切向流过滤工艺设计与操作:提升过滤效果的创新之选

在当今各行各业对过滤技术要求日益提高的背景下,切向流过滤工艺以其卓越的过滤性能和灵活的操作条件,赢得了广泛的关注与应用,成为液体分离纯化的理想选择。
 

一、切向流工艺的设计

切向流过滤工艺的设计关键在于确保流体在膜表面产生切向流动,从而减少膜污染,提高过滤效率。设计时应考虑以下因素:
1. 选择合适的膜材料和孔径
作为工艺的核心,过滤膜的选择需考虑孔径大小、材料特性及耐久性,以确保其有效过滤目标物质并具备长期稳定性。
2. 设计过滤系统
TFF系统通常包括膜模块、泵、传感器、控制单元和收集容器。设计时需要考虑系统的紧凑性、操作的简便性以及清洁和消毒的便利性。
3. 预处理和后处理
预处理步骤包括对原料液的澄清,以减少膜污染和提高过滤效率。后处理则是对过滤液的进一步纯化或浓缩。
 

二、切向流膜组件的选择

选择合适的切向流膜组件对确保过滤效果和操作稳定性至关重要。切向流过滤介质可支持盒式膜包和中空纤维膜柱,二者各有优缺点。
(一)盒式膜
盒式膜包组件的结构是多片膜元件排列组装而成,实现了膜片之间间隙可控,便于气液混流对膜面进行在线清洗,抗污染性能优越。
盒式膜包
优势:相比中空纤维膜,盒式膜包处理速度快、通量高,对预处理的要求较低。清洗方便,可在线或离线化学、物理清洗,用药量和清洗次数少;膜结构牢固,能承受高压,组装及拆卸方便,易于维护。
不足:但由于层层膜叠加筛网的设计,筛网的存在会引入湍流效应,对样品造成的剪切力会高一些,且单位容积上膜面积较小;一次性投入稍高。
 
(二)中空纤维膜柱
中空纤维柱是将过滤用的膜做成中空管柱。当过滤液流经中空纤维膜中间时,利用切向流过滤(TFF)技术实现分离大分子和小分子的有效分离。TFF这种过滤方式允许物质在膜表面平行流动,而不是直接穿过膜,从而减少了堵塞的风险并提高了过滤效率。
中空纤维膜柱
优势:中空纤维膜构造简单,管壁上布满微孔,开放式的通道设计非常适合剪切力敏感,高固体、高粘度的样品。且中空纤维膜柱膜孔相对致密均一,大孔结构少,强度高,高温稳定性好,可以避免由于升温使孔隙塌陷造成通量降低的情况。高流体通量,紧凑设计节省空间,适合连续操作。成熟的管状流路流体力学模型,为直接的线性放大提供完善的理论依据,保证工艺放大的成功率。
 
不足:
① 膜丝容易堵塞,易断丝;
② 需要频繁的化学清洗;
③ 对压力冲击敏感,压降高;
④ 膜组件受膜形式限制。
 
那么该如何让选择合适的膜组件呢?
1. 膜材料选择:根据过滤目标物的性质选择合适的膜材质,如聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、再生纤维素(RC)等。不同的膜材料具有不同的过滤特性和耐久性,需要根据具体情况进行选择。
膜材料特性对比
2. 孔径大小选择:根据过滤要求和目标物质的粒径大小,选择合适的孔径大小。孔径过大可能导致无法有效过滤目标物质,孔径过小可能导致过滤阻力增大,影响过滤效率。我们推荐的孔径选择原则是:在浓缩操作中 (产品被截留),超滤膜孔径比产品小3~5倍。 在澄清操作中 (产品被透过),超滤膜孔径比产品大3~5倍。
 
 

三、切向流过滤的操作参数

一个切向流过滤的生产工艺由许多参数决定,它们既相互影响又相互制约,想要要同时达到提高生产效率和节约成本的目的,就必须首先对这些参数进行合理控制。
1. 流速控制和TMP控制
设计合理的流速,以确保高效的过滤和最小的膜污染。减少凝胶层的形成,降低透过的阻力,提高通量。而TMP跨膜压,是物质跨膜所需的驱动力,也是工艺放大的基本和必要参数。在设计过程中,需要根据具体的过滤要求和目标物质的特性,合理控制流体的速度和压力,以达到最佳的过滤效果。
通量与TMP关系
2. 膜的面积
在确定了通量和处理体积之后,还需要确定滤膜的面积。在流量和通量一定的情况下,膜面积和工艺时间会相互影响。延长工艺时间可以减小膜面积,降低成本和减少系统的死体积。
但是,工艺时间的延长增加了产品失活和发生微生物污染的风险。
3. 温度控制
根据目标物质的特性和过滤要求,合理控制过滤液体的温度。温度过高或过低可能会影响过滤效果。
 

四、切向流过滤的产品回收


 
切向流过滤作为一种高效的分离技术,在产品回收方案中扮演着重要角色,它可以高效地回收目标物质,提高资源利用率。而对于产品回收的具体方案是怎样的呢?
1. 需求分析:在制定回收方案之前,首先要对需要回收的产品进行详细的分析,包括产品的成分、粘度、固体含量等特性,以便选择合适的切向流过滤设备和操作参数。
2. 设备选择:根据产品特性和回收目标,选择适合的切向流过滤设备。设备的选择应考虑过滤效率、操作成本、维护便捷性等因素。
3. 预处理:对原料进行必要的预处理,如调节pH值、去除大颗粒杂质等,以保护过滤膜,延长其使用寿命。
4. 操作参数优化:确定最佳的工作参数,如流速、压力、温度等,以确保高效的分离效果和产品的回收率。
5. 过程监控:在过滤过程中,实时监控各项操作参数和产品质量,确保过程的稳定性和产品的一致性。
6. 产品后处理:对过滤后的产品进行必要的后处理,如浓缩、干燥等,以满足最终产品的规格要求。
7. 废物处理:对过滤过程中产生的废物进行妥善处理,减少对环境的影响。
 

五、切向流过滤的系统清洁

切向流过滤系统的清洁需要注意:
1. 预冲洗:使用适当的缓冲液或清洁剂对膜组件和设备管道进行预冲洗。
2. 清洗程序:根据膜材质和污染程度选择合适的清洗剂和清洗周期。选择合适的清洗液体,以避免对过滤膜组件造成损害,并确保清洗效果。
3. 消毒:使用消毒剂确保系统的无菌状态。
 

六、切向流过滤的放大生产注意事项

在进行切向流过滤的放大生产时,需要注意以下几个方面:
1. 设备的选择:根据生产规模和过滤要求,选择合适的设备和系统,以满足产量和效果的需求。
2. 操作人员的培训:针对放大生产过程中可能出现的问题和操作要点,进行操作人员的培训,以确保操作的安全和稳定。
3. 过程监控和数据记录:建立完善的过程监控和数据记录系统,及时发现问题并进行调整,以提高生产效率和产品质量。
 
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