Wprowadzenie do zasady pustych elementów włókien
1. Tło
Puste elementy światłowodowe są nowym rodzajem materiału światłowodowego, który składa się z pustej struktury wielu warstw celulozy lub minerałów. Materiał ten ma charakterystykę niskiej gęstości, wysokiej powierzchni właściwej i wysokiej porowatości, więc jest szeroko stosowany w filtracji, separacji i adsorpcji.
W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci komponenty pustych włókien były szeroko stosowane w wielu dziedzinach, takich jak biomedycyna, żywność i napoje, ochrona środowiska i przemysł chemiczny. Na przykład w dziedzinie biomedycyny stosowane są puste elementy włókna do przygotowania produktów biofarmaceutycznych i bioreaktorów. W dziedzinie ochrony środowiska stosowane są puste elementy światłowodowe do oczyszczania wody, oczyszczania ścieków i oczyszczania powietrza.
Tło komponentów pustych światłowodów jest bardzo bogate. Został nie tylko powszechnie zweryfikowany w aplikacjach, ale ma także głębokie podstawy badań w dziedzinie nauki materiałowej i technologii światłowodowej. Ze względu na unikalną strukturę i wydajność, puste elementy światłowodowe mają duży potencjał i będą nadal odgrywać ważną rolę w przyszłości.
2. Zasada
Definicja technologii separacji membranowej:
Membrana filtracyjna: cienki materiał wykonany z porowatych polimerów z jedną lub więcej warstwami;
Technologia rozdzielenia membran: technologia separacji, która wykorzystuje warunki zewnętrzne, takie jak różnica ciśnienia lub różnica stężenia jako siła napędowa, aby umożliwić przejście tylko określonych substancji w wielu składnikach, podczas gdy inne substancje są przechwytywane; zwykle stosowane w separacji, oczyszczaniu i stężeniu mieszanin.
Metoda filtracji:
Filtracja prądu stałego: Znana również jako ślepa filtracja ciecz zasilająca przepływa prostopadle do powierzchni membrany filtracyjnej, wszystkie ciecze przechodzą przez pożywkę filtracyjną, a zanieczyszczenia są zatrzymywane wewnątrz lub na powierzchni membrany filtracyjnej.
Na przykład: Filtracja wyjaśnienia, prefiltracja, filtracja sterylizacji, filtracja usuwania wirusa, filtr próżniowy, głównie skoncentrowany w kategorii mikrofiltracji.
Filtracja przepływu stycznego: Znana również jako filtracja krzyżowa, ciecz zasilająca przepływa równolegle do powierzchni błony filtracyjnej, część cieczy przechodzi przez podłoże filtracyjne, a zanieczyszczenia są zatrzymywane na powierzchni membrany filtracyjnej lub refluksu z drugiego końca membrany.
Na przykład: Pakiet błony, ultrafiltracja z pustego włókna, głównie skoncentrowana w kategorii ultrafiltracji.
Cechy filtracji TFF:
Zasada pracy filtracji płynów stycznych (TFF) polega na tym, że roztwór płynie w kierunku równolegle do membrany. Pod ciśnieniem cząsteczki mniejsze niż pory błony przechodzą przez membranę i stają się permeatowe, podczas gdy cząsteczki większe niż pory błony są zatrzymywane i stają się koncentrowane.
Pojęcia związane z pustymi włóknami:
Różnica ciśnienia transbłonowego (TMP): Średnia różnica ciśnienia po obu stronach membrany jest siłą napędową przechodzenia przez ciecz przez membranę. Różnica ciśnienia transmembranu=(pin + preturn) / 2- ppermeate
Strumień: Ilość płynu, który przechodzi przez membranę na jednostkę powierzchni membrany na jednostkę czasu. LMH, L/(M2.H)
Znormalizowany strumień wody (NWP: znormalizowana przepuszczalność wody): strumień wody przy ciśnieniu jednostkowym i standardowej temperaturze. L/(m2.h.psi)
Odcięcie masy cząsteczkowej (MWCO): Charakteryzuje wielkość porów błony ultrafiltracyjnej.
Minimalna objętość robocza: minimalna objętość robocza systemu filtracji przepływu stycznego odnosi się do objętości krążącej cieczy wymaganej do obsługi systemu w określonych warunkach przepływu stycznego. Minimalna objętość robocza zależy od objętości retencyjnej i prędkości przepływu krążenia systemu i komponentów. W zastosowaniach o wysokim stężeniu, takich jak stężenie wirusa, minimalna objętość robocza jest ważnym czynnikiem, a docelowa objętość stężenia refluksu musi być wyższa niż minimalna objętość robocza systemu.
Szybkość ścinania: szybkość zmiany prędkości przepływu płynu w stosunku do promienia kanału przepływu okrągłego. W przeciwieństwie do pakietu membrany, w eksperymentach z pustym włóknem, zwykle stosuje się szybkość ścinania zamiast stycznej prędkości przepływu w celu scharakteryzowania przepływu krążenia równoległego do membrany.
Polaryzacja stężenia: Podczas procesu ultrafiltracyjnego substancje rozpuszczone, które nie mogą przechodzić przez błonę na powierzchni błony pod ciśnieniem, aby utworzyć warstwę żelową. Stężenie w obszarze w pobliżu interfejsu membrany staje się coraz wyższe. Zgodnie z działaniem gradientu stężenia wzrasta dyfuzja substancji rozpuszczonej z powierzchni błony do roztworu, co zwiększa odporność na płyn i miejscowe ciśnienie osmotyczne, co powoduje spadek strumienia.
Warstwa żelowa: Jest to główny czynnik oporności błon ultrafiltracyjnych.
Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze pustych błon światłowodowych:
1. Wybór postaci błony: W przypadku próbek, które są wyjaśnione, bogate w cząstki, mają wysoką lepkość i wymagają niskiej stężenia siły ścinającej, takich jak cząsteczki dużych wirusów cząstek o niskiej stabilności, puste błony włókna są zwykle wybierane do wyjaśnienia/stężenia i diafiltracji;
2. Wybór średnicy włókien: 0. Wewnętrzna średnica 5 mm jest preferowana dla stężenia próbki/diafiltracji; 1. 0 mm Wewnętrzna średnica jest preferowana do wyjaśnienia próbki;
3. Wybór dokładności filtracji: Rozmiar porów pustej błony włóknisty wpłynie na jej dokładność filtracji. Odpowiedni rozmiar porów należy wybrać zgodnie z wymogami konkretnego zastosowania w celu zapewnienia skutecznej filtracji substancji docelowej. Poniżej znajduje się kilka typowych opcji aplikacji:
① Stężenie/diafiltracja: Aby skutecznie przechwycić cząsteczkę docelową i zapewnić wydajność, rozmiar porów błony 1/3-1/5 docelowej cząsteczki próbki. Jednocześnie, aby zminimalizować zawartość zanieczyszczeń podczas procesu stężenia i diafiltracji, wielkość porów powinna być tak duża, jak to możliwe pod warunkiem, że gwarantowana jest wydajność cząsteczki docelowej;
② Wyjaśnienie: Zaleca się wybór wielkości porów błonowych, który jest 5-10 czasów większy niż docelowa cząsteczka, aby zapewnić, że docelowa cząsteczka daje jak najwięcej, szczególnie jeśli próbka jest bardzo „brudna”, należy wybrać wielkość porów błonowych więcej niż 10 razy;
③ Separacja cząsteczkowa: Jeśli chcesz użyć membrany filtracyjnej przepływu stycznej do oddzielenia dwóch docelowych cząsteczek o różnych rozmiarach, masa cząsteczkowa cząsteczki docelowej powinna być co najmniej 10 razy różne, a diafiltracja powinna być wystarczająca;
④ Zbieranie komórek: Jeśli docelowe białko jest wyrażane w torbie E. coli, pierwszym krokiem do zebrania bakterii jest użycie membrany ultrafiltracyjnej 500k/750k.
4. Długość efektywna: Cecha wzmacniania procesu pustych włókien polega na tym, że dopóki długość efektywna jest konsekwentna, można wykonać bezpośrednie wzmocnienie procesu. Jednak elementy o różnych długościach nie mogą być liniowo wzmocnione ze względu na znaczącą różnicę w spadku ciśnienia na obu końcach, a rozkład ciśnienia wewnętrznego i prędkości przepływu kanału przepływu również się odpowiednio zmieniają. Zwykle komponenty o krótszych długościach kanałów przepływowych są zwykle wybierane podczas obróbki materiałów o wysokiej lepkości i wysokim zanieczyszczeniu.
Zastosowanie pustych elementów światłowodowych
Obszary aplikacji:
Oczyszczanie, stężenie i dializa szczepionek
Oczyszczanie, stężenie i dializa wektorów wirusowych
Wyjaśnienie i filtracja komórek i bakterii w bulionie fermentacyjnym
Odzyskiwanie i mycie komórek i bakterii
Stężenie i dializa białek
Funkcje produktu:
Niższy strumień niż pakiety membranowe
Delikatny do materiałów
Prosty i otwarty kanał przepływu
Łatwy w montażu
Łatwy do opróżnienia
Wybór MWCO:
Konieczne jest rozważenie selektywności separacji błony i ryzyka zablokowania podczas procesu leczenia. Dlatego, zgodnie z założeniem zapewnienia selektywności i strumienia, membrany ze stosunkowo małymi porami należy wybrać w jak największym stopniu, aby zmniejszyć powolne wejście cząstek zanieczyszczeń do porów błonowych i przedłużyć żywotność usług. Powszechne scenariusze przetwarzania są następujące:
Stężenie wirusa, oczyszczanie, usunięcie: 100 kD, 300 kD, 500 kD, 750 kD
Rekombinowane białko/przeciwciało Wyjaśnienie: 500 kD, 750 kD
Stężenie bakterii: 500 kD, 750 kD
