Introducere în principiul componentelor cu fibre goale
1. Fundal
Componentele cu fibre goale sunt un nou tip de material de fibre, care constă dintr -o structură goală a mai multor straturi de celuloză sau minerale. Acest material are caracteristicile de densitate mică, suprafață specifică ridicată și porozitate ridicată, astfel încât este utilizat pe scară largă în filtrare, separare și adsorbție.
În ultimele decenii, componentele fibrelor goale au fost utilizate pe scară largă în multe domenii precum biomedicină, alimente și băuturi, protecția mediului și industria chimică. De exemplu, în domeniul biomedicinei, componentele cu fibre goale sunt utilizate pentru prepararea produselor biofarmaceutice și a bioreactoarelor. În domeniul protecției mediului, componentele cu fibre goale sunt utilizate pentru tratarea apei, tratarea apelor uzate și purificarea aerului.
Fundalul componentelor cu fibre goale este foarte bogat. Nu numai că a fost verificat pe scară largă în aplicații, dar are și o bază de cercetare profundă în domeniile științei materialelor și tehnologiei fibrelor. Datorită structurii și performanței sale unice, componentele cu fibre goale au un potențial ridicat și vor continua să joace un rol important în viitor.
2. Principiul
Definiția tehnologiei de separare a membranei:
Membrană de filtrare: un material de film subțire format din polimeri poroși cu unul sau mai multe straturi;
Tehnologie de separare a membranei: o tehnologie de separare care folosește condiții externe, cum ar fi diferența de presiune sau diferența de concentrare ca forță motrice pentru a permite trecerea anumitor substanțe specifice în mai multe componente, în timp ce alte substanțe sunt interceptate; de obicei utilizat în separarea, purificarea și concentrarea amestecurilor.
Metoda de filtrare:
Filtrarea cu curent direct: cunoscută și sub denumirea de filtrare fără capăt, lichidul de alimentare curge perpendicular pe suprafața membranei filtrului, toate lichidele trec prin mediul de filtru, iar poluanții sunt reținuți în interiorul sau pe suprafața membranei filtrului.
De exemplu: Filtrare de clarificare, prefiltrare, filtrare sterilizare, filtrare de îndepărtare a virusului, filtru de vid, concentrat în principal în categoria microfiltrării.
Filtrarea fluxului tangențial: cunoscută și sub denumirea de filtrare cu flux încrucișat, lichidul de alimentare curge paralel cu suprafața membranei filtrului, o parte a lichidului trece prin mediul de filtru, iar poluanții sunt reținuți pe suprafața membranei filtrului sau reflux de la celălalt capăt al membranei.
De exemplu: pachet de membrană, ultrafiltrare cu fibre goale, concentrat în principal în categoria ultrafiltrării.
Caracteristici ale filtrării TFF:
Principiul de lucru al filtrării fluxului tangențial (TFF) este că soluția curge într -o direcție paralelă cu membrana. Sub presiune, moleculele mai mici decât porii membranei trec prin membrană și devin permeate, în timp ce moleculele mai mari decât porii membranei sunt păstrate și devin concentrate.
Concepte legate de fibre goale:
Diferența de presiune transmembrană (TMP): diferența medie de presiune pe ambele părți ale membranei este forța motrice pentru ca lichidul să treacă prin membrană. Diferența de presiune transmembrane=(pin + preturn) / 2- pperMeate
Flux: cantitatea de lichid care trece prin membrană pe unitatea de membrană a unității pe unitatea de timp. Lmh, l/(m2.h)
Flux de apă normalizat (NWP: permeabilitate normalizată a apei): fluxul de apă la presiunea unitară și temperatura standard. L/(m2.h.psi)
Decuparea greutății moleculare (MWCO): caracterizează dimensiunea porilor membranei de ultrafiltrare.
Volumul minim de lucru: Volumul minim de lucru al sistemului de filtrare a debitului tangențial se referă la volumul lichidului circulant necesar pentru a opera sistemul în condiții de debit tangențiale specifice. Volumul minim de lucru depinde de volumul de retenție și debitul de circulație al sistemului și componente. În aplicațiile de concentrare ridicată, cum ar fi concentrația de virus, volumul minim de lucru este o considerație importantă, iar volumul de concentrare de reflux țintă trebuie să fie mai mare decât volumul minim de lucru al sistemului.
Rata de forfecare: viteza de modificare a vitezei de curgere a fluidului în raport cu raza canalului de flux circular. Spre deosebire de pachetul de membrană, în experimentele cu fibre goale, rata de forfecare este de obicei utilizată în locul debitului tangențial pentru a caracteriza debitul de circulație paralel cu membrana.
Polarizarea concentrației: în timpul procesului de ultrafiltrare, soluțiile care nu pot trece prin membrană se acumulează pe suprafața membranei sub presiune pentru a forma un strat de gel. Concentrația în zona de lângă interfața membranei este din ce în ce mai mare. Sub acțiunea gradientului de concentrație, difuzarea solutului de la suprafața membranei la soluție crește, ceea ce crește rezistența fluidului și presiunea osmotică locală, ceea ce duce la o scădere a fluxului.
Strat de gel: este principalul factor în rezistența membranelor de ultrafiltrare.
Factori de luat în considerare atunci când selectați membrane cu fibre goale:
1. Alegerea formei membranei: pentru eșantioanele care sunt clarificate, bogate în particule, au o vâscozitate ridicată și necesită o concentrație scăzută de forță de forfecare, cum ar fi molecule de virus de particule mari cu stabilitate scăzută, membrane cu fibre goale sunt de obicei selectate pentru clarificare/concentrație și diafiltrare;
2. Alegerea diametrului fibrei: 0. Diametrul interior de 5 mm este preferat pentru concentrația de probă/diafiltrare; 1. 0 mm Diametrul interior este preferat pentru clarificarea eșantionului;
3. Alegerea preciziei de filtrare: Mărimea porilor a membranei cu fibră goală va afecta precizia filtrării acesteia. Mărimea corespunzătoare a porilor trebuie selectată în funcție de cerințele cererii specifice pentru a asigura o filtrare eficientă a substanței țintă. Următoarele sunt mai multe opțiuni comune de aplicație:
① Concentrația/diafiltrarea: Pentru a intercepta eficient molecula țintă și a asigura randamentul, este recomandată o dimensiune a porilor de membrană de 1/3-1/5 din molecula de probă țintă. În același timp, pentru a minimiza conținutul impurităților în timpul procesului de concentrare și diafiltrare, dimensiunea porilor ar trebui să fie cât mai mare posibil, în condiția ca randamentul moleculei țintă să fie garantat;
② Clarificare: Se recomandă selectarea unei dimensiuni a porilor membranei care este 5-10 de ori mai mare decât molecula țintă pentru a asigura ca molecula țintă să producă cât mai mult posibil, mai ales dacă eșantionul este foarte „murdar”, o dimensiune a porilor de membrană de mai mult de 10 ori ar trebui să fie selectată;
③ Separarea moleculară: Dacă doriți să utilizați o membrană tangențială de filtrare a fluxului pentru a separa două molecule țintă de dimensiuni diferite, greutatea moleculară a moleculei țintă ar trebui să fie de cel puțin 10 ori diferită, iar diafiltrarea ar trebui să fie suficientă;
Collection Collection: Dacă proteina țintă este exprimată într -o pungă de E. coli, primul pas pentru colectarea bacteriilor este utilizarea unei membrane de ultrafiltrare de 500K/750K.
4. Lungime efectivă: Caracteristica de amplificare a procesului a fibrelor goale este aceea că, atât timp cât lungimea efectivă este menținută consecventă, se poate efectua amplificarea directă a procesului. Cu toate acestea, componentele de lungimi diferite nu pot fi amplificate liniar din cauza diferenței semnificative de cădere a presiunii la ambele capete, iar distribuția internă a presiunii și a debitului canalului de debit se schimbă în consecință. De obicei, componentele cu lungimi mai scurte ale canalului de curgere tind să fie selectate atunci când tratați materiale cu vâscozitate ridicată și încălzire ridicată.
Aplicarea componentelor din fibră goală
Zonele de aplicare:
Purificarea, concentrarea și dializa vaccinurilor
Purificarea, concentrarea și dializa vectorilor virali
Clarificarea și filtrarea celulelor și bacteriilor în bulionul de fermentare
Recuperarea și spălarea celulelor și bacteriilor
Concentrarea și dializa proteinelor
Caracteristici ale produsului:
Flux mai mic decât pachetele de membrană
Blând la materiale
Canal de flux simplu și deschis
Ușor de asamblat
Ușor de gol
Selecția MWCO:
Este necesar să se ia în considerare selectivitatea de separare a membranei și riscul de blocare în timpul procesului de tratament. Prin urmare, sub premisa de a asigura selectivitatea și fluxul, membranele cu pori relativ mici ar trebui selectate pe cât posibil pentru a reduce intrarea lentă a particulelor de impuritate în porii membranei și pentru a prelungi durata de viață a serviciului. Scenariile comune de procesare sunt următoarele:
Concentrare de virus, purificare, îndepărtare: 100kd, 300kd, 500kd, 750kd
Clarificarea proteinei/anticorpului recombinant: 500kd, 750kd
Concentrația bacteriilor: 500kd, 750kd
