Introducción a la Filtración

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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