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What is a UF Filter System? (UF 필터 시스템이란?)

goodrichone 2025. 7. 7. 09:46
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A UF filter system is a membrane-based separation system. The membrane has a pore size generally in the range of 1-100 nanometers (nominal molecular weight cut-off ~1-100 kDa). This size range allows water, salts, and small dissolved molecules to pass through (the filtrate or permeate), while retaining larger particles like bacteria, viruses, protozoa, and macromolecules (the retentate or concentrate).

In microbiological applications, UF is commonly used to:

✅ Concentrate microbes from large volumes of water (e.g. liters) into small volumes (e.g. milliliters) for downstream testing (e.g. PCR, culturing).

✅ Remove microbes from water for purification.

UF Filter System Modes: Filter, Reverse, and Defaults

When people refer to Filter, Reverse, and Defaults in UF systems, they’re usually talking about the flow configurations and operational settings:

1. Filter Mode (Normal Flow Filtration)

  • The sample passes through the UF membrane.
  • The filtrate/permeate comes out one side (clean water).
  • The retentate stays behind, concentrating microbes.
  • Often operated in dead-end mode (all flow forced through the membrane) or crossflow mode (fluid sweeps across membrane surface, reducing fouling).

→ This is the standard way to concentrate microbes.

2. Reverse Mode (Backflush / Backwash)

  • The flow is reversed through the membrane.
  • Used to dislodge particles, microbes, or debris stuck in membrane pores.
  • Helps recover microbes trapped in the filter matrix.
  • Typically performed with clean water, buffer, or air.
  • Important for maximizing recovery of target organisms and for cleaning.

→ In microbial concentration, reverse mode helps ensure microbes stuck in the filter are recovered into the final concentrate.

3. Defaults

  • Defaults usually refer to manufacturer pre-set:
    • Flow rates
    • Pressure limits
    • Filtration times
    • Backflush volumes and intervals
    • Chemical cleaning cycles
  • These are optimized for certain applications, like microbial concentration from environmental water, drinking water, etc.

For instance, some commercial UF systems (like those from IDEXX, InnovaPrep, or Pall) come with:

  • Default flush volumes (e.g. 50-100 mL)
  • Default backflush settings (pressure, duration)
  • Default run times for standard sample volumes.

Operators may override these defaults for specialized protocols (e.g. highly turbid water or specific pathogens).

Putting It All Together

In microbial concentration, the UF process often goes like this:

  1. Filter mode: Run your sample through the UF membrane → microbes retained → filtrate discarded.
  2. Reverse/backflush mode: Reverse flow to flush retained microbes off the membrane → collect into small final volume.
  3. Defaults: Use default or custom parameters to balance recovery efficiency, speed, and membrane life.

Example in Water Microbiology

Say you’re testing drinking water for E. coli. You might:

  • Filter 10 L water through a UF membrane → microbes retained.
  • Backflush with 50 mL sterile buffer → collect the microbes.
  • Analyze the 50 mL concentrate by PCR or culture.

Bottom line:

  • “Filter” = normal filtration to concentrate microbes.
  • “Reverse” = backflush to recover trapped microbes and clean the membrane.
  • “Defaults” = pre-programmed UF system settings for optimized operation.

UF 필터 시스템이란?

UF 필터 시스템은 **반투막(semipermeable membrane)**을 사용하는 여과 시스템으로, 보통 1~100 나노미터 크기의 기공을 가집니다. 이 크기 범위는 물, 염분, 작은 분자들이 통과할 수 있게 하고, 세균, 바이러스, 원생동물 같은 더 큰 입자들은 차단할 수 있습니다. 일반적으로 UF는 미생물 농축, 정수, 바이오 처리 등에 사용됩니다.

UF 시스템 모드: 필터(Filter), 역류(Reverse), 기본(Default)

필터, 역류, 기본 모드는 UF 시스템에서 작동 설정을 나타내며, 각각의 모드가 어떻게 작동하는지 간단히 설명드리겠습니다.

1. 필터 모드 (정상 여과)

  • 샘플이 UF 막을 통해 지나가며, **여과액(퍼미에이트)**은 한쪽에서 나오고, **농축액(리텐테이트)**은 막에 남습니다.
  • 일반적으로 **직접 여과(Dead-end mode)**나 교차 흐름(Crossflow mode) 방식으로 작동합니다.
    • 직접 여과는 모든 물질이 막을 통과하도록 강제로 흐르게 합니다.
    • 교차 흐름은 물이 막 표면을 지나가면서 오염물을 제거해 주는 방식입니다.

→ 미생물 농축이 주요 목적일 때 이 모드를 사용합니다.

2. 역류 모드 (배수/백플러시)

  • 역류(backflush) 또는 배수(backwash) 모드에서는 물의 흐름을 반대로 바꿉니다.
  • 이렇게 하면 막에 붙어 있는 오염물질이나 미생물이 떨어져 나가고, 그들이 다시 수집됩니다.
  • 이 모드는 미생물이 막에 갇히는 것을 방지하고, 미생물 회수율을 높이는 데 도움을 줍니다.
  • 일반적으로 물, 버퍼, 또는 공기를 사용해 역류시킵니다.

→ 미생물을 농축하고, 동시에 UF 막을 청소하는 데 유용합니다.

3. 기본 모드 (디폴트 설정)

  • 기본(Default) 설정은 UF 시스템에서 미리 설정된 운전 파라미터들을 의미합니다.
    • 유량(Flow rate)
    • 압력 한도(Pressure limits)
    • 여과 시간(Filtration time)
    • 배수량(Backflush volume) 및 주기(Interval)
    • 화학 세척 주기(Chemical cleaning cycles)
  • 이 설정들은 미생물을 농축하는 데 최적화되어 있으며, 사용자는 필요에 따라 조정할 수 있습니다.

예를 들어, 상업용 UF 시스템에서는 기본 설정으로 여과 유량을 조절하거나, 역류 주기를 자동으로 설정하는 기능이 있습니다.

전체적인 흐름

미생물 농축을 위한 UF 시스템의 작업 흐름은 다음과 같습니다:

  1. 필터 모드: 샘플을 UF 막을 통해 걸러내어 미생물을 농축합니다. 여과액은 버려지고, 농축액은 남습니다.
  2. 역류 모드: 역류를 통해 막에 붙은 미생물을 회수하고, 농축된 미생물을 작은 부피로 모은 후 분석합니다.
  3. 기본 모드: 미리 설정된 파라미터에 따라 여과 및 역류 주기를 조정하여 효율적인 미생물 농축을 돕습니다.

예시: 수돗물에서 대장균 농축

예를 들어, 대장균(E. coli) 검사를 위해 수돗물을 농축한다고 가정해 봅시다.

  1. 필터 모드: 10L의 물을 UF 막을 통해 여과하여 미생물을 농축합니다.
  2. 역류 모드: 50mL의 멸균된 버퍼로 역류하여 막에 붙은 미생물을 회수합니다.
  3. 분석: 50mL의 농축된 샘플을 PCR 검사나 배양법으로 분석합니다.

정리하자면:

  • 필터 모드: 정상적인 여과 모드로 미생물을 농축.
  • 역류 모드: 미생물이 막에 갇히지 않도록 역류하여 회수.
  • 기본 모드: 시스템이 자동으로 설정한 기본 운전 파라미터.

To configure a UF (Ultrafiltration) system for microbial concentration, the system configuration involves several key components and operational parameters that ensure effective filtration, microbial recovery, and membrane maintenance. Here’s a breakdown of the essential parts and settings for a typical UF system used in microbiological applications:

1. System Components

a. Ultrafiltration Membrane:

  • Material: Typically, UF membranes are made of materials such as polyethersulfone (PES), polysulfone (PS), or polyvinylidene fluoride (PVDF).
  • Pore Size: The membrane should have a pore size in the range of 1-100 nm, sufficient to block bacteria, viruses, and other larger particles while allowing water, salts, and smaller molecules to pass through.
  • Membrane Type:
    • Flat Sheet: Often used in laboratory-scale applications.
    • Spiral-Wound: Common in industrial-scale systems.
    • Hollow Fiber: Often used for high flow rate applications.

b. Feed Pump:

  • Provides pressure to push the sample through the UF membrane. The flow rate and pressure settings are crucial in determining filtration efficiency and membrane fouling.

c. Pressure Vessel:

  • Houses the UF membrane. It’s designed to withstand the pressure needed for effective filtration.

d. Permeate Collection Chamber:

  • Collects the filtered water (or the permeate) that passes through the membrane.

e. Retentate Chamber:

  • Collects the concentrated material (such as microbes and suspended solids) that doesn’t pass through the membrane.

f. Cleaning and Backflush System:

  • A key component for cleaning and maintaining the membrane. It allows for backwashing (or reverse flow) to dislodge fouling materials and recover trapped microbes.

g. Monitoring Equipment:

  • Includes pressure sensors, flow meters, and temperature gauges to monitor the system's performance.

2. System Operational Parameters

a. Flow Configuration:

  • Cross-Flow Filtration: A common configuration where the feedwater flows tangentially across the membrane surface. This helps reduce fouling by sweeping away particles near the membrane surface.
  • Dead-End Filtration: All feedwater is forced through the membrane. This can lead to higher fouling but may be used in certain applications.

b. Filtration Pressure:

  • Typical Pressure Range: The operating pressure for UF systems is usually between 1–4 bar (14.5–58 psi). However, this can vary based on the type of feed (e.g., water quality) and the membrane used.
  • Too high pressure can lead to membrane damage, while too low pressure may result in inefficient filtration.

c. Crossflow Velocity:

  • The velocity of the feedwater flowing across the membrane surface helps to reduce fouling. Typical crossflow velocities range from 2–5 m/s, but this depends on the application.

d. Permeate Flow Rate:

  • The permeate flow rate depends on the membrane area and operating conditions. It’s typically measured in L/h (liters per hour) or m³/day.
  • The system’s flux (permeate flow per unit area) is a key performance indicator and is typically in the range of 20-80 L/m²/h for UF membranes.

e. Backflush/Reverse Flow:

  • Reverse flow rate and backflush duration should be adjusted based on fouling levels. Common backflush volumes are 50–100 mL depending on the system design.
  • The backflush pressure typically ranges from 2–6 bar (depending on the manufacturer and system).

3. System Configuration for Microbial Concentration:

a. Sample Preparation:

  • Sample water is initially pre-filtered or pre-treated (if necessary) to remove large particles before being fed into the UF system. This helps prevent membrane clogging.

b. Filtration Mode (Filter Mode):

  • Set the feed pump to push the sample through the UF membrane.
  • Operate at the desired pressure and flow rate to concentrate microbes in the retentate.

c. Recovery Mode (Reverse/Backflush Mode):

  • Once filtration is complete, reverse the flow to recover trapped microbes.
  • Perform a backflush to help remove any fouling from the membrane. Backflush should be done with a cleaning buffer or sterile water to avoid contamination.

d. Concentrate Recovery:

  • After backflushing, collect the microbial concentrate in a small volume for analysis (e.g., PCR, culture).
  • It’s important to measure the volume of the concentrate and compare it to the original feed volume to ensure a good recovery.

4. Membrane Cleaning and Maintenance:

a. Chemical Cleaning:

  • UF membranes require periodic cleaning to maintain their performance and extend their life.
  • Cleaning chemicals (e.g., acid, alkali, surfactants, or enzymatic solutions) are used depending on the type of fouling (organic, inorganic, microbial).
  • Cleaning cycles may be set to run every 1–2 weeks or after a certain flux reduction is observed.

b. Cleaning Parameters:

  • Chemical concentration: Typically 0.1–1% for acid or alkali solutions.
  • Flow rate: Should be set based on membrane manufacturer recommendations.
  • Cleaning time: Usually ranges from 30 minutes to 2 hours.

c. Monitoring and Optimization:

  • Monitor the transmembrane pressure (TMP) and flux regularly.
  • Adjust the cleaning frequency or pressure limits based on changes in performance.

5. Default Settings and Fine-Tuning:

  • Filtration Time: Set according to the desired volume to be filtered. For microbial concentration, ensure that you filter enough volume to concentrate the target microbes (e.g., 10 L to 50 mL).
  • Crossflow Velocity: Adjust to optimize for less fouling but high recovery (typically 2-5 m/s).
  • Backflush Volume: Default is typically set to 50–100 mL, but this may vary depending on the system design.
  • Backflush Frequency: Set according to the fouling rate. Some systems automate backflush after a certain pressure drop or time interval.
  • Clean-In-Place (CIP): Set default intervals for CIP to maintain membrane integrity.

6. Example Configuration for Microbial Concentration System:

  • Membrane: PVDF spiral-wound UF membrane, 50 kDa MWCO.
  • Flow Rate: 10 L/h of feed water.
  • Feed Pressure: 2 bar for filtration mode.
  • Crossflow Velocity: 3 m/s.
  • Backflush Pressure: 4 bar.
  • Backflush Duration: 30 seconds.
  • Recovery Volume: 100 mL after concentration of 10 L of water.
  • Cleaning Cycle: Chemical cleaning every 7 days or when TMP increases by 20%.

This configuration will ensure efficient microbial concentration while maintaining membrane performance and system longevity. Of course, specific systems may have additional features or customization options, depending on the manufacturer and intended use. 

미생물 농축을 위한 UF (초미세 여과) 시스템 구성에 대해 설명드리겠습니다. UF 시스템은 미생물을 농축하고 여과하는 데 매우 유용한 시스템으로, 이를 효율적으로 운용하기 위한 구성 요소와 운영 파라미터를 다룰 때 중요한 설정들이 있습니다.

1. 시스템 구성 요소

a. 초미세 여과(UF) 막:

  • 재질: 보통 폴리에터설폰(PES), 폴리설폰(PS), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 등으로 만들어집니다.
  • 기공 크기: UF 막의 기공 크기는 보통 1~100 nm 범위로, 세균, 바이러스 및 기타 큰 입자들은 차단하고 물, 염분 및 작은 분자들은 통과시킵니다.
  • 막 종류:
    • 평판형(Flat Sheet): 실험실 스케일에서 사용됩니다.
    • 스파이럴 와운드(Spiral-Wound): 산업용 대형 시스템에서 주로 사용됩니다.
    • 홀로우 파이버(Hollow Fiber): 높은 유량을 필요로 하는 애플리케이션에서 사용됩니다.

b. 피드 펌프:

  • 여과막을 통과시키기 위한 압력을 제공합니다. 유량과 압력 설정은 여과 효율성과 막의 오염 방지에 중요한 역할을 합니다.

c. 압력 용기:

  • UF 막을 담고 있는 용기로, 여과를 위한 압력을 견딜 수 있도록 설계됩니다.

d. 여과액 수집기(Permeate Collection Chamber):

  • 여과된 물(퍼미에이트)을 수집하는 공간입니다.

e. 농축액 수집기(Retentate Chamber):

  • 막을 통과하지 않은 미생물 및 고형물들이 모이는 공간입니다.

f. 세척 및 역류 시스템(Cleaning and Backflush System):

  • 막을 청소하고 유지보수하는 중요한 구성 요소입니다. **역류(Backflush)**나 **배수(Backwash)**를 통해 막에 붙은 오염물질이나 미생물을 제거합니다.

g. 모니터링 장비(Monitoring Equipment):

  • 압력 센서, 유량계, 온도계 등을 통해 시스템의 성능을 모니터링합니다.

2. 시스템 운영 파라미터

a. 흐름 구성(Flow Configuration):

  • 교차 흐름(Cross-Flow Filtration): 가장 일반적인 구성으로, 피드워터가 막 표면을 따라 지나가면서 오염물질을 제거하고 여과 효율을 높입니다.
  • 직접 여과(Dead-End Filtration): 피드워터가 전부 막을 통과합니다. 이 방식은 오염이 많이 발생할 수 있습니다.

b. 여과 압력(Operating Pressure):

  • 일반적인 압력 범위: UF 시스템은 보통 1~4 bar (14.5~58 psi) 사이의 압력에서 작동합니다. 너무 높은 압력은 막 손상을 초래할 수 있고, 너무 낮은 압력은 여과 효율이 떨어질 수 있습니다.

c. 교차 흐름 속도(Crossflow Velocity):

  • 교차 흐름 속도: 2~5 m/s 범위에서 설정하여, 막 표면 근처의 오염물질이 원활하게 제거되도록 합니다.

d. 여과액 유량(Permeate Flow Rate):

  • 여과액 유량은 보통 L/h(리터/시간) 또는 m³/day(세제곱미터/일) 단위로 측정됩니다. **여과 플럭스(Flux)**는 여과 효율을 나타내는 지표로, 보통 20-80 L/m²/h 범위입니다.

e. 역류(Backflush) 설정:

  • 역류 압력: 보통 2~6 bar로 설정됩니다.
  • 역류 시간: 보통 30초에서 1분 정도로 설정됩니다.

3. 미생물 농축을 위한 시스템 구성

a. 샘플 준비:

  • 샘플의 전처리나 **선여과(Pre-filtration)**가 필요할 수 있습니다. 이는 큰 입자들이 UF 막에 막히지 않도록 도와줍니다.

b. 여과 모드(필터 모드):

  • 피드 펌프를 설정하여 샘플을 UF 막을 통해 여과합니다. 설정된 압력과 유량을 기준으로 미생물을 농축합니다.

c. 회수 모드(역류/백플러시 모드):

  • 여과가 완료된 후, 역류를 통해 막에 붙은 미생물을 회수합니다. 역류는 세척 버퍼나 멸균수를 사용하여 수행합니다.

d. 농축액 회수:

  • 농축된 미생물은 작은 부피로 회수하여 분석합니다. 예를 들어, 50 mL로 농축하여 PCR이나 배양법으로 분석할 수 있습니다.

4. 막 세척 및 유지보수

a. 화학 세척(Chemical Cleaning):

  • UF 막은 주기적으로 세척이 필요합니다. 오염 종류에 따라 산성 또는 알칼리성 세척제를 사용합니다.
  • 세척 주기: 보통 1~2주마다 세척을 진행하거나, 여과 효율이 떨어졌을 때 세척을 실시합니다.

b. 세척 파라미터:

  • 화학 농도: 보통 0.1~1% 농도의 산성 또는 알칼리성 용액을 사용합니다.
  • 유량: 막 제조사의 권장 사항에 맞춰 설정합니다.
  • 세척 시간: 보통 30분~2시간 정도 소요됩니다.

c. 모니터링 및 최적화:

  • **TMP(Transmembrane Pressure)**와 여과 플럭스를 정기적으로 모니터링하여 막의 성능을 체크합니다.
  • 필요시 세척 주기나 압력 제한을 조정하여 시스템을 최적화합니다.

5. 기본 설정(Default Settings) 및 미세 조정

  • 여과 시간: 원하는 여과량에 맞춰 설정합니다. 예를 들어, 10L 물을 농축하여 50mL로 만들 경우 여과 시간을 설정합니다.
  • 교차 흐름 속도: 2~5 m/s 범위에서 설정하여 효율적으로 오염물을 제거합니다.
  • 역류 배수량: 기본적으로 50~100 mL로 설정되지만, 시스템 설계에 따라 다를 수 있습니다.
  • 역류 주기: 오염 정도에 따라 자동으로 역류가 이루어지도록 설정할 수 있습니다.
  • CIP(Clean-In-Place): 주기적으로 CIP를 진행하여 막을 청소하고 유지합니다.

6. 미생물 농축 시스템 예시 구성

  • 막: PVDF 스파이럴 와운드 UF 막, 50 kDa MWCO.
  • 유량: 10 L/h의 피드워터.
  • 피드 압력: 2 bar로 설정.
  • 교차 흐름 속도: 3 m/s.
  • 역류 압력: 4 bar.
  • 역류 시간: 30초.
  • 농축액 회수: 100 mL (10L에서 농축).

이 구성을 통해 효율적으로 미생물을 농축하면서도 막의 성능을 유지하고, 시스템의 수명을 연장할 수 있습니다. 

 

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