Фирма «ИФАБ Техно» представляет - Активная объемная фильтрация: основные принципы. Микрофильтрация биофармацевтических жидкостей

Фирма «ИФАБ Техно» представляет - Активная объемная фильтрация: основные принципы. Микрофильтрация биофармацевтических жидкостей

В данной статье изложена концепция активной объемной фильтрации, техника равномерного потока для фильтрации под давлением. Активная объемная фильтрация является сильным инструментом для решения задач, связанных с фильтрацией жидкостей с повышенным содержанием сухих веществ, коллоидных и желеобразных взвесей и, вследствие этого незаменима для многих приложений как для работы в лаборатории, так и на производстве. (Термины, выделенные полужирным шрифтом , расшифровываются в разделе «Глоссарий» ).

Происхождение

Активная объемная фильт рация является новой техникой микрофильтрации, которая сочетает фильтрацию через вспомогательный фильтрующий материал и глубинную фильтрацию. Обе эти технологии широко используются в процессах биофармацевтической сепарации с начала 1900-х.

Активная объемная фильтрация обычно увеличивает скорость и общий объем сепарированных веществ в сравнении с обычной глубинной фильтрацией в 5-10 раз, при этом вдвое уменьшая как вес и объем отходов, так и негативные последствия процесса.

Активная объемная фильтрация является одной из наиболее надежных технологий по сепарации сжимаемых твердых тел (например, для бактериальных останков), особенно, когда концентрация последних составляет более 1 %.

Преимущества активной объемной фильтрации включают в себя высокую грязе- и шлакоемкость, низкую стоимость и легкость применения метода для больших объемов фильтрации

Методика

 Основными фильтрующими материалами в данной технологии являются материалы Celpure, запатентованные в США, вспомогательные фильтрующие материалы из качественного диатомита .

  Диатомит (фото 1)(то же, что кизельгур) – производится из диатомитовых земель (мелоподобных геологических отложений) и состоит в основном из кремниевых останков (скелетов, оболочек) ископаемых диатомитовых водорослей, одноклеточных организмов класса Bacillariophyceae (фото 2). Благодаря своей симметричной пористой микроструктуре широко используется для динамической (намывной) фильтрации жидкостей. Обладает жесткой кремниевой основой, стабилен к механическим и термическим воздействиям. Содержит в составе – до 90 % диоксид кремния, до 10 % - оксиды алюминия, железа, кальция, калия, натрия (сопутствующие вещества, ухудшающие инертные и фильтрующие свойства кизельгура).

Одним из основных достижений в производстве кизельгура за последние несколько лет, несомненно, является высокочистый диатомит Celpure, изготовленный по специальной технологии, щадящего обжига и помола, отмытый специальными растворами с максимально возможным сохранением естественной микроструктуры. Celpure обладает большей микро и макро пористостью, меньшей плотностью в сравнении с обычными сортами кизельгура и, как следствие, обладает уникальными фильтрационными свойствами и химической инертностью.

Очищенные кизельгуры Celpure на 99% состоит только из диоксида кремния и практически не содержит сопутствующих загрязняющих веществ.

Уникальность объемной фильтрации заключается в равномерном распределении (в качестве взвеси) фильтрующего материала (диатомита) в поток фильтруемой жидкости. Можно противопоставить данный принцип фильтрации принципу поверхностной и тангенциальной фильтрации, в которой фильтрующие материалы полностью неподвижны в фильтрующем элементе.

Во время фильтрации суспензия из фильтрующих материалов осаждается вместе с частицами загрязнения. Прочный и пористый диатомит предотвращает превращение сжимаемых частиц загрязнения в непроницаемую массу (Рисунок 2б), что придает активной объемной фильтрации экстраординарную способность к задержанию большого количества загрязнений с сохранением скорости фильтрации. Процесс также обеспечивает непрерывное обновление фильтрующей поверхности.

Активная объемная фильтрация может быть противопоставлена обычной глубинной фильтрации, при которой засорение фильтрующей поверхности происходит практически сразу же, и термин «объемная» относится скорее к теоретической грязеёмкости фильтра, чем к практической. Без дозировки в поток блокирующие частицы загрязнений аккумулируются внутри протоков, имеющих конечный объем и количество. Результатом этого становится быстрое повышение давления и потребность в увеличении площади фильтрующей поверхности. (Рисунок 2а)

Предварительная оценка

Рассмотрим основные принципы подбора дозировки фильтрующего материала, скорости фильтрации и масштабирования полученных лабораторных результатов на производственные мощности и объемы.

1. Выбор подходящей лабораторной установки

Корпус фильтра

Активная объемная фильтрация требует достаточного пространства для «фильтровальной лепешки», чтобы накапливать диатомит Celpure и частицы загрязнения исходной жидкости. Высоты «фильтровальной лепешки» над фильтрующей поверхностью в 1- 3 см обычно достаточно. Лабораторный фильтр, изображенный ниже (Рис. 3) удовлетворяет этим требованиям.

Насос

Выбираем перлистатический насос с реверсивным потоком, допускающим скорость нагнетания 5-100 мл./мин., с шлангом размером 16.

Остальные измерения являются эмпирическими. Их целью является позволить Вам создать начальную базу данных, которую Вы сможете в дальнейшем использовать для непосредственной оптимизации процесса.

2. Выбор подходящего типа дозировки в поток

Выбор подходящего типа дозировки в поток (Таблица 1) является первым фактором, влияющим на чистоту фильтрации. В биофармацевтических производствах рекомендуется использовать материал Celpure.

3. Выбор подходящей концентрации дозировки в поток

Полезный эффект при использовании вспомогательного фильтрующего материала отображен на Рис. 4. Чтобы улучшить этот эффект, объем «фильтровальной лепешки», созданный за счет дозировки в поток, должен быть, по крайней мере, равен объему твердых частиц исходной жидкости. Это обеспечивает следующее:

- Количество материала Celpure достаточно для сохранения протоков в «фильтровальной лепешке».

- На перепад давления в первую очередь оказывают влияние не частицы загрязнения, а материал Celpure.

Недостаток вспомогательного фильтр-материала приводит к тому, что частицы загрязнения исходной жидкости чрезмерно повышают сопротивление потоку, что делает процесс менее предсказуемым. И наоборот, оптимизированная дозировка в поток (или незначительно увеличение дозировки в поток) приводит к улучшению контроля над процессом. Концентрация дозировки в поток, превышающая в два раза объем (а не вес) частиц загрязняющих исходную жидкость, подойдет для начала.

Рассчитаем объем частиц загрязняющих исходную жидкость путем центрифугирования (с силой примерно 1,000 g ) 10 мл образца (до полного разделения исходной жидкости) и затем определим процент содержания частиц загрязнения в отношении к общему объему. Используйте Таблицу 2 для установления изначальной концентрации дозировки в поток.

4. Определение общего объема грязеемкости и объёма одноразовой загрузки

Каждый грамм вспомогательного фильтрующего материала добавляет 3-4 см 3  к объему «фильтровальной лепешки». Таблица 3 иллюстрирует конфигурации фильтра и общие объемы «фильтровальной лепешки».

Выберем такой объем одноразовой загрузки, чтобы он заполнил половину возможного общего объема «фильтровальной лепешки». После того, как мы освоим этот метод, увеличим общий объем, полностью заполняя пространство в ходе последующих попыток (опытов).

5. Выбор опорной решетки

Опорная решетка – это глубинный фильтр, используемый для поддержания и задержки дозированного в поток диатомита. Глубинные фильтры, задерживающие частицы размером менее 0,2 микрон, могут отрицательно влиять на скорость фильтрации. Ниже перечисленные глубинные фильтры фирмы Ertel вполне подойдут для этих целей:

- M-503 Die 196 (5 микрон)

- M-453 Die 196 (2 микрон)

- M-703 Die 196 (0,45 микрон)

6. Выбор скорости потока

Описанная выше технология является фильтрацией при равномерном течении. Равномерное течение позволяет лучше контролировать проницаемость «фильтровальной лепешки» и минимизирует использование дозировки в поток.

В Таблице 4 представлены расчётные величины потока, основанные на объемном содержании частиц загрязнения. Более высокие скорости потока допустимы и могут быть апробированы после овладения данной техникой. Для исходных жидкостей с высоким коэффициентом вязкости могут потребоваться более низкие скорости.

Оптимальная величина потока повышает дифференциальное давление линейно, как показано на Рисунке 5а, что, в свою очередь, приводит к максимизации контроля и предсказуемости процесса. Слишком высокая скорость течения приводит к сужению протоков и выдавливанию частиц загрязнения в фильтрат.

Использование соотношения Давления и Времени для оптимизации процесса при постоянной скорости фильтрации.

Проведение пробной фильтрации

1. Подготовка исходной жидкости

Используя инструкции в разделе «Определение общего объема грязеемкости и объёма одноразовой загрузки» (стр. 4), подготовим необходимое количество исходной жидкости для проведения первого испытания. Затем, используя инструкции в разделах «Выбор подходящего типа дозировки в поток» и «Выбор подходящей концентрации дозировки в поток» (стр. 3), взвесим нужное количество материала Celpure и добавим его к исходной жидкости. Поддерживаем все твердые частицы (материал Celpure ) в состоянии суспензии путем перемешивания.

2. Начало фильтрации

С этого момента, фильтр должен быть задействован в процессе рециркуляции, проходящей со скоростью потока, рекомендованной в Таблице 4 (стр.4).

Поместим входную трубку в емкость с исходной жидкостью, смешанной с Celpure. Когда мы увидим, что она поступает в фильтр, поместим выходную трубку к емкости для фильтрата и засекаем время. Записываем разницу давлений и общий объем каждые 2-5 минут, в зависимости от увеличения уровня давления. Эти записи необходимо будет проанализировать, чтобы определить условия последующих испытаний.

3. Завершение испытания

Завершаем испытание тогда, когда разница давлений достигнет своего предела.

Активную объемную фильтрацию лучше проводить при давлении меньше 2,76 бар.

1. Чистота

Если Вас не устраивает чистота полученного фильтрата, повторяем эксперимент, используя тип материла Celpure с меньшей проницаемостью, до тех пор, пока чистота не станет приемлемой.

2. Дифференциальное давление и фильтрующий материал

После определения подходящего типа материала Celpure, увеличиваем его общий объем, убедившись в том, что пространство «фильтровальной лепешки» заполняется к тому времени, когда разница давлений достигает своего предела.

Соотношение между общим объемом и высотой «фильтровальной лепешки»

Чем больше высота «фильтровальной лепешки», тем больше общий объем фильтра.

Ограничение высоты «фильтровальной лепешки» связано с требованиями GMP и техническими возможностями большого (не лабораторного) фильтра.

Если процесс проводится лишь для получения опытного материала (масштабирование к объемам производства не является необходимым условием), то нет необходимости ограничивать высоту «фильтровальной лепешки». Высота «фильтровальной лепешки» до 20 см . является допустимой.

Если повышение давления происходит слишком быстро

Если давление достигает предела (например, 2,76 бар) до того, как заполнится 50 % пространства «фильтровальной лепешки», то, значит, уровень дозировки в поток недостаточен или скорость течения слишком высокая.

Допустим, что концентрация дозировки в поток слишком низкая. Убедимся в этом, удвоив дозировку в поток и повторив эксперимент. Будем руководствоваться следующими инструкциями:

- Если в результате повышение давления станет не таким быстрым и в рамках желаемых пределов, то переходим к следующему разделу «Повышение давления ниже оптимального».

 - Если не произошло никаких изменений в скорости повышения давления, проверим, может быть, поток слишком сильный (см. следующий параграф).

После выполнения всего перечисленного и, если, повышение давления происходит все-таки слишком быстро, вероятно, что скорость потока слишком высокая. Повторим эксперимент, но уменьшим скорость потока на 25 %. Если повышение давления стало менее быстрым, и в рамках желаемых пределов, то переходим к следующему разделу «Повышение давления ниже оптимального». Если же нет, то повторим снова, уменьшив скорость потока еще на 25%.

Повышение давления ниже оптимального

Если дифференциальное давление составляет менее 50% своего предела, а пространство «фильтровальной лепешки» фильтра заполнено более чем на 50 %, существует возможность улучшить общий объем фильтрации (при той же скорости потока). Повторим эксперимент, используя тот же тип материала Celpure и 75 % количества дозировки в поток.

Оптимальное повышение давления

Если разница давлений составляет приблизительно 50 % от предельного значения, при заполнении 50% объема «фильтровальной лепешки», то количество дозировки в поток близко к оптимальному (при той же скорости течения). Подтвердим эффект более длительным проведением эксперимента при большем объеме исходной жидкости (при той же скорости потока).

После оптимизации использования дозировки в поток, должно быть установлено соотношение между количеством частиц и фильтрующего материала. Процесс, протекающий при незначительном избытке материала Celpure, обычно более надежный, чем процесс, протекающий при его недостаточном количестве. Поэтому при проведении экспериментов с ожидаемым большим содержанием твердых частиц можно определить условия для различных вариантов.

3. Чистка фильтра

В конце фильтрации «фильтровальная лепешка» задерживает остаточный фильтрат и поэтому небольшое количество продукта. Его можно удалить последующим промыванием подходящим для этого раствором. В большинстве случаев достаточно одной или двух порций, равных объему «фильтровальной лепешки». Последующее промывание следует проводить перед тем, как исходная жидкость обнажит «фильтровальную лепешку».

4. Масштабирование к объемам производства

Если задан объем фильтрации, определенный при продолжительном функционировании, то площадь фильтра, необходимая для последующего масштабирования, при «грубой» оценке будет прямо пропорциональна объему исходной жидкости (для заданной высоты «фильтровальной лепешки»). Например, если фильтр площадью 50 см 2  обрабатывает
600 мл. исходной жидкости, то для обработки 120 л . потребуется площадь 1,0 м 2 .

Теоретически зависимость квадратичная, т.е. фильтр в два раза большей площади может отфильтровать в 4 раза больше жидкости, поэтому для более точной оценки размеров фильтра рекомендуется пользоваться средним значением между прямой пропорцией и квадратичной – в нашей ситуации – квадратичная зависимость дает 0,07 м 2    для объема 120 л . Т.е. фильтр 0,5 м 2  справится с задачей на производстве с «запасом».

Техническая поддержка

Получить техническую помощь можно по электронной почте: [email protected]

Глоссарий

Дозировка в поток

Фильтрующие материалы, добавляемые к исходной жидкости во время фильтрации.

Высота «фильтровальной лепёшки»

Толщина «фильтровальной лепёшки».

Пространство «фильтровальной лепёшки»

Объем пространства фильтра, который может вместить «фильтровальную лепешку» (например, материалы Celpure и частицы загрязнения).

Материалы Celpure

Высокоочищенный кремниевый вспомогательный фильтрующий материал, полученный из диатомита.

Закон Дарси

Эмпирический закон, который характеризует течение через пористый материал и описывает взаимоотношения между скоростью потока, перепадом давлений и сопротивлением. Продукты вспомогательного фильтрующего материала обычно используются для того, чтобы обеспечить изменение скорости фильтрации, что, согласно закону Дарси, имеет непосредственное отношение к пропускающей способности.

Объемная фильтрация

Улавливающие части объёмного фильтра находятся в пределах трёхмерной матрицы.

Объем определяется глубиной матрицы.

Диатом

Смотри «Диатомит».

Диатомит

Состоит из диатомовой земли, осадка биогенного кремнезёма в виде кремнезёмистых скорлупок диатома, и ряда разнообразных микроскопических одноклеточных водорослей. Диатомитовые продукты характеризуются достаточно сложной и высокопористой структурой, первоначально состоящей из кремнезёма.

Активная объемная фильтрация

Активная объемная фильтрация является новой техникой микрофильтрации. Она сочетает фильтрацию через вспомогательный фильтрующий материал и глубинную фильтрацию, обе широко используются в биофармацевтической сепарации с начала 1900-х. Активная объемная фильтрация обычно увеличивает скорость и эффективность глубинной фильтрации в 5-10 раз, в то время как имеет одинаковый вес и объем сброса.

Вспомогательный фильтрующий материал

Неорганические минеральные порошки или органические волокнистые материалы, используемые в комбинации чтобы увеличить эффективность фильтрации. Вспомогательный фильтрующий материал используется более 75 лет в фармацевтическом, биофармацевтическом и химическом производстве.

В технологии вспомогательного фильтрующего материала существует проблема поиска компромисса между проницаемостью пористого материала и его способностью к устранению помутнения. Продукты вспомогательного фильтрующего материала производятся в виде различных сортов, обладающих широким спектром значений проницаемости. Как и при глубинной фильтрации, проблемой является выбор вспомогательного фильтрующего материала, который бы устранил только частицы того размера, что создают помутнение, поможет достигнуть желаемой чистоты без снижения эффективности фильтрации.

Фильтрация через вспомогательный фильтрующий материал

Фильтрация через вспомогательный фильтрующий материал в течение ста лет является технологией адсорбционной сепарации, обычно применяемой для нежестких твердых тел с низкой проницаемостью (например, для бактериальных останков). Ее уникальность заключается в предварительном добавлении фильтрующего материала (например, диатомита) в исходный материал (жидкость для фильтрации) до и/или во время фильтрации. Он может быть противопоставлен обычной глубинной и тангенциальной фильтрации, в которой фильтрующие материалы полностью неподвижны в фильтрующем элементе.

«Фильтровальная лепёшка»

Задерживает твердые тела и фильтрующие материалы на фильтрующем элементе.

Микрофильтрация

Микрофильтрация - это процесс разделения фаз «жидкость - твёрдое тело» под давлением. В общем, микрофильтрация используется для удаления взвешенных твёрдых частиц, размером порядка 0,10-1,0 микрон. Для сравнения, ультрафильтрация обычно используется для твердых частиц размером порядка 0,01-0,10 микрон.

Проницаемость

Для использования в фильтрации диатомитовые продукты подвергаются обработке, чтобы обеспечить определенные размеры пор фильтра, что имеет непосредственное отношение к их проницаемости, измеряемой в единицах Дарси. Выбор вспомогательного фильтрующего материала с определённой проницаемостью зависит от скорости потока и степени очистки жидкости, требующейся для конкретного использования.

Намывной слой

Намывной слой – это тонкий, от 1,5 до 3,0 мм , слой вспомогательного фильтрующего материала, который наносится на опорную решетку перед началом фильтрации. Намывной слой обычно не нужен при использовании глубинного фильтра в качестве опорной решетки.

Если намывной слой все-таки необходим, подготовьте нужное количество материала Celpure, чтобы создать фильтрующий слой толщиной приблизительно 3,0 мм ; что соответствует 0,1 гр./см 2  площади поверхности. Приготовьте суспензию с концентрацией материала Celpure приблизительно 2,5-5,0 % (концентрация ниже 0,3 % приведет к тому, что создание фильтрующего слоя займет много времени, а при концентрации выше 15 % возникают сложности с прокачкой жидкости). Поддерживайте состояние суспензии путем помешивания, достаточного для того, чтобы разделять частички, но не настолько интенсивного, чтобы завихрение доходило до дна контейнера.

Нанесите намывной слой путем рециркуляции суспензии через фильтр со скоростью 20- 40 л ./м 2 -мин. на 50 см 2  (100-200 мл/мин). В течение приблизительно 10 минут раствор застынет и на опорной решетке будет виден ровный намывной слой. Если намывной слой недостаточно плоский, повторите нанесение суспензии с определенной скоростью потока, в соответствие со следующими критериями:

- Если фильтрующий слой толще в центре поверхности фильтра, необходима большая скорость потока.

- Если фильтрующий слой тоньше в центре поверхности фильтра, необходима меньшая скорость потока.

Фильтрация через намывной слой под давлением

Смотри «Фильтрацию через вспомогательный фильтрующий материал».