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切向流过滤工艺的优化

已有 653 次阅读 2024-5-17 21:32 |个人分类:科研笔记|系统分类:科普集锦

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上图所展示的是常规过滤与切向流过滤示意图,常规过滤是指在压力的作用下,液体直接穿过滤膜进入下 游,而大的颗粒或分子则被截留在膜的上游或内部,小的颗粒或分子透过膜进入下游。在这 种操作方式下液体的流动方向是垂直于膜表面进入下游的,所以也有人称之为“死端过滤”(Dead End Filtration)而切向流过滤则是指液体的流动方向是平行于膜表面的,在压力的作用下只有一部 分的液体穿过滤膜进入下游,这种操作方式也有人称之为“错流过滤” (Cross Flow Filtration)。由于切向流在 过滤过程中对膜包的表面进行不停的“冲刷”,所 以在这种操作模式下有效的缓解了大的颗粒和分子在膜上的堆 积,这就使得这种操作模式在很多应用中具有独特的优势这种操作方式也有人称之为“错流过滤” (Cross Flow Filtration)。由于切向流在 过滤过程中对膜包的表面进行不停的“冲刷”,所以在这种操作模式下有效的缓解了大的颗粒和分子在膜上的堆积,这就使得这种操作模式在 很多应用中具有独特的优势

常见专业术语:跨膜压差(TMP):膜两侧平均压力差。 跨膜压差=(P 进+P 回)/2-P透通量(Flux):单位时间单位膜面积透过膜的流体量。LMH,L/(m2.h)浓差极化:在超滤过程中,溶质在膜表面形成累积层,在临近膜界面区域浓 度越来越高,浓度梯度作用下,溶质又会由膜面向溶液扩散,形成边界层, 使流体阻力与局部渗透压增加,从而导致通量下降标准水通量(NWP:Normalized Water Permeability):单位压力下,单位时 间内通过单位膜面积的水的体积。L/(m2.h.bar)

典型切向流过滤系统的示意图,通常包括泵、膜包和夹具、贮罐、连 接管件以及阀门和压力表等。一个切向流过滤的生产工艺由许多参数决定,其中关键的工艺参数有:切向流流量、跨膜压 (TMP)、透出液控制、膜面积、透析条件等。这些参数通常需要由 经验、实验以及具体工艺的需要和各种限制因素结合起 来才能确定,切向流过滤系统的参数优化是一个相当复杂的过程。

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关键的2个压力参数和2个流速参数压差是进口端压力与出口端压力的差值,跨膜压(TMP)是指滤膜上下游的平均压力差(TMP = (PF + PR ) / 2-Pp),TFF实验我们关注的是压差,跨膜压,切向流速等,这几个参数是紧密联系在一起的,压差决定切向流速,当压差一定的情况下,切向流速是恒定的,跨膜压是控制液体过滤的速度的,所以我们要控制进口端压力和回流压力,这两个压力决定了TMP和压差,而当压差/切向流速恒定的情况下,TMP就成了切向流工艺中的关键因素,需要进行优化。 切向流是液体流速在膜表面冲刷的速度。它是冲刷掉颗粒防止颗粒防止颗粒在膜表面的堆积。切向流带来的冲刷行为将颗粒从膜表面带走。当你增加切向流速,你就同时增加了在进口端和回流端的压差∆p。如果你使切向流速加倍,你最终使∆p也得到加倍。部分关闭回流阀会增加TMP,最终推动液体通过膜, 回流阀关闭的越多,TMP越大,从而透过的液体增加的越多。

切向流量优化切向流量很大程度上取决于所选用的不同膜包和湍流流道的类型。在 TMP 不变的情况下,提高切向流量可以增加切向流对滤膜表面的“清洗”作用,从而使透过液的流量提高。但是,较高的切向流量还可能需要配置更大的泵和更大直径的管道,这些都会导致硬件设备成本和系统死体积的增加,而后者会使产品的收率下降。因此,在选择切向流量时,需要综合平衡通量的增加和可能导致收率下降和硬件成本增加等问题

跨膜压(TMP)优化

在恒定流量的切向流过滤实验中,通量与跨膜压之间的关系可以分为两个阶段(如图5)。最初时,影响通量的仅仅是滤膜的阻力,所以当跨膜压增加时通量会呈线性增加,称为压力相关区或膜控制区。随着跨膜压的不断增加,浓差极化现象加剧,部分增加的跨膜压被浓差极化层的阻力所抵消,因此通量的增加逐渐变缓。直至最后,所增加的跨膜压被浓差极化层的阻力完全抵消,此时,通量不再升高,称为压力不相关区或凝胶层控制区

当选择的跨膜压处于凝胶层控制区时,通量可以达到最大化,所需的滤膜面积也可达到最小,但此时已经在滤膜表面形成了浓差极化层,此处的溶质浓度可能已经到达了其可溶解的极限,可能因此导致产品收率的下降。此外,浓差极化的后期可能导致堵塞,会引起通量不可逆转的下降。因此,优化的跨膜压值应该取在曲线的拐点处和之前。此时,滤膜还未被完全浓差极化,通量值也相对较高

超滤系统的设计

罐体的设计:无死角,保证浓度均一性 ; 最小的滞留体积。泵的设计:低剪切力,连续稳定地传输液体 ;进液口离泵距离尽量短。回流管路设计:贴近罐壁 •,深入罐底 • 利于液体自搅拌 • 减少湍流

相关资料:切向流过滤技术的原理和应用



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