Поперечная фильтрация

В химической технологии , биохимической инженерии и очистке белков , поперечноточная фильтрация. ^[1] (также известная как фильтрация тангенциального потока) ^[2]) — вид фильтрации (отдельная единичная операция ). Фильтрация с перекрестным потоком отличается от тупиковой фильтрации, при которой сырье пропускают через мембрану или слой, при этом твердые частицы улавливаются фильтром , а фильтрат высвобождается на другом конце. Фильтрация с перекрестным потоком получила свое название потому, что большая часть потока сырья проходит по касательной через поверхность фильтра, а не внутрь фильтра. ^[1] Основное преимущество этого метода заключается в том, что осадок на фильтре (который может засорить фильтр) существенно смывается в процессе фильтрации, что увеличивает продолжительность работы фильтрующей установки. Это может быть непрерывный процесс, в отличие от периодической тупиковой фильтрации.

Этот тип фильтрации обычно выбирается для сырья, содержащего большое количество твердых частиц небольшого размера (где пермеат имеет наибольшую ценность), поскольку твердый материал может быстро заблокировать (заблокировать) поверхность фильтра в результате тупиковой фильтрации. Промышленные примеры этого включают экстракцию растворимых антибиотиков из ферментативных растворов.

Основной движущей силой процесса поперечноточной фильтрации является трансмембранное давление. Трансмембранное давление — это мера разницы давлений между двумя сторонами мембраны. Во время процесса трансмембранное давление может снизиться из-за увеличения вязкости пермеата, поэтому эффективность фильтрации снижается и может занять много времени для крупномасштабных процессов. Этого можно избежать путем разбавления пермеата или увеличения скорости потока в системе.

Операция

При фильтрации с перекрестным потоком сырье проходит через мембрану фильтра (тангенциально) при положительном давлении по отношению к стороне пермеата. Часть материала, размер которой меньше размера пор мембраны, проходит через мембрану в виде пермеата или фильтрата ; все остальное сохраняется на стороне подачи мембраны в виде ретентата.

При фильтрации с перекрестным потоком тангенциальное движение массы жидкости через мембрану приводит захваченных частиц к стиранию на поверхности фильтра. Это означает, что фильтр поперечного потока может работать непрерывно при относительно высоких нагрузках по твердым частицам, не засоряясь.

Преимущества перед обычной фильтрацией

Более высокая общая скорость удаления жидкости достигается за счет предотвращения образования фильтрационной корки.
Технологическое сырье остается в виде подвижной суспензии, пригодной для дальнейшей переработки.
Содержание твердых веществ в суспензии продукта может варьироваться в широком диапазоне.
Возможно фракционирование частиц по размеру. ^[3]
Трубчатый пинч-эффект

Промышленное применение

Технология мембранной фильтрации с перекрестным потоком широко используется в промышленности по всему миру. Фильтровальные мембраны могут быть полимерными или керамическими, в зависимости от применения. Принципы перекрестноточной фильтрации используются в обратном осмосе , нанофильтрации , ультрафильтрации и микрофильтрации . Очистка воды может быть очень экономичной по сравнению с традиционными методами испарения.

При очистке белков термин «фильтрация с тангенциальным потоком» (TFF) используется для описания фильтрации с поперечным потоком с помощью мембран. Этот процесс можно использовать на разных стадиях очистки, в зависимости от типа выбранной мембраны. ^[2]

На фотографии промышленной установки фильтрации (справа) можно увидеть, что трубопровод рециркуляции значительно больше, чем трубопровод подачи (вертикальная труба справа) или трубопровод для пермеата (небольшие коллекторы рядом с рядами фильтров). белые зажимы). Эти размеры труб напрямую связаны с долей жидкости, проходящей через агрегат. Специальный насос используется для многократной рециркуляции сырья по всей установке, прежде чем ретентат, богатый твердыми частицами, переносится на следующую часть процесса.

Методы повышения производительности

Обратная промывка

При обратной промывке трансмембранное давление периодически инвертируется с помощью вторичного насоса, так что пермеат течет обратно в сырье, поднимая слой загрязнения с поверхности мембраны. Обратная промывка неприменима к спирально навитым мембранам и не является общепринятой практикой в большинстве случаев. (См. Очистка на месте ) ^[4]

Переменный тангенциальный поток (ATF)

Диафрагменный насос используется для создания переменного тангенциального потока, помогая вытеснять оставшиеся частицы и предотвращать загрязнение мембраны. Repligen – крупнейший производитель систем ATF.

Очистка на месте (CIP)

Системы очистки на месте обычно используются для удаления загрязнений с мембран после интенсивного использования. В процессе CIP могут использоваться моющие средства, реактивы, такие как гипохлорит натрия , а также кислоты и щелочи, такие как лимонная кислота и гидроксид натрия (NaOH). На некоторых мембранных установках гипохлорит натрия (отбеливатель) необходимо удалять из корма. Отбеливатель окисляет тонкопленочные мембраны. Окисление приведет к разрушению мембран до такой степени, что они перестанут работать на номинальном уровне отбраковки и их придется заменить. Отбеливатель можно добавить в CIP-мойку с гидроксидом натрия во время первоначального запуска системы перед загрузкой в установку спирально-навитых мембран, чтобы облегчить дезинфекцию системы. Отбеливатель также используется для CIP-мембран из перфорированной нержавеющей стали (Graver), поскольку их устойчивость к гипохлориту натрия намного выше, чем у мембран со спиральной намоткой. В качестве основных химикатов CIP чаще всего используются каустики и кислоты. Каустик удаляет органические загрязнения, а кислота удаляет минералы. Растворы ферментов также используются в некоторых системах для удаления органических загрязнений из мембранной установки. Уровень pH и температура важны для программы CIP. Если pH и температура слишком высоки, мембрана разрушается, и производительность потока ухудшается. Если pH и температура слишком низкие, система просто не будет очищена должным образом. Каждое приложение имеет разные требования CIP. например, молочный завод Установка обратного осмоса (RO), скорее всего, потребует более строгой программы CIP, чем установка RO для очистки воды. Каждый производитель мембран имеет свои собственные рекомендации по процедурам CIP для своей продукции.

Концентрация

Объем жидкости уменьшается за счет обеспечения потока пермеата. Растворитель, растворенные вещества и частицы, размер которых меньше размера пор мембраны, проходят через мембрану, в то время как частицы, размер которых превышает размер пор, удерживаются и, таким образом, концентрируются. В биотехнологических процессах за концентрированием может следовать диафильтрация.

Диафильтрация

Для эффективного удаления компонентов пермеата из суспензии в сырье можно добавлять свежий растворитель для замены объема пермеата с той же скоростью, что и скорость потока пермеата, так что объем в системе остается постоянным. Это аналогично промывке осадка на фильтре для удаления растворимых компонентов. ^[4] Разбавление и повторное концентрирование иногда также называют «диафильтрацией».

Нарушение технологического процесса (PFD)

Технически более простой подход, чем обратная промывка, состоит в том, чтобы установить нулевое трансмембранное давление путем временного закрытия выпускного отверстия для пермеата, что увеличивает истирание слоя загрязнения без необходимости использования второго насоса. PFD не так эффективен при удалении загрязнений, как обратная промывка, но может быть полезным.

Расчет расхода

Поток или скорость потока в системах фильтрации с перекрестным потоком определяется уравнением: ^[4]

$J={\frac {\Delta P}{(R_{\rm {m}}+R_{\rm {c}})\mu }}$

в котором:

$J$ : жидкий флюс
$\Delta P$ : трансмембранное давление (должно также включать влияние осмотического давления для мембран обратного осмоса)
$R_{\rm {m}}$ : Сопротивление мембраны (зависит от общей пористости )
$R_{\rm {c}}$ : Сопротивление осадка (переменное, в зависимости от загрязнения мембраны)
$\mu$ : вязкость жидкости

Примечание: $R_{\rm {m}}$ и $R_{\rm {c}}$ включить в их вывод величину, обратную площади поверхности мембраны; таким образом, поток увеличивается с увеличением площади мембраны.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Корос В.Дж., Ма Ю.Х., Шимидзу Т. (июнь 1996 г.). «Терминология мембран и мембранных процессов (ИЮПАК)» (PDF) . Чистое приложение. Хим . 86 (7): 1479–1489. дои : 10.1351/pac199668071479 . S2CID 97076769 .
^ Jump up to: ^а ^б Техническая библиотека Millipore: Концентрация белков и диафильтрация с помощью тангенциальной проточной фильтрации
^ Бертера Р., Стивен Х., Меткалф М. (июнь 1984 г.). «Развитие поперечноточной фильтрации». Инженер-химик . 401 : 10.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Дж. Ф. Ричардсон; Дж. М. Коулсон; Дж. Х. Харкер; Дж. Р. Бэкхерст (2002). Химическая инженерия Коулсона и Ричардсона (Том 2) (5-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4445-1 .

Внешние ссылки

[IUPAC-1] Jump up to: ^а ^б Корос В.Дж., Ма Ю.Х., Шимидзу Т. (июнь 1996 г.). «Терминология мембран и мембранных процессов (ИЮПАК)» (PDF) . Чистое приложение. Хим . 86 (7): 1479–1489. дои : 10.1351/pac199668071479 . S2CID 97076769 .

[Millipore-2] Jump up to: ^а ^б Техническая библиотека Millipore: Концентрация белков и диафильтрация с помощью тангенциальной проточной фильтрации

[3] Бертера Р., Стивен Х., Меткалф М. (июнь 1984 г.). «Развитие поперечноточной фильтрации». Инженер-химик . 401 : 10.

[Coulson-4] Jump up to: ^а ^б ^с Дж. Ф. Ричардсон; Дж. М. Коулсон; Дж. Х. Харкер; Дж. Р. Бэкхерст (2002). Химическая инженерия Коулсона и Ричардсона (Том 2) (5-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4445-1 .

[1]

[2]

[3]

[4]

v т и Процессы разделения
Процессы	Поглощение Кислотно-щелочная экстракция Адсорбция Хроматография Поперечная фильтрация Кристаллизация Циклоническая сепарация Декантация Диализ Флотация растворенным воздухом Дистилляция Сушка Электрохроматография Электрофильтрация Добыча Фильтрация Флокуляция Пенная флотация Гравитационное разделение выщелачивание Жидкостно-жидкостная экстракция Электроэкстракция Микрофильтрация Осмос Осадки Рекристаллизация Обратный осмос Седиментация Твердофазная экстракция Сублимация Ультрафильтрация
Устройства	Сепаратор нефти и воды API Ленточный фильтр Центрифуга Фильтр глубины Электрофильтр Испаритель Фильтр-пресс Фракционирующая колонна Фильтрат Миксер-отстойник Белковый скиммер Быстрый песочный фильтр Роторный вакуумно-барабанный фильтр Скруббер Вращающийся конус Все еще Сублимационный аппарат Вакуумный керамический фильтр
Многофазный системы	Водная двухфазная система Азеотроп эвтектический
Концепции	Работа агрегата