DCF – динамическая фильтрация поперечного потока

Технология динамической фильтрации поперечного потока (dynamic cross-flow filtration – DCF) для выделения веществ со слабыми фильтрационными свойствами является искусством.

Фильтрация поперечного потока предотвращает развитие закупорочного слоя мембраны прокачивающего механизма. При работе с чувствительными (вино, пиво) или высоковязкими (винные и дрожжевые осадки) продуктами этот метод не является эффективным или даже не применяется. Насосные технологии фильтрации с поперечным потоком не могут концентрировать ферментацию суспензии. Так как динамическая фильтрация поперечного потока может приблизить биомассу брожения отвара к 100% по объему, при использовании этой технологии разделение и выход ценной смеси выше, чем в любой другой технологии фильтрации поперечного потока. В технологии динамической фильтрации поперечного потока создается разность скоростей перекрывающихся вращающихся дисков, что позволяет генерировать поперечный поток без использования насоса для циркуляции суспензии.

Развития закупорочного слоя, который затрудняет проникновение потока, можно избежать или хотя бы добиться его существенного уменьшения при применении касательного напряжения, которое по крайней мере на 50% выше, чем в обычных
системах поперечного потока.

Плюсы высокого касательного напряжения

Стационарный принцип перекрестного потока вызывает образование зоны разрыва как на входе в зону перекрытия, так и на выходе из нее. В этих зонах разрыва происходит очень эффективная локальная очистка за счет турбулентного потока. Он направлен параллельно, а также перпендикулярно к поверхности мембраны. Вертикальная составляющая особенно сильно воздействует даже на очень липкие слои засорения.

На рис. 1 показаны три отпечатка – симуляторы моделированной жидкости, которые представляют собой горизонтальные сечения на разных расстояниях от перекрывающихся дисков, вращающихся противоточно. Код цвета обозначает абсолютную скорость. В центре, на равном расстоянии от каждого диска, можно увидеть точки торможения (рис. 1, б). Обратите внимание, что на сечениях а и в показано одинаковое, но зеркальное распределение скорости. Скорость на внешней окружности дисков составляет 7,3 м/с. Поэтому нет ничего удивительного в том, что ретентат также имеет значительную скорость в непосредственной близости от поверхности диска (рис. 1, а и в).

Пространственная разность скоростей, то есть градиент скорости, прямо пропорциональна напряжению сдвига, которое довольно высокое, учитывая скорость диска и моделируемую скорость в непосредственной близости от него (рис. 1, а и в). Этого, конечно, достаточно, чтобы уменьшить тенденцию отложения ретентата для наращивания закупорочного слоя и окончательного блокирования поверхности диска. Особенно стоит обратить внимание на то, что индуцированное – касательное напряжение не позволяет испортить продукт, то есть «пережечь» его или подвергнуть слишком большому стрессу в случае использования насосов для поддержания циркулирующего потока.

Для ретентатов с низкой вязкостью динамическая фильтрация поперечного потока требует значительно большего потока растворенного вещества: приблизительно в 2 раза больше, чем в традиционных системах. Это в еще большей степени важно для более концентрированных / более вязких ретентатов. Динамический поперечный поток часто формирует потоки фильтрата, которые в 2–3 раза больше, чем в традиционных системах.

На рис. 2 сравниваются потоки фильтрата. Высокое значение потока в фильтрах DCF способствует достижению очень высокой концентрации твердых веществ в ретентате – от 25 до 50%, в некоторых случаях даже до 300%. Также можно увидеть это на рисунке: концентрация белков, которая может быть достигнута при традиционной фильтрации, составляет 70 мг/мл. При динамической фильтрации поперечного потока максимальная концентрация достигла 220 мг/мл при том же минимальном
уровне прекращения потока 23 л/(ч · м2).

Цель отбора продукта при ферментации

Ценное соединение (продукт), получаемое после ферментации, – это, как правило, активный фармацевтический ингредиент, который либо остается внутри клеток, либо высвобождается клетками в процессе ферментации. В случае если продукт производится во внеклеточной форме, процесс сбора легче, так как нет нужды разрушать клетки, соответственно фильтрация проходит легче.

Обычно ферментационная смесь содержит только очень небольшое количество продукта и множество других соединений, таких как соли, клетки, инородные органические вещества и примеси. Цель отделения отбираемого продукта заключается в том, чтобы получить непосредственно продукт без других соединений, то есть все твердые вещества без каких-либо ценных ингредиентов должны быть удалены (рис. 3).

Технология DCF уже подтвердила свой огромный потенциал в различных сферах применения, но тесты показали, что прогнозирование производительности фильтрации сложных продуктов и натуральные испытания имеют первостепенное значение для корректной оценки применимости метода.