Как да подобрим селективността на плоска мембрана?

Ако сте прекарали известно време в работа с плоски листови мембрани, знаете, че селективността не е просто показател за производителност – това е разликата между процес, който работи, и този, който осигурява постоянни, надеждни резултати. Като доставчик на мембрани с плоски листове, говорих със стотици екипи, които се борят с това: те могат да получат скорости на потока, но целевите им компоненти се просмукват или губят ценен продукт, защото през тях преминават нецелеви частици. Подобряването на селективността не трябва да означава цялостен ремонт на мембраната. През годините съм работил с клиенти за настройване на процеси, регулиране на свойствата на мембраната и оптимизиране на работните условия, за да повиша селективността, без да жертвам други критични показатели като поток или издръжливост. Нека да разберем какво всъщност движи иглата и как можете да приложите тези стъпки към собствения си работен процес.

Първо, нека обосновем това с каква селективност на мембранатавсъщностозначава. За мембраните с плоски листове селективността е способността да се разделят специфични компоненти - да речем, задържане на големи протеини, докато пропускат малки соли или филтриране на бактерии от ферментационен бульон - въз основа на размер, заряд или химичен афинитет. Форматът на плоския лист, за разлика от спирално навитите или кухите влакна, има отчетливо съотношение повърхностна площ към дебелина, което го прави идеален за разработка в лабораторни мащаби, производство на малки партиди или приложения, където лесният достъп до повърхността на мембраната е ключов. Но същата тази плоска геометрия може да представлява уникални предизвикателства за последователност, особено ако не отговаряте на правилните мембранни свойства на нуждите на вашия процес.

Една от най-честите грешки, които клиентите допускат, е избирането на мембрана с грешно разпределение на размера на порите. Може би си мислите, че „размерът на порите е размер на порите“, но в действителност плоските листови мембрани имат диапазон от размери на порите, а не един идеален диаметър. Например, мембрана с етикет 0,2 μm не означава, че всяка пора е точно 0,2 μm – някои са по-големи, други са по-малки. Ако целта ви е да задържите частици с размери 0,2 μm и по-големи, тези прекалено големи пори ще пропуснат част от целта ви и там селективността пада. Ето защо ние прекарахме години в усъвършенстване на нашите линии за микрофилтрация с касети, включително специализирани опции като нашата0,1 um микрофилтрационни касетиза приложения, при които финият, последователен контрол на порите не подлежи на обсъждане. Тези касети са произведени с помощта на прецизен процес на разтягане, който стеснява разпределението на размера на порите, намалявайки броя на "пропускливите" пори, които могат да компрометират селективността. Виждали сме клиенти да преминават към тях от обикновени плоски листови мембрани и незабавно да забелязват 15-20% скок в задържането на компоненти, само от тази единствена корекция.

Размерът на порите обаче не е единственият структурен фактор. Повърхностната химия на мембраната има огромно влияние върху селективността, особено за разделяне, което разчита на заряд или хидрофобност, а не само на размер. Много стандартни плоски мембрани използват немодифициран полиетерсулфон (PES), който е много издръжлив, но има леко хидрофобна повърхност, която може да причини замърсяване и неспецифична адсорбция. Ако вашият процес включва разделяне на заредени молекули, тази немодифицирана повърхност може да доведе до залепване на вашите целеви и нецелеви компоненти, което затруднява разграничаването им. Ние предлагамеМикрофилтрационни касети от полиетерсулфонс проектирани повърхностни модификации: например хидрофилни покрития, които намаляват неспецифичното свързване, или заредени функционални групи, които отблъскват компоненти със същия заряд като вашата цел. Преди няколко месеца имах клиент на Biopharma, който използваше стандартен плосък лист за отделяне на моноклонални антитела от протеини на клетка гостоприемник. Те губеха 12% от антитялото си за адсорбция върху повърхността на мембраната, което отхвърли тяхната селективност. Преминаването към нашите модифицирани PES касети намали тази адсорбция до по-малко от 2%, а тяхната селективност на компонентите се подобри драстично – те задържаха 99,8% от целта си, като същевременно позволяваха на протеините на клетката гостоприемник да преминават лесно. Това е чудесен пример за това как повърхностната химия може да бъде също толкова въздействаща, колкото и размерът на порите.

След като сте избрали правилната мембрана, следващата стъпка е оптимизиране на работните условия, защото дори най-добрата мембрана ще се представи по-слабо, ако я използвате неправилно върху система с плосък лист. Скоростта на потока, налягането и скоростта на напречния поток (за системи, които го използват) играят роля в селективността. Да започнем с натиска. Ако пуснете вашата плоска листова мембрана при твърде високо налягане, можете да компресирате структурата на порите на мембраната или да принудите частиците да се вклинят в порите, за които се предполага, че са отворени. Например, при микрофилтрация, трансмембранното налягане (TMP) над препоръчителния диапазон може да причини образуване на утайка върху повърхността на мембраната - тези натрупани частици могат да действат като вторичен филтър, но ако утайката е неравномерна, получавате непоследователно разделяне и селективността пада. Винаги казвам на клиентите да тестват TMP на постепенни стъпки, започвайки от ниски нива, и да измерват нивата на задържане на всяко ниво. Повечето плоски мембрани се представят най-добре при нива на TMP между 10 и 30 psi за микрофилтрация, но това може да варира в зависимост от вашето приложение. Ако използвате филтриране на тангенциален поток (TFF), това е още по-критично: нашитеМикрофилтрационни касети TFFса проектирани да поддържат постоянна структура на порите в диапазон от налягания, така че не е нужно да избирате между висок поток и добра селективност. Клиентите, които сменят нашите TFF касети към техните стари системи с плосък лист, често установяват, че могат да работят при малко по-висок поток, без да жертват задържането, тъй като касетите са проектирани да предотвратяват компресията на порите.

Скоростта на напречния поток (CFV) е друг оперативен параметър, който често се пренебрегва, когато се цели по-добра селективност. Кръстосаният поток работи, като измита частиците от повърхността на мембраната, намалявайки образуването на кейк. Ако CFV е твърде нисък, слоят на тортата се натрупва и някои компоненти се улавят или избутват през порите, което вреди на селективността. Ако е твърде високо, можете да отрежете деликатни целеви компоненти (като клетки или протеини) или да хабите енергия ненужно. За системи с плоски листове, които имат по-широк канал на потока от кухите влакна, CFV е по-лесен за регулиране, но намирането на най-доброто място е от ключово значение. Например, клиент за храни и напитки, с когото работих, използваше плоски листови мембрани за филтриране на дрожди от бульон за ферментация на бира. Те работеха при CFV, който беше твърде нисък, което доведе до тежко образуване на кейк, и губеха 8% от дрождите си (тяхната цел) в пермеата, като същевременно пропускаха малки бактерии. Чрез увеличаване на CFV достатъчно, за да поддържа слоя на тортата тънък (но не толкова високо, че да повреди дрождите), те намаляват загубата на дрожди до по-малко от 1% и подобряват задържането на бактерии с 10%. Често препоръчваме на клиентите да тестват CFV при 0,5, 1,0 и 1,5 m/s за TFF приложения, като коригират въз основа на техните специфични размери и стабилност на компонентите.

Замърсяването е най-големият враг на дългосрочната селективност и е нещо, с което всеки потребител на плоска листова мембрана се сблъсква. Замърсяването се случва, когато частици, протеини или други компоненти се придържат към повърхността на мембраната или се задържат в порите, като ги стесняват с времето или ги блокират напълно. Това води до непоследователно разделяне, тъй като ефективният размер на порите се променя с нарастването на замърсяването. За да се преборите с това, не става въпрос само за избор на добра мембрана – става въпрос за прилагане на редовен протокол за почистване, който е нежен, но ефективен. За системи за многократна употреба, нашитеTFF касети за повторно използванеса проектирани да издържат на множество цикъла на почистване (до 50, в много случаи), без да губят структурата на порите или повърхностната химия. Ключът към почистването за селективност е да се използват почистващи препарати, които са насочени към конкретния тип замърсяване. Например, ако имате работа с протеиново замърсяване, мек почистващ препарат като 0,1% SDS при 40°C ще помогне за разграждането на протеиновите агрегати, без да уврежда мембраната. За органично замърсяване (често срещано при приложения за отпадъчни води), почистващ разтвор с коригирано pH или ензимен почистващ препарат работи добре. Виждали сме клиенти да пропускат правилното почистване и да наблюдават как селективността им спада с 25% само след няколко употреби, но с последователна рутинна процедура за почистване същата мембрана може да поддържа своята селективност в продължение на месеци. Един клиент дори премина към нашите TFF касети за многократна употреба, специално защото техните мембрани за еднократна употреба се замърсяваха толкова бързо, че селективността беше непостоянна партида за партида – сега те получават постоянни резултати при всяко изпълнение, дори след 10 употреби.

Друг често пренебрегван фактор е съхранението и манипулирането на мембраната. Плоските листови мембрани са деликатни и неправилното съхранение може да повреди повърхността или да промени структурата на порите, което води до лоша селективност, преди дори да ги използвате. Винаги съветвам клиентите да съхраняват мембраните на хладно и сухо място, далеч от пряка слънчева светлина или екстремни температури, и да ги поддържат влажни, ако няма да бъдат използвани веднага. Например, ако една мембрана изсъхне, химията на повърхността на някои PES мембрани може да се промени, което води до повишена адсорбция или стесняване на порите. Ние опаковаме всички наши касети в запечатани торбички с контролирана влажност, за да предотвратим това, но все пак е важно да следвате указанията за работа. Ако случайно оставите мембраната да изсъхне, често можете да я рехидратирате в дейонизирана вода за 24 часа, за да възстановите повечето от нейните свойства, но това не е идеалното решение – по-добре е да избягвате тази стъпка напълно.

Нека поговорим и за настройките, специфични за приложението, защото селективността изглежда различно в зависимост от това, което отделяте. Например, ако работите със задържане на клетки в биореактори, системите с плоски листове TFF са идеални, защото могат да задържат големи клетки на бозайници (10-30 μm), като същевременно пропускат средата и малките протеини. В този случай използването на мембрана с малко по-голям размер на порите (0,45 μm), но добро разпределение на размера на порите ще ви даде високо задържане на клетките (селективност), без да блокира потока на медиите. От друга страна, ако филтрирате наночастици или вирусни частици, ще ви трябват много по-малки пори, където нашитеПлоски микрофилтрационни касетис прецизни размери на порите от 0,1 μm са полезни. За пречистване на отпадъчни води, където трябва да отстраните както суспендирани твърди частици, така и бактерии, мембрана със заредена повърхност може да помогне за отблъскване на отрицателно заредени бактерии, подобрявайки селективността спрямо немодифицираните мембрани.

Аз съм в мембранната индустрия вече 12 години и едно нещо научих е, че няма универсално решение за подобряване на селективността. Това е комбинация от избор на правилните свойства на мембраната (размер на порите, химия на повърхността, формат), оптимизиране на работните условия (налягане, скорост на потока), прилагане на добра рутинна процедура за почистване и правилно боравене с мембраната. Твърде често клиентите се фокусират само върху самата мембрана, пренебрегвайки как параметрите на процеса и поддръжката влияят върху производителността. Но когато комбинирате всички тези елементи, можете да получите селективност, която е последователна, надеждна и съобразена с вашето конкретно приложение.

Ако се борите със селективността във вашия процес на плоски листови мембрани, независимо дали става въпрос за запазване на целевите компоненти, намаляване на примесите или намаляване на замърсяването, бих ви насърчил да се свържете с нашия екип. Ние работим с лаборатории и производствени съоръжения в различни индустрии – биофармацевтика, храни и напитки, отпадъчни води и други – за да съобразим правилната касета с вашите нужди, независимо дали това е нашата прецизност0,1 um микрофилтрационни касети, модифициранМикрофилтрационни касети от полиетерсулфон, или TFF касети за многократна употреба за дълготрайна консистенция. Ние можем да ви помогнем да тествате различни мембранни опции, да коригирате работните параметри и да настроите протокол за почистване, който ще повиши вашата селективност и ще подобри цялостната ви ефективност на процеса. Не позволявайте на непоследователната раздяла да спъва работата ви – нека поговорим как можем да помогнем.

Референции

1. Бейкър, RW (2012). Мембранна технология и приложения (3-то издание). Джон Уайли и синове.
2. Kim, J., & Van der Bruggen, B. (2010). Значението на повърхностните свойства на мембраната и структурата на порите в селективността на микрофилтрацията. Journal of Membrane Science, 362 (1-2), 1-12.
3. Мълдър, М. (1996). Основни принципи на мембранната технология (2-ро издание). Kluwer Academic Publishers.
4. Zeman, LJ, & Wales, M. (1997). Микрофилтрация и ултрафилтрация: Принципи и приложения. Марсел Декер.