滤芯、滤芯完整性测试

滤芯、滤芯完整性测试

滤芯、滤膜完整性测试

完整性测试的传统方法包括:气泡点测试法、扩散流测试法，这些测试方法都要求使用合适的湿润剂将被测滤膜彻底湿润。对于疏水性滤膜，采用上述方法

测试前，必须使用表面张力比滤膜材质本身表面张力小的润湿剂，实际应用中采

用如醇类或醇水混合液等有机溶剂作为湿润剂，来保证滤膜充分湿润。当过滤系

统是生物反应器或发酵罐的无菌空气过滤器和呼吸器时，经测试过程而残留在滤

膜的有机溶剂会对料液产生危害。同时，从操作的安全性考虑，使用有机溶剂时，

对相应的生产设备必须进行防燃和防爆等保护措施，并且还有避免有机溶剂污染

产品，最后，使用前干燥滤器的方法也相当复杂。此外，在线测试滤器完整性的

同时，还必须测定滤器的安全密封性。而滤器在经过在线蒸汽灭菌后，就不能在

使用有机溶剂湿润滤器来进行完整性测试。

1. 起泡点

所谓气泡点，最朴素的原理可以理解为这样，取一定材质的滤膜或滤芯，

用一定的溶液润湿，然后在一侧加压隔离一定压力的气体之后，随着气体压力的

增加，气体从滤膜一侧释出，表现为膜一侧出现大小、数量不等的气泡，对应的

压力值为气泡点压力。进一步有专家建议可以根据气泡出现的次序与数量，给出

起泡点压力，群泡点压力、全泡点压力等更具体的定义。所以广义的气泡点压力

在不同的理解中可能就分别被取代为起泡点压力，群泡点压力、全泡点压力等。

之所以出现上述不同的理解，可能源于对过膜气体流量的物理意义还没有统一的

认识。起泡点压力是从完全润湿的膜中,从最大孔径中压出液体的气体压力,用于

实验的液体必须完全对膜进行润湿,这时在膜孔里会充满液体。当气体的压力大

于膜孔内的毛细管压力和表面张力时,液体才能被压出膜孔。如果膜的种类和润

湿液不同,也就是说膜的材质、膜的结构、孔径大小、表面张力、温度的改变都

会对起泡点压力有所影响。滤芯被完全、充分浸润后，处于气相中的气体要将

吸附、封堵于毛细管壁里的液体推出，需要克服一定的液体表面张力，此张力与

毛细管孔物理性状、液体-膜材料的浸润角和气体压力的关系式为:

R = 2k?δ?cosθ/?p

其中:

R——微孔半径;

δ——液体表面张力系数;

θ ——液体滤膜材料的浸润角;

?p ——气体作用在毛细管孔上的净压力;

K ——孔型修正系数。

上述表达式表明:孔径愈小，被压缩空气通过而产生的第一个气泡所需的压力愈

高，通过最大孔道所需的压力值最小，称为该膜的起泡点。据此可以分析滤膜、

滤芯膜的最大孔径值。至于关于其它的泡点的定义，如果没有给出具体的气体流

量的定量描述，也就失去了客观的判断依据。

2. 扩散流与粘性流

滤芯被浸润后，在滤器的上游隔绝一定体积和压力的气体，当注入的气体压力接近该滤芯的起泡点值时，这时还没有出现大量的气体穿孔而过，只有少量的

气体首先溶解到液相的隔膜中，然后从该液相扩散到另一面的气相中，这部分气

体从孔道气-液界面中扩散出去，称之为扩散流(D)。这部分气体流量的的大小基本遵循Fick 定律与Henry 定律，结合起来可以给出如下的计算公式: dD/dt =p*d*H*L*?P

?P: 透过膜的压力

H:气体在液体中的溶解系数

p:膜的孔隙率

L:膜的厚度系数

D:气,液系统扩散常数

上述公式表明，气体扩散流与溶解度系数相关,在不同的润湿液体中的溶解度不

同，使用CO2 测定比用N2 测定的扩散流大很多。其他直接影响扩散流的因数还包括:压差，气,液扩散系数，膜厚度系数，孔道的分支拓扑结构以及其他限制液体流量的因数等。

当压力进一步慢慢增加，最大的孔径部分或全部被吹开，或者又复闭、半闭等情

形下，气体流量会出现较大量的畸变、增加，这时的气流称为粘性流(N)，粘性流的特性遵循空气动力学的一些规律，按照伯努力能量守恒方程可以推导出[:

N=A*(2ρ?P)0.5

A:孔道平均截面积

?P:孔道端压差

ρ:气体重度

按照上面定义的气泡点概念，理论上讲气泡点值到达后，粘性空气流非线性增长，

同时，伴随相对稳恒的扩散流，更多的较小孔中液体也逐渐被排空，出现更多的

非线性粘性流。此时继续增大压力，从微观上分析，通过无水滤膜的单个的孔道

粘性空气流呈线性增长，但是随着粘性流孔道数目的增加，宏观上的粘性流表现

为非线性变化。空气流曲线的非线性部分反映了滤膜孔径的分布，孔径分布越窄，

缓慢的扩散流与快速的粘性流的差异越大，如果混合了扩散流子项的贡献，曲线

的非线性部分十分复杂。此时仪器测到的可能是扩散流与部分粘性流的加合的流

量，称为表观扩散流(apparent diffusion flux, ADF)，利用对这种气-液膜透气过

程的分析，有望理解 ADF 与膜截流能力的对应关系。

3. 压力衰减法测定气泡点的基本原理

从气泡点的概念以及计算公式作进一步引申，如果在滤器或滤膜的一侧逐步增加压力，并同时不断地测定滤器或滤膜另一侧的压力衰减，就可以判断泡点位

置，近似计算出来最大孔径的值。多年来，通过压力衰减原理[4]来大致分析气

泡点的方法一直沿用至今。优点是对机器的软、硬件要求不高，计算量比较少。

塞多利斯公司推荐的一个判据为:在5 秒钟内压力衰减50mbar 即可以认为泡点

出现[7]。这样的规定主要也参考了机器检测能力所能达到的精度。通常使用

的

压力传感器的精度大约在2mbar 之间，传感器的跳变加上外部电路的飘移，一般可以确切分析的压力衰减大概在上下10-20mbar 左右，如果设计的分析窗口的大小在5 秒钟左右，定义50mbar 的压力衰减量，机器基本上是可以胜任

的。

这样对于一个2L 左右的测试体系，在3000mbar 左右的测定压力下，取得95% 可信限的结果时，总的精度范围大约在压力衰减150mbar,表观扩散流量

100ml

左右，密理博公司对仪器的硬件部分作出了苛刻的改进，测试要求比此标准

相

对要严格一些。如果测试用机器缺乏温度补偿、体积校验等补偿功能，测试

数

据的可靠性与灵敏度就会有相当大的损失。

一般而言，采用压力衰减原理作气泡点分析，在实际分析工作中一般很难知

道气泡点的确切位置。只能求取一个大概的范围。尤其对于聚醚砜类膜，如

果

不依靠细菌挑战试验结果的帮助，单纯依靠压力衰减分析原理，辨认出泡点位

置

比较困难，因为此时真实的信号大部分掩埋在噪音之中。

4. 表观扩散流分析原理

表观扩散流流量 Q 可以表达为:

Q=αD+βN ，α，β 是分配给纯粹的扩散流与粘性流的权重参量

D,N 可以进一步表达为 :