Анализ на причините и решенията за високо налягане при филтриране на тангенциален поток

Като ключова технология за разделяне и пречистване в биофармацевтичните процеси,Филтриране на тангенциален поток (TFF)използва уникалния си механизъм за разделяне-където течността тече тангенциално през повърхността на мембраната-за ефективно намаляване на натрупването на макромолекули и частици, като по този начин се постига много по-висока производителност от конвенционалното-задънено филтриране. Тази технология се прилага широко в производството наантитела, ваксини, генни и клетъчни терапии и лекарства за нуклеинова киселина, служещ като основен метод законцентрация и обмен на буферна биофармацевтичните молекули. Следователно, наразвитие и оптимизацияна TFF процесите са от решаващо значение за подобряване на ефективността на производството, намаляване на разходите за оборудване и консумативи и осигуряване на постоянно качество на продукта. Въпреки това, по време на разработването на процеса и-увеличаването,висок спад на наляганеточесто се превръща в голямо предизвикателство. Тази статия предоставя-задълбочен анализ на механизмите зад образуването на високи спадове на налягането и предлага систематични решения, които да помогнат за постигането настабилен и ефективен процес на пречистване.

 

Ключови думи --- Определение

При филтриране на тангенциален поток,спад на наляганетоконкретно се отнася до загубата на налягане, която възниква, когато захранващият поток тече отвходкъмизходна мембранния модул.

Формула за изчисление:
ΔP=Pin − Pret

• щифт:Налягане на подаване - налягането на материала, влизащ в мембранния модул.
• Цена:Налягане на задържане (връщане) - налягането на материала, напускащ мембранния модул.
• ΔP:Спад на налягането - разликата в налягането между входа и изхода.

 

Ключови думи--- Ефекти от прекомерен спад на налягането

• Риск от блокиране на мембранния канал:Високият спад на налягането директно показва значително натрупване на материал в каналите, което може да доведе до пълно запушване и прекъсване на процеса.
• Физическо увреждане на мембранния модул:Превишаването на максимално допустимия спад на налягането, посочен от производителя, може да причини деформация на дистанционните елементи на каналите или пукнатини в точките на свързване, което води до трайна повреда на модула.
• Намалена ефективност на процеса:Високата устойчивост изисква по-високо налягане на захранващата помпа за поддържане на потока, увеличавайки консумацията на енергия и натоварването на оборудването, като същевременно значително удължава концентрацията или времето за филтриране.
• Трудно почистване и съкратен живот:Тежките запушвания често са трудни за отстраняване със стандартни процедури за почистване, което значително намалява експлоатационния живот на мембранната касета.
•  

Ключови думи--- Причина за прекомерен спад на налягането

Причините за прекомерен спад на налягането могат да бъдат обобщени в четири основни категории: работни условия, характеристики на материала, замърсяване и запушване на мембраната и хардуер и дизайн. Тези фактори често са взаимосвързани и действат заедно.

Неправилните условия на работа са най-честата и пряка причина.

• Прекомерна тангенциална скорост на потока:Скоростта на потока е най-критичният оперативен параметър, влияещ върху падането на налягането. Според принципите на динамиката на флуидите, загубата на налягане в каналите е приблизително пропорционална на квадрата на скоростта на потока (в зависимост от режима на потока). Следователно простото увеличаване на скоростта на захранващия или рециркулационния поток директно ще доведе до значително повишаване на спада на налягането.
• Първоначалното захранващо налягане е зададено твърде високо:В режим на постоянен поток постигането на много висок начален дебит изисква захранващата помпа да изведе високо налягане, което директно води до скок в, което води до голям спад на налягането.
• Промените в характеристиките на материала са нормална и очаквана причина за увеличаване на спада на налягането по време на процеса на концентрация.
• Увеличаване на концентрацията и вискозитета на материала:Това е основна характеристика на режима на концентрация TFF (тангенциално филтриране на потока). Тъй като разтворителите и малките молекули се филтрират, концентрацията на макромолекули във фуража (като протеини, полизахариди или клетки) се повишава, което води до значително повишаване на вискозитета. Течностите с висок-вискозитет, протичащи през тесни мембранни канали, изпитват рязко повишено вътрешно триене, причинявайки стабилно и непрекъснато нарастване на спада на налягането. По време на концентрация, наблюдаването на постепенно увеличаване на спада на налягането с коефициента на обемна концентрация е нормален физически процес, а не анормална грешка.
• Присъщо висок{0}}вискозитет или не-Нютонови течности:Дори при първоначалната концентрация някои суровини-като разтвори, съдържащи полимери с високо молекулно тегло, ферментационни бульони с висока-клетъчна-плътност или определени полизахаридни разтвори-са вискозни по своята същност, което води до спад на базовото налягане, значително по-висок от този на вода или буферни разтвори.

 

Замърсяване на мембраната и запушване на каналиса основните причини за ненормално, бързо повишаване на спада на налягането и представляват режими на повреда, които изискват внимателно внимание и намеса.

 

• Образуване на гел/замърсяващи слоеве:Веществата, задържани от мембраната (като протеини, клетъчни остатъци или колоиди), се натрупват върху повърхността на мембраната, образувайки плътен слой замърсяване. Този слой не само възпрепятства потока на пермеата, но също така значително заема физическото пространство на мембранните канали, намалява ефективната височина на канала и значително увеличава съпротивлението на потока.
• Физическо блокиране на канала:Неразтворимите частици, влакна или агрегати във фуража, които са сравними или по-големи от размерите на мембранния канал-особено на входа-могат да се задържат, причинявайки силно локално запушване. Такива запушвания обикновено са неравномерни, което потенциално прави някои канали в мембранния модул напълно нефункционални, което води до изключително високи, не-линейни удари в спада на налягането. Това е една от най-опасните ситуации и може трайно да повреди мембранния модул.
• Концентрационна поляризация:Въпреки че поляризационният слой на концентрацията е обратим, при високи TMP или условия на висок поток, слоят може да стане много плътен и подобен на гел. Увеличава локалния вискозитет и намалява пространството на канала, допринасяйки допълнително за повишаване на спада на налягането.
•  

Неподходящ избор на мембранен модул и проблеми с хардуера/дизайнасъщо може да допринесе за повишен спад на налягането.

 

• Неправилен избор на мембранен модул:Колкото по-дълъг е каналът, толкова по-голям е пътят на триене между флуида и стените на канала, което води до по-висок базов спад на налягането. По-тесните канали налагат по-големи геометрични ограничения върху флуида, увеличавайки съпротивлението на потока и повишавайки спада на налягането.
• Системни тръбопроводи и блокиране на клапани:Проблемът не винаги може да произхожда от мембранния модул. Захранващите линии, интерфейсите на сензорите и особено линиите за рециркулация и техните клапани могат да бъдат запушени от замърсители или кристализация, причинявайки допълнителна загуба на налягане в цялата система, което може да се тълкува погрешно като спад на налягането на мембранния модул.
• Температурни ефекти:Ако температурата на захранването е по-ниска от проектната стойност на процеса, вискозитетът на течността обикновено се увеличава, което води до по-висок спад на налягането.

Решения за прекомерен спад на налягането

Решенията за прекомерен спад на налягането могат да бъдат категоризирани в три основни типа: незабавни оперативни настройки, почистване и възстановяване и дългосрочна-превенция и оптимизация.

 

Незабавни оперативни корекции:

• Регулиране на тангенциалния дебит:Намалете по подходящ начин скоростта на тангенциалния поток. Намаляването на дебита е най-директният и ефективен начин за намаляване на спада на налягането. Твърде ниската скорост на потока обаче може да отслаби силата на срязване върху повърхността на мембраната, потенциално увеличавайки замърсяването на мембраната. Трябва да се намери баланс.
• Разредете захранващия разтвор:Добавете подходящо количество буфер или пречистена вода към захранващия резервоар, за да намалите общата концентрация на фуража.
• Спрете проникването и циркулирайте:Затворете страничния клапан на пермеата, за да позволите на захранващия материал да циркулира през контура „захранващ резервоар → помпа → мембранен модул → захранващ резервоар“, без да генерира пермеат.
• Проверете и оптимизирайте отварянето на клапаните:Уверете се, че рециркулационните вентили са настроени на правилния отвор. Неправилната работа на вентила, като например твърде малък отвор, може да причини изкуствено високи спадове на налягането.

 

Почистване и възстановяване на мембраната:

Когато оперативните настройки са неефективни, това означава, че е възникнало замърсяване или запушване, което изисква почистване.

• Почистване на- място (CIP):Използвайте химически почистващи препарати, за да разтворите или разхлабите замърсителите.
• Обратно промиване:Приложете натиск от страната на пермеата по-високо от страната на захранването (използвайки чист буфер или вода), за да накарате течността да се върне обратно през мембраната, изтласквайки замърсяването в порите на мембраната и входовете на каналите навън. Този метод е много ефективен за възстановяване на потока и намаляване на спада на налягането. Уверете се, че вашият тип мембрана и модул могат да издържат на противоналягане.
• Накисване:Напълнете системата с почистващ разтвор и спрете циркулацията, като я оставите да се накисне за няколко часа или цяла нощ, за да дадете достатъчно време на химическите агенти да реагират с упоритите замърсители.

 

Дългосрочна-превенция и фундаментална оптимизация:

За да се предотвратят повтарящи се проблеми, трябва да се обърне внимание на оптимизацията както на ниво система, така и на ниво процес.

• Оптимизиране на предварителната обработка на фуража:Това е най-основната превантивна мярка. Преди захранването да влезе в системата TFF, отстранете частиците, клетъчните остатъци, агрегатите и други неразтворими примеси, доколкото е възможно чрез центрофугиране, дълбочинно филтриране или подобни методи. Чистото захранване осигурява гладка работа.
• Повторно-оптимизиране на параметрите на процеса:Идентифицирайте критичния поток чрез експерименти, за да определите "критичен поток на пермеат". Работата под този поток значително намалява поляризацията на концентрацията и образуването на гел слой, предотвратявайки необичайни увеличения на падане на налягането при източника. Оптимизирайте комбинацията от тангенциален дебит и TMP-избягвайте сляпо използване на високи дебити и висок TMP. Намерете оптималната работна точка, която поддържа достатъчна ефективност на филтриране, като същевременно поддържа спада на налягането в разумен диапазон.
• Проверявайте и поддържайте хардуера:Редовно проверявайте тръбопроводите, фитингите и диафрагмите на сензора за запушвания или котлен камък. Калибрирайте сензорите за налягане, за да осигурите точни показания.
• Пре-оценете избора на мембранен модул:Ако настоящите мембранни канали са твърде тесни, за да се справят с захранвания с висок-вискозитет или захранвания, съдържащи малки количества частици, помислете за преминаване към модули с по-широки канали и по-добра устойчивост на замърсяване. Оценете съвместимостта на различни мембранни материали (напр. PES, RC, PVDF) със специфичния захранващ разтвор.