Фильтрация с поперечным потоком

В химической инженерии , биохимической инженерии и очистке белков перекрестная фильтрация ^[1] (также известная как тангенциальная поточная фильтрация ^[2] ) является типом фильтрации (определенной единичной операцией ). Перекрестная фильтрация отличается от тупиковой фильтрации, при которой исходный материал пропускается через мембрану или слой, твердые частицы задерживаются в фильтре , а фильтрат выпускается на другом конце. Перекрестная фильтрация получила свое название потому, что большая часть исходного потока проходит тангенциально по поверхности фильтра, а не в фильтр. ^[1] Главным преимуществом этого является то, что фильтровальный осадок (который может засорить фильтр) существенно смывается во время процесса фильтрации, увеличивая продолжительность времени, в течение которого фильтрующий блок может быть работоспособным. Это может быть непрерывный процесс, в отличие от периодической тупиковой фильтрации.

Этот тип фильтрации обычно выбирается для сырья, содержащего большую долю мелких твердых частиц (где пермеат имеет наибольшую ценность), поскольку твердый материал может быстро заблокировать (заблокировать) поверхность фильтра при тупиковой фильтрации. Промышленные примеры этого включают извлечение растворимых антибиотиков из ферментационных жидкостей.

Основной движущей силой процесса фильтрации с поперечным потоком является трансмембранное давление. Трансмембранное давление является мерой разности давлений между двумя сторонами мембраны. В ходе процесса трансмембранное давление может снижаться из-за увеличения вязкости пермеата, поэтому эффективность фильтрации снижается и может быть трудоемкой для крупномасштабных процессов. Этого можно избежать, разбавив пермеат или увеличив скорость потока в системе.

Операция

При фильтрации с поперечным потоком исходный материал проходит через мембрану фильтра (тангенциально) при положительном давлении относительно стороны пермеата. Часть материала, которая меньше размера пор мембраны, проходит через мембрану как пермеат или фильтрат ; все остальное удерживается на стороне подачи мембраны как ретентат.

При фильтрации с поперечным потоком тангенциальное движение основной массы жидкости через мембрану приводит к стиранию захваченных частиц на поверхности фильтра. Это означает, что фильтр с поперечным потоком может работать непрерывно при относительно высоких нагрузках по твердым частицам без засорения.

Преимущества по сравнению с обычной фильтрацией

Более высокая общая скорость удаления жидкости достигается за счет предотвращения образования фильтрационной корки.
Технологическое сырье остается в виде подвижной пульпы, пригодной для дальнейшей переработки.
Содержание твердых веществ в пульпе продукта может варьироваться в широком диапазоне.
Можно фракционировать частицы по размеру ^[3]
Эффект трубчатого зажима

Промышленное применение

Технология мембранной фильтрации с поперечным потоком широко используется в промышленности по всему миру. Фильтрующие мембраны могут быть полимерными или керамическими, в зависимости от области применения. Принципы фильтрации с поперечным потоком используются в обратном осмосе , нанофильтрации , ультрафильтрации и микрофильтрации . При очистке воды это может быть очень экономически эффективным по сравнению с традиционными методами испарения.

В очистке белков термин тангенциальная фильтрация потока (TFF) используется для описания фильтрации с поперечным потоком с мембранами. Процесс может использоваться на разных этапах очистки в зависимости от типа выбранной мембраны. ^[2]

На фотографии промышленной фильтровальной установки (справа) можно увидеть, что трубопровод рециркуляции значительно больше, чем трубопровод подачи (вертикальная труба справа) или трубопровод пермеата (небольшие коллекторы рядом с рядами белых зажимов). Эти размеры труб напрямую связаны с долей жидкости, которая протекает через установку. Специальный насос используется для рециркуляции подачи несколько раз вокруг установки, прежде чем ретентат с высоким содержанием твердых частиц будет передан 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 исходное сырье, поднимая загрязненный слой с поверхности мембраны. Обратная промывка не применима к спирально-навитым мембранам и не является общепринятой практикой в большинстве случаев применения. (См. Очистка на месте) ^[4]

Переменный тангенциальный поток (ATF)

Мембранный насос используется для создания переменного тангенциального потока, помогая вытеснять удерживаемые частицы и предотвращать загрязнение мембраны. Repligen является крупнейшим производителем систем ATF.

Очистка на месте (CIP)

Системы очистки на месте обычно используются для удаления загрязнений с мембран после интенсивного использования. Процесс CIP может использовать моющие средства, реактивные агенты, такие как гипохлорит натрия , а также кислоты и щелочи, такие как лимонная кислота и гидроксид натрия (NaOH). Гипохлорит натрия (отбеливатель) необходимо удалять из подачи на некоторых мембранных заводах. Отбеливатель окисляет тонкопленочные мембраны. Окисление ухудшает мембраны до такой степени, что они больше не будут работать на номинальных уровнях отбраковки и их придется заменять. Отбеливатель можно добавлять в CIP с гидроксидом натрия во время первоначального запуска системы перед загрузкой спирально-навитых мембран в установку, чтобы помочь продезинфицировать систему. Отбеливатель также используется для CIP перфорированных мембран из нержавеющей стали (Graver), так как их устойчивость к гипохлориту натрия намного выше, чем у спирально-навитых мембран. Каустики и кислоты чаще всего используются в качестве основных химикатов CIP. Каустик удаляет органические загрязнения, а кислота удаляет минералы. Ферментные растворы также используются в некоторых системах для удаления органических загрязняющих материалов с мембранной установки. pH и температура важны для программы CIP. Если pH и температура слишком высоки, мембрана будет деградировать, а производительность потока пострадает. Если pH и температура слишком низкие, система просто не будет очищена должным образом. Каждое применение имеет разные требования к CIP. например, для установки обратного осмоса (RO) на молочных заводах, скорее всего, потребуется более строгая программа CIP, чем для установки обратного осмоса на водоочистных станциях. У каждого производителя мембран есть свои собственные рекомендации по процедурам CIP для своей продукции.

Концентрация

Объем жидкости уменьшается за счет пропускания потока пермеата. Растворитель, растворенные вещества и частицы, меньшие размера пор мембраны, проходят через мембрану, в то время как частицы, большие размера пор, задерживаются и, таким образом, концентрируются. В биотехнологических приложениях за концентрацией может следовать диафильтрация.

Диафильтрация

Для эффективного удаления компонентов пермеата из пульпы в исходный материал 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 фильтрационного осадка для удаления растворимых компонентов. ^[4] Разбавление и повторное концентрирование иногда также называют «диафильтрацией».

Нарушение технологического потока (PFD)

Технически более простой подход, чем обратная промывка, заключается в установке трансмембранного давления на ноль путем временного перекрытия выхода пермеата, что увеличивает истирание слоя загрязнения без необходимости использования второго насоса. PFD не так эффективен, как обратная промывка, в удалении загрязнения, но может быть выгодным.

Расчет расхода

Скорость потока в системах фильтрации с поперечным потоком определяется уравнением: ^[4]

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

в котором:

$J$ : жидкий поток
$\Дельта P$ : трансмембранное давление (также следует учитывать влияние осмотического давления для мембран обратного осмоса)
$R_{\rm {м}}$ : Сопротивление мембраны (относительно общей пористости )
$R_{\rm {c}}$ : Сопротивление осадка (переменное; связано с загрязнением мембраны)
$\мю$ : вязкость жидкости

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

Смотрите также

Ссылки

^ ab Koros WJ, Ma YH, Shimidzu T (июнь 1996 г.). «Терминология мембран и мембранных процессов (ИЮПАК)» (PDF) . Pure Appl. Chem . 86 (7): 1479–1489. doi :10.1351/pac199668071479. S2CID 97076769.
^ ab Техническая библиотека Millipore: Концентрация белка и диафильтрация методом тангенциальной фильтрации потока
^ Бертера Р., Стивен Х., Меткалф М. (июнь 1984 г.). «Исследования развития фильтрации с поперечным потоком». The Chemical Engineer . 401 : 10.
^ abc JF Richardson; JM Coulson; JH Harker; JR Backhurst (2002). Химическая инженерия Коулсона и Ричардсона (том 2) (5-е изд.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-4445-1.

Внешние ссылки

Терминология ИЮПАК по мембранам и мембранным процессам (1996)
Центр обучения ультрафильтрации
Справочник по методу фильтрации с поперечным потоком для очистки белков