تجزیه و تحلیل علل و راه حل های افت فشار بالا در فیلتراسیون جریان مماسی

به عنوان یک فناوری کلیدی جداسازی و خالص سازی در فرآیندهای بیودارویی،فیلتراسیون جریان مماسی (TFF)از مکانیسم جداسازی منحصر به فرد خود-جایی که مایع به طور مماس در سطح غشاء جریان می‌یابد-برای کاهش مؤثر تجمع ماکرومولکول‌ها و ذرات، در نتیجه دستیابی به توان عملیاتی بسیار بالاتری نسبت به فیلتر-مرده معمولی استفاده می‌کند. این فناوری به طور گسترده در تولیدآنتی بادی ها، واکسن ها، درمان های ژنی و سلولی و داروهای اسید نوکلئیک، به عنوان یک روش اصلی برایغلظت و تبادل بافرمولکول های بیودارویی بنابراین،توسعه و بهینه سازیفرآیندهای TFF برای بهبود کارایی تولید، کاهش تجهیزات و هزینه‌های مصرفی، و تضمین کیفیت ثابت محصول بسیار مهم هستند.افت فشار بالااغلب به یک چالش بزرگ تبدیل می شود. این مقاله تجزیه و تحلیل عمیقی از مکانیسم‌های ایجاد افت فشار بالا ارائه می‌کند و راه‌حل‌های سیستماتیک برای کمک به دستیابی بهفرآیند تصفیه پایدار و کارآمد.

 

کلمات کلیدی ---تعریف

در فیلتراسیون جریان مماسی،افت فشاربه طور خاص به افت فشاری اشاره دارد که هنگام خروج خوراک از آن رخ می دهدورودیبهخروجیاز ماژول غشایی

فرمول محاسبه:
ΔP=پین - Pret

• پین:فشار تغذیه - فشار ماده ورودی به ماژول غشا.
• پیشگویی:فشار (بازگشت) بازدارنده - فشار ماده خروجی از ماژول غشا.
• ΔP:افت فشار - اختلاف فشار بین ورودی و خروجی.

 

کلمات کلیدی --- اثرات افت فشار بیش از حد

• خطر انسداد کانال غشا:افت فشار بالا به طور مستقیم نشان دهنده تجمع قابل توجه مواد در کانال ها است که ممکن است منجر به انسداد کامل و قطع فرآیند شود.
• آسیب فیزیکی به ماژول غشا:بیش از حد مجاز افت فشار مشخص شده توسط سازنده می تواند باعث تغییر شکل اسپیسر کانال یا ترک در نقاط اتصال شود و در نتیجه باعث آسیب دائمی ماژول شود.
• کاهش راندمان فرآیند:مقاومت بالا به فشار پمپ تغذیه بالاتر برای حفظ جریان، افزایش مصرف انرژی و بار تجهیزات نیاز دارد، در حالی که به طور قابل توجهی غلظت یا زمان فیلتراسیون را افزایش می دهد.
• تمیز کردن دشوار و طول عمر کوتاه:انسدادهای شدید اغلب با روش های تمیز کردن استاندارد به سختی از بین می روند و به طور قابل توجهی عمر عملیاتی کاست غشایی را کاهش می دهند.
•  

کلمات کلیدی --- دلیل افت فشار بیش از حد

علل افت فشار بیش از حد را می توان در چهار دسته اصلی خلاصه کرد: شرایط عملیاتی، ویژگی های مواد، رسوب و گرفتگی غشا، و سخت افزار و طراحی. این عوامل اغلب به هم مرتبط هستند و با هم عمل می کنند.

شرایط عملیاتی نامناسب شایع ترین و مستقیم ترین علت است.

• سرعت جریان مماسی بیش از حد:سرعت جریان حیاتی ترین پارامتر عملیاتی است که بر افت فشار تأثیر می گذارد. با توجه به اصول دینامیک سیالات، افت فشار در کانال ها تقریباً با مجذور سرعت جریان (بسته به رژیم جریان) متناسب است. بنابراین، صرفاً افزایش نرخ جریان خوراک یا گردش مجدد مستقیماً باعث افزایش قابل توجهی در افت فشار می شود.
• فشار اولیه تغذیه بیش از حد بالا تنظیم شده است:در حالت جریان ثابت، دستیابی به دبی اولیه بسیار بالا مستلزم آن است که پمپ تغذیه فشار بالایی تولید کند، که مستقیماً منجر به افزایش جریان می شود.، در نتیجه باعث افت فشار زیادی می شود.
• تغییرات در مشخصات مواد یک علت طبیعی و مورد انتظار افزایش افت فشار در طول فرآیند غلظت است.
• افزایش غلظت و ویسکوزیته مواد:این یکی از ویژگی های اصلی حالت غلظت TFF (فیلتراسیون جریان مماسی) است. همانطور که حلال ها و مولکول های کوچک فیلتر می شوند، غلظت ماکرومولکول ها در خوراک (مانند پروتئین ها، پلی ساکاریدها یا سلول ها) افزایش می یابد که منجر به افزایش قابل توجه ویسکوزیته می شود. سیالات با ویسکوزیته بالا که از کانال‌های غشایی باریک جریان می‌یابند، اصطکاک داخلی را به شدت افزایش می‌دهند و باعث افزایش مداوم و مداوم افت فشار می‌شوند. در طول غلظت، مشاهده افزایش تدریجی افت فشار با ضریب غلظت حجمی یک فرآیند فیزیکی طبیعی است، نه یک خطای غیرعادی.
• سیالات ذاتاً{0}}با ویسکوزیته بالا یا غیر{1}}نیوتنی:حتی در غلظت اولیه، برخی مواد اولیه مانند محلول‌های حاوی پلیمرهای با وزن مولکولی بالا، براث‌های تخمیر سلولی با چگالی بالا، یا محلول‌های پلی‌ساکارید خاصی- ذاتاً ویسکوز هستند که منجر به افت فشار پایه به طور قابل‌توجهی بیشتر از آب یا محلول‌های بافر می‌شود.

 

گرفتگی غشاء و انسداد کانالعلل اصلی افزایش غیرعادی و سریع افت فشار هستند و نشان دهنده حالت های خطا هستند که نیاز به توجه و مداخله دقیق دارند.

 

• تشکیل لایه های ژل/ رسوب:مواد باقی مانده توسط غشاء (مانند پروتئین ها، بقایای سلولی یا کلوئیدها) در سطح غشاء تجمع می یابند و یک لایه رسوب متراکم را تشکیل می دهند. این لایه نه تنها مانع از جریان نفوذ می شود، بلکه به طور قابل توجهی فضای فیزیکی کانال های غشایی را اشغال می کند و ارتفاع موثر کانال را کاهش می دهد و مقاومت جریان را به شدت افزایش می دهد.
• انسداد کانال فیزیکی:ذرات نامحلول، الیاف، یا سنگدانه‌های موجود در خوراک که با ابعاد کانال غشایی قابل مقایسه یا بزرگ‌تر هستند-به‌ویژه در ورودی{1}}می‌توانند گیر کرده و باعث انسداد موضعی شدید شوند. چنین انسدادها معمولاً ناهموار هستند و به طور بالقوه برخی از کانال‌ها را در ماژول غشایی کاملاً غیرعملکرد می‌کنند و منجر به افت فشار بسیار زیاد و غیرخطی می‌شوند. این یکی از خطرناک ترین موقعیت ها است و می تواند برای همیشه به ماژول غشاء آسیب برساند.
• قطبش تمرکز:اگرچه لایه پلاریزاسیون غلظت برگشت پذیر است، اما در شرایط TMP یا شار زیاد، لایه می تواند بسیار متراکم و ژل- شود. ویسکوزیته موضعی را افزایش می دهد و فضای کانال را کاهش می دهد و به افزایش افت فشار کمک می کند.
•  

انتخاب نامناسب ماژول غشاء و مشکلات سخت افزاری/طراحیهمچنین می تواند به افزایش افت فشار کمک کند.

 

• انتخاب نادرست ماژول غشاء:هر چه کانال طولانی تر باشد، مسیر اصطکاک بین سیال و دیواره کانال بیشتر می شود و در نتیجه افت فشار پایه بالاتری ایجاد می شود. کانال‌های باریک‌تر محدودیت‌های هندسی بیشتری را بر سیال تحمیل می‌کنند و مقاومت جریان را افزایش می‌دهند و افت فشار را افزایش می‌دهند.
• لوله کشی سیستم و انسداد شیر:ممکن است مشکل همیشه از ماژول غشایی نشات نگیرد. خطوط تغذیه، رابط های حسگر، و به ویژه خطوط چرخش و دریچه های آنها می توانند توسط آلاینده ها یا کریستالیزاسیون مسدود شوند و باعث کاهش فشار اضافی در سراسر سیستم شوند که ممکن است به اشتباه به عنوان افت فشار ماژول غشایی تعبیر شود.
• اثرات دما:اگر دمای خوراک کمتر از مقدار طراحی فرآیند باشد، معمولاً ویسکوزیته مایع افزایش می‌یابد که منجر به افت فشار بیشتر می‌شود.

راه حل هایی برای افت فشار بیش از حد

راه حل های افت فشار بیش از حد را می توان به سه نوع اصلی دسته بندی کرد: تنظیمات عملیاتی فوری، تمیز کردن و بازیابی، و-پیشگیری و بهینه سازی طولانی مدت.

 

تنظیمات عملیاتی فوری:

• نرخ جریان مماسی را تنظیم کنید:نرخ جریان مماسی را به طور مناسب کاهش دهید. کاهش سرعت جریان مستقیم ترین و موثرترین راه برای کاهش افت فشار است. با این حال، دبی بسیار کم می تواند نیروی برشی روی سطح غشاء را تضعیف کند و به طور بالقوه رسوب غشاء را افزایش دهد. باید تعادل پیدا کرد.
• محلول خوراک را رقیق کنید:مقدار مناسبی از بافر یا آب تصفیه شده را به مخزن خوراک اضافه کنید تا غلظت کلی خوراک کاهش یابد.
• توقف نفوذ و گردش:شیر کناری{0}}نفوذ را ببندید تا خوراک از طریق حلقه "مخزن تغذیه → پمپ → ماژول غشایی → مخزن تغذیه" بدون تولید تراوش عبور کند.
• بررسی و بهینه سازی دهانه شیرها:اطمینان حاصل کنید که دریچه های چرخش به درستی تنظیم شده اند. عملکرد نادرست سوپاپ، مانند باز شدن بیش از حد کوچک، می تواند باعث افت فشار مصنوعی شود.

 

تمیز کردن و بازیابی غشا:

هنگامی که تنظیمات عملیاتی بی اثر هستند، نشان دهنده رسوب یا انسداد است که نیاز به تمیز کردن دارد.

• تمیز کردن مکان (CIP):از مواد پاک کننده شیمیایی برای حل کردن یا از بین بردن آلاینده ها استفاده کنید.
• بک فلاشینگ:از سمت تراوش بالاتر از سمت تغذیه (با استفاده از بافر یا آب تمیز) فشار وارد کنید تا مایع را از درون غشا به عقب برگرداند و رسوب را در منافذ غشا و ورودی‌های کانال به بیرون فشار دهید. این روش برای بازگرداندن شار و کاهش افت فشار بسیار موثر است. اطمینان حاصل کنید که نوع غشاء و ماژول شما می تواند در برابر فشار برگشت مقاومت کند.
• خیساندن:سیستم را با محلول تمیزکننده پر کنید و گردش را متوقف کنید، اجازه دهید برای چندین ساعت یا یک شب خیس شود تا به عوامل شیمیایی زمان کافی برای واکنش با آلاینده های سرسخت داده شود.

 

پیشگیری بلندمدت و بهینه‌سازی بنیادی-:

برای جلوگیری از مشکلات تکراری، بهینه سازی باید در هر دو سطح سیستم و فرآیند مورد توجه قرار گیرد.

• بهینه سازی پیش تصفیه خوراک:این اساسی ترین اقدام پیشگیرانه است. قبل از اینکه خوراک وارد سیستم TFF شود، ذرات، بقایای سلولی، سنگدانه ها و سایر ناخالصی های نامحلول را تا حد امکان از طریق سانتریفیوژ، فیلتراسیون عمقی یا روش های مشابه حذف کنید. یک خوراک تمیز عملکرد صاف را تضمین می کند.
• دوباره-بهینه سازی پارامترهای فرآیند:شار بحرانی را با آزمایش برای تعیین "شار نفوذ بحرانی" شناسایی کنید. عملکرد زیر این شار به طور قابل توجهی قطبش غلظت و تشکیل لایه ژل را کاهش می دهد و از افزایش افت فشار غیرعادی در منبع جلوگیری می کند. ترکیب نرخ جریان مماسی و TMP را بهینه کنید-از استفاده کورکورانه از نرخ جریان بالا و TMP بالا اجتناب کنید. نقطه عملیاتی بهینه را پیدا کنید که بازده فیلتراسیون کافی را حفظ کند و در عین حال افت فشار را در محدوده معقول نگه دارد.
• بازرسی و نگهداری سخت افزار:لوله‌ها، اتصالات و دیافراگم‌های سنسور را به‌طور مرتب از نظر انسداد یا جرم‌گیری بررسی کنید. سنسورهای فشار را برای اطمینان از خوانش دقیق کالیبره کنید.
• دوباره-ارزیابی انتخاب ماژول غشا:اگر کانال‌های غشایی فعلی خیلی باریک هستند که نمی‌توانند از{0}}فیدهای با ویسکوزیته بالا یا فیدهای حاوی مقادیر کمی ذرات استفاده کنند، به ماژول‌هایی با کانال‌های وسیع‌تر و مقاومت در برابر رسوب بهتر تغییر دهید. سازگاری مواد غشایی مختلف (مانند PES، RC، PVDF) را با محلول خوراک خاص ارزیابی کنید.