切向流過濾工藝設計與操作：提升過濾效果的創新之選
時間：2024.04.26
在當今各行各業對過濾技術要求日益提高的背景下，切向流過濾工藝以其卓越的過濾性能和靈活的操作條件，贏得了廣泛的關注與應用，成為液體分離純化的理想選擇。
一、切向流工藝的設計
切向流過濾工藝的設計關鍵在于確保流體在膜表面產生切向流動，從而減少膜污染，提高過濾效率。設計時應考慮以下因素：
1. 選擇合適的膜材料和孔徑
作為工藝的核心，過濾膜的選擇需考慮孔徑大小、材料特性及耐久性，以確保其有效過濾目標物質并具備長期穩定性。
2. 設計過濾系統
TFF系統通常包括膜模塊、泵、傳感器、控制單元和收集容器。設計時需要考慮系統的緊湊性、操作的簡便性以及清潔和消毒的便利性。
3. 預處理和后處理
預處理步驟包括對原料液的澄清，以減少膜污染和提高過濾效率。后處理則是對過濾液的進一步純化或濃縮。
1. 選擇合適的膜材料和孔徑
作為工藝的核心，過濾膜的選擇需考慮孔徑大小、材料特性及耐久性，以確保其有效過濾目標物質并具備長期穩定性。
2. 設計過濾系統
TFF系統通常包括膜模塊、泵、傳感器、控制單元和收集容器。設計時需要考慮系統的緊湊性、操作的簡便性以及清潔和消毒的便利性。
3. 預處理和后處理
預處理步驟包括對原料液的澄清，以減少膜污染和提高過濾效率。后處理則是對過濾液的進一步純化或濃縮。
二、切向流膜組件的選擇
選擇合適的切向流膜組件對確保過濾效果和操作穩定性至關重要。切向流過濾介質可支持盒式膜包和中空纖維膜柱，二者各有優缺點。
（一）盒式膜
盒式膜包組件的結構是多片膜元件排列組裝而成，實現了膜片之間間隙可控，便于氣液混流對膜面進行在線清洗，抗污染性能優越。
（一）盒式膜
盒式膜包組件的結構是多片膜元件排列組裝而成，實現了膜片之間間隙可控，便于氣液混流對膜面進行在線清洗，抗污染性能優越。
優勢：相比中空纖維膜，盒式膜包處理速度快、通量高，對預處理的要求較低。清洗方便，可在線或離線化學、物理清洗，用藥量和清洗次數少；膜結構牢固，能承受高壓，組裝及拆卸方便，易于維護。
不足：但由于層層膜疊加篩網的設計，篩網的存在會引入湍流效應，對樣品造成的剪切力會高一些，且單位容積上膜面積較小；一次性投入稍高。
（二）中空纖維膜柱
中空纖維柱是將過濾用的膜做成中空管柱。當過濾液流經中空纖維膜中間時，利用切向流過濾（TFF）技術實現分離大分子和小分子的有效分離。TFF這種過濾方式允許物質在膜表面平行流動，而不是直接穿過膜，從而減少了堵塞的風險并提高了過濾效率。
不足：但由于層層膜疊加篩網的設計，篩網的存在會引入湍流效應，對樣品造成的剪切力會高一些，且單位容積上膜面積較小；一次性投入稍高。
（二）中空纖維膜柱
中空纖維柱是將過濾用的膜做成中空管柱。當過濾液流經中空纖維膜中間時，利用切向流過濾（TFF）技術實現分離大分子和小分子的有效分離。TFF這種過濾方式允許物質在膜表面平行流動，而不是直接穿過膜，從而減少了堵塞的風險并提高了過濾效率。
優勢：中空纖維膜構造簡單，管壁上布滿微孔，開放式的通道設計非常適合剪切力敏感，高固體、高粘度的樣品。且中空纖維膜柱膜孔相對致密均一，大孔結構少，強度高，高溫穩定性好，可以避免由于升溫使孔隙塌陷造成通量降低的情況。高流體通量，緊湊設計節省空間，適合連續操作。成熟的管狀流路流體力學模型，為直接的線性放大提供完善的理論依據，保證工藝放大的成功率。
不足：
① 膜絲容易堵塞，易斷絲；
② 需要頻繁的化學清洗；
③ 對壓力沖擊敏感，壓降高；
④ 膜組件受膜形式限制。
那么該如何讓選擇合適的膜組件呢？
1. 膜材料選擇：根據過濾目標物的性質選擇合適的膜材質，如聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、再生纖維素（RC）等。不同的膜材料具有不同的過濾特性和耐久性，需要根據具體情況進行選擇。
不足：
① 膜絲容易堵塞，易斷絲；
② 需要頻繁的化學清洗；
③ 對壓力沖擊敏感，壓降高；
④ 膜組件受膜形式限制。
那么該如何讓選擇合適的膜組件呢？
1. 膜材料選擇：根據過濾目標物的性質選擇合適的膜材質，如聚醚砜（PES）、聚偏氟乙烯（PVDF）、再生纖維素（RC）等。不同的膜材料具有不同的過濾特性和耐久性，需要根據具體情況進行選擇。
2. 孔徑大小選擇：根據過濾要求和目標物質的粒徑大小，選擇合適的孔徑大小。孔徑過大可能導致無法有效過濾目標物質，孔徑過小可能導致過濾阻力增大，影響過濾效率。我們推薦的孔徑選擇原則是：在濃縮操作中 (產品被截留)，超濾膜孔徑比產品小3~5倍。 在澄清操作中 (產品被透過)，超濾膜孔徑比產品大3～5倍。
三、切向流過濾的操作參數
一個切向流過濾的生產工藝由許多參數決定，它們既相互影響又相互制約，想要要同時達到提高生產效率和節約成本的目的，就必須首先對這些參數進行合理控制。
1. 流速控制和TMP控制
設計合理的流速，以確保高效的過濾和最小的膜污染。減少凝膠層的形成，降低透過的阻力，提高通量。而TMP跨膜壓，是物質跨膜所需的驅動力，也是工藝放大的基本和必要參數。在設計過程中，需要根據具體的過濾要求和目標物質的特性，合理控制流體的速度和壓力，以達到最佳的過濾效果。
1. 流速控制和TMP控制
設計合理的流速，以確保高效的過濾和最小的膜污染。減少凝膠層的形成，降低透過的阻力，提高通量。而TMP跨膜壓，是物質跨膜所需的驅動力，也是工藝放大的基本和必要參數。在設計過程中，需要根據具體的過濾要求和目標物質的特性，合理控制流體的速度和壓力，以達到最佳的過濾效果。
2. 膜的面積
在確定了通量和處理體積之后，還需要確定濾膜的面積。在流量和通量一定的情況下，膜面積和工藝時間會相互影響。延長工藝時間可以減小膜面積，降低成本和減少系統的死體積。
但是，工藝時間的延長增加了產品失活和發生微生物污染的風險。
3. 溫度控制
根據目標物質的特性和過濾要求，合理控制過濾液體的溫度。溫度過高或過低可能會影響過濾效果。
在確定了通量和處理體積之后，還需要確定濾膜的面積。在流量和通量一定的情況下，膜面積和工藝時間會相互影響。延長工藝時間可以減小膜面積，降低成本和減少系統的死體積。
但是，工藝時間的延長增加了產品失活和發生微生物污染的風險。
3. 溫度控制
根據目標物質的特性和過濾要求，合理控制過濾液體的溫度。溫度過高或過低可能會影響過濾效果。
四、切向流過濾的產品回收
切向流過濾作為一種高效的分離技術，在產品回收方案中扮演著重要角色，它可以高效地回收目標物質，提高資源利用率。而對于產品回收的具體方案是怎樣的呢？
1. 需求分析：在制定回收方案之前，首先要對需要回收的產品進行詳細的分析，包括產品的成分、粘度、固體含量等特性，以便選擇合適的切向流過濾設備和操作參數。
2. 設備選擇：根據產品特性和回收目標，選擇適合的切向流過濾設備。設備的選擇應考慮過濾效率、操作成本、維護便捷性等因素。
3. 預處理：對原料進行必要的預處理，如調節pH值、去除大顆粒雜質等，以保護過濾膜，延長其使用壽命。
4. 操作參數優化：確定最佳的工作參數，如流速、壓力、溫度等，以確保高效的分離效果和產品的回收率。
5. 過程監控：在過濾過程中，實時監控各項操作參數和產品質量，確保過程的穩定性和產品的一致性。
6. 產品后處理：對過濾后的產品進行必要的后處理，如濃縮、干燥等，以滿足最終產品的規格要求。
7. 廢物處理：對過濾過程中產生的廢物進行妥善處理，減少對環境的影響。
1. 需求分析：在制定回收方案之前，首先要對需要回收的產品進行詳細的分析，包括產品的成分、粘度、固體含量等特性，以便選擇合適的切向流過濾設備和操作參數。
2. 設備選擇：根據產品特性和回收目標，選擇適合的切向流過濾設備。設備的選擇應考慮過濾效率、操作成本、維護便捷性等因素。
3. 預處理：對原料進行必要的預處理，如調節pH值、去除大顆粒雜質等，以保護過濾膜，延長其使用壽命。
4. 操作參數優化：確定最佳的工作參數，如流速、壓力、溫度等，以確保高效的分離效果和產品的回收率。
5. 過程監控：在過濾過程中，實時監控各項操作參數和產品質量，確保過程的穩定性和產品的一致性。
6. 產品后處理：對過濾后的產品進行必要的后處理，如濃縮、干燥等，以滿足最終產品的規格要求。
7. 廢物處理：對過濾過程中產生的廢物進行妥善處理，減少對環境的影響。
五、切向流過濾的系統清潔
切向流過濾系統的清潔需要注意：
1. 預沖洗：使用適當的緩沖液或清潔劑對膜組件和設備管道進行預沖洗。
2. 清洗程序：根據膜材質和污染程度選擇合適的清洗劑和清洗周期。選擇合適的清洗液體，以避免對過濾膜組件造成損害，并確保清洗效果。
3. 消毒：使用消毒劑確保系統的無菌狀態。
1. 預沖洗：使用適當的緩沖液或清潔劑對膜組件和設備管道進行預沖洗。
2. 清洗程序：根據膜材質和污染程度選擇合適的清洗劑和清洗周期。選擇合適的清洗液體，以避免對過濾膜組件造成損害，并確保清洗效果。
3. 消毒：使用消毒劑確保系統的無菌狀態。
六、切向流過濾的放大生產注意事項
在進行切向流過濾的放大生產時，需要注意以下幾個方面：
1. 設備的選擇：根據生產規模和過濾要求，選擇合適的設備和系統，以滿足產量和效果的需求。
2. 操作人員的培訓：針對放大生產過程中可能出現的問題和操作要點，進行操作人員的培訓，以確保操作的安全和穩定。
3. 過程監控和數據記錄：建立完善的過程監控和數據記錄系統，及時發現問題并進行調整，以提高生產效率和產品質量。
本篇文章已經從各個方面帶大家了解到了切向流過濾的工藝、參數以及注意事項，有關切向流過濾的知識還有很多，關注霍爾斯（HOLVES），后續會帶給大家更多知識與資訊。
1. 設備的選擇：根據生產規模和過濾要求，選擇合適的設備和系統，以滿足產量和效果的需求。
2. 操作人員的培訓：針對放大生產過程中可能出現的問題和操作要點，進行操作人員的培訓，以確保操作的安全和穩定。
3. 過程監控和數據記錄：建立完善的過程監控和數據記錄系統，及時發現問題并進行調整，以提高生產效率和產品質量。
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