Introduzione al principio dei componenti in fibra cavata

1. Sfondo

I componenti in fibra cavata sono un nuovo tipo di materiale in fibra, che consiste in una struttura cavata di più strati di cellulosa o minerali. Questo materiale ha le caratteristiche della bassa densità, dell'alta superficie specifica e dell'alta porosità, quindi è ampiamente utilizzato in filtrazione, separazione e adsorbimento.

 

Negli ultimi decenni, i componenti a fibra cava sono stati ampiamente utilizzati in molti campi come biomedicina, cibo e bevande, protezione ambientale e industria chimica. Ad esempio, nel campo della biomedicina, i componenti in fibra cavata vengono utilizzati per preparare prodotti e bioreattori biofarmaci. Nel campo della protezione ambientale, vengono utilizzati componenti in fibra cava per il trattamento delle acque, il trattamento delle acque reflue e la purificazione dell'aria.

 

Lo sfondo dei componenti in fibra cavata è molto ricco. Non è stato solo ampiamente verificato nelle applicazioni, ma ha anche una profonda base di ricerca nei settori della scienza dei materiali e della tecnologia delle fibre. Grazie alla sua struttura e alle prestazioni uniche, i componenti in fibra cava hanno un alto potenziale e continueranno a svolgere un ruolo importante in futuro.

2. Principio

Definizione della tecnologia di separazione della membrana:

Membrana del filtro: un materiale a film sottile fatto di polimeri porosi con uno o più strati;

Tecnologia di separazione della membrana: una tecnologia di separazione che utilizza condizioni esterne come la differenza di pressione o la differenza di concentrazione come forza trainante per consentire solo determinate sostanze specifiche in più componenti, mentre altre sostanze sono intercettate; solitamente usato nella separazione, nella purificazione e nella concentrazione di miscele.

 

Metodo di filtrazione:

Filtrazione di corrente continua: nota anche come filtrazione senza uscita, il liquido di alimentazione scorre perpendicolare alla superficie della membrana del filtro, tutti i liquidi passano attraverso il mezzo del filtro e gli inquinanti vengono trattenuti all'interno o sulla superficie della membrana del filtro.

Ad esempio: filtrazione di chiarimento, prefiltrazione, filtrazione di sterilizzazione, filtrazione di rimozione del virus, filtro a vuoto, concentrata principalmente nella categoria della microfiltrazione.

 

Filtrazione a flusso tangenziale: nota anche come filtrazione a flusso incrociato, il liquido di alimentazione scorre parallelamente alla superficie della membrana del filtro, parte del liquido passa attraverso il mezzo del filtro e gli inquinanti vengono trattenuti sulla superficie della membrana del filtro o il reflusso dall'altra estremità della membrana.

 

Ad esempio: pacchetto di membrana, ultrafiltrazione a fibra cavata, concentrata principalmente nella categoria dell'ultrafiltrazione.

Caratteristiche della filtrazione TFF:

Il principio di lavoro della filtrazione a flusso tangenziale (TFF) è che la soluzione scorre in una direzione parallela alla membrana. Sotto la pressione, le molecole più piccole dei pori di membrana passano attraverso la membrana e diventano permeate, mentre le molecole più grandi dei pori di membrana vengono trattenute e si concentrano.

 

Concetti relativi alle fibre cave:

Differenza di pressione transmembrana (TMP): la differenza di pressione media su entrambi i lati della membrana è la forza trainante che il liquido può passare attraverso la membrana. Differenza di pressione transmembrana=(pin + preturn) / 2- ppermeate

Flusso: la quantità di fluido che passa attraverso la membrana per unità di area di membrana per unità di tempo. LMH, L/(M2.H)

Flusso d'acqua normalizzato (NWP: permeabilità dell'acqua normalizzata): il flusso di acqua a pressione unitaria e temperatura standard. L/(M2.H.PSI)

Cutoff di peso molecolare (MWCO): caratterizza la dimensione dei pori della membrana ultrafiltrazione.

Volume di lavoro minimo: il volume di lavoro minimo del sistema di filtrazione del flusso tangenziale si riferisce al volume del liquido circolante richiesto per far funzionare il sistema in condizioni di flusso tangenziale specifiche. Il volume di lavoro minimo dipende dal volume di ritenzione e dalla portata di circolazione del sistema e dei componenti. Nelle applicazioni ad alta concentrazione, come la concentrazione di virus, il volume di lavoro minimo è una considerazione importante e il volume della concentrazione di reflusso target deve essere superiore al volume di lavoro minimo del sistema.

Tasso di taglio: la velocità di variazione della velocità di flusso del fluido rispetto al raggio del canale di flusso circolare. A differenza del pacchetto di membrana, negli esperimenti in fibra cava, la frequenza di taglio viene generalmente utilizzata al posto della portata tangenziale per caratterizzare il flusso di circolazione parallelo alla membrana.

Polarizzazione della concentrazione: durante il processo di ultrafiltrazione, i soluti che non possono passare attraverso la membrana si accumulano sulla superficie della membrana sotto pressione per formare uno strato di gel. La concentrazione nell'area vicino all'interfaccia di membrana sta diventando sempre più alta. Sotto l'azione del gradiente di concentrazione, aumenta la diffusione del soluto dalla superficie della membrana alla soluzione, il che aumenta la resistenza al fluido e la pressione osmotica locale, con conseguente riduzione del flusso.

Strato di gel: è il fattore principale nella resistenza delle membrane ultrafiltrazioni.

 

Fattori da considerare quando si selezionano le membrane in fibra cava:

1. Scelta della forma della membrana: per campioni chiarificati, ricchi di particelle, hanno un'alta viscosità e richiedono una bassa concentrazione di forza di taglio, come molecole di virus delle particelle di grandi dimensioni con bassa stabilità, le membrane a fibra cava sono generalmente selezionate per il chiarimento/concentrazione e diafiltrazione;

2. Scelta del diametro della fibra: 0. Diametro interno 5mm è preferito per la concentrazione/diafiltrazione del campione; 1. 0 mm Diametro interno è preferito per il chiarimento del campione;

3. Scelta dell'accuratezza della filtrazione: la dimensione dei pori della membrana in fibra cavata influenzerà la sua precisione di filtrazione. La dimensione dei pori appropriata deve essere selezionata in base ai requisiti dell'applicazione specifica per garantire un'efficace filtrazione della sostanza target. Di seguito sono riportate diverse opzioni di applicazione comuni:

① Concentrazione/diafiltrazione: per intercettare efficacemente la molecola target e garantire la resa, è generalmente raccomandata una dimensione dei pori di membrana di 1/3-1}/5 della molecola di campione target. Allo stesso tempo, al fine di ridurre al minimo il contenuto di impurità durante il processo di concentrazione e diafiltrazione, la dimensione dei pori dovrebbe essere il più grande possibile nella condizione che la resa molecola target sia garantita;

② Chiarimento: si consiglia di selezionare una dimensione dei pori di membrana che è 5-10 volte più grande della molecola target per garantire che la molecola target produca il più possibile, specialmente se il campione è molto "sporco", si dovrebbe selezionare una dimensione dei pori di membrana di oltre 10 volte;

③ Separazione molecolare: se si desidera utilizzare una membrana di filtrazione a flusso tangenziale per separare due molecole target di dimensioni diverse, il peso molecolare della molecola bersaglio dovrebbe essere almeno 10 volte diverso e la diafiltrazione dovrebbe essere sufficiente;

④ Collezione cellulare: se la proteina target è espressa in una borsa E. coli, il primo passo per raccogliere i batteri è utilizzare una membrana ultrafiltrazione di 500k/750K.

 

4. Lunghezza effettiva: la caratteristica di amplificazione del processo delle fibre cave è che fintanto che la lunghezza effettiva è mantenuta coerente, è possibile eseguire l'amplificazione del processo diretto. Tuttavia, i componenti di diverse lunghezze non possono essere amplificati linearmente a causa della significativa differenza nella caduta di pressione su entrambe le estremità e anche la distribuzione interna della portata del canale di flusso cambia di conseguenza. Di solito, i componenti con lunghezze del canale di flusso più brevi tendono ad essere selezionati quando si trattano materiali con elevata viscosità e alta sporcizia.

 

Applicazione di componenti in fibra cava

Aree di applicazione:

Purificazione, concentrazione e dialisi dei vaccini

Purificazione, concentrazione e dialisi dei vettori virali

Chiarimento e filtrazione di cellule e batteri nel brodo di fermentazione

Recupero e lavaggio di cellule e batteri

Concentrazione e dialisi delle proteine

Caratteristiche del prodotto:

Flusso inferiore rispetto ai pacchetti di membrana

Delicato ai materiali

Canale di flusso semplice e aperto

Facile da montare

Facile da svuotare

Selezione MWCO:

È necessario considerare la selettività di separazione della membrana e il rischio di blocco durante il processo di trattamento. Pertanto, sotto la premessa di garantire la selettività e il flusso, le membrane con pori relativamente piccoli dovrebbero essere selezionate il più possibile per ridurre l'ingresso lento delle particelle di impurità nei pori di membrana ed estendere la durata di servizio. Gli scenari di elaborazione comuni sono i seguenti:

Concentrazione del virus, purificazione, rimozione: 100kd, 300kd, 500kd, 750kd

Chiarimento ricombinante di proteina/anticorpo: 500kd, 750KD

Concentrazione dei batteri: 500kd, 750kd