TECNOLOGIA FARMACEUTICA #3: LA FILTRAZIONE

La filtrazione è un'operazione di separazione di una parte solida da un liquido. Questo processo avviene tramite l'interposizione di un setto poroso che va a dividere le due parti, chiamato filtro. Il liquido attraversa il filtro grazie alla forza motrice, ovvero grazie alla differenza di pressione a valle del filtro e sopra di esso. Una volta svolta l'operazione di filtrazione, si potrà notare la parte solida trattenuta dal filtro, che prende il nome di residuo, e la parte liquida, più limpida che in origine, che prende il nome di filtrato. Un caso particolare lo si ha quando il residuo non è più dell'1%, prendendo il nome di chiarificazione. La filtrazione può avvenire secondo tre modalità di esecuzione:

• per caduta: viene sfruttata la forza di gravità per spingere il liquido per il filtro;
• per applicazione di una pressione: si usano delle pompe che spingono il liquido o viene aumentata la pressione con aria o alcuni gas, come anidride carbonica (CO₂);
• per aspirazione: si sfrutta la depressione del vuoto creato a fondo del filtro.

Ci sono vari meccanismi utilizzati per la filtrazione:

• La ritenzione per impatto inerziale: porta all’adsorbimento delle particelle sospese di dimensioni inferiori al diametro dei pori dell’elemento filtrante. I solidi vengono trasportati lungo un percorso dalla corrente del liquido ed hanno degli impatti contro le pareti dei pori. Dopo l’impatto si potrà determinare l’adsorbimento del solido al punto d’impatto
• L'adsorbimento: fenomeno fisico dipendente dalla natura dei solidi e dalla composizione della matrice del filtro. Grazie alle forze attrattive le particelle vengono poi trattenute dai pori del filtro
• La ritenzione per diffusione: riguarda i gas
• La ritenzione dimensionale: detta anche per effetto setaccio, è il processo in cui le particelle con una dimensione superiore ai pori del filtro vengono trattenute

EQUAZIONE DI POISEUILLE

Possiamo descrivere il processo di filtrazione partendo dall'equazione di Poiseuille. Questa equazione va a considerare il moto di un fluido in un condotto capillare:

• v: velocità di flusso del liquido
• V: volume di liquido che attraversa il capillare nel tempo t
• l: lunghezza del capillare
• r: raggio del capillare
• Δp: differenza di pressione tra i due estremi del capillare
• η: viscosità del liquido da filtrare

Ma questa equazione semplificata diciamo che non è esattamente veritiera per il nostro processo perché nel filtro non abbiamo capillari ma pori e la lunghezza è variabile in quanto può cambiare con l'accumularsi di materiale solido. L'equazione, tenendo conto dei due punti elencati precedentemente, diventa:

• K: costante di proporzionalità
• L: spessore dello strato filtrante

A questo punto, considerando che in uno strato filtrante ci sono un tot di pori per unità di area, l'equazione si trasforma:

• n: numero di pori per unità di area
• A: area filtrante

Possiamo semplificare il tutto adesso:

dove K_l si ricava da:

• ε: porosità dello strato filtrante
• S₀: area superficiale specifica del materiale che si deposita sul filtro

Alcuni fattori che influenzano la velocità di filtrazione sono:

• Pressione: la velocità di filtrazione è direttamente proporzionale alla differenza di pressione che si ha sopra e a valle del filtro. Con in residuo che si accumula, la pressione deve via via aumentare, altrimenti la velocità diminuirà. L’aumento della pressione non deve mai essere eccessivo però, altrimenti si rischia la rottura del filtro
• Viscosità: un liquido viscoso necessita di una maggiore pressione oppure bisogna ricorre alla filtrazione a caldo. Infatti riscaldando il liquido la viscosità diminuirà.
• Superficie dei filtri: la superficie del filtro deve essere ovviamente proporzionata alla quantità di solido da filtrare. Se non è adeguato il filtro si tappa
• Coefficiente di premesbilità: come notiamo dall’ultima equazione, K_l è una funzione della porosità. Con una soluzione la porosità dipende da come le particelle si dispongono e depositano. Quando si hanno particelle grosse e compatte con una ridotta area superficiale, si ha un elevato coefficiente di permeabilità. Un problema si verifica invece col caso contrario, quindi con particelle di piccole dimensioni.

ELEMENTI FILTRANTI

Un filtro, conosciuto da tutti per i suoi innumerevoli utilizzi, è definito generalmente come una barriera ostacolante un contenuto solido di un liquido. I filtri hanno delle caratteristiche con la quale possiamo definirli:

• Capacità: quantità di solidi sospesi possibili da trattenere
• Efficienza: precisione nella ritenzione dei solidi sospesi
• Grado di filtrazione: dimensione dei pori piccoli per le particelle più piccole
• Porosità: % tra volume totale spazi vuoti e volume totale del filtro.

In base ai meccanismi di ritenzione possiamo classificare i filtri come:

• Filtri di profondità: caratterizzato da una matrice fibrosa spessa che può essere costituita da cotone, carta, lana. Le particelle solide sono bloccate per effetto setaccio e dell'adsorbimento;
• Filtri di superficie: caratterizzato da una matrice omogenea, costituita da esteri della cellulosa, propilene. La filtrazione avviene sopratutto per effetto setaccio;
• Filtri a membrana: caratterizzato da una matrice molto sottile e che filtra unicamente per effetto setaccio.

PROCESSI DI FILTRAZIONE

Osmosi inversa

Questo processo consente di ottenere un'acqua così pura da essere classificata come acqua per preparazioni iniettabili, che come sappiamo devono essere completamente prive di elementi estranei. La tecnica è basata sull'uso di una membrana semipermeabile, costituita da esteri di cellulosa, e tramite la pressione idrostatica si riescono a separare le molecole d'acqua dai soluti. Prende il nome di osmosi inversa perché il flusso ottenuto è inverso a quello che si avrebbe per effetto osmotico.

Ultrafiltrazione e dialisi

Con l'ultrafiltrazione è possibile separare elementi ad alto peso molecolare dal liquido, questo grazie all'applicazione di una pressione sulla membrana semipermeabile, di natura polisolfonica. La dialisi è molto simile, ma differisce sul fatto che per la dialisi non viene applicata nessuna pressione in quanto la forza motrice è sostenuta dalla differenza di concentrazione tra le due soluzioni.

Decantazione e chiarificazione

La decantazione è sicuramente la tecnica più semplice ed economica per la separazione di un solido da un liquido. Un esempio pratico e decisamente comune è il decantatore di vino. La chiarificazione è il processo usato per la rimozione di sostanze finissime, che rappresentano circa l'1% del totale da eliminare.

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Fonti

• Filter systems for pharmaceutical separations brochure
• La filtrazione
• The filtration
• Filtrazione

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bibliografia: equazioni

• Principi di tecnologia farmaceutica - casa Ed. Ambrosiana

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Articoli precedenti

TECNOLOGIA FARMACEUTICA #1: LA MACINAZIONE
TECNOLOGIA FARMACEUTICA #2: LA MISCELAZIONE

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