Фронтальна або класична фільтрація

Фронтальна фільтрація або класична фільтрація - це унітарна операція розділення без зміни стану, що використовується у харчовій, фармацевтичній та косметичній промисловості.

Класична фільтрація, яка існує сотні років, досі називається фронтальною, оскільки рідина, що фільтрується, циркулює перпендикулярно (або фронтально) пористому середовищу (так званому фільтруючому середовищу), відповідальному за зупинку частинок.
Ця фронтальна фільтрація протиставляється тангенціальній фільтрації, яка нещодавно з’явилася, де рідина, що підлягає фільтруванню, циркулює паралельно фільтруючій поверхні (її також називають мембраною).

1. Загальні

Це унітарна операція розділення частинок відповідно до їх розміру. Це поділ досягається шляхом проштовхування рідкого продукту через пористе середовище, відповідальне за зупинку частинок відповідно до їх розміру.

11 - Визначення

12- Принцип роботи

Рідкий продукт змушений (за допомогою насоса або під дією сили тяжіння) фронтально проходити через пористе середовище (яке називається середовищем або фільтруючим середовищем), відповідальним за зупинку (на його поверхні та/або в глибині) частинок, які він містить.
Потім він утворює на поверхні фільтруючого середовища осад осаду (зупинені частинки) торт на фільтрі.
Продукт, що звільняється від частинок, що відновлюються на виході з фільтра, називається фільтрат.
Це загальна установка (що містить пусковий бак, подавальний насос, манометри, клапани та фільтруюче середовище), яка називається фільтром !

Фільтрація можлива лише за наявності позитивна різниця тиску між годуванням (Па) і фільтрат (Pf). Ця різниця тисків (Pa-Pf) також називається трансмембранна різниця тиску або перепад тиску. На практиці часто насос витіснення подає подачу на тиск Па на фільтруючому середовищі. Ми одужаємо фільтрат при більш низькому тиску Pf (= Patm загалом). Слід зазначити, що перепад тиску збільшується під час фільтрації із засміченням фільтра

Ви можете отримати +/- тонкої фільтрації залежно від розміру пір (або поріг фільтрації) фільтруюче середовище (уточнююча фільтрація до стерилізуючої фільтрації).

Легенда фігури

1: корм (рідина для фільтрування
2: фільтруючий засіб
3: Фільтрат (відфільтрована рідина)
4: фільтрувальний осад (скупчення зупинених частинок)
Па: Тиск подачі
Pf: Тиск фільтрату
Pa> Pf: тиск у подачі вище, ніж у фільтрату

13 - Галузі застосування Принцип роботи

Залежно від тонкості фільтрації, тобто розміру пір фільтруючого середовища, фільтрація виконуватиме різні функції:

Уточнення: складається з видалення помутніння з напоїв та фармацевтичних препаратів
Концентрація частинок, де відновлений пиріг відповідає благородній фазі (дріжджі).
Очищення (холодна стерилізація) напоїв (мікрофільтрованого молока) та термолабільних фармацевтичних препаратів методом мікрофільтрації (поріг обмеження менше 0,2 мкм в аптеках)

У Галленській аптеці ми розрізняємо:
• Уточнююча фільтрація, яка включає:

Фільтрація: фільтрація частинок до 10 мкм
Мікрофільтрація: фільтрація частинок від 10 мкм до 0,2 мкм

• Стерилізуюча фільтрація, що включає:

Ультрафільтрація: фільтрація частинок від 0,2 мкм до 0,002 мкм
Зворотний осмос: фільтрація частинок від 0,002 мкм до 0,0003 мкм.

Діяльність № 1 - Загальні положення щодо фільтрації

2- фільтруючий носій

Фільтрувальне середовище може характеризуватися такими характеристиками:

Пористість: це об’єм вакууму фільтруючого середовища щодо його загального об’єму; пористість виражається у%.
Проникність: властивість фільтруючого середовища пропускати рідину більш-менш легко. Вона виражає себе як Дарсі (або Дарсі).
Поріг фільтрації: відповідає розміру найдрібніших частинок (або мікроорганізмів), що утримуються фільтруючим середовищем із заданим ступенем ефективності. Це зазвичай вказується в мікрометрах (мкм). Ми говоримо про відсікання, коли фільтруємо на молекулярному рівні (це потім виражається молекулярною масою)
Ефективність: Це% частинок, утримуваних фільтруючим середовищем, які перевищують поріг фільтрації.
Поріг фільтрації та ефективність - це два важливі пов’язані параметри, які слід знати, щоб вибрати відповідне середовище для продукту, що фільтрується.
Приклад: середовище з порогом фільтрації 5 мкм, що має ефективність 80%, означає, що 20% частинок розміром більше 5 мкм не будуть зупинені !

Існує два типи фільтруючого середовища: тонке середовище, яке здійснює поверхневу фільтрацію (або просіювання), і густе середовище, яке здійснює глибинну фільтрацію.

21 - Поверхнева фільтрація

Про цю фільтрацію, де частинки зупиняються на поверхні фільтруючого середовища, ми говоримо просіювання або скринінг.

Це механічне явище, інакше відоме як поверхнева фільтрація. Фільтр являє собою мембрану, перфоровану каліброваними порами подібного діаметру. Фільтр затримує всі частинки, діаметр яких більше діаметра пір. Ми говоримо про екранний фільтр або мембранний фільтр.

Перевага цієї техніки полягає в тому, що вона не затримує рідини.

Недоліками є:
• Пори діаметром порядку мікрометра.
• Раннє засмічення фільтра, особливо якщо розподіл частинок за розмірами неоднорідний.
Існує три типи рішень для подолання проблеми засмічення:

Збільшення діаметра пір фільтра, якщо виконуються критерії фільтрації.
Встановлення попередньої фільтрації, іноді фільтром з порами більшого діаметру або, загальніше, установкою циклону або мультициклону перед потоком.
Впровадження системи очищення шляхом струшування (все рідше) або стисненого повітря.

Також можна відзначити, що засмічення фільтра, що призводить до утворення пирога на останньому, є важливим елементом фільтрації, оскільки цей пиріг сам стає фільтруючим елементом. Контроль засмічення/відбивання фільтра набагато важливіший.

22- Глибинна фільтрація

Інакше зателефонував об’ємна фільтрація або адсорбція. Цей механізм складається з утримання всередині пористої мережі частинок фільтруючого середовища, розмір яких може бути менше діаметра пір.
Це фізичне явище з 2 основними факторами:
• Електрично заряджена пориста мережа
• Складається з довгих і тонких каналів, сильно закруглених.
Фільтри з целюлози, вовни, бавовни.

Головна перевага - висока утримуюча здатність.

Недоліками є:
• Можливість вивільнення частинок (вивільнення або десорбція): дратує в аптеках.
• Поглинання рідини.
• Труднощі у визначенні пористості.

23 - Приклади фільтруючих середовищ

Паперовий «фільтр» (лійка) в аптеках
Валяна шерсть (обробка текстильних відходів)
Целюлозна комплексна фільтрувальна пластина

Пластикові волокна (поліамід, поліефіри): широко поширені
Органічні мембрани: ефіри целюлози.
Спечене скло, спечений метал.
Фільтруючий порошок (або земля): завдяки металевій підлозі осідає шар порошку (алювіальний), який складатиме фільтруюче середовище. Широко використовується в енології. Порошок = каолін, діатомовий, кізельгур.

Заняття № 2 - Перевірте свої знання про фільтруючі середовища

3- Робочі параметри

витрата фільтрату (позначається QF) - параметр, який ми хочемо максимізувати (л/год)

Рушійною силою фільтрації є тиску а точніше трансмембранна різниця тиску = ΔP = (Pa-Pf> 0); це 1-й параметр. Чим більше ΔP, тим більше збільшується QF потоку. Межею є опір фільтра, матеріалу та стисливості частинок.
Граничний поріг або розмір пор фільтруючого середовища; її ще називають пористістю. Він повинен бути придатним для зупинки частинок.

Поверхня (зазначається S): чим вона більша, тим більша швидкість потоку QF, оскільки пор більше !

В'язкість рідини, яку потрібно фільтрувати: чим вона нижча, тим легше фільтрат циркулює і швидкість потоку фільтрату QF збільшується.

Температура рідини для фільтрування, яка діє за рахунок зменшення в’язкості рідини при нагріванні, що збільшує потік фільтрату

Товщина фільтруючого середовища (зазначається е): чим вона менша, тим легше циркулює фільтрат і збільшується швидкість потоку фільтрату QF. Межа = механічний опір фільтруючого середовища.

Гідравлічний опір (зазначено Rs) фільтруючого середовища. Вона, мабуть, слабка !

Товщина пирога (зазначається, наприклад, сформована, яка також повинна бути невеликою ! .

Всі ці параметри показані в наступних формулах:

Закон Дарсі:
Закон Дарсі розглядає фільтр гідравлічно як опір потоку, що створює падіння тиску ΔP між двома сторонами товщини фільтруючого середовища.

Закон пористого середовища:
У цій моделі пористого середовища матеріал, через який протікає рідина, розглядається як поєднання дуже тонких капілярів. Невеликий діаметр цих пор змусить потік бути ламінарним, що дає змогу застосувати закон Пуазейля в циліндричній трубі

Примітка: у випадку зарядженого джерела живлення необхідно додати питомий опір і товщину сформованого пирога.

зв'язок між законом Дарсі та моделлю пористого середовища
Тут ми бачимо зв'язок між коефіцієнтом опору Дарсі, який враховує в'язкість фільтрованої рідини, тоді як питомий опір Rs моделі пористого середовища залежить лише від фільтруючого середовища.

4- Проведення фільтрації

"Двигун" фільтрації є тиску а точніше трансмембранна різниця тиску = ΔP = (Pa-Pf> 0).

Pa> Pf: Pa повинен бути більшим за тиск, при якому відновлюється фільтрат (Pf);

є подаємо фільтр під тиском завдяки насосу позитивного робочого обсягу загалом.
Або ми подаємо фільтр при атмосферному тиску, в цьому випадку ми всмоктуємо фільтрат за допомогою вакуумного насоса.

Під час фільтрації пори фільтруючого середовища поступово забиваються і викликають нижчий потік фільтрату. Потрібно буде змінити фільтруючий засіб або очистити його (якщо процес безперервний).

Ось як, як показано на малюнку вище, ми визначаємо цикл фільтрації що складається з періоду, коли фільтрат ефективно відновлюється (продуктивна фаза), і фази, яка повинна бути мінімізована, коли приступають до зміни занадто засміченого фільтруючого середовища (непродуктивна фаза). Ці дві фази не існують у безперервному виробництві !

На виробництві ми можемо використовувати два типи фільтраційної лінії:

Постійна фільтрація під тиском:
Потім відбувається поступове зниження витрати фільтрату, що відповідає поступовому засміченню фільтруючого середовища (див. Малюнок вище). Це зменшення витрати фільтрату є проблематичним, коли бажано подавати кондиціонуючу лінію, яка має постійну швидкість потоку. Потім використовується фільтрація постійного потоку !

Постійна фільтрація потоку
Для підтримання постійного потоку фільтрату необхідно буде компенсувати поступове засмічення фільтруючого середовища поступовим збільшенням тиску подачі. Обмеженням для цієї труби є наявність максимального тиску (механічного опору установки), який не повинен бути перевищений !

Управління фільтрацією: стерилізаційна фільтрація у фармацевтичній промисловості:
Стерилізаційна фільтрація відбувається наступним чином:
• Використання стерильного обладнання (фільтрація та розподіл)
• асептична підготовка розчину, що фільтрується як можна менше забруднених; початкове забруднення повинно бути обмеженим
• Як правило, фільтрація проводиться під тиском
• Асептичний розподіл фільтрату в стерильних контейнерах є завершальним етапом, який відбувається безпосередньо після фільтрації.

5- Перевірочні тести

51- Перед фільтрацією

Визначення точки пухирця

Структурна цілісність, або точка пухирців, визначається тестом ISO 2942. Цей тест перевіряє, що витоки фільтра не спричинені отворами або виробничими дефектами.
Під час цього тесту картридж із фільтром занурюють у досліджувану рідину і повільно тиснуть до рекомендованого тиску (наприклад, 3 бар); якщо з’являються бульбашки, є витік -> невідповідний фільтр !

дифузійний тест, який виявляє слабкі місця фільтрів або дефекти кріплення опор (герметичність)

52- Під час фільтрації:

Вимірювання витрати
Вимірювання тиску подачі та фільтрату. Раптове збільшення - ознака засмічення.

53- Після фільтрації

Перевірка відсутності частинок або помутніння на фільтраті або мікроорганізмі (стерилізуюча фільтрація).
Пошук розчинних домішок, які можуть забезпечуватися фільтруючим середовищем
Примітка: при стерилізаційній фільтрації (аптека): Перевірка ефективності фільтра шляхом фільтрування суспензії дрібних мікроорганізмів. Еталоном зародка є Pseudomonas diminuta, який є зародком розміром 0,3 мкм.

Заняття № 3 - Перевірте свої знання параметрів та проведення фільтрації

Фронтальна або класична фільтрація - Харчова техніка