چگونه می‌توان گزینش‌پذیری یک غشای صفحه تخت را بهبود بخشید؟

اگر زمانی را صرف کار با غشاهای صفحه تخت کرده‌اید، می‌دانید که گزینش‌پذیری تنها یک معیار عملکرد نیست، بلکه تفاوت بین فرآیندی است که کار می‌کند و فرآیندی که نتایج ثابت و قابل‌اطمینانی ارائه می‌دهد. به عنوان یک تامین کننده غشای ورق تخت، من با صدها تیمی صحبت کرده ام که با این مشکل دست و پنجه نرم می کنند: آنها می توانند نرخ شار را دریافت کنند، اما اجزای هدف آنها در حال نفوذ هستند، یا به دلیل عبور ذرات غیرهدف، محصول ارزشمند خود را از دست می دهند. بهبود گزینش به معنای تعمیر کامل غشا نیست. در طول سال‌ها، من با مشتریان برای تغییر فرآیندها، تنظیم ویژگی‌های غشاء و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی برای افزایش گزینش پذیری بدون قربانی کردن سایر معیارهای مهم مانند جریان یا دوام کار کرده‌ام. بیایید آنچه را که واقعاً سوزن را حرکت می‌دهد و اینکه چگونه می‌توانید این مراحل را در گردش کار خود اعمال کنید، تجزیه و تحلیل کنیم.

ابتدا، اجازه دهید این را بر اساس انتخاب غشایی تعیین کنیمدر واقعبه معنی. برای غشاهای ورقه‌ای مسطح، گزینش‌پذیری توانایی جداسازی اجزای خاص است - مثلاً حفظ پروتئین‌های بزرگ در حین عبور نمک‌های کوچک، یا فیلتر کردن باکتری‌ها از آبگوشت تخمیر - بر اساس اندازه، بار، یا میل ترکیبی شیمیایی. فرمت ورق تخت، بر خلاف زخم مارپیچی یا فیبر توخالی، نسبت سطح به ضخامت مشخصی دارد که آن را برای توسعه در مقیاس آزمایشگاهی، تولید دسته‌ای کوچک یا کاربردهایی که دسترسی آسان به سطح غشاء کلیدی است، ایده‌آل می‌کند. اما همین هندسه مسطح می‌تواند چالش‌های منحصربه‌فردی را برای ثبات ایجاد کند، به‌ویژه اگر ویژگی‌های غشایی مناسب را با نیازهای فرآیند خود مطابقت نداشته باشید.

یکی از رایج ترین اشتباهاتی که می بینم مشتریان مرتکب می شوند، انتخاب غشا با توزیع اندازه منافذ اشتباه است. ممکن است فکر کنید "اندازه منافذ اندازه منافذ است"، اما در واقعیت، غشاهای ورقه‌ای مسطح طیفی از اندازه‌های منافذ دارند، نه یک قطر کامل. به عنوان مثال، یک غشاء با برچسب 0.2μm به این معنی نیست که هر منافذ دقیقاً 0.2μm است - برخی بزرگتر و برخی کوچکتر هستند. اگر هدف شما حفظ ذرات 0.2 میکرومتر و بزرگتر است، آن منافذ بزرگ به بخشی از هدف شما اجازه عبور می دهند و این جایی است که گزینش پذیری کاهش می یابد. به همین دلیل است که ما سال ها صرف پالایش خطوط کاست میکروفیلتراسیون خود، از جمله گزینه های تخصصی مانند ما کرده ایم.کاست میکروفیلتراسیون 0.1umبرای کاربردهایی که کنترل منافذ ریز و منسجم غیرقابل مذاکره است. این کاست ها با استفاده از یک فرآیند کشش دقیق تولید می شوند که توزیع اندازه منافذ را باریک می کند و تعداد منافذ "نشتی" را کاهش می دهد که می تواند انتخاب را به خطر بیندازد. ما دیده‌ایم که مشتریان از غشاهای ورقه‌ای مسطح عمومی به این موارد تغییر می‌دهند و بلافاصله شاهد یک جهش 15 تا 20 درصدی در حفظ اجزا هستند، فقط از آن تنظیم.

اگرچه اندازه منافذ تنها عامل ساختاری در بازی نیست. شیمی سطح غشا تأثیر زیادی بر انتخاب پذیری دارد، به ویژه برای جداسازی هایی که به جای صرفاً اندازه، به بار یا آبگریز بودن متکی هستند. بسیاری از غشاهای ورق تخت استاندارد از پلی اتر سولفون اصلاح نشده (PES) استفاده می کنند که بسیار بادوام است اما سطح کمی آبگریز دارد که می تواند باعث ایجاد رسوب و جذب غیر اختصاصی شود. اگر فرآیند شما شامل جداسازی مولکول‌های باردار باشد، این سطح اصلاح‌نشده ممکن است باعث چسبیدن اجزای هدف و غیرهدف شما شود و تمایز بین آنها را دشوار کند. ما ارائه می دهیمکاست میکروفیلتراسیون پلی اتر سولفونبا اصلاحات سطح مهندسی شده: به عنوان مثال، پوشش های آبدوست که اتصال غیر اختصاصی را کاهش می دهند، یا گروه های عملکردی باردار که اجزایی را با همان بار هدف شما دفع می کنند. چند ماه پیش یک مشتری بیوفارما داشتم که از یک صفحه تخت استاندارد برای جداسازی آنتی بادی های مونوکلونال از پروتئین های سلول میزبان استفاده می کرد. آنها در حال از دست دادن 12٪ از آنتی بادی خود را به جذب سطح غشاء و فرآیندهای غشایی، که انتخاب خود را از دست داد. جابجایی به کاست‌های PES اصلاح‌شده ما این جذب را به کمتر از 2 درصد کاهش داد و گزینش اجزای آن‌ها به‌طور چشمگیری بهبود یافت - آنها 99.8 درصد از هدف خود را حفظ کردند در حالی که به پروتئین‌های سلول میزبان به راحتی اجازه عبور می‌دادند. این یک مثال عالی از این است که چگونه شیمی سطح می تواند به اندازه اندازه منافذ تأثیرگذار باشد.

هنگامی که غشا مناسب را انتخاب کردید، گام بعدی بهینه سازی شرایط عملیاتی است، زیرا حتی بهترین غشاء نیز در صورت اجرای نادرست آن بر روی یک سیستم ورق مسطح، عملکرد ضعیفی خواهد داشت. نرخ شار، فشار و سرعت جریان متقاطع (برای سیستم هایی که از آن استفاده می کنند) همه در انتخاب پذیری نقش دارند. بیایید با فشار شروع کنیم. اگر غشای ورقه‌ای تخت خود را با فشار بسیار بالا اجرا کنید، می‌توانید ساختار منافذ غشاء را فشرده کنید یا ذرات را مجبور کنید تا در منافذی که ظاهراً باز هستند فرو بروند. به عنوان مثال، در میکروفیلتراسیون، فشار غشایی (TMP) بالاتر از محدوده توصیه شده می‌تواند باعث تشکیل کیک روی سطح غشاء شود - این ذرات انباشته شده می‌توانند به عنوان یک فیلتر ثانویه عمل کنند، اما اگر کیک ناهموار باشد، جداسازی ناسازگاری حاصل می‌شود و انتخاب‌پذیری کاهش می‌یابد. من همیشه به مشتریان می‌گویم که TMP را در گام‌های افزایشی، با شروع کم، آزمایش کنند و نرخ حفظ را در هر سطح اندازه‌گیری کنند. اکثر غشاهای صفحه تخت در سطوح TMP بین 10 تا 30 psi برای میکروفیلتراسیون بهترین عملکرد را دارند، اما این میزان بر اساس کاربرد شما می تواند متفاوت باشد. اگر از فیلتراسیون جریان مماسی (TFF) استفاده می کنید، این حتی مهم تر است: ماکاست میکروفیلتراسیون TFFبرای حفظ ساختار منافذ ثابت در طیف وسیعی از فشارها طراحی شده اند، بنابراین شما مجبور نیستید بین شار بالا و انتخاب خوب یکی را انتخاب کنید. مشتریانی که کاست‌های TFF ما را به سیستم‌های ورق مسطح قدیمی خود تغییر می‌دهند، اغلب متوجه می‌شوند که می‌توانند با شار کمی بالاتر بدون به خطر انداختن احتباس کار کنند، زیرا کاست‌ها برای جلوگیری از فشرده‌سازی منافذ مهندسی شده‌اند.

سرعت جریان متقاطع (CFV) یکی دیگر از پارامترهای عملیاتی است که اغلب هنگام هدف قرار دادن انتخاب بهتر نادیده گرفته می شود. جریان متقاطع با جاروب کردن ذرات از سطح غشاء عمل می کند و تشکیل کیک را کاهش می دهد. اگر CFV خیلی کم باشد، لایه کیک ایجاد می شود و برخی از اجزا به دام می افتند یا از طریق منافذ تحت فشار قرار می گیرند و به گزینش پذیری آسیب می رساند. اگر خیلی زیاد است، می‌توانید اجزای هدف ظریف (مانند سلول‌ها یا پروتئین‌ها) را برش دهید یا انرژی را بیهوده هدر دهید. برای سیستم‌های ورق مسطح، که کانال جریان وسیع‌تری نسبت به فیبر توخالی دارند، تنظیم CFV آسان‌تر است، اما یافتن نقطه شیرین کلیدی است. به عنوان مثال، یک مشتری غذا و نوشیدنی که من با او کار می کردم از غشاهای تخت برای فیلتر کردن مخمر از آبگوشت تخمیر آبجو استفاده می کرد. آنها در یک CFV بسیار پایین می دویدند که منجر به تشکیل کیک سنگین می شد و 8 درصد از مخمر خود (هدف خود) را در تراوش از دست می دادند، در حالی که باکتری های کوچک را نیز از بین می بردند. با افزایش CFV به اندازه کافی برای نازک نگه داشتن لایه کیک (اما نه آنقدر بالا که به مخمر آسیب برساند)، از دست دادن مخمر را به کمتر از 1٪ کاهش دادند و احتباس باکتری را تا 10٪ بهبود بخشیدند. ما اغلب توصیه می کنیم که مشتریان CFV را با سرعت های 0.5، 1.0 و 1.5 متر بر ثانیه برای کاربردهای TFF آزمایش کنند و بر اساس اندازه و پایداری اجزای خاص آنها تنظیم شود.

رسوب بزرگترین دشمن گزینش پذیری طولانی مدت است، و این چیزی است که هر کاربر غشاء ورق تخت با آن سر و کار دارد. رسوب زمانی اتفاق می‌افتد که ذرات، پروتئین‌ها یا سایر اجزاء به سطح غشاء بچسبند یا در منافذ قرار گیرند و به مرور زمان باریک شوند یا به طور کامل آنها را مسدود کنند. این منجر به جدایی ناسازگار می شود، زیرا اندازه منافذ موثر با ایجاد رسوب تغییر می کند. برای مبارزه با این موضوع، فقط انتخاب یک غشاء خوب نیست، بلکه در مورد اجرای یک پروتکل تمیز کردن منظم است که ملایم اما موثر است. برای سیستم های قابل استفاده مجدد، ماکاست های TFF قابل مصرف مجددبه گونه ای طراحی شده اند که در چندین دوره تمیز کردن (در بسیاری از موارد تا 50 مورد) بدون از دست دادن ساختار منافذ یا شیمی سطح مقاومت کنند. کلید تمیز کردن برای انتخاب پذیری استفاده از مواد پاک کننده ای است که نوع خاصی از رسوب را هدف قرار می دهد. به عنوان مثال، اگر با رسوب پروتئین سر و کار دارید، یک شوینده ملایم مانند 0.1% SDS در دمای 40 درجه سانتیگراد به تجزیه دانه های پروتئین بدون آسیب رساندن به غشاء کمک می کند. برای رسوب گیری آلی (که در کاربردهای فاضلاب رایج است)، محلول تمیزکننده با pH تنظیم شده یا پاک کننده آنزیمی به خوبی کار می کند. ما دیده‌ایم که مشتریان از تمیز کردن مناسب صرفنظر می‌کنند و پس از چند بار استفاده، انتخاب‌پذیری آن‌ها 25 درصد کاهش می‌یابد، اما با یک روال تمیز کردن مداوم، همان غشاء می‌تواند انتخاب‌پذیری خود را برای ماه‌ها حفظ کند. حتی یک مشتری به طور خاص به کاست‌های TFF قابل استفاده مجدد ما روی آورد، زیرا غشاهای یکبار مصرف آن‌ها آنقدر سریع آلوده شدند که گزینش پذیری دسته به دسته ناسازگار بود - اکنون آنها نتایج ثابتی را در هر بار اجرا، حتی پس از 10 بار استفاده، دریافت می‌کنند.

یکی دیگر از عواملی که اغلب نادیده گرفته می شود، ذخیره سازی و جابجایی غشا است. غشاهای ورقه‌ای صاف ظریف هستند و نگهداری نامناسب می‌تواند به سطح آسیب برساند یا ساختار منافذ را تغییر دهد و حتی قبل از استفاده از آن‌ها انتخاب‌پذیری ضعیفی داشته باشد. من همیشه به مشتریان توصیه می کنم که غشاها را در مکانی خشک و خنک و به دور از نور مستقیم خورشید یا دمای شدید نگهداری کنند و اگر قرار نیست فوراً استفاده شوند آنها را مرطوب نگه دارند. به عنوان مثال، اگر یک غشا خشک شود، برخی از غشاهای PES ممکن است تغییر شیمیایی سطحی داشته باشند که منجر به افزایش جذب یا باریک شدن منافذ می شود. ما همه کاست های خود را در کیسه های مهر و موم شده و با رطوبت کنترل می کنیم تا از این امر جلوگیری کنیم، اما همچنان پیروی از دستورالعمل های جابجایی مهم است. اگر به طور تصادفی اجازه دهید غشایی خشک شود، اغلب می توانید آن را به مدت 24 ساعت در آب دیونیزه شده مجدداً هیدراته کنید تا بیشتر خواص آن را بازیابی کنید، اما راه حل کاملی نیست - بهتر است از این مرحله به طور کامل اجتناب کنید.

بیایید در مورد ترفندهای خاص برنامه نیز صحبت کنیم، زیرا گزینش پذیری بسته به چیزی که شما از هم جدا می کنید متفاوت به نظر می رسد. به عنوان مثال، اگر با حفظ سلول در بیورآکتورها کار می کنید، سیستم های TFF ورقه تخت ایده آل هستند زیرا می توانند سلول های پستانداران بزرگ (10-30 میکرومتر) را حفظ کنند و در عین حال به رسانه ها و پروتئین های کوچک اجازه عبور دهند. در این مورد، استفاده از غشایی با اندازه منافذ کمی بزرگتر (0.45μm) اما توزیع اندازه منافذ خوب، حفظ سلولی (انتخاب پذیری) بالایی را بدون مسدود کردن جریان رسانه به شما می دهد. از سوی دیگر، اگر نانوذرات یا ذرات ویروس را فیلتر می‌کنید، به منافذ بسیار کوچک‌تری نیاز خواهید داشت.کاست های میکروفیلتراسیون تختبا اندازه دقیق منافذ 0.1μm مفید است. برای تصفیه فاضلاب، جایی که باید هم جامدات معلق و هم باکتری ها را حذف کنید، یک غشاء با سطح باردار می تواند به دفع باکتری های دارای بار منفی کمک کند و گزینش پذیری را نسبت به غشاهای اصلاح نشده بهبود بخشد.

من در حال حاضر 12 سال است که در صنعت غشاء و فرآیندهای غشایی هستم، و یک چیزی که آموخته ام این است که هیچ راه حل یکسانی برای بهبود گزینش پذیری وجود ندارد. این ترکیبی از انتخاب خواص مناسب غشاء (اندازه منافذ، شیمی سطح، فرمت)، بهینه سازی شرایط عملیاتی (فشار، سرعت جریان)، اجرای یک روال تمیز کردن خوب، و کار با غشا است. اغلب اوقات، مشتریان تنها بر روی خود غشاء تمرکز می کنند، بدون توجه به تاثیر پارامترهای فرآیند و عملکرد تعمیر و نگهداری. اما وقتی همه این عناصر را ترکیب می‌کنید، می‌توانید گزینش‌پذیری سازگار، قابل اعتماد و متناسب با کاربرد خاص شما را به دست آورید.

اگر با گزینش پذیری در فرآیند غشای ورق مسطح خود مشکل دارید، خواه در حفظ اجزای هدف خود، کاهش ناخالصی ها، یا کاهش رسوب، شما را تشویق می کنم که با تیم ما تماس بگیرید. ما با آزمایشگاه‌ها و امکانات تولیدی در سراسر صنایع - بیو دارو، غذا و نوشیدنی، فاضلاب و موارد دیگر - کار می‌کنیم تا کاست مناسب را با نیازهای شما مطابقت دهیم، خواه دقت ما باشد.کاست میکروفیلتراسیون 0.1um، اصلاح شدکاست میکروفیلتراسیون پلی اتر سولفون، یا کاست های TFF قابل استفاده مجدد برای ثبات طولانی مدت. ما می‌توانیم به شما کمک کنیم گزینه‌های مختلف غشاء را آزمایش کنید، پارامترهای عملیاتی را تنظیم کنید، و یک پروتکل تمیزکاری تنظیم کنید که انتخاب‌پذیری شما را افزایش می‌دهد و کارایی کلی فرآیند شما را بهبود می‌بخشد. اجازه ندهید جدایی ناسازگار کار شما را متوقف کند—بیایید در مورد اینکه چگونه می توانیم کمک کنیم صحبت کنیم.

مراجع

1. بیکر، RW (2012). فناوری و کاربردهای غشایی (ویرایش سوم). جان وایلی و پسران
2. Kim, J., & Van der Bruggen, B. (2010). اهمیت خواص سطح غشاء و ساختار منافذ در انتخاب میکروفیلتراسیون مجله علم غشاء، 362(1-2)، 1-12.
3. مولدر، ام (1996). اصول اولیه فناوری غشاء (ویرایش دوم). ناشران آکادمیک Kluwer.
4. Zeman, LJ, & Wales, M. (1997). میکروفیلتراسیون و اولترافیلتراسیون: اصول و کاربردها. مارسل دکر.