Teorías sobre la reducción o ampliación-de los filtros de flujo tangencial

El flujo de permeación y la permeabilidad son dos parámetros cruciales en la filtración por membrana. El flujo de permeación es el volumen de líquido que puede pasar por unidad de tiempo y por unidad de área de membrana. La permeabilidad es la relación entre la concentración del producto objetivo en el permeado y su concentración en la solución de retorno. Al comparar filtros de flujo tangencial de diferentes tamaños, es necesario controlar las variables para minimizar la interferencia: seleccionar membranas con material, tamaño de poro y fabricante consistentes; utilizar soluciones de alimentación con idéntica composición y concentración; y realizar experimentos en condiciones uniformes de temperatura ambiente. Una vez que se cumplen estas condiciones iniciales, también es necesario controlar las condiciones experimentales de acuerdo con tres principios (el mismo volumen de solución de alimentación por unidad de área de membrana, la misma fuerza de corte y el mismo flujo de agua inicial) para garantizar que el flujo de permeación y la permeabilidad de filtros de diferentes tamaños sean aproximadamente consistentes en todo momento.

 

Principio 1: El mismo volumen de filtración del líquido de alimentación corresponde a una unidad de área de membrana.

El flujo de permeación, la permeabilidad y las propiedades de la membrana están estrechamente relacionados. Además de garantizar el mismo material de membrana y tamaño de poro, para lograr el mismo flujo de permeación y permeabilidad, las condiciones de la superficie de la membrana (torta de filtración y polarización de concentración) de los filtros grandes y pequeños deben ser similares en un momento dado. Para que la torta de filtración y la polarización de la concentración sean similares en la superficie de la membrana, el volumen del mismo líquido de alimentación (sustancia, concentración) filtrado por unidad de área debe ser el mismo para los filtros grandes y pequeños. Por lo tanto, la relación del volumen de líquido de alimentación entre los filtros grande y pequeño debe ser igual a la relación de sus áreas de membrana, es decir, el volumen de líquido de alimentación correspondiente a la misma unidad de área de membrana.

 

Principio 2: Las fuerzas de corte sobre la superficie de la membrana son las mismas.

En la industria biofarmacéutica, las soluciones alimenticias que deben filtrarse son en su mayoría biológicamente activas. La fuerza de corte sobre la superficie de la membrana no solo afecta la formación de torta de filtración y la polarización de concentración, sino también la bioactividad de los productos biológicos. Por lo tanto, es necesario garantizar que la fuerza de corte sobre la superficie de la membrana de los filtros de flujo tangencial grandes y pequeños sea la misma durante las operaciones experimentales.

 

Principio3 : Mismo flujo inicial

Bajo las mismas condiciones de líquido de alimentación, propiedades de la superficie de la membrana y condiciones operativas, si el flujo inicial es el mismo y los cambios en la superficie de la membrana son similares, el flujo posterior generalmente será similar. Por tanto, es necesario asegurarse de que el flujo inicial sea el mismo para que el flujo correspondiente a cada vez de los filtros grandes y pequeños sea similar.

Aunque el material de la membrana, el tamaño de los poros y el fabricante de los filtros grandes y pequeños son los mismos, su resistencia total a la filtración difiere debido a las diferencias en las estructuras de empaquetamiento de las membranas. Cuando las resistencias de filtración de los filtros grandes y pequeños difieren, se requieren diferentes valores de presión transmembrana (TMP) para lograr el mismo flujo de permeado. Normalmente, la presión transmembrana (TMP) es la diferencia entre las presiones promedio de entrada y salida y la presión del permeado. Dado que el permeado en los filtros grandes y pequeños está conectado a la presión atmosférica, la presión del permeado en ambos es 0 Pa. (presión manométrica). Por lo tanto, la presión transmembrana en el experimento es el promedio de la presión de entrada y la presión de salida.

Cuando se satisfacen los tres principios anteriores, y con las mismas condiciones iniciales, teóricamente, el flujo de permeación en el mismo momento después de que comienza la filtración será el mismo para filtros grandes y pequeños. Cuando el flujo de permeación en todos los momentos es exactamente el mismo, se puede concluir que el tiempo total de filtración para ambos tipos de filtros es igual. Vea la figura a continuación.

 

 

Diagrama esquemático de las interacciones internas de parámetros fisicoquímicos y operativos relevantes.

Referencias: Guo Shuyin. Diseño y verificación de un pequeño filtro de flujo tangencial y teoría de reducción/aumento del filtro de flujo tangencial [D]. Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China, 2016.