sammensetning og konsentrasjon; og utføre eksperimenter under jevne romtemperaturforhold. Når disse startbetingelsene er oppfylt, er det også nødvendig å kontrollere de eksperimentelle forholdene i henhold til tre prinsipper (samme mateløsningsvolum per enhet membranareal, samme skjærkraft og samme innledende vannfluks) for å sikre at permeasjonsfluksen og permeabiliteten til filtre av forskjellige størrelser er tilnærmet konsistente i hvert øyeblikk.

 

Prinsipp 1: Samme matevæskefiltreringsvolum tilsvarer en enhetsmembranareal.

Permeasjonsfluks, permeabilitet og membranegenskaper er nært beslektet. Foruten å sikre samme membranmateriale og porestørrelse, for å oppnå samme permeasjonsfluks og permeabilitet, bør membranoverflateforholdene (filterkake og konsentrasjonspolarisering) til de store og små filtrene være like til enhver tid. For å gjøre filterkaken og konsentrasjonspolariseringen lik på membranoverflaten, bør volumet av samme matevæske (stoff, konsentrasjon) filtrert per arealenhet være det samme for både store og små filtre. Derfor bør forholdet mellom matevæskevolum mellom de store og små filtrene være lik forholdet mellom deres membranarealer, dvs. volumet av matevæske som tilsvarer samme enhetsmembranareal.

 

Prinsipp 2: Skjærkreftene på membranoverflaten er de samme.

I den biofarmasøytiske industrien er fôrløsningene som må filtreres for det meste biologisk aktive. Skjærkraften på membranoverflaten påvirker ikke bare dannelsen av filterkake og konsentrasjonspolarisering, men også bioaktiviteten til biologiske produkter. Derfor er det nødvendig å sikre at skjærkraften på membranoverflaten til både store og små tangentielle strømningsfiltre er den samme under eksperimentelle operasjoner.

 

Prinsipp3 : Samme innledende fluks

Under samme betingelser for tilførselsvæske, membranoverflateegenskaper og driftsbetingelser, hvis den opprinnelige fluksen er den samme og membranoverflateendringene er like, vil den etterfølgende fluksen vanligvis være lik. Derfor er det nødvendig å sikre at den innledende fluksen er den samme, slik at fluksen som tilsvarer hver tid for de store og små filtrene er lik.

Selv om membranmaterialet, porestørrelsen og produsenten av de store og små filtrene er de samme, er deres totale filtreringsmotstand forskjellig på grunn av forskjeller i membranpakningsstrukturer. Når filtreringsmotstanden til de store og små filtrene er forskjellige, kreves forskjellige transmembrantrykkverdier (TMP) for å oppnå samme permeatfluks. Typisk er transmembrantrykket (TMP) forskjellen mellom gjennomsnittlig innløps- og utløpstrykk og permeattrykket. Siden permeatet i både store og små filtre er knyttet til atmosfærisk trykk, er permeattrykket i begge 0 Pa. (Måltrykk). Derfor er transmembrantrykket i forsøket gjennomsnittet av innløpstrykket og utløpstrykket.

Når alle tre prinsippene ovenfor er tilfredsstilt, og med de samme startbetingelsene, teoretisk vil permeasjonsfluksen i samme øyeblikk etter at filtreringen starter for både store og små filtre være den samme. Når permeasjonsfluksen til alle øyeblikk er nøyaktig den samme, kan det konkluderes med at den totale filtreringstiden for begge typer filtre er lik. Se figuren nedenfor.

 

 

Skjematisk diagram av interne interaksjoner av relevante fysisk-kjemiske og operasjonelle parametere

Referanser: Guo Shuyin. Design og verifikasjon av et lite tangentialt strømningsfilter og teorien om tangentialstrømningsfilter skalering ned/opp [D]. East China University of Science and Technology, 2016.