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除菌滤芯的完整性测试原理和方法
来源于: 更新日期:2012/2/21 15:29:32 点击率:6186

在制药工艺中,终端除菌滤芯的完整性测试是一种必要手段。通过检测,可以判断出滤膜是否符合供应商提供的标准,过滤芯安装的是否正确,可以确定滤芯接口和滤器的尺寸是否相配,还可以确保工艺系统是否密闭等等,以确保生产过程中的安全。

    起泡点测试:

   

泡点法检测滤膜、滤芯孔径的方法为全世界通用的检测方法,其原理为当膜被液体完全润湿后,在膜的两侧加上气体压差△P,由于毛细孔效应和液体表面张力在一定的气压下,液膜被冲开,气体气泡半径与孔径相等时会穿过孔,此时接触角为0°,气泡将产生于最先通过的最大孔。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。

 

压力和孔径由Laplace方程确定

2σcosθ

γp ____________

        △P

式中:γp为滤材的孔半径(m),σ为液体/空气表面张力(N/m),θ为液体与孔壁间接触角(°),△P为压强(N/m2

    泡点法简单易行,广泛用于产品质量的控制和检测,其检测的为滤材的最大孔径,因此该方法保证了受检品的过滤精度,同时保证了产品的质量,检测的手段主要是有两种:1.通过目测来鉴别起泡的压力点2.通过完整性测试仪自动检测出数据。但因为σ(表面张力)受温度的影响比较大,不同的温度有不同的表面张力,所以在不同的检测地方,其检测数据略有不同,一般检测液和检测环境温度为25℃。

  水侵入法测试

  水侵入测试方法是基于水在疏水性滤膜表面存在表面张力和毛细管现象发展出来的。把水压进最大的膜孔所需要的最小压力称为水侵入压力。进行水侵入测试时的压力要低于水侵入压力,而对于一个完整的过滤器,将不会有水真正通过过滤膜进入下游。水侵入测试过程当中测定的是折叠过滤器结构尺寸上被挤压而产生的液面下降,形成的“表观”水流量。疏水性滤膜常规用醇类作气泡点测试,在有的应用环境中可能会带来污染,水侵入法就可以消除上述缺点。

      d=孔径

      k=形状矫正因子

  =液固接触角

      r=表面张力

  影响水侵入检测值的因素有滤膜的干燥度和洁净度,在重复使用过的滤膜要注意这方面的影响

  水侵入测试是一种高度灵敏,不用醇类而根据水流量进行疏水性滤膜完整性测试的方法。由于滤膜没有被润湿,几乎是干燥的,所以可以在完整性测试结束后马上投入使用而只需要最少的或不需要干燥工作。

  扩散流测试

  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,一般在群起泡值的80%,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。通过在测试压力下测量气体扩散流量可以测量扩散流,但是扩散流与滤膜孔径无关。对于大面积滤器而言不会影响扩散流测试结果的判断,所以对于大面积过滤器而言,推荐采用扩散流测试。而对于小面积滤器测试,由于扩散流很小,测量误差可能较大,推荐采用直接与孔径关联的泡点测试