Introduktion til princippet om hule fiberkomponenter

1. baggrund

Hule fiberkomponenter er en ny type fibermateriale, der består af en hul struktur af flere lag af cellulose eller mineraler. Dette materiale har egenskaberne ved lav densitet, højt specifikt overfladeareal og høj porøsitet, så det er vidt brugt i filtrering, adskillelse og adsorption.

 

I de sidste par årtier er hule fiberkomponenter blevet vidt brugt inden for mange områder såsom biomedicin, mad og drikke, miljøbeskyttelse og kemisk industri. F.eks. I området biomedicin anvendes hule fiberkomponenter til at fremstille biofarmaceutiske produkter og bioreaktorer. Inden for miljøbeskyttelse bruges hule fiberkomponenter til vandbehandling, spildevandsbehandling og luftoprensning.

 

Baggrunden for hule fiberkomponenter er meget rig. Det er ikke kun blevet bredt verificeret i applikationer, men har også et dybt forskningsfundament inden for materialevidenskab og fiberteknologi. På grund af sin unikke struktur og ydeevne har hule fiberkomponenter et stort potentiale og vil fortsat spille en vigtig rolle i fremtiden.

2. princip

Definition af membranseparationsteknologi:

Filtermembran: Et tyndt filmmateriale lavet af porøse polymerer med et eller flere lag;

Membranseparationsteknologi: En separationsteknologi, der bruger eksterne betingelser, såsom trykforskel eller koncentrationsforskel som en drivkraft til kun at tillade visse specifikke stoffer i flere komponenter at passere, mens andre stoffer opfanges; Normalt anvendt i adskillelse, oprensning og koncentration af blandinger.

 

Filtreringsmetode:

Direkte strømfiltrering: Også kendt som blindgydefiltrering, fodervæsken flyder vinkelret på overfladen af ​​filtermembranen, alle væsker passerer gennem filtermediet, og forurenende stoffer bevares inde eller på overfladen af ​​filtermembranen.

For eksempel: afklaringsfiltrering, præfiltrering, steriliseringsfiltrering, virusfjernelse af filtrering, vakuumfilter, hovedsageligt koncentreret i kategorien mikrofiltrering.

 

Tangential flowfiltrering: Også kendt som krydsstrømningsfiltrering, fodervæskestrømmene parallelt med overfladen af ​​filtermembranen, en del af væsken passerer gennem filtermediet, og forurenende stoffer bevares på overfladen af ​​filtermembranen eller tilbagesvalighed fra den anden ende af membranen.

 

For eksempel: membranpakke, hule fiber -ultrafiltrering, hovedsageligt koncentreret i kategorien ultrafiltrering.

Funktioner ved TFF -filtrering:

Arbejdsprincippet om tangential flowfiltrering (TFF) er, at opløsningen flyder i en retning parallelt med membranen. Under trykket passerer molekylerne mindre end membranporerne gennem membranen og bliver gennemsyret, mens molekyler, der er større end membranporerne, bevares og bliver koncentreret.

 

Koncepter relateret til hule fibre:

Transmembrane trykforskel (TMP): Den gennemsnitlige trykforskel på begge sider af membranen er drivkraften for væsken at passere gennem membranen. Transmembrane trykforskel=(pin + preturn) / 2- pPermeat

Flux: Mængden af ​​væske, der passerer gennem membranen pr. Enhedsmembranområde pr. Enhedstid. LMH, L/(M2.H)

Normaliseret vandflux (NWP: Normaliseret vandpermeabilitet): Fluxen af ​​vand ved enhedstryk og standardtemperatur. L/(M2.H.PSI)

Molekylærvægtsafskæring (MWCO): Karakteriserer porestørrelsen af ​​ultrafiltreringsmembranen.

Minimum arbejdsvolumen: Den minimale arbejdsvolumen for det tangentielle flowfiltreringssystem henviser til det cirkulerende flydende volumen, der kræves for at betjene systemet under specifikke tangentielle strømningsstrømforhold. Minimum arbejdsvolumen afhænger af opbevaringsvolumen og cirkulationsstrømningshastighed for systemet og komponenterne. I applikationer med høj koncentration, såsom viruskoncentration, er det mindste arbejdsvolumen en vigtig overvejelse, og målet refluks-koncentrationsvolumen skal være højere end systemets minimale arbejdsvolumen.

Forskydningshastighed: Hastigheden for ændring af flowhastigheden af ​​væsken i forhold til radius for den cirkulære strømningskanal. I modsætning til membranpakken, i hule fibereksperimenter, bruges forskydningshastigheden normalt i stedet for den tangentielle strømningshastighed for at karakterisere cirkulationsstrømmen parallelt med membranen.

Koncentrationspolarisering: Under ultrafiltreringsprocessen ophobes de opløste stoffer, der ikke kan passere gennem membranen, på membranoverfladen under tryk for at danne et gellag. Koncentrationen i området nær membrangrænsefladen bliver højere og højere. Under virkningen af ​​koncentrationsgradienten øges diffusionen af ​​opløsningen fra membranoverfladen til opløsningen, hvilket øger væskemodstanden og det lokale osmotiske tryk, hvilket resulterer i et fald i flux.

Gellag: Det er den vigtigste faktor i modstanden for ultrafiltreringsmembraner.

 

Faktorer, der skal overvejes, når man vælger hule fibermembraner:

1. Valg af membranform: For prøver, der er afklaret, rig på partikler, har høj viskositet og kræver lav forskydningsstyrkekoncentration, såsom store partikelvirusmolekyler med lav stabilitet, er hule fibermembraner normalt valgt til afklaring/koncentration og diafiltrering;

2. valg af fiberdiameter: 0. 5 mm indre diameter foretrækkes til prøvekoncentration/diafiltration; 1. 0 mm indre diameter foretrækkes til prøveafklaring;

3. valg af filtreringsnøjagtighed: porestørrelsen af ​​den hule fibermembran påvirker dens filtreringsnøjagtighed. Den relevante porestørrelse skal vælges i henhold til kravene i den specifikke anvendelse for at sikre effektiv filtrering af målstoffet. Følgende er flere almindelige applikationsmuligheder:

① Koncentration/diafiltrering: For effektivt at aflytte målmolekylet og sikre, at udbyttet, anbefales en membranporestørrelse på 1/3-1/5 i målprøvemolekylet generelt. På samme tid for at minimere indholdet af urenheder under koncentrations- og diafiltreringsprocessen skal porestørrelsen være så stor som muligt under betingelsen, at målmolekylets udbytte er garanteret;

② Afklaring: Det anbefales at vælge en membranporestørrelse, der er 5-10 gange større end målmolekylet for at sikre, at målmolekylet giver så meget som muligt, især hvis prøven er meget "beskidt", skal en membranporestørrelse mere end 10 gange vælges;

③ Molekylær adskillelse: Hvis du vil bruge en tangentiel flowfiltreringsmembran til at adskille to målmolekyler i forskellige størrelser, skal molekylvægten af ​​målmolekylet være mindst 10 gange forskellige, og diafiltreringen skal være tilstrækkelig;

④ Cellesamling: Hvis målproteinet udtrykkes i en E. coli -taske, er det første trin til at opsamle bakterierne at bruge en ultrafiltrationsmembran på 500K/750K.

 

4. Effektiv længde: Procesamplifikationsfunktionen ved hule fibre er, at så længe den effektive længde holdes konsistent, kan der udføres direkte procesforstærkning. Imidlertid kan komponenter i forskellige længder ikke amplificeres lineært på grund af den signifikante forskel i trykfald i begge ender, og den interne tryk- og strømningshastighedsfordeling af strømningskanalen ændres også i overensstemmelse hermed. Normalt har komponenter med kortere strømningskanallængder en tendens til at blive valgt, når man behandler materialer med høj viskositet og høj begroing.

 

Anvendelse af hule fiberkomponenter

Anvendelsesområder:

Oprensning, koncentration og dialyse af vacciner

Oprensning, koncentration og dialyse af virale vektorer

Afklaring og filtrering af celler og bakterier i fermenteringsbuljong

Gendannelse og vask af celler og bakterier

Koncentration og dialyse af proteiner

Produktfunktioner:

Lavere flux end membranpakker

Blid til materialer

Enkel og åben strømningskanal

Let at samle

Let at tømme

MWCO Selection:

Det er nødvendigt at overveje adskillelsesselektiviteten af ​​membranen og risikoen for blokering under behandlingsprocessen. Derfor skal membraner med relativt små porer vælges så meget som muligt under forudsætning af at sikre selektivitet og flux, så meget som muligt for at reducere den langsomme indtræden af ​​urenhedspartikler i membranporerne og forlænge levetiden. Almindelige behandlingsscenarier er som følger:

Viruskoncentration, oprensning, fjernelse: 100 kD, 300 kD, 500 kD, 750 kD

Rekombinant protein/antistofafklaring: 500kD, 750 kD

Bakteriekoncentration: 500 kD, 750 kD