Microfiltración y Ultrafiltración

Cristián TapiaLaboratorio de Operaciones Unitarias. Fac. de Cs. Qcas y Farmacéuticas. U.

De ChilePresentación basada en información

entregada por DILACO representante de SARTORIUS

Los tamaños de los filtros son en Micrones, µm

• El cabello humano es de aproximadamente 75 µm de diámetro.

• El ojo humano puede resolver tamaños de hasta 40 µm.

• Los filtros de 0.2 µm se usan para eliminar bacterias.

Espectro de la Filtración Microfiltración

Ultrafiltración

70 m/50 m/20 m

8 m/5 m/3 m

1 m/0.8 m/0.65 m

0.45 m/0.2 m

0.1 m

300 KD100 KD

30 KD10 KD

5 KD

PartículasVisibles

CélulasLevaduras

MohosBacteriasMicoplasma

ColoidesVirus

ProteínasLiposomas

PirógenosPéptidos

Terminología de la FiltraciónVelocidad de Flujo (Flow Rate):

Velocidad de líquido o gas que fluye a través de un filtro.

Throughput:

El volumen total de líquido o gas que puede pasar a través de un filtro.

Capacidad de ensuciamiento (Dirt Holding Capacity):

El número de partículas que un filtro puede retener antes de bloquear el paso de líquido o gas.

Porosidad:

El número de poros en un área dada de membrana.

Terminología de la Filtración

Tamaño de Poro (Pore Size/Retention Rating):

El diámetro de los poros en la membrana.

Presión diferencial o caída de presión:

La diferencia de presión a ambos lados de la membrana.

Mecanismos de Atrapamiento Impacto Directo = Tamizado (Sieving)

Mecanismos de Atrapamiento Impacto Inercial

Una partícula pequeña es atrapada por el medio

filtrante debido a su propio momentum.

Mecanismos de Atrapamiento Impacto Difusional

Una partícula muy pequeña es atrapada por el

medio filtrante debido a su propia difusión.

Mecanismos de AtrapamientoAdsorción

Fuerza Adsortiva

Fu

erza

L

ibe

rado

ra

Dependen de las Condiciones de Operación• Caída de Presión•No. de Partículas• Tensión Superficial• Condiciones de pH/Ionic

Tipos de Filtros

Membrana–Acetato de Celulosa –PVDF–Nylon–Polisulfona–Polietersulfona–PTFE

Profundidad–Polipropileno–Fibra de Vidrio

Otros–Acero inoxidable–Cerámica–Policarbonato

Filtros de Membrana

• Ejemplo:Acetato de Celulosa

Sartobran P

Filtros de Profundidad

• EjemploFibra de Vidrio Sartopure GF 2

Materiales de Construcción

Membranas– Acetato de Celulosa– Poli(eter)sulfona– Nylon– PTFE– PVDF

O-Rings– Silicona– Viton– EPDM

Estructuras de

Soporte de PolipropilenoUpstream & Downstream

Capas de soporte– End caps & Adaptadores– Inner Core & Outer Cage– Cuerpo de Cápsula

Eficiencias de Retención

Absoluto– Filtros de membrana

microporoso retiene principalmente por un efecto de tamizado todas las partículas que son más grandes que el tamaño de poro.

Nominal– Da una indicación de

que partículas serán parcialmente retenidas.

– Sólo deberá usarse para comparar eficiencia de filtración relativa.

Membrana vs. Filtros de Profundidad

Membrana– Retención Absoluta– Partículas atrapadas

sobre la superficie– Baja capacidad de

ensuciamiento

Profundidad– Retención Nominal– Partículas atrapadas en toda

la profundidad– Alta capacidad de

ensuciamiento

Membrana vs. Filtros de Profundidad

Membrana– Resistente a los golpes

de Presión– Atrapa Partículas por

Impacto directo– Estrecha distribución de

tamaño de poro

Profundidad– Las partículas

pueden liberarse con golpes de Presión

– Usa Múltiples Mecanismos de retención

– Amplia distribución de tamaño de poro

Cartuchos Filtrantes

Membrana

O-Ring de sellado

Terminal del

adaptador

Camadas de

soporte

Núcleo e jaula

externa

Medio filtrante

Sello

Soporte de polipropileno

Separador interno de polipropileno

Flejes de acero inox.

Anillo de sellado de polipropileno

Sello del borde de polipropileno

Tipos de Plisados de Medios Filtrantes

Arreglo de plisado reto Plisado de área incrementada

Operación de los Sistemas de Filtración Mantener la caída de presión lo más baja

posible.

Filtro deCartucho

Carcasa

P1 P2

Caída de presión= P1 - P2

Grandes incrementos en presión no implica un gran incremento en volumen

acumulado

Presión

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Pequeño incremento En Volumen

Gra

n in

crem

ento

en

pre

sión

Volumen

Otros Parametros Operacionales a Optimizar• Temperatura• Throughput Total• Velocidad de Flujo• Tasa de Retención• Viscosidad del Fluido

• Presión Disponible– Máxima Disponible– Pulsaciones

• Compatibilidad Química• Composition química del

fluido– Adsorción

Test de Integridad Punto de BurbujaMembrana Humectada

Difusión de Gas Punto de Burbuja

5 psi 0 psi 36 psi 0 psi >46 psi 0 psi

Test de Punto de Burbuja

“flujo continuo deburbujas"

Mínima presión necesariade punto de burbuja p.e. 3,5 bar para CA, 0,2 µm

Medición del Punto de Burbuja

P=4K cos d

P = Presión del Punto de Burbujad = diámetro del porok = factor de corrección de formacos theta = ángulo de contactolíquido/sólidosigma = tensión superficial

Válvula de entrada

Válvula e salida

Válvula de medición y muestreo

Regulador de presión

Válvula del lado de entrada

Entrada del gas de prueba

Principio delTest de Difusión

difusión Max. permitidapara 0,2 m2 : 5ml/min

Test de presión: 2,5 bar para Sartobran-P Capsule,CA, 0,2 µm

Aire Comprimido:

Curva de DifusiónCurva típica de difusión

para un cartucho de 10" de 0.45 µm

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25 30 35

Presión (psig)

Dif

usi

ón

(cc

/min

)

Equipo ensayo de integridad Filtros de cartucho

Sartorius

Sartocheck 3

Aire Comprimido 3 - 10 bar

Valvula deVenteo

ValvulaCerrada

Abierto a laAtmosfera

Filtro deCartucho

Carcasa

Factores para la Selección de Filtros

1. Pre-filtro: para áreas iguales, Profundidad es siempre mejor que superficie. - Profundidad es disponible en sistemas higiénicos

totalmente cerrados.

2. Combinar Pre-filtro y Filtro Final para ser cambiados al mismo tiempo.

3. Seleccionar Pre-filtro con el mismo grado de retención de la membrana Final.

4. Siempre que sea posible hacer mediciones de filtrabilidad- Para seleccionar el filtro- Para verificar diariamente la filtrabilidad

Ensayo de vida relativa del BevASSURE IIcon vários grados de pre-filtro Zeta Plus

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250Volumen Total Filtrado

Pre

sió

n D

ifere

nci

al (

psi

d)

Sin Protección

10H

30H

50H

60H

Aumentando la Vida de los Filtrosselección apropiada de los filtros de

profundidad

Doble Capa Heterogénea

DirecciónDe la

Filtración

DirecciónDe la

Filtración

PreFiltro(p.e. 0.45 µm)

PreFiltro(p.e. 0.45 µm)

Filtro Final (p.e. 0.2 µm)

Filtro Final (p.e. 0.2 µm)

Doble Capa Homogénea

Filtro FinalCompuesto(p.e. 0.2+0.2 µm)

Direcciónde

Filtración

Direcciónde

Filtración

Aplicaciones de la filtración de aire

• venteo de tanques

• procesos de fermentación

• procesos de autoclavado

• Procesos de liofilizado

• Procesos de llenado

Requisitos

• Alta estabilidad mecánica y térmica

• Altos ciclos de vida con vapor de

hasta 134 °C

• Membrana altamente hidrofóbica

• Altos flujos de aire a bajas diferencias de presión

Requisitos

• integridad testeable

• separación de partículas más pequeñas que el tamaño de poro real

• Cartuchos totalmente validables (USP, FDA y GMP)

Mezcladoro Fermentador

Materia prima

Agua

Producción Llenado

Área limpia

Medicine date lot

Medicine date lot

Medicine date lot

Medicine date lot

Medicine date lot

ProducProduccciiónón de unde un Product Productoo FFarmacarmacééuticuticoo concon Filtr Filtroos s de de

MembranMembranaa

EndkontrolleFiltraciónestéril

EndkontrollePreFiltraciónFiltraciónestéril

Filtraciónestéril

Venteo estéril

Venteo estéril

Mezcladoro Fermentador

Materia prima

Agua

Recuento decolonias

Recuento decolonias

Recuento deColonias

Recuento decolonias

ControlDe

materias primas

Producción Llenado

Área limpia

Medicine date lot

Medicine date lot

Medicine date lot

Medicine date lot

Medicine date lot

EndkontrolleRecuento deColonias

Ensayo de esterilidad

Control Final

monitoreodel aire

Aseguramiento de la calidad de unAseguramiento de la calidad de un ProductProductoo FFarmacarmacééuticuticoo concon Filtr Filtrooss de de

MembranMembranaa

ControlEn

proceso

MicrofiltroHidrofílico

Ultrafiltro

MicrofiltroHidrofóbico

membrana membrana

Velocidadde Flujo

Capa de torta

FiltraciónEstática

Filtración Tangencial

P in P out

Pf

Principio del Flujo tangencial

Filtrado

Retenido

P1

Tanque deRecirculación Módulo

P3

tanque Batch(externo)

P2

PV1

LS

PI

PI

PI

Unidad de Flujo tangencial

Diseño Cassette

módulo espiralSpirosart

Retenido

Membrana

Cubierta externa flujo de filtrado

tubo colector de filtrado

espaciador deFiltrado

Las flechas amarillas muestran la dirección del flujo de filtrado