在制藥工藝中,終端除菌濾芯的完整性測(cè)試是一種必要手段。通過(guò)檢測(cè),可以判斷出濾膜是否符合供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn),過(guò)濾芯安裝的是否正確,可以確定濾芯接口和濾器的尺寸是否相配,還可以確保工藝系統(tǒng)是否密閉等等,以確保生產(chǎn)過(guò)程中的安全。
起泡點(diǎn)測(cè)試:
泡點(diǎn)法檢測(cè)濾膜、濾芯孔徑的方法為全世界通用的檢測(cè)方法,其原理為當(dāng)膜被液體完全潤(rùn)濕后,在膜的兩側(cè)加上氣體壓差△P,由于毛細(xì)孔效應(yīng)和液體表面張力在一定的氣壓下,液膜被沖開(kāi),氣體氣泡半徑與孔徑相等時(shí)會(huì)穿過(guò)孔,此時(shí)接觸角為0°,氣泡將產(chǎn)生于最先通過(guò)的最大孔。進(jìn)一步有專家建議可以根據(jù)氣泡出現(xiàn)的次序與數(shù)量,給出起泡點(diǎn)壓力,群泡點(diǎn)壓力、全泡點(diǎn)壓力等更具體的定義。所以廣義的氣泡點(diǎn)壓力在不同的理解中可能就分別被取代為起泡點(diǎn)壓力,群泡點(diǎn)壓力、全泡點(diǎn)壓力等。
之所以出現(xiàn)上述不同的理解,可能源于對(duì)過(guò)膜氣體流量的物理意義還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。
起泡點(diǎn)壓力是從完全潤(rùn)濕的膜中,從最大孔徑中壓出液體的氣體壓力,用于實(shí)驗(yàn)的液體必須完全對(duì)膜進(jìn)行潤(rùn)濕,這時(shí)在膜孔里會(huì)充滿液體。當(dāng)氣體的壓力大于膜孔內(nèi)的毛細(xì)管壓力和表面張力時(shí),液體才能被壓出膜孔。如果膜的種類和潤(rùn)濕液不同,也就是說(shuō)膜的材質(zhì)、膜的結(jié)構(gòu)、孔徑大小、表面張力、溫度的改變都會(huì)對(duì)起泡點(diǎn)壓力有所影響。 濾芯被完全、充分浸潤(rùn)后,處于氣相中的氣體要將吸附、封堵于毛細(xì)管壁里的液體推出,需要克服一定的液體表面張力。
壓力和孔徑由Laplace方程確定:
2σcosθ
γp= ____________
△P
式中:γp為濾材的孔半徑(m),σ為液體/空氣表面張力(N/m),θ為液體與孔壁間接觸角(°),△P為壓強(qiáng)(N/m2)
泡點(diǎn)法簡(jiǎn)單易行,廣泛用于產(chǎn)品質(zhì)量的控制和檢測(cè),其檢測(cè)的為濾材的最大孔徑,因此該方法保證了受檢品的過(guò)濾精度,同時(shí)保證了產(chǎn)品的質(zhì)量,檢測(cè)的手段主要是有兩種:1.通過(guò)目測(cè)來(lái)鑒別起泡的壓力點(diǎn)2.通過(guò)完整性測(cè)試儀自動(dòng)檢測(cè)出數(shù)據(jù)。但因?yàn)棣遥ū砻鎻埩Γ┦軠囟鹊挠绊懕容^大,不同的溫度有不同的表面張力,所以在不同的檢測(cè)地方,其檢測(cè)數(shù)據(jù)略有不同,一般檢測(cè)液和檢測(cè)環(huán)境溫度為25℃。
水侵入法測(cè)試
水侵入測(cè)試方法是基于水在疏水性濾膜表面存在表面張力和毛細(xì)管現(xiàn)象發(fā)展出來(lái)的。把水壓進(jìn)最大的膜孔所需要的最小壓力稱為水侵入壓力。進(jìn)行水侵入測(cè)試時(shí)的壓力要低于水侵入壓力,而對(duì)于一個(gè)完整的過(guò)濾器,將不會(huì)有水真正通過(guò)過(guò)濾膜進(jìn)入下游。水侵入測(cè)試過(guò)程當(dāng)中測(cè)定的是折疊過(guò)濾器結(jié)構(gòu)尺寸上被擠壓而產(chǎn)生的液面下降,形成的“表觀”水流量。疏水性濾膜常規(guī)用醇類作氣泡點(diǎn)測(cè)試,在有的應(yīng)用環(huán)境中可能會(huì)帶來(lái)污染,水侵入法就可以消除上述缺點(diǎn)。
d=孔徑
k=形狀矯正因子
?? =液固接觸角
r=表面張力
影響水侵入檢測(cè)值的因素有濾膜的干燥度和潔凈度,在重復(fù)使用過(guò)的濾膜要注意這方面的影響
水侵入測(cè)試是一種高度靈敏,不用醇類而根據(jù)水流量進(jìn)行疏水性濾膜完整性測(cè)試的方法。由于濾膜沒(méi)有被潤(rùn)濕,幾乎是干燥的,所以可以在完整性測(cè)試結(jié)束后馬上投入使用而只需要最少的或不需要干燥工作。
擴(kuò)散流測(cè)試
濾芯被浸潤(rùn)后,在濾器的上游隔絕一定體積和壓力的氣體,當(dāng)注入的氣體壓力接近該濾芯的起泡點(diǎn)值時(shí),一般在群起泡值的80%,這時(shí)還沒(méi)有出現(xiàn)大量的氣體穿孔而過(guò),只有少量的氣體首先溶解到液相的隔膜中,然后從該液相擴(kuò)散到另一面的氣相中,這部分氣體從孔道氣-液界面中擴(kuò)散出去,稱之為擴(kuò)散流(D)。這部分氣體流量的的大小基本遵循Fick定律與Henry定律,結(jié)合起來(lái)可以給出如下的計(jì)算公式:
dD/dt =p*d*H*L*?P
?P: 透過(guò)膜的壓力
H:氣體在液體中的溶解系數(shù)
p:膜的孔隙率
L:膜的厚度系數(shù)
D:氣/液系統(tǒng)擴(kuò)散常數(shù)
上述公式表明,氣體擴(kuò)散流與溶解度系數(shù)相關(guān),在不同的潤(rùn)濕液體中的溶解度不同,使用CO2測(cè)定比用N2測(cè)定的擴(kuò)散流大很多。其他直接影響擴(kuò)散流的因數(shù)還包括:壓差,氣/液擴(kuò)散系數(shù),膜厚度系數(shù),孔道的分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及其他限制液體流量的因數(shù)等。通過(guò)在測(cè)試壓力下測(cè)量氣體擴(kuò)散流量可以測(cè)量擴(kuò)散流,但是擴(kuò)散流與濾膜孔徑無(wú)關(guān)。對(duì)于大面積濾器而言不會(huì)影響擴(kuò)散流測(cè)試結(jié)果的判斷,所以對(duì)于大面積過(guò)濾器而言,推薦采用擴(kuò)散流測(cè)試。而對(duì)于小面積濾器測(cè)試,由于擴(kuò)散流很小,測(cè)量誤差可能較大,推薦采用直接與孔徑關(guān)聯(lián)的泡點(diǎn)測(cè)試