Поперечная фильтрация

редактировать

Схема поперечной фильтрации

В химическая инженерия, биохимическая инженерия и очистка белка, фильтрация с поперечным потоком (также известная как фильтрация с тангенциальным потоком ) представляет собой тип фильтрации (в частности, работа агрегата ). Фильтрация с поперечным потоком отличается от тупиковой фильтрации, при которой сырье проходит через мембрану или слой, твердые частицы задерживаются в фильтре и фильтрат выпускается на другом конце. Фильтрация с поперечным потоком получила свое название потому, что большая часть подаваемого потока проходит тангенциально по поверхности фильтра, а не в фильтр. Основное преимущество этого состоит в том, что фильтровальная лепешка (которая может закрывать фильтр) существенно смывается во время процесса фильтрации, что увеличивает продолжительность работы фильтрующего блока. Это может быть непрерывный процесс, в отличие от периодической тупиковой фильтрации.

Схема фильтрации с поперечным потоком

Этот тип фильтрации обычно выбирается для сырья, содержащего высокую долю твердых частиц небольшого размера (где пермеат имеет наибольшее значение), поскольку твердый материал может быстро блокировать (заглушать) фильтрующую поверхность с тупиковой фильтрацией. Промышленные примеры этого включают экстракцию растворимых антибиотиков из ферментационных щелоков.

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.

Содержание

1 Эксплуатация
2 Преимущества по сравнению с традиционной фильтрацией
3 Промышленное применение
4 Методы повышения производительности
- 4.1 Обратная промывка
- 4.2 Переменный тангенциальный поток (ATF)
- 4.3 Очистка на месте (CIP)
- 4.4 Концентрация
- 4.5 Диафильтрация
- 4.6 Нарушение технологического потока (PFD)
5 Расчет скорости потока
6 См. Также
7 Ссылки
8 Внешние ссылки

Работа

Керамическая мембрана для промышленной фильтрации с поперечным потоком

При фильтрации с поперечным потоком сырье проходит через мембрану фильтра (тангенциально) под положительным давлением относительно стороны пермеата. Часть материала, которая меньше размера пор мембраны, проходит через мембрану в виде пермеата или фильтрата ; все остальное остается на стороне подачи мембраны в виде ретентата.

При фильтрации с поперечным потоком тангенциальное движение основной массы жидкости через мембрану вызывает стирание захваченных частиц на поверхности фильтра. Это означает, что фильтр с поперечным потоком может работать непрерывно при относительно высокой загрузке твердых частиц без засорения.

Преимущества по сравнению с традиционной фильтрацией

Более высокая общая скорость удаления жидкости достигается за счет предотвращения образования фильтрационной корки
Технологическое сырье остается в виде подвижной суспензии, подходящей для дальнейшей обработки
Содержание твердых частиц в суспензии продукта может варьироваться в широком диапазоне
Возможно фракционирование частиц по размеру
Трубчатый эффект защемления

Промышленное применение

Фильтровальная установка для промышленных Фильтрация 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 обратном осмосе, нанофильтрации, ультрафильтрации и микрофильтрации. Очистка воды может быть очень рентабельной по сравнению с традиционными методами испарения.

В очистке белка термин тангенциальная проточная фильтрация (TFF) используется для описания поперечно-проточной фильтрации с помощью мембран. В зависимости от выбранного типа мембраны процесс может использоваться на разных стадиях очистки.

На фотографии промышленной фильтрующей установки (справа) можно увидеть, что трубопровод рециркуляции значительно больше, чем либо подающий трубопровод (вертикальная труба с правой стороны), либо трубопровод пермеата (небольшие коллекторы рядом с рядами белых зажимов). 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 подачу, поднимая слой загрязнения с поверхности мембраны. Обратная промывка неприменима к мембранам со спиральной намоткой и не является общепринятой практикой в большинстве случаев. (См. Очистка на месте)

Переменный тангенциальный поток (ATF)

A мембранный насос используется для создания переменного тангенциального потока, помогая вытеснить задержанные частицы и предотвратить засорение мембраны. Repligen - крупнейший производитель систем ATF.

Очистка на месте (CIP)

Системы очистки на месте обычно используются для удаления загрязнений с мембран после длительного использования. В процессе CIP могут использоваться детергенты, реактивные вещества, такие как гипохлорит натрия, а также кислоты и щелочи, такие как лимонная кислота и гидроксид натрия (NaOH). Гипохлорит натрия (отбеливатель) на некоторых мембранных установках необходимо удалять из корма. Отбеливатель окисляет тонкопленочные мембраны. Окисление приведет к разложению мембран до такой степени, что они больше не будут работать при номинальных уровнях отторжения, и их придется заменять. Отбеливатель можно добавить к гидроксиду натрия CIP во время первоначального запуска системы перед загрузкой спирально намотанных мембран в установку для дезинфекции системы. Отбеливатель - это Они также используются для мембран из перфорированной нержавеющей стали (Graver) CIP, поскольку их устойчивость к гипохлориту натрия намного выше, чем у мембран со спиральной намоткой. Щелочь 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 установка обратного осмоса (RO), 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 удерживаются 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 замещения объема пермеата с той же скоростью, что и скорость потока пермеата, так что объем в системе остается постоянным. Это аналогично промывке осадка на фильтре для удаления растворимых компонентов. Разбавление и повторное концентрирование иногда также называют «диафильтрацией».

Нарушение технологического потока (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 нужен второй насос. PFD не так эффективен, как обратная промывка для удаления отложений, но может быть полезным.

Расчет расхода

Поток или расход в системах фильтрации с поперечным потоком определяется уравнением:

$J = Δ P (R m + R в) μ {\ displaystyle J = {\ frac {\ Delta P} {(R _ {\ rm {m}} + R _ {\ rm {c}}) \ mu}}}$ ${\ displaystyle J = {\ frac {\ Delta P} {(R _ {\ rm {m}} + R _ {\ rm {c}}) \ mu}}}$

где:

$J {\ displaystyle J}$ $J$ : поток жидкости
$Δ P {\ displaystyle \ Delta P}$ $\ Delta P$ : трансмембранное давление (также должно включать эффекты осмотического давления для мембран обратного осмоса)
$R m {\ displaystyle R _ {\ rm {m}}}$ ${\ displaystyle R_ { \ rm {m}}}$ : сопротивление мембраны (связанное с общей пористостью )
$R c {\ displaystyle R_ {\ rm {c}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ rm {c}}}$ : сопротивление корки (переменная; связано с засорением мембраны)
$μ {\ displaystyle \ mu}$ $\ mu$ : жидкость вязкость

Примечание: $R m {\ displaystyle R _ {\ rm {m}}}$ ${\ displaystyle R_ { \ rm {m}}}$ и $R c {\ displaystyle R _ {\ rm {c}}}$ ${\ displaystyle R _ {\ rm {c}}}$ включают в себя величину, обратную площади поверхности мембраны; таким образом, поток увеличивается с увеличением площади мембраны.

См. также

Ссылки

Внешние ссылки