接線流フィルタのスケールダウン/スケールアップの理論

透過流束と透過率は、膜ろ過における 2 つの重要なパラメータです。透過流束は、単位時間あたりおよび単位膜面積あたりを通過できる液体の体積です。透過率は、透過液中の目的生成物の濃度と戻り溶液中の濃度の比です。異なるサイズの接線流フィルターを比較する場合、干渉を最小限に抑えるために変数を制御する必要があります。一貫した材料、孔径、メーカーの膜を選択します。同一の組成および濃度の供給溶液を使用する。均一な室温条件下で実験を行います。これらの初期条件が満たされたら、異なるサイズのフィルターの透過流束と透過率が常にほぼ一定であることを保証するために、3 つの原則 (単位膜面積あたりの同じ供給溶液量、同じせん断力、および同じ初期水流束) に従って実験条件を制御することも必要です。

 

原則１：同じ原液濾過量が単位膜面積に対応する。

透過流束、透過率、膜特性は密接に関連しています。同じ膜材質と孔径を確保することに加えて、同じ透過流束と透過率を達成するには、大型フィルターと小型フィルターの膜表面状態（フィルターケーキと濃度分極）が常に同様である必要があります。フィルターケーキと膜表面の濃度分極を同様にするためには、単位面積あたりに濾過される同じ供給液（物質、濃度）の体積が、大型フィルターと小型フィルターの両方で同じである必要があります。したがって、大フィルターと小フィルターの供給液の体積の比は、それらの膜面積の比、すなわち、同じ単位膜面積に対応する供給液の体積と等しくなければならない。

 

原則 2: 膜表面にかかるせん断力は同じです。

バイオ医薬品産業では、濾過が必要な供給溶液のほとんどは生物学的に活性です。膜表面のせん断力は、フィルターケーキの形成や濃度分極だけでなく、生物学的産物の生物活性にも影響を与えます。したがって、実験操作中は、大型の接線流フィルターと小型の接線流フィルターの両方の膜表面にかかるせん断力が同じであることを確認する必要があります。

 

原理3 : 同じ初期磁束

供給液、膜表面特性、操作条件が同じ条件下で、初期流束が同じで膜表面の変化が同様であれば、通常、その後の流束も同様になります。したがって、大フィルターと小フィルターの各時間に対応する磁束が類似するように、初期磁束が同じであることを保証する必要があります。

大・小フィルターの膜材質、孔径、メーカーは同じですが、膜の充填構造の違いにより総合ろ過抵抗が異なります。大型フィルターと小型フィルターの濾過抵抗が異なる場合、同じ透過流束を達成するには異なる膜間圧力値 (TMP) が必要になります。通常、膜間圧力 (TMP) は、入口および出口の平均圧力と透過圧力の差です。大フィルターと小フィルターの透過水は大気圧に接続されているため、両方の透過水圧力は 0 Pa (ゲージ圧) になります。したがって、実験における膜間圧力は入口圧力と出口圧力の平均値となります。

上記の 3 つの原則がすべて満たされ、初期条件が同じ場合、理論的には、濾過開始後の同じ瞬間の透過流束は、大型フィルターと小型フィルターの両方で同じになります。すべての瞬間の透過流束がまったく同じである場合、両方のタイプのフィルターの合計濾過時間は等しいと結論付けることができます。以下の図を参照してください。

 

 

関連する物理化学パラメータと操作パラメータの内部相互作用の概略図

参考文献：郭書陰。小型タンジェンシャルフローフィルターの設計と検証、およびタンジェンシャルフローフィルターのスケールダウン/スケールアップの理論 [D]。中国華東科学技術大学、2016 年。