Поперечная фильтрация - Cross-flow filtration

Схема поперечной фильтрации

В химическая инженерия, биохимическая инженерия и очистка белка, поперечная фильтрация^[1] (также известен как тангенциальная фильтрация потока^[2]) является разновидностью фильтрация (конкретный работа агрегата ). Поперечная фильтрация отличается от тупиковая фильтрация в котором корм проходит через мембрана или кровать, твердые вещества задерживаются в фильтр и фильтрат выпускается на другом конце. Поперечная фильтрация получила свое название потому, что большая часть подаваемого потока проходит тангенциально. через поверхность фильтра, а не в фильтр.^[1] Основным преимуществом этого является то, что фильтровальный пирог (который может ослеплять фильтр) существенно смывается во время процесса фильтрации, увеличивая время, в течение которого фильтрующий блок может работать. Это может быть непрерывный процесс, в отличие от периодической тупиковой фильтрации.

Схема поперечной фильтрации

Этот тип фильтрация обычно выбирается для сырья, содержащего высокую долю твердых частиц небольшого размера (где пермеат имеет наибольшее значение), поскольку твердый материал может быстро блокировать (закрывать) поверхность фильтра с тупиковой фильтрацией. Промышленные примеры этого включают экстракцию растворимых антибиотики от ферментация ликеры.

Основной движущей силой процесса фильтрации с поперечным потоком является трансмембранное давление. Трансмембранное давление - это мера разницы давлений между двумя сторонами мембраны. Во время процесса трансмембранное давление может снизиться из-за увеличения вязкости пермеата, поэтому эффективность фильтрации снижается и может потребовать много времени для крупномасштабных процессов. Этого можно избежать, разбавив пермеат или увеличив скорость потока в системе.

Операция

Керамическая мембрана для промышленной фильтрации с поперечным потоком

При фильтрации с поперечным потоком сырье проходит через мембрану фильтра (тангенциально) при положительном давлении. давление относительно пермеата. Часть материала, которая меньше размера поры мембраны, проходит через мембрану как проникать или фильтрат; все остальное остается на стороне подачи мембраны в виде ретентата.

При поперечной фильтрации касательный движение основной массы жидкости через мембрану вызывает застревание частицы на поверхности фильтра, которую нужно стереть. Это означает, что фильтр с поперечным потоком может работать непрерывно при относительно высокой загрузке твердых частиц без засорения.

Преимущества перед обычной фильтрацией

Более высокая общая скорость удаления жидкости достигается за счет предотвращения образования фильтрационной корки.
Технологическое сырье остается в виде подвижной суспензии, пригодной для дальнейшей обработки.
Содержание твердых частиц в суспензии продукта может варьироваться в широком диапазоне.
Возможно фракционирование частиц по размеру^[3]
Эффект трубчатого защемления

Промышленное применение

Фильтровальная установка для промышленной фильтрации с поперечным потоком

Технология мембранной фильтрации с поперечным потоком широко используется в промышленности по всему миру. Фильтрующие мембраны могут быть полимерными или керамическими, в зависимости от области применения. Принципы поперечной фильтрации используются в обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация и микрофильтрация. Очистка воды может быть очень рентабельной по сравнению с традиционными методами испарения.

В очистка белка, термин «тангенциальная фильтрация потока» (TFF) используется для описания поперечной фильтрации с помощью мембран. Процесс можно использовать на разных стадиях очистки, в зависимости от выбранного типа мембраны.^[2]

На фотографии промышленной фильтрующей установки (справа) можно увидеть, что трубопровод рециркуляции значительно больше, чем трубопровод подачи (вертикальная труба с правой стороны) или трубопровод пермеата (небольшие коллекторы рядом с рядами белые зажимы). Эти размеры труб напрямую связаны с долей жидкости, протекающей через установку. Специальный насос используется для рециркуляции сырья несколько раз вокруг установки, прежде чем обогащенный твердыми частицами ретентат перейдет в следующую часть процесса.

Методы повышения производительности

Обратная промывка

При обратной промывке трансмембранное давление периодически инвертируется с помощью вторичного насоса, так что пермеат течет обратно в сырье, поднимая слой загрязнения с поверхности мембраны. Обратная промывка неприменима к мембранам со спиральной намоткой и не является общепринятой практикой в большинстве случаев. (Увидеть Очистка на месте )^[4]

Переменный тангенциальный поток (ATF)

А диафрагменный насос используется для создания чередующегося тангенциального потока, помогающего вытеснить задержанные частицы и предотвратить засорение мембраны. Repligen является крупнейшим производителем систем ATF.

Очистка на месте (CIP)

Очистка на месте системы обычно используются для удаления загрязнений с мембран после длительного использования. В процессе CIP могут использоваться детергенты, реактивные вещества, такие как гипохлорит натрия и кислоты и щелочи, такие как лимонная кислота и гидроксид натрия (NaOH). Гипохлорит натрия (отбеливатель) необходимо удалять из корма на некоторых мембранных заводах. Отбеливатель окисляет тонкопленочные мембраны. Окисление приведет к разложению мембран до такой степени, что они больше не будут работать при номинальном уровне брака, и их придется заменить. Отбеливатель может быть добавлен в CIP гидроксид натрия во время первоначального запуска системы перед загрузкой спирально намотанных мембран в установку, чтобы помочь дезинфицировать систему. Отбеливатель также используется для мембран из перфорированной нержавеющей стали (Graver) для CIP, поскольку их устойчивость к гипохлориту натрия намного выше, чем у мембран со спиральной намоткой. Едкие вещества и кислоты чаще всего используются в качестве первичных химикатов CIP. Каустик удаляет органические загрязнения, а кислота удаляет минералы. Растворы ферментов также используются в некоторых системах для удаления органических загрязняющих веществ с мембранной установки. PH и температура важны для программы CIP. Если pH и температура слишком высоки, мембрана разрушится, и характеристики флюса пострадают. Если pH и температура слишком низкие, система просто не будет очищена должным образом. У каждого приложения разные требования CIP. например молочная ферма обратный осмос (RO) установка, скорее всего, потребует более строгой программы CIP, чем установка RO очистки воды. У каждого производителя мембран есть свои собственные инструкции по процедурам CIP для своей продукции.

Концентрация

Объем жидкости уменьшается за счет протекания пермеата. Растворитель, растворенные вещества и частицы, размер которых меньше размера поры мембраны, проходят через мембрану, в то время как частицы больше размера поры задерживаются и, таким образом, концентрируются. В приложениях биотехнологии за концентрацией может следовать диафильтрация.

Диафильтрация

Чтобы эффективно удалить компоненты пермеата из суспензии, свежий растворитель может быть добавлен к сырью для замены объема пермеата с той же скоростью, что и скорость потока пермеата, так что объем в системе остается постоянным. Это аналогично промывке фильтровальной лепешки для удаления растворимых компонентов.^[4] Разбавление и повторное концентрирование иногда также называют «диафильтрацией».

Нарушение технологического процесса (PFD)

Технически более простой подход, чем обратная промывка, состоит в том, чтобы установить трансмембранное давление на ноль путем временного перекрытия выхода пермеата, что увеличивает истирание слоя загрязнения без необходимости во втором насосе. PFD не так эффективен, как обратная промывка для удаления отложений, но может быть полезным.

Расчет расхода

Флюс или скорость потока в системах поперечной фильтрации определяется уравнением:^[4]

${displaystyle J = {frac {Delta P} {(R_ {m {m}} + R_ {m {c}}) mu}}}$

в котором:

${displaystyle J}$ : жидкий флюс
${displaystyle Delta P}$ : трансмембранное давление (должно также включать эффекты осмотическое давление для мембран обратного осмоса)
${displaystyle R_ {m {m}}}$ : Сопротивление мембраны (относительно общей пористость )
${displaystyle R_ {m {c}}}$ : Сопротивление корки (варьируется; связано с загрязнением мембраны)
${displaystyle mu}$ : жидкость вязкость

Заметка: ${displaystyle R_ {m {m}}}$ и ${displaystyle R_ {m {c}}}$ включают обратную площадь поверхности мембраны в их вывод; таким образом, поток увеличивается с увеличением площади мембраны.

Смотрите также

использованная литература

^ ^а ^б Корос В.Дж., Ма Ю.Х., Шимидзу Т. (июнь 1996 г.). «Терминология для мембран и мембранных процессов (IUPAC)» (PDF). Pure Appl. Chem. 86 (7): 1479–1489. Дои:10.1351 / pac199668071479.
^ ^а ^б Техническая библиотека Millipore: Концентрация белка и диафильтрация с помощью фильтрации с тангенциальным потоком
^ Бертера Р., Стивен Х., Меткалф М. (июнь 1984 г.). «Исследования развития поперечной фильтрации». Инженер-химик. 401: 10.
^ ^а ^б ^c Дж. Ф. Ричардсон; Дж. М. Коулсон; JH Harker; Дж. Р. Бэкхерст (2002). Химическая инженерия Коулсона и Ричардсона (Том 2) (5-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4445-1.

внешние ссылки

[IUPAC-1] а ^б Корос В.Дж., Ма Ю.Х., Шимидзу Т. (июнь 1996 г.). «Терминология для мембран и мембранных процессов (IUPAC)» (PDF). Pure Appl. Chem. 86 (7): 1479–1489. Дои:10.1351 / pac199668071479.

[Millipore-2] а ^б Техническая библиотека Millipore: Концентрация белка и диафильтрация с помощью фильтрации с тангенциальным потоком

[3] Бертера Р., Стивен Х., Меткалф М. (июнь 1984 г.). «Исследования развития поперечной фильтрации». Инженер-химик. 401: 10.

[Coulson-4] а ^б ^c Дж. Ф. Ричардсон; Дж. М. Коулсон; JH Harker; Дж. Р. Бэкхерст (2002). Химическая инженерия Коулсона и Ричардсона (Том 2) (5-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-4445-1.

[1]

[2]

[3]

[4]

Процессы разделения
Процессы	Абсорбция Кислотно-основная экстракция Адсорбция Хроматография Поперечная фильтрация Кристаллизация Циклонная сепарация Диализ (биохимия) Флотация растворенного воздуха Дистилляция Сушка Электрохроматография Электрофильтрация Фильтрация Флокуляция Пенная флотация Гравитационное разделение Выщелачивание Жидкостно-жидкостная экстракция Электроэкстракция Микрофильтрация Осмос Осадки (химия) Перекристаллизация Обратный осмос Седиментация Твердофазная экстракция Сублимация Ультрафильтрация
Устройства	Сепаратор масла и воды API Ленточный фильтр Центрифуга Фильтр глубины Электростатический фильтр Испаритель Фильтр-пресс Колонна фракционирования Фильтрат Смеситель-отстойник Протеиновый скиммер Быстрый песочный фильтр Ротационный вакуум-барабанный фильтр Скруббер Вращающийся конус По-прежнему Сублимационный аппарат Вакуумный керамический фильтр
Многофазный системы	Водная двухфазная система Азеотроп Эвтектика
Концепции	Работа агрегата