Teorie zmenšování/zmenšování-filtrů tangenciálního toku

Permeační tok a permeabilita jsou dva klíčové parametry membránové filtrace. Permeační tok je objem kapaliny, který může projít za jednotku času a na jednotku plochy membrány. Permeabilita je poměr koncentrace cílového produktu v permeátu k jeho koncentraci ve zpětném roztoku. Při porovnávání filtrů s tangenciálním průtokem různých velikostí je nutné řídit proměnné, aby se minimalizovala interference: vyberte membrány s konzistentním materiálem, velikostí pórů a výrobcem; používat krmné roztoky se stejným složením a koncentrací; a provádět experimenty za podmínek jednotné teploty místnosti. Jakmile jsou tyto počáteční podmínky splněny, je také nutné řídit experimentální podmínky podle tří principů (stejný objem napájecího roztoku na jednotku plochy membrány, stejná smyková síla a stejný počáteční tok vody), aby bylo zajištěno, že permeační tok a propustnost filtrů různých velikostí jsou v každém okamžiku přibližně konzistentní.

 

Princip 1: Stejný objem filtrace přiváděné kapaliny odpovídá jednotkové ploše membrány.

Permeační tok, permeabilita a vlastnosti membrány spolu úzce souvisí. Kromě zajištění stejného materiálu membrány a velikosti pórů by k dosažení stejného permeačního toku a permeability měly být podmínky povrchu membrány (filtrační koláč a koncentrační polarizace) velkého a malého filtru v daném okamžiku podobné. Aby byla polarizace filtračního koláče a koncentrace na povrchu membrány podobná, objem stejné přiváděné kapaliny (látky, koncentrace) filtrované na jednotku plochy by měl být stejný pro velké i malé filtry. Proto by měl být poměr objemu přiváděné kapaliny mezi velkými a malými filtry roven poměru jejich membránových ploch, tj. objemu přiváděné kapaliny odpovídající stejné jednotkové membránové ploše.

 

Princip 2: Smykové síly na povrchu membrány jsou stejné.

V biofarmaceutickém průmyslu jsou krmné roztoky, které je třeba filtrovat, většinou biologicky aktivní. Smyková síla na povrchu membrány neovlivňuje pouze tvorbu filtračního koláče a koncentrační polarizaci, ale také bioaktivitu biologických produktů. Proto je nutné zajistit, aby smyková síla na povrchu membrány velkých i malých filtrů s tangenciálním prouděním byla během experimentálních operací stejná.

 

Princip3 : Stejný počáteční tok

Za stejných podmínek vstupní kapaliny, vlastností povrchu membrány a provozních podmínek, pokud je počáteční tok stejný a změny povrchu membrány jsou podobné, bude následující tok obvykle podobný. Proto je nutné zajistit, aby počáteční tok byl stejný, aby tok odpovídající každé době velkého a malého filtru byl podobný.

Přestože materiál membrány, velikost pórů a výrobce velkého a malého filtru jsou stejné, jejich celkový filtrační odpor se liší v důsledku rozdílů ve strukturách membránových výplní. Když se filtrační odpory velkého a malého filtru liší, jsou k dosažení stejného toku permeátu vyžadovány různé hodnoty transmembránového tlaku (TMP). Typicky je transmembránový tlak (TMP) rozdílem mezi průměrným vstupním a výstupním tlakem a tlakem permeátu. Protože je permeát ve velkém i malém filtru napojen na atmosférický tlak, je tlak permeátu v obou 0 Pa. (přetlak). Proto je transmembránový tlak v experimentu průměrem vstupního tlaku a výstupního tlaku.

Když jsou splněny všechny tři výše uvedené principy a za stejných počátečních podmínek, teoreticky, bude permeační tok ve stejném okamžiku po začátku filtrace pro velké i malé filtry stejný. Když je permeační tok ve všech okamžicích přesně stejný, lze usoudit, že celková doba filtrace pro oba typy filtrů je stejná. Viz obrázek níže.

 

 

Schematický diagram vnitřních interakcí příslušných fyzikálně-chemických a provozních parametrů

Reference: Guo Shuyin. Návrh a ověření malého tangenciálního průtokového filtru a teorie škálování tangenciálního průtokového filtru dolů/nahoru [D]. East China University of Science and Technology, 2016.