축소/확대-접선 흐름 필터 이론

투과 유속과 투과성은 막 여과에서 두 가지 중요한 매개변수입니다. 투과 유속은 단위 시간 및 단위 막 면적당 통과할 수 있는 액체의 부피입니다. 투과도는 투과액의 목표 제품 농도와 반환 용액의 농도의 비율입니다. 다양한 크기의 접선 흐름 필터를 비교할 때 간섭을 최소화하기 위해 변수를 제어해야 합니다. 일관된 재료, 기공 크기 및 제조업체를 갖춘 멤브레인을 선택합니다. 동일한 조성과 농도의 공급 용액을 사용하십시오. 균일한 상온 조건에서 실험을 진행합니다. 이러한 초기 조건이 충족되면 세 가지 원칙(단위 막 면적당 동일한 공급 용액 부피, 동일한 전단력, 동일한 초기 물 유속)에 따라 실험 조건을 제어하여 다양한 크기의 필터의 투과 유속 및 투과성이 매 순간 거의 일관되도록 해야 합니다.

 

원리 1: 동일한 공급액 여과량이 단위막 면적에 해당합니다.

투과 유속, 투과성 및 막 특성은 밀접하게 관련되어 있습니다. 동일한 막 재료와 기공 크기를 보장하는 것 외에도 동일한 투과 유속과 투과성을 달성하려면 대형 필터와 소형 필터의 막 표면 조건(필터 케이크 및 농도 분극)이 언제든지 유사해야 합니다. 막 표면에서 필터 케이크와 농도 분극을 비슷하게 만들기 위해서는 단위 면적당 필터링된 동일한 공급액(물질, 농도)의 부피가 대형 필터와 소형 필터 모두 동일해야 합니다. 따라서 대형 필터와 소형 필터 사이의 공급액 부피 비율은 막 면적의 비율, 즉 동일한 단위 막 면적에 해당하는 공급액 부피와 동일해야 합니다.

 

원리 2: 멤브레인 표면의 전단력은 동일합니다.

바이오제약 산업에서 필터링이 필요한 공급 용액은 대부분 생물학적 활성을 갖고 있습니다. 막 표면의 전단력은 필터 케이크의 형성과 농도 분극화에 영향을 미칠 뿐만 아니라 생물학적 산물의 생리활성에도 영향을 미칩니다. 따라서 실험 작업 중에 크고 작은 접선 흐름 필터의 막 표면에 가해지는 전단력이 동일한지 확인하는 것이 필요합니다.

 

원칙3 : 동일한 초기 플럭스

공급 액체, 막 표면 특성 및 작동 조건이 동일한 조건에서 초기 플럭스가 동일하고 막 표면 변화가 유사한 경우 후속 플럭스는 일반적으로 유사합니다. 따라서 크고 작은 필터의 각 시간에 해당하는 자속이 유사하도록 초기 자속이 동일하도록 보장할 필요가 있다.

대형 필터와 소형 필터의 멤브레인 재질, 공극 크기, 제조사는 동일하지만 멤브레인 패킹 구조의 차이로 인해 전체 여과 저항이 다릅니다. 대형 필터와 소형 필터의 여과 저항이 다를 경우 동일한 투과 유량을 달성하려면 서로 다른 막횡단 압력 값(TMP)이 필요합니다. 일반적으로 막횡단 압력(TMP)은 평균 입구 및 출구 압력과 투과 압력 간의 차이입니다. 크고 작은 필터의 투과수는 모두 대기압과 연결되어 있으므로 둘 다의 투과압력은 0 Pa(게이지압력)입니다. 따라서 실험에서 막횡단압력은 입구압력과 출구압력의 평균이 된다.

위의 세 가지 원리를 모두 만족하고 동일한 초기 조건에서 이론적으로 대형 필터와 소형 필터 모두 여과 시작 후 동일한 순간의 투과 유속은 동일하게 됩니다. 모든 순간의 투과 유속이 정확히 동일하면 두 필터 유형의 총 여과 시간이 동일하다는 결론을 내릴 수 있습니다. 아래 그림을 참조하세요.

 

 

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참고문헌: 궈수인(Guo Shuyin). 작은 접선류 필터의 설계 및 검증과 접선류 필터 축소/확대 이론 [D]. 화동이공대학, 2016.