膜的完整性验证中泡点测试与扩散流测试的原理和区别

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2019-07-09  环球过滤分离技术网  guolv1
膜分离是目前制药工业中应用最广泛的分离技术之一；其主要特点是以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质分子尺寸的分离和混合组分的分离。在制药工艺的去杂、浓缩和除菌等关键步骤上具有重要作用，因此膜分离过滤器的完整性是保证药物质量可控的基本条件；本文将简要介绍完整性测试中的泡点测试和扩散流测试；




一、泡点测试



泡点的定义
    在一块充分浸湿的过滤膜上，气体能从其中最大的毛孔束中穿透置换液体形成气流，这个临界压力就是起泡点压力。



完整性测试
    滤膜被完全润湿后，在上游施加压力，滤膜通道可以看做毛细管，毛细管作用使得浸润在毛细管中的液体从孔中流出

；当上游压力增加，上游气体溶解在润湿液中，由于下游处 于常压状态，低于上游压力，气体会从润湿液中溢出而形成气体的扩散现象。随着上游压力的增大，扩散也加快，当压力增至泡点压力时，下游可检测到显著的扩散气体。在一定 的润湿介质中，不同孔径的滤膜对应不同的泡点值或不同 的 扩散流。因此，如果滤膜有完整性缺陷，如破损，则检测到显著扩散气体时的压力将低于相应的泡点值，用实际测试得到的压力或扩散流值与滤膜本身的泡点值或扩散流值比较，来判断滤膜的完整性。

泡点测试程序

    起泡点测试的一般程序包括：

    1、用相应的溶剂润湿滤膜，一般亲水性滤膜用纯水润湿，疏水性膜用乙醇/水混合溶液润湿；

    2、根据滤芯生产厂家给的资料数据，将系统压力加到预计起泡点压力的80%；

    3、慢慢加压直到出现大量连续的起泡；

起泡点压力的影响因素
    起泡点测试公式：

式中P为起泡点压力值，d为滤膜孔径，k为形状校正因子，σ为表面张力，θ为液-固接触角；公式表示了影响起泡点压力的关键参数：

    接触角θ是液体分子和膜分子之间的夹角。孔洞结构被完全润湿时可视为接触角度为0；

    这两个分子之间相互吸引形成毛细管力提供液体在滤膜孔中的支持力。这种毛细管力与滤膜孔大小成反比，膜孔越小，毛细管力越强，则起泡点越高；   

    形状校正因子k是用来调和理论泡点和实际泡点的差异。由于起泡点等式是在完美圆形孔的基础上形成的，但真实的滤膜孔有各种形状，所以在计算时，对于不规则膜孔需要用形状校正因子来校正。

    注意到，在这些不变量中没有关于气体的性质参数。尽管起泡点测试不依赖于气体性质，但不同的气体对于起泡点测试的精确度却有很大的影响。例如，如果用高溶解度的气体（CO2），它在溶液中高度溶解扩散，这就会很难区分扩散流和起泡点流体。



二、扩散流测试

扩散流测试
    在大于起泡点压力作用下气体流可以快速通过滤孔；而在压力小于起泡点压力时，事实上，有非常小的气体流在滤膜孔中的液体间进行扩散。这个气体流是由于滤膜两边的压力差或压力梯度而形成的，即膜压差造成跨膜气体浓度差。因为当滤液完全润湿滤膜，在过滤器上游通气体后，过滤器上游的气体分子比下游要多，为了保持平衡，过滤膜上游的气体分子将会溶解到滤膜孔中的液体中，然后在过滤器中扩散直到到达过滤滤膜的下游端，结果使膜孔溶解的气体流出。这种气体流就叫做扩散流。扩散流大小不直接与滤器孔径关联。

扩散流测试程序
    1、用合适的滤液完全润湿滤膜，亲水性滤膜可以用水溶液润湿，亲油性滤膜用水/乙醇混合溶液润湿；

    2、慢慢增加滤膜上游的压力到推荐起泡点的80%为宜。

若滤膜出现破损，则这时在80%泡点值的压力下，会扩散更多气体使得下游气流大于规定值；

    3、等待系统平衡后，用流量计或者倒置的量筒测量气体流量1 min；

泡点测试和扩散流测试
    在膜面积较小时，起泡点测试的结果就可以为完整性测

试做出客观判断，这时不需要做扩散流测试，因为扩散流值非常低，不容易测量，而起泡点值由于其“连续不断的气泡出现”的现象则很容易判断。

    在膜面积较大时，需要尽可能多关于膜的信息，可以使用起泡点和扩散测试相结合的方式。判断是起泡点还是扩散流非常重要，手动测试起泡点是基于实际测量的气体流量，扩散是基于定量测量的气体流量。

    气体流速越大越难分辨起泡点和扩散流，一般滤器流速≥100mL/min时运用扩散流测试；此外，一些大而薄的滤膜和有机溶剂润湿过的滤膜也适合运用扩散流测试。

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