过滤器完整性试验

过滤器完整性试验
完整性试验（integrity test）是过滤和超滤工作中必不可少的检测方法。

除菌滤器（滤膜或滤芯）或超滤器使用前后均需做完整性检测。

以此确认滤芯孔径、滤芯安装是否正确，滤芯受损情况及滤芯和厂家认证是否一致。

只有这样才能确保除菌或超滤有成功的把握。

尤其是经处理后重复使用的滤芯和超滤膜，更有必要在使用前后做相应的完整性检测。

完整性检测分破坏性检测和非破坏性检测两类。

厂家以颗粒挑战试验或细菌挑战试验来评价或验证滤芯的质量，因滤芯试验后滤膜被颗粒堵塞和污染而废弃，故称为破坏性检测。

用户常用的是非破坏性检测。

本节仅就非破坏性检测作一简介。

FDA认可的非破坏性检测方法有3种，即起泡点试验（bubble point test），扩散流试验（forward flow or diffusive flow test）和压力保持实验或压力衰减试验（pressure hold test or pressure decay test）。

通过非破坏性检测方法可以检测滤器性能，但前提必须是供货商提供经过破坏性试验验证的非破坏性试验标准合格值，否则检测数据无意义。

一、起泡点试验
1．试验原理
起泡点试验是最古老的试验方法，它是颇尔博士于1956年发明的，用于对微米级过滤器进行非破坏性完整检测（David B Patent3007334.Filed November 30.1956）。

其原理是基于毛细管（孔）模型，完全润湿的膜由于表面张力和毛细管压力的作用，使孔径内充满湿润液，当气体的压力达到一定程度液体充满润湿液的膜孔管压力时，液体则被压出膜孔外，然后气体也通过膜孔产生气泡。

气泡点压力是从完全润湿的膜中从最大孔径压出液体时的压力。

2．检测方法
检测起泡点压力有两种方法：如在下游（滤器出口管）充满液体，缓慢加压后，下游管子流出的液量突然增加时，此时的压力即为起泡点压力；如在下游管子没有液体，缓慢加压后，至有连续不断的气泡流出，此时的压力即为起泡点压力，见下列示意图（图9-10）。

现在许多厂家都提供成套仪器检测起泡点，其方法是逐步升压，测定不同压力下，压力衰减值。

将压力急剧衰减时的压力判定为泡点压力。

3．起泡点压力计算公式
以下是膜孔起泡点压力关系的公式
p=4×K×r×cosθ/d
式中 p——起泡点压力；
K——膜孔交正系数；
r——表面张力；
θ——固-液接触角；
d——膜孔直径。

由公式可见起泡点压力与膜孔径大小成反比。

变换起泡点压力公式，可知起泡点压力取决于①膜的种类（聚合物的类型，膜结构，孔径大小）；
②润湿液性质（表面张力，温度）。

改变公式中任一条件，起泡点压力也会随之发生变化。

膜孔径相同起泡点压力也可不同，如某厂家制造的0.22μm孔径滤膜，不同聚合物材质的起泡点压力为：聚偏二氟乙烯膜，纯水起泡点压力≥310kPa（45psi）；纤维素膜纯水起泡点压力≥345kPa（50psi）。

表面张力、水与聚合物间的接触角度不同也会导致起泡点的不同，接触角度微小变化会导致cosθ很大变化，同样也影响起泡点。

日常工作中使用前用注射用水润湿膜，起泡点一般能达到厂家出厂前的要求。

滤膜用于不同的溶液除菌使用后，起泡点发生不同程度变化。

其作用原理与液体的表面张力、固-液接触角度等因素有关。

表9-1系某生物制剂公司用0.22μm孔径PVDF材质滤芯除菌过滤后的起泡点数据，如大于等于此数据，完整性试验即为合格。

表9-1 使用0.22μm孔径PVDF材质滤芯后的起泡点数据
液体名称最低起泡点/kPa 液体名称最低起泡点/kPa
纯化产品200 200 mmol/L PMSF○1 110
生理盐水262 6 mol/L KSC 282
注射用水 276 硼酸缓冲液 276
缓冲盐水 269 亮氨酸缺陷培养基 282
硫柳汞溶液 289 FeCl3溶液 282
1 mol/L氢氧化钠 303 ZnSO4溶液 282
mol/L磷酸液 276
矾溶液 276 27
Triton缓冲液135 3 mol/L KSCN 282
高渗缓冲液 276 1:40福尔马林 206
○1某蛋白酶抑制剂
起泡点方法原理简单，易操作，但其只反映膜孔径，不反映膜厚度，而膜厚度与膜截留性能密切相关。

另外，其测定结果和出口管直径、升压速率有很大关系，数据不易重现。

特别是对于较大膜面积不易确定起泡点。

二、扩散流试验
对过滤器进行非破坏性检测更定量更精确的扩散流法是1973年颇尔博士发明的，其正式发表年限为1975年（Pall B D. Bulletin of the Parenteral Drug Association VOL 29.No,4,July-August,1975）。

1．扩散原理
当滤膜被液体润湿后，上液通入压缩空气或氮气；当膜两侧存在压力差时，气体分子溶解至液体中并在膜的另一侧扩散出来。

该扩散气体的流量即为扩散流。

扩散测试是在比起泡点压力小的压力下进行的，故液体仍会保存在膜孔中。

2．扩散流量的检测
扩散流量可通过计量求得，如果下游管内充
满液体，被排出液体的流量可换算成气体的流
量；如果下游管内液体已被排出，可直接测量气
体的流量。

在起泡点以下的压力时，由于扩散作
用而在下游排出的气体也会形成气泡。

检测时如
果下游管充满液体与气体混合体，应先排掉液体
后再测气体的流量，检测方法可参见图9-11。

当用仪器来测扩散流时，有两种可供选择的测量途径。

一是测定保持上游压力不变时需要补充气体的流量，这样不影响下游的无菌状态（如消毒后），与所用滤壳大小、形状及管道等无关。

二是测定一定时间内压力衰减值，通过上游体积和测得衰减值，换算成为扩散流值，但需先测定上游体积，另外多一步换算，误差较大。

3．扩散流量计算公式
气体扩散可根据Fick的扩散规律计算：
N = K″×（p1－p2）AP/L
式是N——气体流量；
K″——气体在液体中的扩散及溶解因子；
p1——上游气体压力；
p2——下游气体压力；
A——过滤器的表面积；
P——膜的开孔率（70%左右）；
L——气体流过膜孔的长度。

改变测试气体也会改变扩散流量，在276kPa氮气的压力下，孔径0.22μm、滤芯有8ml/min的扩散流量，如果用空气取代则可得到10 ml/min的扩散量。

同样，改变润湿液也会改变扩散流量。

如上述条件不变，用异丙醇润湿，其最大扩散流量为130 ml/min、20℃;用丙酮润湿则340 ml/min、20℃。

因此，要确认厂家的说明书要求,并按说明书要求使用同样的液体及气体作测试,超滤膜生产厂家也经常用扩散流试验验证超滤柱的完整性，如美国A/G公司生产孔径为300KD的超滤柱用此法检测,每平方英尺每分钟 <3 ml为合格，每平方米超滤面积每分钟 <3 ml为合格。

三、压力保持/压力衰减试验
1．测试原理
压力保持/压力衰减试验原理与气体扩散试验原理相同，只是测量的参数不同。

扩散流方法是检测在一定压力下（低于泡点压力）气体从上游扩散至下游的流量，而压力保持/压力衰减是检测在一定时间内扩散流引起的上游压力的衰减。

扩散流与上游体积无关，而压力保持/压力衰减试验必须考虑上游体积。

2．检测方法
气体通过膜既可以在膜下游测流量，也可在膜的上游
测试其压力损失。

当测试气体的压力升高到给定数值时
（一般为测扩散流时的压力），关闭气源，气体通过膜孔
里的水扩散出去，导致上游压力的损失。

通过检测在一定
时间内上游压力损失的情况判断滤器和超滤器的完整性。

此方法适用于使用或重复使用的超滤柱和大面积的微孔
滤包，操作时可参考图9-12。

3．压力保持/衰减公式
气体在滤膜上游，通过膜而在下游扩散出来的流量可根据下述公式计算：
N = V a (p1－p2)÷t×p n
N——扩散流量值；
V a——上游套筒体积；
p1——上游气体压力；
p2——下游气体压力（一般为常压p a)；
t——测试时间；
p n——大气压力，但需注意p2是一直变化逐渐变小的数据。

对同一种滤器，其最大允许压力衰减值Δp max与最大扩散流N max的关系为：
Δp max= p1{1-exp[-N ma x·t p1/( p n V a)]}
为了在测试中获得较高的精确率，测试前必须检查压力表及测试时间。

四、完整性检测故障排除方法
在做起泡点试验或扩散流试验过程中可能会发生一些问题。

因此，为便于及时解决问题和提高试验的正确性，将Millipore公司提供的有关故障排除材料列于表9-2、表9-3，供使用者参考。

表9-2 测试表现为低起泡点时可按下表分析原因及查询解决方法
问题症状问题原因解决方法
低起泡点①不同于说明书的润湿液
②上游出现清洗液
③不洁的润湿液
④曾用产品润湿滤器
⑤产品残留在使用后的膜孔中①确定润湿液产品或指定的测试液
②用厂家指定的测试液冲洗
③用解除吸附液取代所指定的测试液冲洗
低起泡点较高的测试温度①使测试温度标准化
②按厂商指定条件平衡温度
低压下的气泡不同的测试气体核对气体并改变为厂商所指定的测试气体及温度低/高起泡点①垫圈或“O”型圈破损
②压力表有问题
查明问题所在并更换
起泡点非常低润湿不完全，可能部分膜面没有
润湿。

①再润湿
②用较高压力再润湿
③较长时间再润湿
④加热再润湿（冷却后测定）
⑤用醇类/水混合物再润湿
⑥较长时间静止浸泡
⑦用冲洗取代静止浸泡
起泡点低不同的滤器（使用不同生产厂商
的滤器时常会出现）
核对不同厂家的完整性测试技术指标
扩散流测试故障一般有两种表现，其一为低扩散流速；其二为高扩散流速。

两种问题不同，解决方法也不同，参见表9-3。

表9-3 扩散流测试故障排除指南
问题症状可能原因解决方法
低扩散流速较低测试温度①使测试程序和时间标准化
②按厂商指定条件平衡温度
低扩散流速膜在100%堵塞后被测试在水/产品流速测试期间内用清洗液确认堵塞。

低扩散流速使用后在孔道内残留产品 ①确认润湿液，如必要可使其固定化
②用厂家推荐的测试液冲洗
③用解析液取代所指定的液体冲洗
低扩散流速①垫片或“O”型圈破损
②压力表有问题
表明问题并予以更换
高扩散流速①用错润湿液
②残留清洗液
③润湿液不洁
④产品润湿滤器
⑤使用后的膜孔中存有产
品 ①确定润湿液产品或指定的测试液。

②用厂家推荐的测试液冲洗
③用解析液取代所指定的液体冲洗
高扩散流速测试温度高①使测试温度标准化
②按厂商指定条件平衡温度
高扩散流速稳定时间不够充分增加稳定时间
关于起泡点测试故障排除指南
测试表现非常低压下有明显的但较少的气泡出现时可能是混淆了扩散流与起泡点的测试。

出现这种问题应加强人员培训和制定标准操作规程，并改变测试方案。

五、完整性试验常用条件
温度：22℃±5℃，检测过程中温度变化不大于1℃。

常用压缩空气：氮气或氩气，不推荐使用CO2、O2。

湿润液体：亲水性滤器用水或工艺液体，疏水性滤器用醇水溶液。

过滤器的验证
一、除菌级过滤器的验证要求
对除菌过滤器的验证，需关注的项目即对除菌级过滤器的验证要求如下：
1．细菌去除性能
FDA将除菌级过滤器定义为“当过滤器用107/cm2个缺陷短波单胞菌（Brevundimonas Liminuta ATCC 19146）进行过滤挑战试验时，下游滤过液被证明是无菌。

”除菌级过滤器必须首先符合FDA 这一要求，而且模拟实际生产中最恶劣的条件，即挑战到细菌堵塞过滤器（压差大于0.35MPa），这样的过滤器就是通常所说的0.20μm或0.22μm除菌过滤器。

2．完整性试验
除菌过程器必须可以进行非破坏性完整性试验，FDA建议过滤前后都要进行，而所用完整性试验数据标准必须与过滤器破坏性试验如细菌挑战试验相关联，并留有足够的安全系数，前进流（扩散流）、起泡点、压力衰减试验是FDA允许的完整性试验方法。

3．过滤操作条件
确定保持除菌性能时，最恶劣的操作条件，即最高最低温度，压力、黏度、PH、离子强度等。

4．所用材料
过滤器所用材料如滤膜、保护罩、支撑无纺布、密封圈等需符合USP ClassVI121℃塑胶生物安全性试验标准。

5．颗粒清洁度
过滤器用注射用水冲洗后符合美国药典（United States Pharmacopeia，USP）颗粒清洁度要求，无纤维脱落。

6．溶剂萃取物
用有关溶剂萃取后，萃取物需符合USP关于氧化物含量的要求。

7．过滤器消毒批次记录
须保证易于进行工艺追踪和质量控制。

二、除菌过滤器的验证程序
第一步，确定过滤产品的目标品质。

确认过滤前常见细菌类型，微生物含量，颗粒含量，过滤后目标是无菌，无颗粒（或无原体，无病毒）。

第二步，确定过滤产品的生产工艺及物理化学参数。

如PH、黏度、温度表面张力、离子强度及变化范围等。

每一批次液体批量、处理时间、过滤器入口压力、过滤器出口压力。

第三步，所选过滤器的评价。

除菌过滤器评价项目基本上根据过滤器供货商提供的数据（一般以验证指南Validation Guide 或产品介绍形式提供）进行，其内容包括：①材料的安全性；②液体中细菌挑战X验数据；③完整性试验方法及标准值；④消毒条件（方法、温度及时间）；⑤使用条件………。