Introducció al principi dels components de fibra buida
1. Fons
Els components de fibra buida són un nou tipus de material de fibra, que consisteix en una estructura buida de múltiples capes de cel·lulosa o minerals. Aquest material presenta les característiques de baixa densitat, alta superfície específica i alta porositat, de manera que s’utilitza àmpliament en filtració, separació i adsorció.
En les darreres dècades, els components de fibra buida s’han utilitzat àmpliament en molts camps com la biomedicina, l’alimentació i les begudes, la protecció del medi ambient i la indústria química. Per exemple, al camp de la biomedicina, els components de fibra buida s’utilitzen per preparar productes biofarmacèutics i bioreactors. En el camp de la protecció ambiental, s’utilitzen components de fibra buida per al tractament de l’aigua, el tractament d’aigües residuals i la purificació de l’aire.
El fons dels components de fibra buida és molt ric. No només s’ha verificat àmpliament en les aplicacions, sinó que també té una base de recerca profunda en els camps de la ciència de materials i la tecnologia de fibra. A causa de la seva estructura i el seu rendiment únics, els components de fibra buida tenen un potencial elevat i continuaran jugant un paper important en el futur.
2. Principi
Definició de tecnologia de separació de membranes:
Membrana de filtre: un material de pel·lícula fina feta de polímers porosos amb una o més capes;
Tecnologia de separació de membranes: una tecnologia de separació que utilitza condicions externes com la diferència de pressió o la diferència de concentració com a força motriu per permetre que només hi passin determinades substàncies específiques en diversos components, mentre que altres substàncies són interceptades; Normalment s’utilitza en la separació, purificació i concentració de barreges.
Mètode de filtració:
Filtració de corrent directe: També conegut com a filtració de sortida sense sortida, el líquid d’alimentació flueix perpendicular a la superfície de la membrana del filtre, tots els líquids passen pel medi de filtre i els contaminants es conserven dins o a la superfície de la membrana del filtre.
Per exemple: filtració d’aclariment, prefiltració, filtració d’esterilització, filtració d’eliminació de virus, filtre de buit, concentrat principalment en la categoria de microfiltració.
Filtració de flux tangencial: També coneguda com filtració de flux creuat, el líquid d’alimentació flueix paral·lel a la superfície de la membrana del filtre, part del líquid passa pel medi de filtre i els contaminants es conserven a la superfície de la membrana o reflux del filtre de l’altre extrem de la membrana.
Per exemple: paquet de membrana, ultrafiltració de fibra buida, es concentra principalment en la categoria d’ultrafiltració.
Característiques de la filtració TFF:
El principi de funcionament de la filtració de flux tangencial (TFF) és que la solució flueix en una direcció paral·lela a la membrana. Sota la pressió, les molècules més petites que els porus de la membrana passen per la membrana i es permeen permeats, mentre que les molècules més grans que els porus de la membrana es conserven i es concentren.
Conceptes relacionats amb les fibres buides:
Diferència de pressió transmembrana (TMP): la diferència de pressió mitjana a banda i banda de la membrana és la força motriu perquè el líquid passi per la membrana. Transmembrane Pressió Diferència=(pin + prorturn) / 2- Ppermeate
Flux: la quantitat de líquid que passa per la membrana per unitat d’àrea de membrana per unitat de temps. LMH, L/(M2.H)
Flux d’aigua normalitzat (NWP: permeabilitat d’aigua normalitzada): el flux d’aigua a la pressió d’unitat i la temperatura estàndard. L/(m2.h.psi)
Tall de pes molecular (MWCO): caracteritza la mida dels porus de la membrana d’ultrafiltració.
Volum mínim de treball: el volum mínim de treball del sistema de filtració de flux tangencial fa referència al volum de líquid circulant necessari per operar el sistema en condicions específiques de flux de flux tangencial. El volum de treball mínim depèn del volum de retenció i del cabal de circulació del sistema i dels components. En aplicacions d’alta concentració, com la concentració de virus, el volum de treball mínim és una consideració important i el volum de concentració de reflux objectiu ha de ser superior al volum de treball mínim del sistema.
Velocitat de cisalla: la velocitat de canvi de la velocitat del flux del fluid respecte al radi del canal de flux circular. A diferència del paquet de membrana, en experiments de fibra buida, la velocitat de cisalla s’utilitza generalment en lloc del cabal tangencial per caracteritzar el flux de circulació paral·lel a la membrana.
Polarització de concentració: Durant el procés d’ultrafiltració, els soluts que no poden passar per la membrana s’acumulen a la superfície de la membrana sota pressió per formar una capa de gel. La concentració a la zona propera a la interfície de la membrana és cada cop més elevada. Sota l’acció del gradient de concentració, augmenta la difusió del solut des de la superfície de la membrana fins a la solució, cosa que augmenta la resistència del fluid i la pressió osmòtica local, donant lloc a una disminució del flux.
Capa de gel: és el factor principal en la resistència de les membranes d’ultrafiltració.
Factors a tenir en compte a l’hora de seleccionar membranes de fibra buida:
1. Elecció de la forma de membrana: Per a mostres que s’aclareixen, riques en partícules, tenen alta viscositat i requereixen una baixa concentració de força de cisalla, com ara molècules de virus de partícules grans amb baixa estabilitat, les membranes de fibra buida solen ser seleccionades per aclarir/concentració i diafiltració;
2. Elecció del diàmetre de la fibra: 0. Es prefereix el diàmetre interior de 5 mm per a la concentració de mostra/diafiltració; 1. 0 mm es prefereix el diàmetre interior per aclarir la mostra;
3. Elecció de la precisió de la filtració: la mida dels porus de la membrana de fibra buida afectarà la seva precisió de filtració. La mida de porus adequada s'ha de seleccionar segons els requisits de l'aplicació específica per assegurar la filtració efectiva de la substància objectiu. A continuació, es mostren diverses opcions d'aplicació habituals:
① Concentració/diafiltració: Per interceptar eficaçment la molècula objectiu i assegurar el rendiment, es recomana generalment una mida de porus de membrana d’1/3-1/5 de la molècula de mostra objectiu. Al mateix temps, per tal de minimitzar el contingut de les impureses durant el procés de concentració i diafiltració, la mida dels porus ha de ser el més gran possible amb la condició que es garanteixi el rendiment de la molècula objectiu;
② Aclariment: Es recomana seleccionar una mida de porus de membrana que sigui 5-10 vegades més gran que la molècula objectiu per assegurar el rendiment de la molècula objectiu tant com sigui possible, sobretot si la mostra és molt "bruta", s'hauria de seleccionar una mida de porus de membrana de més de deu vegades;
③ Separació molecular: si voleu utilitzar una membrana de filtració de flux tangencial per separar dues molècules diana de mides diferents, el pes molecular de la molècula objectiu hauria de ser almenys 10 vegades diferent i la diafiltració hauria de ser suficient;
④ Recollida de cèl·lules: si la proteïna objectiu s’expressa en una bossa de E. coli, el primer pas per recollir els bacteris és utilitzar una membrana d’ultrafiltració de 500k/750k.
. No obstant això, els components de diferents longituds no es poden amplificar linealment a causa de la diferència significativa de la caiguda de pressió als dos extrems, i la distribució de pressió i cabal interna del canal de flux també canvien en conseqüència. Normalment, els components amb longituds de canal de flux més curts solen ser seleccionats quan es tracta de materials amb alta viscositat i de molèstia alta.
Aplicació de components de fibra buida
Àrees d'aplicació:
Purificació, concentració i diàlisi de les vacunes
Purificació, concentració i diàlisi de vectors virals
Aclariment i filtració de cèl·lules i bacteris al caldo de fermentació
Recuperació i rentat de cèl·lules i bacteris
Concentració i diàlisi de proteïnes
Característiques del producte:
Flux inferior als paquets de membrana
Suau als materials
Canal de flux senzill i obert
Fàcil de muntar
Fàcil de buidar
Selecció MWCO:
Cal tenir en compte la selectivitat de separació de la membrana i el risc de bloqueig durant el procés de tractament. Per tant, sota la premissa d’assegurar la selectivitat i el flux, s’han de seleccionar membranes amb porus relativament petits el màxim possible per reduir l’entrada lenta de partícules d’impuresa als porus de la membrana i ampliar la vida útil. Els escenaris comuns de processament són els següents:
Concentració de virus, purificació, eliminació: 100kD, 300kD, 500kD, 750kD
Aclariment de proteïnes/anticossos recombinant: 500kD, 750kD
Concentració de bacteris: 500kD, 750kD
