Lý thuyết về việc thu nhỏ/mở rộng quy mô-Bộ lọc luồng tiếp tuyến lên

Thông lượng thẩm thấu và tính thấm là hai thông số quan trọng trong quá trình lọc màng. Thông lượng thẩm thấu là thể tích chất lỏng có thể đi qua trong một đơn vị thời gian và trên một đơn vị diện tích màng. Độ thấm là tỷ lệ giữa nồng độ của sản phẩm mục tiêu trong chất thấm với nồng độ của nó trong dung dịch hồi lưu. Khi so sánh các bộ lọc dòng tiếp tuyến có kích thước khác nhau, cần kiểm soát các biến số để giảm thiểu nhiễu: chọn màng có chất liệu, kích thước lỗ xốp và nhà sản xuất phù hợp; sử dụng các dung dịch thức ăn có thành phần và nồng độ giống nhau; và tiến hành thí nghiệm trong điều kiện nhiệt độ phòng đồng đều. Khi các điều kiện ban đầu này được đáp ứng, cũng cần phải kiểm soát các điều kiện thí nghiệm theo ba nguyên tắc (cùng thể tích dung dịch thức ăn trên một đơn vị diện tích màng, cùng lực cắt và cùng dòng nước ban đầu) để đảm bảo rằng dòng thấm và độ thấm của các bộ lọc có kích thước khác nhau gần như nhất quán tại mọi thời điểm.

 

Nguyên tắc 1: Cùng một thể tích lọc chất lỏng cấp liệu tương ứng với một đơn vị diện tích màng.

Thông lượng thẩm thấu, tính thấm và tính chất của màng có liên quan chặt chẽ với nhau. Bên cạnh việc đảm bảo cùng chất liệu màng và kích thước lỗ, để đạt được thông lượng thẩm thấu và độ thấm như nhau, các điều kiện bề mặt màng (bánh lọc và phân cực nồng độ) của bộ lọc lớn và nhỏ phải giống nhau ở bất kỳ thời điểm nào. Để làm cho bánh lọc và sự phân cực nồng độ giống nhau trên bề mặt màng, thể tích của cùng một chất lỏng (chất, nồng độ) được lọc trên một đơn vị diện tích phải giống nhau đối với cả bộ lọc lớn và nhỏ. Do đó, tỷ lệ thể tích chất lỏng cấp liệu giữa các bộ lọc lớn và nhỏ phải bằng tỷ lệ diện tích màng của chúng, tức là thể tích chất lỏng cấp liệu tương ứng với cùng một đơn vị diện tích màng.

 

Nguyên lý 2: Lực cắt trên bề mặt màng là như nhau.

Trong ngành dược phẩm sinh học, các dung dịch thức ăn cần lọc hầu hết đều có hoạt tính sinh học. Lực cắt trên bề mặt màng không chỉ ảnh hưởng đến sự hình thành bánh lọc và phân cực nồng độ mà còn ảnh hưởng đến hoạt tính sinh học của các sản phẩm sinh học. Vì vậy, cần đảm bảo lực cắt trên bề mặt màng của cả bộ lọc dòng tiếp tuyến lớn và nhỏ là như nhau trong quá trình vận hành thử nghiệm.

 

Nguyên tắc3 : Thông lượng ban đầu giống nhau

Trong cùng điều kiện của chất lỏng cấp liệu, tính chất bề mặt màng và điều kiện vận hành, nếu dòng ban đầu giống nhau và bề mặt màng thay đổi tương tự nhau thì dòng tiếp theo thường sẽ tương tự. Vì vậy, cần đảm bảo thông lượng ban đầu bằng nhau sao cho thông lượng tương ứng với mỗi thời điểm của bộ lọc lớn và nhỏ là tương tự nhau.

Mặc dù vật liệu màng, kích thước lỗ và nhà sản xuất bộ lọc lớn và nhỏ là như nhau nhưng tổng khả năng chống lọc của chúng khác nhau do sự khác biệt trong cấu trúc đóng gói màng. Khi điện trở lọc của bộ lọc lớn và nhỏ khác nhau, cần có các giá trị áp suất xuyên màng (TMP) khác nhau để đạt được cùng một dòng thấm. Thông thường, áp suất xuyên màng (TMP) là sự chênh lệch giữa áp suất đầu vào và đầu ra trung bình và áp suất thấm. Vì chất thấm trong cả bộ lọc lớn và nhỏ đều được kết nối với áp suất khí quyển nên áp suất thấm trong cả hai bộ lọc đều là 0 Pa. (Áp suất đo). Do đó, áp suất xuyên màng trong thí nghiệm là trung bình của áp suất đầu vào và áp suất đầu ra.

Khi cả ba nguyên tắc trên đều được thỏa mãn và với cùng điều kiện ban đầu, về mặt lý thuyết, dòng thẩm thấu tại cùng thời điểm sau khi quá trình lọc bắt đầu đối với cả bộ lọc lớn và nhỏ sẽ như nhau. Khi thông lượng thẩm thấu tại mọi thời điểm hoàn toàn giống nhau, có thể kết luận rằng tổng thời gian lọc cho cả hai loại bộ lọc là bằng nhau. Xem hình dưới đây.

 

 

Sơ đồ tương tác bên trong của các thông số lý hóa và vận hành có liên quan

Nguồn tham khảo: Quách Thục Âm. Thiết kế và kiểm tra bộ lọc dòng tiếp tuyến nhỏ và lý thuyết về bộ lọc dòng tiếp tuyến tăng/giảm tỷ lệ [D]. Đại học Khoa học và Công nghệ Đông Trung Quốc, 2016.