Khi tìm hiểu về hệ thống lọc dòng tiếp tuyến, nhiều kỹ sư và người vận hành thường đặt câu hỏi: Kích thước lỗ lọc tiếp tuyến bao nhiêu là phù hợp? Đây không chỉ là vấn đề lựa chọn màng lọc, mà còn là yếu tố quyết định trực tiếp đến chất lượng filtrate, khả năng giữ cặn và độ ổn định của toàn bộ hệ thống. Bài viết này, MT sẽ giúp bạn hiểu rõ các loại kích thước lỗ lọc tiếp tuyến và những sai lầm cần tránh.
Phân loại kích thước lỗ lọc tiếp tuyến
Kích thước lỗ lọc tiếp tuyến là thông số biểu thị đường kính trung bình của các vi mao quản trên bề mặt màng lọc. Dựa trên nhu cầu tách biệt các thành phần trong dịch lên men hoặc dịch chiết, kích thước lỗ màng được phân cấp rõ rệt:
| Loại màng | Kích thước lỗ lọc tiếp tuyến | Ứng dụng |
| Vi lọc (MF) | 0.05 μm – 10 μm | Thu hoạch tế bào, loại bỏ vi khuẩn, làm trong dịch chiết. |
| Siêu lọc (UF) | 1 kDa – 1000 kDa | Cô đặc protein, enzyme, loại bỏ nội độc tố (endotoxin), lọc virus. |
| Lọc Nano (NF) | 100 Da – 1000 Da | Loại bỏ muối hóa trị hai, phân tử nhỏ, kháng sinh. |
| Thẩm thấu ngược (RO) | < 100 Da | Thu hồi nước tinh khiết, loại bỏ ion đơn hóa trị. |
Đối với các ứng dụng như lọc tiếp tuyến thu hoạch sinh khối vi sinh, kích thước lỗ màng từ 0.05-1 μm là lựa chọn phổ biến nhất vì nó cho phép môi trường nuôi cấy đi qua (permeate) trong khi giữ lại toàn bộ tế bào (retentate).
Kích thước lỗ lọc ảnh hưởng đến hiệu suất lọc như thế nào?
Ảnh hưởng đến lưu lượng và thông lượng (Flux)
Thông lượng (Flux) là lượng dịch đi qua một đơn vị diện tích màng trong một đơn vị thời gian (L/m²/h). Kích thước lỗ lọc tiếp tuyến tỷ lệ thuận với flux ban đầu: lỗ càng lớn, sức cản dòng chảy càng thấp, flux càng cao.
Tuy nhiên, mối quan hệ này bị chi phối bởi TMP (áp lực xuyên màng). Nếu chọn lỗ quá lớn so với kích thước hạt, các hạt này có thể xâm nhập sâu vào bên trong cấu trúc lỗ (internal fouling), gây sụt giảm flux nhanh chóng và khó hồi phục bằng cách rửa ngược. Một hệ thống có bơm áp lực được kiểm soát tốt sẽ giúp duy trì flux ổn định bằng cách điều chỉnh vận tốc dòng tiếp tuyến để giảm lớp phân cực nồng độ.
Ảnh hưởng đến độ chọn lọc và chất lượng sản phẩm
Độ chọn lọc là khả năng phân tách giữa mục tiêu cần giữ lại và tạp chất cần loại bỏ.
- Kích thước lỗ quá nhỏ: Có thể giữ lại cả những tạp chất không mong muốn, làm giảm độ tinh khiết của retentate hoặc gây mất mát sản phẩm nếu sản phẩm nằm ở phần permeate.
- Kích thước lỗ quá lớn: Gây hiện tượng “leakage” (rò rỉ), sản phẩm mục tiêu (như protein, enzyme, kháng sinh) bị lọt qua màng, làm giảm hiệu suất thu hồi.
Quy tắc vàng trong siêu lọc là chọn MWCO nhỏ hơn 3-5 lần khối lượng phân tử của protein mục tiêu. Ví dụ, để lọc một protein 150 kDa, màng 30 kDa hoặc 50 kDa thường được ưu tiên để đảm bảo tỷ lệ thu hồi trên 99%.
Ảnh hưởng đến tuổi thọ và chi phí vận hành
Kích thước lỗ lọc tiếp tuyến không phù hợp là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến hỏng màng sớm. Màng có lỗ quá nhỏ dễ bị tắc nghẽn bề mặt, đòi hỏi tần suất tẩy rửa hóa chất (CIP) cao hơn, làm giảm độ bền cơ học và hóa học của vật liệu polymer.
Ngược lại, việc phải chạy hệ thống ở áp suất quá cao để bù đắp cho kích thước lỗ nhỏ sẽ tiêu tốn nhiều điện năng và gây stress nhiệt cho các chế phẩm sinh học nhạy cảm.
Tìm hiểu thêm: Lọc dòng chéo và lọc dòng tiếp tuyến
Các yếu tố cần cân nhắc khi chọn kích thước lỗ lọc tiếp tuyến
- Đặc tính nguyên liệu đầu vào
Kỹ sư cần phân tích kỹ dịch cấp (feed):
- Kích thước hạt: Nếu dịch chứa nhiều mảnh vỡ tế bào sau phá màng, cần bước tiền lọc hoặc chọn màng MF có kích thước lỗ màng lớn trước khi vào bước UF.
- Độ nhớt: Dịch có độ nhớt cao (nồng độ polymer sinh học lớn) sẽ làm tăng shear stress (ứng suất cắt) và giảm flux, yêu cầu màng có cấu trúc lỗ thoáng hơn.
- Mục tiêu quá trình lọc
- Thu hoạch tế bào: Cần màng MF từ 0.1 μm đến 0.65 μm.
- Làm sạch Vaccine/Virus: Thường dùng màng UF từ 100 kDa đến 500 kDa tùy kích thước hạt virus.
- Trao đổi đệm (Diafiltration): Yêu cầu kích thước lỗ phải giữ tuyệt đối sản phẩm nhưng cho phép muối và dung môi đi qua tự do.
- Điều kiện vận hành (áp suất, nhiệt độ, pH)
Các thông số vận hành ảnh hưởng đến cấu hình không gian của các đại phân tử. Ví dụ, ở pH gần điểm đẳng điện, protein có xu hướng co cụm, làm thay đổi kích thước hiệu dụng của chúng so với kích thước lỗ lọc tiếp tuyến đã chọn. Nhiệt độ cao làm giảm độ nhớt nhưng có thể gây biến tính protein, tạo ra các kết tủa làm tắc màng.
- Yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng và an toàn
Trong sản xuất dược phẩm sinh học, màng lọc phải đạt chứng nhận FDA, tuân thủ cGMP và các tiêu chuẩn khắt khe về khả năng tách vi khuẩn/virus. Việc chọn đúng kích thước lỗ giúp đảm bảo hệ thống đạt mức độ vô trùng cần thiết và loại bỏ nguy cơ nhiễm chéo giữa các lô sản xuất.
Những sai lầm khi chọn kích thước lỗ lọc tiếp tuyến
Chọn lỗ lọc quá nhỏ: Nhiều người nghĩ rằng “nhỏ cho chắc” để tránh mất sản phẩm. Tuy nhiên, điều này dẫn đến TMP tăng vọt ngay khi bắt đầu lọc, lớp gel tích tụ nhanh trên bề mặt màng, làm giảm flux xuống mức không kinh tế. Đồng thời tăng chi phí đầu tư diện tích màng để bù đắp lưu lượng thấp.
Chọn lỗ lọc quá lớn: Việc chọn lỗ quá lớn nhằm lấy flux cao sẽ dẫn đến mất mát sản phẩm quý giá vào dòng permeate, không đáp ứng được các tiêu chuẩn về độ trong và độ tinh khiết của dịch lọc, tắc nghẽn sâu trong cấu trúc màng.
MT – Đơn vị cung cấp lọc tiếp tuyến chuẩn kỹ thuật
Hiện nay trên thị trường có nhiều “ông lớn” cung cấp các hệ thống lọc tiếp tuyến như MT, Pall, Sartorius hay Merck. Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc lựa chọn một đối tác có khả năng tư vấn chuyên sâu và cung cấp thiết bị tùy chỉnh theo đặc thù từng quy trình là rất quan trọng.
MT tự hào là một trong những nhà sản xuất và cung cấp thiết bị quy trình sinh học hàng đầu. Chúng tôi cung cấp các giải pháp màng lọc Tangential Flow đạt chuẩn quốc tế, tích hợp hệ thống điều khiển áp suất màng tự động và cảm biến TMP chính xác. Các thiết bị của MT được thiết kế với dải kích thước lỗ lọc tiếp tuyến từ 0,05–1 μm, phù hợp cho các ứng dụng sinh học, giúp khách hàng duy trì hiệu suất vận hành ổn định và kiểm soát tốt chi phí trong quá trình sử dụng.
Các hệ thống của MT thường bao gồm:
- Màng lọc với dải MWCO đa dạng: 10 kDa, 30 kDa, 50 kDa,…
- Phần mềm giám sát flux và độ thấm trực gian.
- Thiết kế giảm thiểu tối đa thể tích chết (dead volume), cực kỳ quan trọng cho các sản phẩm giá trị cao.
Có thể thấy, kích thước lỗ lọc tiếp tuyến là yếu tố cốt lõi quyết định hiệu suất lọc, độ ổn định và chi phí vận hành của toàn bộ hệ thống. Việc lựa chọn đúng kích thước lỗ lọc giúp cân bằng giữa khả năng giữ hạt, lưu lượng dòng chảy và tuổi thọ màng lọc, đặc biệt quan trọng trong các ngành đòi hỏi độ chính xác cao như sinh học, dược phẩm và xử lý nước. Nếu bạn cần tư vấn chuyên sâu và giải pháp phù hợp từng ứng dụng, đừng ngần ngại liên hệ với MT để được hỗ trợ.
