Crossflow-Filtration – Tangentialfluss-Filtration

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19. Februar 2020

Crossflow-Filtration (auch Tangentialflussfiltration genannt) ist eine Trenn- oder Reinigungstechnik, die häufig in der (bio)pharmazeutischen Industrie verwendet wird. Sie beruht auf einer stetigen Zufuhrströmung über die Oberfläche einer Membran, im Gegensatz zur Dead-End-Filtration, bei der der Feed durch eine Membran geführt wird. Letzteres führt zur Bildung von „Filterkuchen“, die Ihren Filter verstopfen können. Bei der Crossflow-Filtration wird dieser Kuchen weggespült, da es sich um einen kontinuierlichen Prozess handelt, wodurch Verstopfungen und damit Effizienzverluste vermieden werden.

Crossflow-Filtration setzt auf eine Druckdifferenz zwischen der Retentat- und der Permeatseite der Membran. Dieser Transmembrandruck kann durch Viskosität, Durchflusszunahme oder andere Parameter beeinflusst werden, die wiederum die Effizienz beeinflussen. Equilibar Präzisions-Druckregler sind speziell für diese Art von Anwendung geeignet, da sie einen stabilen Druck in einem relativ kleinen Bereich (0,5% für Flüssigkeiten; 0,2% für Gase) effizient halten können.

Einzel- oder Doppel-Setup für eine reibungslose Präzisionssteuerung

Um diesem Effizienzverlust entgegenzuwirken, kann ein Equilibar Dom-gesteuerter Vordruckregler in fast jeder Situation eingesetzt werden. Equilibar-Regler halten einen konstanten Druck, indem sie einem Prozess nachgeschaltet werden. Je nach Prozessanforderung kann ein Single-Setup oder Dual-Setup mit 1 oder 2 Reglern realisiert werden; ein einziges Setup könnte sowohl für die Retentat- als auch für die Permeatdruckregelung verwendet werden.

Durch den Einsatz eines doppelten Vordruckreglers in der Crossflow-Filtration – 1 Ventil für jeden Strom – kann der Druck sowohl auf der Permeat- als auch auf der Retentatseite sowie der Transmembrandruck mit hoher Präzision geregelt werden. Da diese Vordruckregler ein reibungsfreies domgesteuertes Design haben, können auch Differenzdrücke unter 100 mbar geregelt werden und Sollwertänderungen von weniger als 1 mbar sind möglich.

Equilibar-Vordruckregler können für eine Vielzahl von Crossflow-Filtrationsanwendungeneingesetzt werden. Diese Anwendungen können von Umkehrosmose über Nano- oder Mikrofiltration bis hin zur Reinigung von Wasser reichen.

Schema eines Tangentialfluss-Filtrationsprozess-Aufbaus

Die folgende schematische Abbildung zeigt einen möglichen Aufbau mit einem dualen Equilibar-Vordruckregler: Die zu filtrierende Flüssigkeit (oder Retentat) wird aus einem Vorratsbehälter durch eine Förderpumpe zum Filtermembrangeleitet. Optional kann der Druck zwischen Pumpe und Membran über einen Drucktransmitter gemessen werden. Mittels Filtration verlässt das gewünschte Permeat den Prozess – während der Druck durch einen Equilibar-Vordruckregler genau geregelt wird – in den Lagertank auf der rechten Seite. Von der Filtermembran wird das Retentat zurück in den Vorratsbehältergeleitet, auch durch die Verwendung eines Equilibar-Vordruckregler. Ähnlich wäre es mit einem Einzel-Aufbau, bei dem je nach den spezifischen Prozessanforderungen nur einer der beiden Regler verwendet wird.
Equilibar-Druckregler sind in dieser Hinsicht besonders geeignet, da sie auch eine Zweiphasenströmungregeln können. Da der Transmembrandruck bei dieser Art von Anwendung ein sensibles Thema sein kann, werden in dieser Konfiguration 2 Equilibar-Vordruckregler verwendet. Hier werden beide von derselben Gasflasche (mit Druckluft oder N2) gesteuert. Der 1. Equilibar-Regler (links) wird jedoch in einem geschlossene Regelkreis , durch Verwendung eines externen Druckmessumformers, gesteuert. Das bedeutet, dass der Doppelventilregler den Druck basierend auf dem Messwert des Druckmessumformers regelt. Der 2. Equilibar-Regler wird in einem offenen Regelkreis gesteuert, wobei der Drucksensor ein Teil des Doppelventilreglers ist.

Crossflow-FiltrationsdiagrammQuerfiltration mit Equilibar-Vordruckreglern

Optionen für Single Use in Sanitär-, Lebensmittel- oder (Bio-)Pharma-Anwendungen

Die FD-Serie Reglern werden speziell für Lebensmittel- und Biopharmaanwendungen hergestellt und sind in mehreren Materialoptionen wie Edelstahl, Hastelloy und anderen erhältlich. Membranen sind unter anderem in PTFE, Buna-N, und auch in USP-Klasse VI PTFE, EPDM erhältlich.

Für Single-Use-Crossflow-Filtrationsanwendungen ist die Equilibar SD-Serie aufgrund ihrer hohen Turn-Down und Präzision. Die Geräte bestehen aus einem Edelstahl-Trägergehäuse mit Flügelmuttern zur einfachen (De-)Montage der Single Use Ventileinsätze aus Materialien der USP Class VI. Dadurch ist keine Desinfektion notwendig und die Ventile können in allen Anwendungen verwendet werden, die den Einsatz von Single Use Komponenten voraussetzen.

Elektronische und manuelle Kontrolle des Drucksollwertes

Im obigen Schema wird der Referenzdruck in beiden Equilibar-Vordruckreglern elektronisch durch einen Doppelventildruckregler gesteuert. Der Dom des Vordruckreglers kann auch mit einem manuellen Druckminderer gesteuert werden.

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