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Introducción a la Filtración
0.22µm
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Tecnologìa Farmacèutica de Parenterales
UNAM – Junio 2012.
Rev. I, 08
Visión General de la Presentación
Características Clave del Filtro de Membrana Materiales de Filtrado - Hidrofílicos e Hidrofóbicos Mecanismos de retención en los filtros ¿Qué sucede cuando un filtro se bloquea? Esquema de un Sistema de Filtración Típico Estructura de los filtros Solución de problemas básicos
Mecanismos de Retención
Describa como retienen partículas los filtros Un mejor entendimiento minimiza los problemas de filtración Los mecanismos de retención
cambian de acuerdo a:
Características de los fluídos Condiciones de Operación Tipo de partícula Tipo de filtro
Factores que afectan la retención del filtro (Influencia de los fluídos)
Viscosidad Contenido químico/iónico Comentarios :
Un flujo lento permite más contacto con el material filtrante
El tiempo de mezclado / contacto puede ser crítico
Factores que afectan la retención del filtro (Influencia de las partículas
Deformable (suave) No-deformable (duro)
Comentarios: Bajo presión, las partículas
suaves se pueden introducir en la estructura del filtro causando un bloqueo total del mismo. Ejemplo: gelatina
Las partículas duras formas espacios abiertos Ejemplo: arena
Factores que afectan la retención del filtro (influencia de la operación)
Velocidad de las partículas Presión aplicada
Comentarios: Un flujo lento es bueno
a flujos más lento, mejor retención
El movimiento de la matríz es malo se pueden liberar partículas y fibras de los filtros de profundidad
Factores que afectan la retención del filtro (influencia del filtro)
Tamaño de poro Estructura
Rígido o movible
Comentarios: Filtro esterilizante - tamaño de
poro absoluto (definición legal)
Los prefiltros poseen tamaños de poro nominales - cada fabricante tiene sus propios estándares y métodos
Materiales de los Filtros Hidrofílicos
"Afin al Agua" Se humecta espontáneamente
(o sin mucho esfuerzo) con el agua
Materiales celulósicos (por ejemplo: Celulosa regenerada, mezcla de ésteres de celulosa, etc. )
Policarbonato con aditivos (por ejemplo: PVPP), polisulfona modificada, Nylon, PVDF modificado
Aplicaciones Filtración y filtración estéril de
soluciones acuosas o acuosas orgánicas
Materiales de los Filtros Hidrofóbicos
"Repelente al Agua" No se humecta espontáneamente con el agua. El agua puede permanecer o estar entrampada y no entrar al filtro PTFE - Politetrafluoroetileno , PVDF - Fluoruro de polivinilideno Polipropileno, Polisulfona, Policarbonato
Aplicaciones Filtración de solventes, ácidos, bases y químicos Equipos de venteo y tanques, gas de proceso, filtros de salida y entrada en fermentación
Mecanismos de Retención en los Filtros
Adsorción Las partículas se adhieren al
filtro por atracción química / eléctrica
Exclusión por Tamaños Las partículas son demasiado
grandes para pasar a través del poro Ejemplos son: entrampamiento , tamizado, captura superficial
¿Dónde se Utilizan los Filtros?
Esquema de un Sistema de Filtración Típico
Los filtros se utilizan en diversas áreas de una planta farmacéutica.
Los filtros para líquidos se usan frecuentemente en diferentes etapas y departamentos.
1 Filtro de agua, 0.2um2 Filtro de vapor, 10um3 Filtros de venteo de aire, 0.2um4 Prefiltros, 0.5um5 Filtro final, 0.2um6 Filtro final de espera, 0.2um7 Filtros de llenado, 5um
Una serie de filtros con tamaño de poro decreciente unidos o separados por tanques de almacenamiento
Se necesita un filtro con la mayor capacidad de retención de partículas al principio del tren
Se requiere un filtro con tamaño de poro absoluto al final de éste
¿Qué es un tren de filtración?
Estructura del Filtro
¿Cómo son los Filtros de Profundidad?
Fibrosos (pueden liberar fibras)
Es difícil medir el tamaño del poro con exactitud
Espesor de 3 - 30 mm , y frecuentemente adsorbentes
Tienen una eficiencia de retención de partículas del 30 - 70%
Mayor capacidad para captar contaminantes
Ejemplos: microfibra de vidrio, polipropileno
Características del Filtro de Profundidad
Características Resultado / ComentarioEspesor (típicamente 3 - 20 mm) A menudo existe retención/pérdida del
producto Amplia distribución de tamaños de poro nominales
Tasa nominal de partículas virtualmente imposible de probar su integridad de forma confiable mediante pruebas no destructivas basadas en líquido
Estructura aleatoria Probabilidad de retención de partículas (típicamente 30 - 90%)
La matriz se puede mover bajo condiciones dinámicas
Alta probabilidad de que las partículas y fibras se liberen durante el filtrado
Partículas retenidas por adsorción en la matríz del filtro y entrampamiento físico dentro de la misma
Las partículas pueden pasar cuando el filtro se sobrecarga, o pueden emigrar a través del filtro
Gran capacidad de retención de impurezas
"Larga vida"La retención cambia con el flujo y/o la presión
El filtro se utiliza mejor en flujos contínuos y sin contrapresión
Operación a baja diferencial de presión 0 - 15 psi (0 - 1 bar) para filtración biológica típica , 0 - 30 psi (0 - 2 bar) para filtración típica de partículas
¿Cómo son los Filtros de Superficie?
Fibras unidas con calor o con un soporte del filtro
Tienen tamaño de poro nominal Espesor (1 mm o menos) y ligeramente adsorbente
Eficiencia de retención de partículas del 90 - 99.9%
Ejemplos: Éster de celulosa, celulosa cubierta y soporte de poliester
Características del Filtro de Superficie
Características Resultado / Comentario
Espesor (típicamente menos de 1 mm) Retención/pérdida despreciable Distribución del tamaño de poro Mejor estimación de la retención (normal-
mente 90 - 99.9%), No se puede probar su integridad
Estructura polimérica mejor definida Mejor consistencia en el atrapamiento de partículas y variaciones mínimas en el filtro
Estructura que no libera fibra Filtración de la más alta calidad, sin contaminación de la matríz n
Capacidad media de retención de impurezas
Filtro con tiempo de vida "razonable"
Características híbridas de filtros de profundidad/membranas
Partículas retenidas por entrampamiento físico dentro de la matríz, adsorción sobre la matríz del filtro y exclusión por tamaño de partículas dentro y sobre el filtro
La retención no cambia con el flujo o la presión
Se puede usar en flujos discontinuos o cambiantes
Buena operación en presión diferencial 0 - 30 psi (0 - 2 bar) para filtración biológica típica, 0 - 45 psi (0 - 3 bar) para filtración de partículas típica
¿Cómo se fabrican los filtros de membrana?
Producidos por moldeado Nylon, Celulosa (éster mezclado,
regenerado), PVDF, Polisulfona
Producidos por estiramiento PTFE
Producidos por fusión Polipropileno
Mezcla
Control de Grosor
Moldeado de Membrana Hidrofilización
Secado
Cámara de Ambiente Controlado
¿Cómo son los filtros moldeados?
Se hacen principalmente moldeando membrana
Pueden ser hidrofílicos o hidrofóbicos
Se miden por las partículas más pequeñas que retienen
Espesor muy delgado (100 - 260 um)
La adsorción depende de los materiales filtrantes
EjemplosÉster de celulosaCelulosa regenerada NylonPolisulfonas PVDF
¿Cómo son los filtros fabricados por estiramiento?
Poros ranurados Espesor de 150 micras A menudo están unidos a materiales de soporte
Pueden tener una alta adsorción de proteínas
Ejemplo: PTFE - "Teflon"Hidrofóbicos naturales La mayoría de polímeros hidrofóbicos
Características clave de los
filtros de membrana
Fuerte, rígido, NO quebradizo Trayectoria tortuosa No toda la retención se lleva a cabo en la parte superior Área interna muy alta 70-75% de porosidad La retención de partículas por exclusión de tamaño no cambia con el flujo o la presión Los filtros esterilizantes deben tener una eficiencia de retención del > 99.9999999% y obtener líquidos estériles El gas encuentra los mayores defectos en el filtro Es posible llevar a cabo prueba de integridad (difusión y/o punto de burbuja)
Características del Filtro de Membrana
Característica Resultado / Comentario
Espesor (típicamente 0.01 - 0.2 mm) Adsorción Insignificante
Estructura porosa definida estrechamente Con tasa de retención real, se puede probar su integridad de modo no destructivo usando pruebas físicas
Estructura rígida- (Nota: Rígida NO quebradiza) La retención no cambia con el ambiente (calor/presión)
Membranas poliméricas moldeadas Incrementa consistencia de manufactura
Estructura filtrante que no libera fibras Filtrado muy limpio
Partículas retenidas por exclusión de tamaño, adsorción y entrampamiento
Filtro muy efectivo, típicamente 99.99 - 99.9999999%)
Las partículas grandes se retienen en la parte superior del filtro
El filtro se puede bloquear más rápido que con otros tipos
Baja capacidad de retención de impurezas El filtro se bloquea "fácilmente"
La retención es independiente de la hidráulica de fluídos (flujo, presión diferencial)
Desempeño más confiable y resistente
Baja presión diferencial de operación 0 - 30 psi (0 - 2 bar) para filtración biológica típica, 0 - 45 psi (0 - 3 bar) para filtración de partículas típica
Configuraciones Típicas de Filtros - 1
Portafiltros de disco
Rango de diámetros 13 - 293 mm Tradicional Pueden utilizarse filtros de profundidad/superficie en los mismos portafiltros Se utilizan a menudo para cargas de bajo volumen Bajo costo unitario
Configuraciones Típicas de Filtros - 2
Disco de diámetro pequeño, armado en paralelo
La membrana va unida a ambos lados del disco de soporte
Los discos de soporte van unidos Todos los filtros trabajan en paralelo
Bajo volumen muerto Compacto y fácil de usar Filtro intercambiable (Millidisk) o dispositivo desechable (Millipak) No metálico Estructura no flexible Baja resistencia a la contrapresión
Configuraciones Típicas de Filtros - 3
Cartucho plegado
La membrana se sostiene dentro del material
de soporte Armado termoplástico 2-5 materiales de construcción
Buena resistencia a la presión positiva y contrapresión Áreas de filtración grandes Múltiples esterilizaciones Variedad de tamaños , áreas de filtración y configuraciones de empaques (O-rings) El prefiltro y el filtro final pueden estar en el mismo cartucho
Humecte los empaques (O-ring)
Revise la orientación del portacartuchos (housing)
entrada / salida
No apriete demasiado las abrazaderas
Evite el contacto directo de las manos con el cartucho
Enjuague el cartucho antes de usarlo
Tips para instalación del cartucho
Sistemas de Filtración
Tipos de Partículas en Fluídos Biológicos
Deformables Proteínas Lípidos Complejos de azúcar
Se pueden mover a través del filtro, separarse y comprimirse en capas impermeables
No deformables Finos de resina Cristales de drogas Finos de carbón Tierra diatomeácea (T.D.)
Forman capas porosas permeables
Formación de Capas de Filtración
Las partículas se acumulan en la superficie del filtro
Sucede con partículas duras
Más a menudo en la filtración gruesa y clarificación
Bloqueo Total del Poro
Sucede con partículas suaves
Las partículas bloquean
el "poro" totalmente
Sucede con una prefiltración pobre, o con partículas mayores al tamaño del poro
Bloqueo Gradual del Poro
Sucede con partículas suaves o duras
Las partículas se acumulan en la abertura del poro
Es más común en fluídos biológicos
¿Cómo se Observan los Filtros Bloqueados?
El bloqueo gradual es el más común
"Todo iba bien, cuando de repente se bloqueó el filtro"
¿Qué sucede cuando se bloquea un filtro ?
El flujo del fluído disminuye Puede caer por debajo de la tasa de flujo requerida (por ejemplo:
máquina de llenado) La presión sube
Puede exceder las capacidades de presión diferencial del sistema cartucho o tubería / conexiones
Las partículas pueden penetrar el filtro Los contaminantes bloquean el flujo del fluído después del filtro
El costo de la filtración cambia Se incluyen costos del cartucho, tiempo y producto El sistema debe desmontarse para cambiar el cartucho
¿Qué hacer la PRÓXIMA vez?
Filtro Final Incrementar la superficie de filtración
Prefiltro
Checar cambios de presión Incrementar el área de filtración / reducir la presión diferencial e Incrementar la retención del prefiltro
Procedimiento Checar procedimiento de operación Checar variabilidad de materia prima
Chequeo de QC de entrada
¿Cómo Minimizar Problemas de Filtración?
Utilice una presión diferencial inicial baja
~1-2 psid o ~0.1 bar
Monitoree y cambie la presión diferencial
Fluídos biológicos Filtros de Profundidad : 10 - 15 psid (0.7-1 bar)
Filtros de Superficie y de Membrana : 30 – 50 psid (2-3.3 bar)
Cuando se excedan las especificaciones del fabricante
Asegure una presión adecuada
Resumen
Existen dos mecanismos de retención más importantes para líquidos
Adsorción, Exclusión por Tamaño
Tres tipos de filtros se usan comúnmente en la filtración biofarmacéutica
Profundidad, Superficie y Membrana
Los materiales del filtro se presentan como: Disco, Disco en Paralelo, Cartucho Plegado
Los filtros se bloquean: Gradualmente, totalmente o por formación de capas
La mayoría de los problemas de filtración se pueden resolver El monitoreo y la optimización son técnicas clave