A tangenciális áramlási szűrők{0}}csökkentésének elméletei

A permeációs fluxus és a permeabilitás a membránszűrés két döntő paramétere. A permeációs fluxus az a folyadék térfogata, amely egységnyi idő alatt és egységnyi membránfelületen át tud áthaladni. A permeabilitás a permeátumban lévő céltermék koncentrációjának és a visszatérő oldatban lévő koncentrációjának aránya. A különböző méretű tangenciális áramlási szűrők összehasonlításakor szükség van a változók szabályozására az interferencia minimalizálása érdekében: olyan membránokat válasszon, amelyek anyaga, pórusmérete és gyártója megegyezik; azonos összetételű és koncentrációjú takarmányoldatokat használjon; és végezzen kísérleteket egyenletes szobahőmérsékleten. Ha ezek a kezdeti feltételek teljesülnek, akkor a kísérleti körülményeket is három alapelv szerint kell szabályozni (azonos betáplált oldat térfogata egységnyi membránfelületre, azonos nyíróerő és azonos kezdeti vízáram), hogy a különböző méretű szűrők permeációs fluxusa és permeabilitása minden pillanatban megközelítőleg konzisztens legyen.

 

1. alapelv: Ugyanaz a betáplált folyadék szűrési térfogata egységnyi membránfelületnek felel meg.

A permeációs fluxus, az áteresztőképesség és a membrán tulajdonságai szorosan összefüggenek. Az azonos membránanyag és pórusméret biztosítása mellett az azonos permeációs fluxus és permeabilitás elérése érdekében a nagy és kis szűrők membránfelületi viszonyainak (szűrőpogácsa és koncentráció-polarizáció) mindenkor hasonlónak kell lenniük. Ahhoz, hogy a szűrőpogácsa és a koncentráció polarizáció hasonló legyen a membrán felületén, az egységnyi felületre szűrt azonos tápfolyadék (anyag, koncentráció) térfogatának azonosnak kell lennie mind a nagy, mind a kis szűrőknél. Ezért a nagy és kis szűrők tápfolyadék térfogatának arányának meg kell egyeznie a membránfelületeik arányával, azaz az azonos egységnyi membránfelületnek megfelelő betáplált folyadék térfogatával.

 

2. alapelv: A membrán felületére ható nyíróerők azonosak.

A biogyógyszeriparban a szűrésre szoruló takarmányoldatok többnyire biológiailag aktívak. A membrán felületén fellépő nyíróerő nem csak a szűrőpogácsa kialakulását és a koncentráció polarizációt befolyásolja, hanem a biológiai termékek bioaktivitását is. Ezért a kísérleti műveletek során biztosítani kell, hogy a nagy és a kis tangenciális áramlású szűrők membránfelületére ható nyíróerő azonos legyen.

 

Alapelv3 : Ugyanaz a kezdeti fluxus

Azonos tápfolyadék, membránfelületi tulajdonságok és működési feltételek mellett, ha a kezdeti fluxus azonos és a membránfelület változásai hasonlóak, a későbbi fluxus általában hasonló lesz. Ezért gondoskodni kell arról, hogy a kezdeti fluxus azonos legyen, hogy a nagy és a kis szűrő minden időpontjának megfelelő fluxus hasonló legyen.

Bár a nagy és kis szűrők membránanyaga, pórusmérete és gyártója megegyezik, a teljes szűrési ellenállásuk eltérő a membrán tömítési struktúráinak különbségei miatt. Ha a nagy és a kis szűrők szűrési ellenállása eltérő, különböző transzmembrán nyomásértékekre (TMP) van szükség az azonos permeátum fluxus eléréséhez. Jellemzően a transzmembrán nyomás (TMP) az átlagos bemeneti és kimeneti nyomás, valamint a permeátum nyomás közötti különbség. Mivel a permeátum mind a nagy, mind a kis szűrőkben kapcsolódik a légköri nyomáshoz, a permeátum nyomás mindkettőben 0 Pa (mérőnyomás). Ezért a kísérletben a transzmembrán nyomás a bemeneti nyomás és a kimeneti nyomás átlaga.

Ha mindhárom fenti alapelv teljesül, és azonos kezdeti feltételek mellett, akkor elméletileg a szűrés megkezdése utáni azonos pillanatban a permeációs fluxus mind a nagy, mind a kis szűrők esetében azonos lesz. Ha a permeációs fluxus minden pillanatban pontosan azonos, akkor megállapítható, hogy a teljes szűrési idő mindkét típusú szűrő esetében azonos. Lásd az alábbi ábrát.

 

 

A releváns fizikai-kémiai és működési paraméterek belső kölcsönhatásának sematikus diagramja

Hivatkozások: Guo Shuyin. Kis tangenciális áramlási szűrő tervezése és ellenőrzése, valamint a tangenciális áramlási szűrő le/fel skálázásának elmélete [D]. Kelet-Kínai Tudományos és Technológiai Egyetem, 2016.