Uvod u princip komponenti šupljeg vlakana
1. Pozadina
Komponente šupljih vlakana su nova vrsta materijala vlakana, koji se sastoji od šuplje strukture više slojeva celuloze ili minerala. Ovaj materijal ima karakteristike niske gustoće, visoke specifične površine i visoke poroznosti, tako da se široko koristi u filtraciji, odvajanju i adsorpciji.
U posljednjih nekoliko desetljeća komponente šupljih vlakana naširoko su korištene u mnogim poljima kao što su biomedicina, hrana i piće, zaštita okoliša i kemijska industrija. Na primjer, na polju biomedicine komponente šupljeg vlakana koriste se za pripremu biofarmaceutskih proizvoda i bioreaktora. U području zaštite okoliša, komponente šupljih vlakana koriste se za obradu vode, pročišćavanje otpadnih voda i pročišćavanje zraka.
Pozadina komponenti šupljeg vlakana vrlo je bogata. Nije samo široko provjeren u aplikacijama, već ima i duboku istraživačku temelj u području znanosti o materijalima i tehnologiji vlakana. Zbog svoje jedinstvene strukture i performansi, komponente šupljih vlakana imaju visok potencijal i nastavit će igrati važnu ulogu u budućnosti.
2. Princip
Definicija tehnologije razdvajanja membrane:
Filter membrana: tanki filmski materijal izrađen od poroznih polimera s jednim ili više slojeva;
Tehnologija odvajanja membrane: tehnologija odvajanja koja koristi vanjske uvjete kao što su razlika tlaka ili razlike u koncentraciji kao pokretačka sila kako bi se omogućilo da prolaze samo određene specifične tvari u više komponenti, dok se druge tvari presreću; obično se koristi u odvajanju, pročišćavanju i koncentraciji smjesa.
Metoda filtracije:
Filtracija izravne struje: Poznata i kao mrtva filtracija, dovodna tekućina teče okomito na površinu filtrirane membrane, sve tekućine prolaze kroz filterski medij, a zagađivači se zadržavaju unutar ili na površini filterske membrane.
Na primjer: Filtracija pojašnjenja, prefiltracija, filtracija sterilizacije, filtracija uklanjanja virusa, vakuum filtra, uglavnom koncentrirana u kategoriji mikrofiltracije.
Tangencijalna filtracija protoka: Poznata i kao filtracija unakrsnog protoka, dovodna tekućina teče paralelno s površinom filtrirane membrane, dio tekućine prolazi kroz filterski medij, a zagađivači se zadržavaju na površini filterske membrane ili refluks s drugog kraja membrane.
Na primjer: paket membrane, ultrafiltracija šupljeg vlakana, uglavnom koncentrirana u kategoriji ultrafiltracije.
Značajke TFF filtracije:
Načelo rada tangencijalne filtracije protoka (TFF) je da otopina teče u smjeru paralelnom s membranom. Pod tlakom molekule manje od membranskih pora prolaze kroz membranu i postaju permeate, dok se molekule veće od membranskih pora zadržavaju i postaju koncentrirane.
Koncepti povezani sa šupljim vlaknima:
Razlika tlaka transmembrane (TMP): Prosječna razlika tlaka na obje strane membrane je pokretačka sila da tekućina prođe kroz membranu. Transmembranski razlika tlaka=(pin + preterno) / 2- ppermeate
FLOX: Količina tekućine koja prolazi kroz membranu po jedinici membrane po jedinici vremena. Lmh, l/(m2.h)
Normalizirani tok vode (NWP: normalizirana propusnost vode): protok vode pri jediničnom tlaku i standardnu temperaturu. L/(m2.h.psi)
Molekularna granica mase (MWCO): karakterizira veličinu pora ultrafiltracijske membrane.
Minimalni radni volumen: Minimalni radni volumen sustava za filtraciju tangencijalnog protoka odnosi se na volumen tekućine cirkulacije potrebnog za rad sustava u određenim uvjetima protoka protoka. Minimalni radni volumen ovisi o volumenu zadržavanja i protoku protoka cirkulacije sustava i komponenti. U aplikacijama visoke koncentracije, poput koncentracije virusa, minimalni radni volumen je važno razmatranje, a volumen koncentracije ciljanog refluksa mora biti veći od minimalnog radnog volumena sustava.
Brzina smicanja: Brzina promjene brzine protoka tekućine u odnosu na polumjer kružnog protočnog kanala. Za razliku od paketa membrane, u pokusima šupljih vlakana, brzina smicanja obično se koristi umjesto tangencijalnog protoka kako bi se karakterizirao protok cirkulacije paralelan s membranom.
Polarizacija koncentracije: Tijekom procesa ultrafiltracije, rastvore koji ne mogu proći kroz membranu akumuliraju se na površini membrane pod pritiskom kako bi se stvorio sloj gela. Koncentracija u području u blizini sučelja membrane postaje sve veća i veća. Pod djelovanjem gradijenta koncentracije, difuzija rastvora s površine membrane na otopinu raste, što povećava otpornost na tekućinu i lokalni osmotski tlak, što rezultira smanjenjem fluksa.
Sloj gela: To je glavni faktor otpornosti membrana ultrafiltracije.
Čimbenici koje treba uzeti u obzir pri odabiru membrana šupljeg vlakana:
1. Izbor oblika membrane: Za uzorke koji su očišćeni, bogati česticama imaju visoku viskoznost i zahtijevaju nisku koncentraciju sile smicanja, poput molekula velikih virusa čestica s niskom stabilnošću, membrane šupljih vlakana obično se odabiru za pojašnjenje/koncentraciju i dijafiltraciju;
2. Izbor promjera vlakana: 0. Unutarnji promjer 5 mm preferira se za koncentraciju/dijafiltraciju uzorka; 1. 0 mm Unutarnji promjer preferira se za pojašnjenje uzoraka;
3. Izbor točnosti filtracije: Veličina pora membrane šupljeg vlakana utjecati će na njegovu točnost filtracije. Odgovarajuću veličinu pora treba odabrati prema zahtjevima specifične primjene kako bi se osigurala učinkovita filtracija ciljne tvari. Slijedi nekoliko uobičajenih opcija aplikacija:
① Koncentracija/dijafiltracija: Da bi se učinkovito presrela ciljna molekula i osigurala prinos, općenito se preporučuje veličina pora membrane od 1/3-1/5 molekule ciljanog uzorka. Istodobno, kako bi se smanjio sadržaj nečistoća tijekom postupka koncentracije i dijafiltracije, veličina pora treba biti što veća pod uvjetom da je prinos ciljane molekule zajamčen;
② Pojašnjenje: Preporučuje se odabir veličine pora membrane koja je 5-10 puta veća od ciljane molekule kako bi se osiguralo da ciljni molekula prinosi što je više moguće, pogotovo ako je uzorak vrlo "prljav", treba birati veličinu pora više od 10 puta;
③ Molekularno odvajanje: Ako želite upotrijebiti tangencijalnu membranu za filtraciju protoka za odvajanje dvije ciljne molekule različitih veličina, molekularna masa ciljne molekule trebala bi biti najmanje 10 puta različita, a dijafiltracija bi trebala biti dovoljna;
④ Prikupljanje stanica: Ako je ciljni protein izražen u vrećici E. coli, prvi korak za prikupljanje bakterija je korištenje ultrafiltracijske membrane od 500k/750K.
4. Efektivna duljina: Značajka pojačanja procesa šupljih vlakana je da sve dok se efektivna duljina održava dosljedna, može se izvršiti izravno pojačavanje procesa. Međutim, komponente različitih duljina ne mogu se linearno pojačati zbog značajne razlike u padu tlaka na oba kraja, a unutarnji tlak i raspodjela protoka protočnog kanala također se mijenjaju u skladu s tim. Obično su komponente s kraćom duljinom kanala protoka odabrane pri tretiranju materijala s visokom viskoznošću i velikim obraslom.
Primjena komponenti šupljeg vlakana
Područja prijave:
Pročišćavanje, koncentracija i dijaliza cjepiva
Pročišćavanje, koncentracija i dijaliza virusnih vektora
Pojašnjenje i filtracija stanica i bakterija u fermentacijskom juhu
Oporavak i pranje stanica i bakterija
Koncentracija i dijaliza proteina
Značajke proizvoda:
Niži tok od paketa membrane
Nježno za materijale
Jednostavan i otvoreni kanal protoka
Lako se sastavljati
Lako se prazno
MWCO izbor:
Potrebno je razmotriti selektivnost odvajanja membrane i rizik od blokade tijekom postupka liječenja. Stoga, pod pretpostavkom da se osigura selektivnost i fluks, membrane s relativno malim porama trebaju biti odabrane što je više moguće kako bi se smanjio spori ulazak čestica nečistoće u membrane pore i proširio radni vijek. Uobičajeni scenariji obrade su sljedeći:
Koncentracija virusa, pročišćavanje, uklanjanje: 100kd, 300kd, 500kd, 750kd
Rekombinantno pojašnjenje proteina/antitijela: 500kd, 750kd
Koncentracija bakterija: 500kd, 750kd
