Ievads dobu šķiedru komponentu principā
1. Fons
Dobu šķiedru komponenti ir jauna veida šķiedru materiāla, kas sastāv no vairāku celulozes vai minerālu slāņu dobas struktūras. Šim materiālam ir zema blīvuma, augsta specifiskā virsmas laukuma un augsta porainība, tāpēc to plaši izmanto filtrēšanai, atdalīšanai un adsorbcijai.
Pēdējo gadu desmitu laikā dobu šķiedru komponenti ir plaši izmantoti daudzās jomās, piemēram, biomedicīnā, pārtikā un dzērienos, vides aizsardzībā un ķīmiskajā rūpniecībā. Piemēram, biomedicīnas jomā dobu šķiedru komponentus izmanto, lai sagatavotu biofarmaceitiskos produktus un bioreaktorus. Vides aizsardzības jomā dobu šķiedru komponentus izmanto ūdens attīrīšanai, notekūdeņu attīrīšanai un gaisa attīrīšanai.
Dobu šķiedru komponentu fons ir ļoti bagāts. Tas ir ne tikai plaši pārbaudīts lietojumprogrammās, bet arī ar dziļu pētījumu pamatu materiālu zinātnes un šķiedru tehnoloģijas jomā. Sakarā ar unikālo struktūru un veiktspēju, dobu šķiedru komponentiem ir liels potenciāls, un tām turpmāk būs nozīmīga loma.
2. princips
Membrānas atdalīšanas tehnoloģijas definīcija:
Filtra membrāna: plāns plēves materiāls, kas izgatavots no porainiem polimēriem ar vienu vai vairākiem slāņiem;
Membrānas atdalīšanas tehnoloģija: atdalīšanas tehnoloģija, kas izmanto ārējus apstākļus, piemēram, spiediena starpību vai koncentrācijas starpību kā virzošo spēku, lai izietu cauri tikai noteiktām specifiskām vielām vairākās sastāvdaļās, bet citas vielas tiek pārtvertas; parasti izmanto maisījumu atdalīšanai, attīrīšanai un koncentrācijai.
Filtrēšanas metode:
Līdzstrāvas filtrēšana: pazīstams arī kā strupceļa filtrācija, padeves šķidrums plūst perpendikulāri filtra membrānas virsmai, visi šķidrumi iziet cauri filtra barotnei, un piesārņotāji tiek saglabāti filtra membrānas iekšpusē vai uz tās virsmas.
Piemēram: skaidrojuma filtrēšana, prefiltrācija, sterilizācijas filtrēšana, vīrusa noņemšanas filtrēšana, vakuuma filtrs, galvenokārt koncentrēts mikrofiltrācijas kategorijā.
Tangenciālā plūsmas filtrēšana: pazīstams arī kā šķērssplūsmas filtrēšana, padeves šķidrums plūst paralēli filtra membrānas virsmai, šķidruma daļa iet caur filtra barotni, un piesārņotāji tiek saglabāti uz filtra membrānas virsmas vai refluksa no membrānas otra gala.
Piemēram: membrānas pakete, doba šķiedru ultrafiltrācija, galvenokārt koncentrēta ultrafiltrācijas kategorijā.
TFF filtrācijas pazīmes:
Tangenciālās plūsmas filtrācijas (TFF) darba princips ir tāds, ka šķīdums plūst virzienā paralēli membrānai. Zem spiediena molekulas, kas ir mazākas par membrānas porām, iziet cauri membrānai un kļūst perspektīvas, savukārt molekulas lielākas par membrānas porām tiek saglabātas un kļūst koncentrētas.
Jēdzieni, kas saistīti ar dobām šķiedrām:
Transmembranās spiediena starpība (TMP): Vidējā spiediena starpība abās membrānas pusēs ir virzītājspēks, lai šķidrums izietu caur membrānu. Transmembrane spiediena starpība=(tapa + Preturn) / 2- permeate
Flux: šķidruma daudzums, kas iet cauri membrānai uz membrānas vienības laukumu laika vienībā. Lmh, l/(m2.h)
Normalizēta ūdens plūsma (NWP: Normalizēta ūdens caurlaidība): ūdens plūsma vienības spiedienā un standarta temperatūrā. L/(m2.h.psi)
Molekulmasas nogriešana (MWCO): raksturo ultrafiltrācijas membrānas poru lielumu.
Minimālais darba tilpums: Tangenciālās plūsmas filtrācijas sistēmas minimālais darba tilpums attiecas uz cirkulējošo šķidruma tilpumu, kas nepieciešams sistēmas darbināšanai īpašos tangenciālas plūsmas plūsmas apstākļos. Minimālais darba tilpums ir atkarīgs no sistēmas un komponentu aiztures tilpuma un cirkulācijas plūsmas ātruma. Augstas koncentrācijas lietojumos, piemēram, vīrusa koncentrācijā, svarīgs apsvērums ir minimālais darba tilpums, un mērķa refluksa koncentrācijas tilpumam jābūt lielākam par sistēmas minimālo darba tilpumu.
Bīdes ātrums: šķidruma plūsmas ātruma ātrums attiecībā pret apļveida plūsmas kanāla rādiusu. Atšķirībā no membrānas paketes, dobu šķiedru eksperimentos bīdes ātrumu parasti izmanto tangenciālās plūsmas ātruma vietā, lai raksturotu cirkulācijas plūsmu paralēli membrānai.
Koncentrācijas polarizācija: ultrafiltrācijas procesa laikā izšķīdušie vielas, kas nevar iziet caur membrānu, uzkrājas uz membrānas virsmas zem spiediena, veidojot želejas slāni. Koncentrācija apgabalā, kas atrodas netālu no membrānas interfeisa, kļūst arvien augstāka. Koncentrācijas gradienta iedarbībā palielinās izšķīdušās vielas difūzija no membrānas virsmas līdz šķīdumam, kas palielina šķidruma pretestību un vietējo osmotisko spiedienu, kā rezultātā samazinās plūsma.
Gēla slānis: tas ir galvenais ultrafiltrācijas membrānu pretestības faktors.
Faktori, kas jāņem vērā, izvēloties dobu šķiedru membrānas:
1. Membrānas formas izvēle: Paraugiem, kas ir noskaidroti, bagāti ar daļiņām, tiem ir augsta viskozitāte un kuriem ir nepieciešama zema bīdes spēka koncentrācija, piemēram, lielas daļiņu vīrusa molekulas ar zemu stabilitāti, dobu šķiedru membrānas parasti tiek izvēlētas skaidrošanai/koncentrācijai un diafiltrācijai;
2. Šķiedru diametra izvēle: 0. 5 mm iekšējais diametrs ir vēlams parauga koncentrācijai/diafiltrācijai; 1. 0 mm iekšējais diametrs ir priekšroka parauga precizēšanai;
3. Filtrācijas precizitātes izvēle: dobās šķiedras membrānas poru izmērs ietekmēs tās filtrēšanas precizitāti. Atbilstošais poru lielums jāizvēlas atbilstoši konkrētās lietojumprogrammas prasībām, lai nodrošinātu efektīvu mērķa vielas filtrēšanu. Šīs ir vairākas izplatītas lietojumprogrammu iespējas:
① Koncentrācija/diafiltrācija: lai efektīvi pārtvertu mērķa molekulu un nodrošinātu ražu, parasti ieteicams membrānas poru izmērs 1/3-1/5 no mērķa parauga molekulas parasti ir ieteicams. Tajā pašā laikā, lai samazinātu piemaisījumu saturu koncentrācijas un diafiltrācijas procesa laikā, poru lielumam jābūt pēc iespējas lielākam gadījumā, ja mērķa molekulas raža tiek garantēta;
② Skaidrojums: Ieteicams atlasīt membrānas poru izmēru, kas ir 5-10 reizes lielāks par mērķa molekulu, lai pēc iespējas nodrošinātu mērķa molekulas ražu, it īpaši, ja paraugs ir ļoti "netīrs", jāizvēlas membrānas poru lielums vairāk nekā 10 reizes;
③ Molekulārā atdalīšana: ja vēlaties izmantot tangenciālas plūsmas filtrācijas membrānu, lai atdalītu divu mērķa molekulas dažāda lieluma mērķa molekulām, mērķa molekulas molekulmasai jābūt vismaz 10 reizes atšķirīgai, un diafiltrācijai jābūt pietiekamai;
④ Šūnu kolekcija: ja mērķa olbaltumviela tiek izteikta E. coli somā, pirmais baktēriju savākšanas solis ir ultrafiltrācijas membrānas izmantošana 500k/750k.
4. Efektīvais garums: dobu šķiedru procesa pastiprināšanas īpašība ir tāda, ka, kamēr efektīvais garums tiek saglabāts konsekvents, var veikt tiešu procesa pastiprināšanu. Tomēr dažādu garumu komponentus nevar lineāri pastiprināt, jo abos galos ir ievērojamas spiediena krituma atšķirības, un attiecīgi mainās arī plūsmas kanāla iekšējais spiediena un plūsmas ātruma sadalījums. Parasti komponentus ar īsāku plūsmas kanāla garumu mēdz izvēlēties, apstrādājot materiālus ar augstu viskozitāti un lielu piesārņojumu.
Dobu šķiedru komponentu pielietojums
Pieteikšanās zonas:
Vakcīnu attīrīšana, koncentrācija un dialīze
Vīrusu vektoru attīrīšana, koncentrācija un dialīze
Šūnu un baktēriju noskaidrošana un filtrēšana fermentācijas buljonā
Šūnu un baktēriju atgūšana un mazgāšana
Olbaltumvielu koncentrācija un dialīze
Produkta funkcijas:
Zemāka plūsma nekā membrānas paketes
Maiga pret materiāliem
Vienkāršs un atvērts plūsmas kanāls
Viegli saliekams
Viegli iztukšot
MWCO izvēle:
Ārstēšanas procesa laikā ir jāņem vērā membrānas atdalīšanas selektivitāte un aizsprostojuma risks. Tāpēc, lai nodrošinātu selektivitāti un plūsmu, membrānas ar salīdzinoši mazām porām būtu jāizvēlas pēc iespējas vairāk, lai samazinātu lēno piemaisījumu daļiņu iekļūšanu membrānas porās un pagarinātu kalpošanas laiku. Parastie apstrādes scenāriji ir šādi:
Vīrusa koncentrācija, attīrīšana, noņemšana: 100kd, 300kd, 500kd, 750kd
Rekombinantā olbaltumvielu/antivielu skaidrojums: 500kd, 750kd
Baktēriju koncentrācija: 500kd, 750kd
