Teorias de redução/aumento de escala-de filtros de fluxo tangencial

O fluxo de permeação e a permeabilidade são dois parâmetros cruciais na filtração por membrana. O fluxo de permeação é o volume de líquido que pode passar por unidade de tempo e por unidade de área da membrana. A permeabilidade é a razão entre a concentração do produto alvo no permeado e a sua concentração na solução de retorno. Ao comparar filtros de fluxo tangencial de diferentes tamanhos, é necessário controlar variáveis ​​para minimizar a interferência: selecionar membranas com material, tamanho de poro e fabricante consistentes; utilizar soluções alimentares com composição e concentração idênticas; e conduzir experimentos sob condições uniformes de temperatura ambiente. Uma vez atendidas essas condições iniciais, também é necessário controlar as condições experimentais de acordo com três princípios (o mesmo volume de solução de alimentação por unidade de área de membrana, a mesma força de cisalhamento e o mesmo fluxo inicial de água) para garantir que o fluxo de permeação e a permeabilidade de filtros de diferentes tamanhos sejam aproximadamente consistentes a cada momento.

 

Princípio 1: O mesmo volume de filtração do líquido de alimentação corresponde a uma área unitária de membrana.

O fluxo de permeação, a permeabilidade e as propriedades da membrana estão intimamente relacionados. Além de garantir o mesmo material de membrana e tamanho de poro, para atingir o mesmo fluxo de permeação e permeabilidade, as condições da superfície da membrana (bolo de filtro e polarização de concentração) dos filtros grandes e pequenos devem ser semelhantes em qualquer momento. Para tornar a torta de filtro e a polarização de concentração semelhantes na superfície da membrana, o volume do mesmo líquido de alimentação (substância, concentração) filtrado por unidade de área deve ser o mesmo para filtros grandes e pequenos. Portanto, a proporção do volume do líquido de alimentação entre os filtros grandes e pequenos deve ser igual à proporção das suas áreas de membrana, isto é, o volume do líquido de alimentação correspondente à mesma área unitária da membrana.

 

Princípio 2: As forças de cisalhamento na superfície da membrana são as mesmas.

Na indústria biofarmacêutica, as soluções alimentares que precisam ser filtradas são, em sua maioria, biologicamente ativas. A força de cisalhamento na superfície da membrana não afeta apenas a formação da torta de filtro e a polarização da concentração, mas também a bioatividade dos produtos biológicos. Portanto, é necessário garantir que a força de cisalhamento na superfície da membrana de filtros de fluxo tangencial grandes e pequenos seja a mesma durante as operações experimentais.

 

Princípio3 : Mesmo fluxo inicial

Sob as mesmas condições de líquido de alimentação, propriedades da superfície da membrana e condições de operação, se o fluxo inicial for o mesmo e as alterações na superfície da membrana forem semelhantes, o fluxo subsequente será geralmente semelhante. Portanto, é necessário garantir que o fluxo inicial seja o mesmo para que o fluxo correspondente a cada tempo dos filtros grandes e pequenos seja semelhante.

Embora o material da membrana, o tamanho dos poros e o fabricante dos filtros grandes e pequenos sejam os mesmos, sua resistência total à filtração difere devido às diferenças nas estruturas de empacotamento da membrana. Quando as resistências de filtração dos filtros grandes e pequenos diferem, são necessários diferentes valores de pressão transmembrana (TMP) para atingir o mesmo fluxo de permeado. Normalmente, a pressão transmembrana (TMP) é a diferença entre as pressões médias de entrada e saída e a pressão do permeado. Como o permeado em filtros grandes e pequenos está conectado à pressão atmosférica, a pressão do permeado em ambos é 0 Pa. (Pressão manométrica). Portanto, a pressão transmembrana no experimento é a média da pressão de entrada e da pressão de saída.

Quando todos os três princípios acima forem satisfeitos, e com as mesmas condições iniciais, teoricamente, o fluxo de permeação no mesmo momento após o início da filtração para filtros grandes e pequenos será o mesmo. Quando o fluxo de permeação em todos os momentos é exatamente o mesmo, pode-se concluir que o tempo total de filtração para ambos os tipos de filtros é igual. Veja a figura abaixo.

 

 

Diagrama esquemático das interações internas de parâmetros físico-químicos e operacionais relevantes

Referências: Guo Shuyin. Projeto e verificação de um pequeno filtro de fluxo tangencial e a teoria da redução/aumento da escala do filtro de fluxo tangencial [D]. Universidade de Ciência e Tecnologia do Leste da China, 2016.