מבוא לעיקרון רכיבי הסיבים החלולים

1. רקע

רכיבי סיבים חלולים הם סוג חדש של חומר סיבים, המורכב ממבנה חלול של שכבות מרובות של תאית או מינרלים. לחומר זה יש מאפיינים של צפיפות נמוכה, שטח פנים ספציפי גבוה ונקבוביות גבוהה, ולכן הוא נמצא בשימוש נרחב בסינון, הפרדה וספיחה.

 

בעשורים האחרונים, רכיבי סיבים חלולים נמצאים בשימוש נרחב בתחומים רבים כמו ביו -רפואה, מזון ומשקאות, הגנה על הסביבה ותעשייה כימית. לדוגמה, בתחום הביו -רפואה, רכיבי סיבים חלולים משמשים להכנת מוצרים ביו -תרופות וביורקטורים. בתחום הגנת הסביבה, רכיבי סיבים חלולים משמשים לטיפול במים, טיפול בשפכים וטיהור אוויר.

 

הרקע של רכיבי סיבים חלולים עשיר מאוד. זה לא רק אומת באופן נרחב ביישומים, אלא יש גם בסיס מחקר עמוק בתחומי מדעי החומרים וטכנולוגיית הסיבים. בשל המבנה והביצועים הייחודיים שלו, לרכיבי סיבים חלולים יש פוטנציאל גבוה והם ימשיכו למלא תפקיד חשוב בעתיד.

2. עקרון

הגדרת טכנולוגיית הפרדת קרום:

קרום סינון: חומר קולנוע דק העשוי מפולימרים נקבוביים עם שכבה אחת או יותר;

טכנולוגיית הפרדת ממברנה: טכנולוגיית הפרדה המשתמשת בתנאים חיצוניים כמו הפרש לחץ או הפרש ריכוז ככוח מניע כדי לאפשר רק חומרים ספציפיים מסוימים ברכיבים מרובים לעבור, ואילו חומרים אחרים יורשים; משמש בדרך כלל בהפרדה, טיהור וריכוז התערובות.

 

שיטת סינון:

סינון זרם ישיר: הידוע גם בשם סינון ללא מוצא, נוזל ההזנה זורם בניצב למשטח קרום המסנן, כל הנוזלים עוברים דרך אמצעי המסנן, ומזהמים נשמרים פנימה או על פני קרום המסנן.

לדוגמא: סינון הבהרה, סילוב, סינון עיקור, סינון הסרת וירוסים, פילטר ואקום, בעיקר מרוכז בקטגוריית המיקרו -פילטרציה.

 

סינון זרימה משיק: הידוע גם בשם סינון זרימה חוצה, נוזל ההזנה זורם במקביל למשטח קרום המסנן, חלק מהנוזל עובר דרך אמצעי המסנן, ומזהמים נשמרים על פני קרום המסנן או ריפלוקס מהקצה השני של הממברנה.

 

לדוגמא: חבילת קרום, אולטרה סינון סיבים חלולים, מרוכזת בעיקר בקטגוריית האולטרה -סינון.

תכונות של סינון TFF:

העיקרון העובד של סינון זרימה משיק (TFF) הוא שהפתרון זורם בכיוון המקביל לקרום. תחת הלחץ, מולקולות קטנות יותר מנקבוביות הממברנה עוברות דרך הממברנה והופכות לחלחול, ואילו מולקולות גדולות יותר מהנקבוביות הממברנה נשמרות והופכות להתרכז.

 

מושגים הקשורים לסיבים חלולים:

הפרש לחץ טרנסממברני (TMP): הפרש הלחץ הממוצע משני צידי הממברנה הוא הכוח המניע את הנוזל שיעבור דרך הממברנה. הפרש לחץ טרנסמברנה=(סיכה + פריצה) / 2- pperMeate

שטף: כמות הנוזל שעוברת דרך הממברנה ליחידה שטח קרום לכל זמן יחידה. LMH, L/(M2.H)

שטף מים מנורמל (NWP: חדירות מים מנורמלית): שטף המים בלחץ היחידה ובטמפרטורה הסטנדרטית. L/(m2.h.psi)

ניתוק משקל מולקולרי (MWCO): מאפיין את גודל הנקבוביות של קרום האולטרה -סינון.

נפח עבודה מינימלי: נפח העבודה המינימלי של מערכת סינון הזרימה המשיקית מתייחס לנפח הנוזל המסתובב הנדרש להפעלת המערכת בתנאי זרימה משיקים ספציפיים. נפח העבודה המינימלי תלוי בנפח השמירה ובקצב זרימת הדם של המערכת והרכיבים. ביישומי ריכוז גבוה, כגון ריכוז הנגיף, נפח העבודה המינימלי הוא שיקול חשוב, ונפח ריכוז הריפלוקס היעד חייב להיות גבוה מהנפח העבודה המינימלי של המערכת.

קצב גזירה: קצב השינוי של מהירות הזרימה של הנוזל ביחס לרדיוס של תעלת הזרימה המעגלית. שלא כמו חבילת הממברנה, בניסויי סיבים חלולים, בדרך כלל משתמשים בקצב הגזירה במקום קצב הזרימה המשיק כדי לאפיין את זרימת הדם במקביל לקרום.

קיטוב ריכוז: במהלך תהליך האולטרה -סינון, המומסים שאינם יכולים לעבור דרך הממברנה מצטברים על פני הממברנה בלחץ ליצירת שכבת ג'ל. הריכוז באזור הסמוך לממשק הממברנה הולך וגובר. תחת פעולת שיפוע הריכוז, התפשטות המומס משטח הממברנה לתמיסה עולה, מה שמגדיל את עמידות הנוזלים ואת הלחץ האוסמוטי המקומי, וכתוצאה מכך ירידה בשטף.

שכבת ג'ל: זהו הגורם העיקרי בהתנגדות של ממברנות אולטרה -סינון.

 

גורמים שיש לקחת בחשבון בבחירת ממברנות סיבים חלולים:

1. בחירת צורת הממברנה: לדגימות המובהרות, עשירות בחלקיקים, יש צמיגות גבוהה, ודורשות ריכוז כוח גזירה נמוך, כמו מולקולות נגיף חלקיקים גדולים עם יציבות נמוכה, קרומי סיבים חלולים נבחרים בדרך כלל לצורך הבהרה/ריכוז ודיאפילציה;

2. בחירת קוטר הסיבים: 0. 5 מ"מ קוטר פנימי עדיף על ריכוז מדגם/דיאפילטרציה; 1. 0 מ"מ הקוטר הפנימי עדיף לבירור לדוגמא;

3. בחירת דיוק הסינון: גודל הנקבוביות של קרום הסיבים החלול ישפיע על דיוק הסינון שלו. יש לבחור את גודל הנקבוביות המתאים בהתאם לדרישות היישום הספציפי כדי להבטיח סינון יעיל של חומר היעד. להלן מספר אפשרויות יישום נפוצות:

① ריכוז/diafiltration: על מנת ליירט ביעילות את מולקולת היעד ולהבטיח את התשואה, בדרך כלל מומלץ לרוב גודל נקבובית קרום של 1/3-1/5 של מולקולת מדגם היעד. במקביל, על מנת למזער את תוכן הזיהומים בתהליך הריכוז והדיאפילציה, גודל הנקבוביות צריך להיות גדול ככל האפשר בתנאי שתשואת מולקולת היעד מובטחת;

② הבהרה: מומלץ לבחור גודל נקבוביות ממברנה שהוא 5-10 גדול יותר ממולקולת היעד כדי להבטיח שמולקולת היעד מניבה ככל האפשר, במיוחד אם הדגימה מאוד "מלוכלכת", יש לבחור גודל נקבובית של יותר מעשר פעמים;

③ הפרדה מולקולרית: אם ברצונך להשתמש בקרום סינון זרימה משיק כדי להפריד בין שתי מולקולות יעד בגדלים שונים, המשקל המולקולרי של מולקולת היעד צריך להיות שונה לפחות פי 10, והדיאפילטרציה צריכה להיות מספיקה;

④ איסוף תאים: אם חלבון היעד מתבטא בתיק E. coli, השלב הראשון לאיסוף החיידקים הוא להשתמש בקרום אולטרה -סינון של 500K/750K.

 

4. אורך יעיל: תכונת הגברת התהליך של סיבים חלולים היא שכל עוד האורך האפקטיבי נשמר עקבי, ניתן לבצע הגברה ישירה של תהליכים. עם זאת, לא ניתן להגביר באופן ליניארי רכיבים באורכים שונים בגלל ההבדל המשמעותי בירידת הלחץ בשני הקצוות, וגם הלחץ הפנימי והתפלגות קצב הזרימה של תעלת הזרימה משתנים גם הם בהתאם. בדרך כלל, רכיבים עם אורכי תעלות זרימה קצרים יותר נוטים להיבחר בעת טיפול בחומרים עם צמיגות גבוהה ועיבוי גבוה.

 

יישום רכיבי סיבים חלולים

אזורי יישום:

טיהור, ריכוז ודיאליזה של חיסונים

טיהור, ריכוז ודיאליזה של וקטורים נגיפיים

הבהרה וסינון של תאים וחיידקים במרק תסיסה

התאוששות ושטיפת תאים וחיידקים

ריכוז ודיאליזה של חלבונים

תכונות מוצר:

שטף נמוך יותר מאשר חבילות קרום

עדין לחומרים

ערוץ זרימה פשוט ופתוח

קל להרכבה

קל לריק

בחירת MWCO:

יש לקחת בחשבון את סלקטיביות ההפרדה של הממברנה ואת הסיכון לחסימה בתהליך הטיפול. לפיכך, תחת הנחת היסוד של הבטחת סלקטיביות ושטף, יש לבחור ממברנות עם נקבוביות קטנות יחסית ככל האפשר כדי להפחית את הכניסה האיטית של חלקיקי הטומאה לנקבוביות הממברנה ולהרחיב את חיי השירות. תרחישי עיבוד נפוצים הם כדלקמן:

ריכוז וירוסים, טיהור, הסרה: 100KD, 300KD, 500KD, 750KD

בירור חלבון/נוגדן רקומביננטי: 500KD, 750KD

ריכוז חיידקים: 500KD, 750KD