起泡點(diǎn)測(cè)試

起泡點(diǎn)測(cè)試是一種簡(jiǎn)易的非破壞性過(guò)濾器完整性測(cè)試方法。由于不同過(guò)濾器廠家生產(chǎn)的過(guò)濾膜的結(jié)構(gòu)不盡相同，所以合格標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。必須通過(guò)細(xì)菌截流試驗(yàn)證明起泡點(diǎn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與過(guò)濾器的細(xì)菌截流量之間存在線性相關(guān)，否則，所制定的起泡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)就是無(wú)效的，且不能保證符合該起泡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)濾器能夠截流足夠量的細(xì)菌。圖2.73為過(guò)濾器的起泡點(diǎn)與細(xì)菌截流量之間線性相關(guān)圖，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該圖，就可以確立過(guò)濾器的起泡點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2.73起泡點(diǎn)與細(xì)菌截流量的線性相關(guān)圖

起泡點(diǎn)測(cè)試基于毛細(xì)管模型，該模型認(rèn)為，濾膜的結(jié)構(gòu)中充滿了微孔流道，這些微孔流道就形成了很多“毛細(xì)管”，當(dāng)濾膜被潤(rùn)濕液體完全潤(rùn)濕后，液體受到表面張力的作用而保留于濾膜內(nèi)部，如果要想將液體擠出膜孔就需要外加一個(gè)氣體壓力，能夠克服表面張力將膜孔內(nèi)的液體完全擠出時(shí)所需要的最小壓力就是濾膜的泡點(diǎn)值壓力，也就是濾膜的起泡點(diǎn)。基于這種原理的測(cè)試方法，就是起泡點(diǎn)測(cè)試法(圖2.74)。

圖2.74起泡點(diǎn)測(cè)試原理

起泡點(diǎn)測(cè)試是應(yīng)用最為廣泛的一種非破壞性完整性測(cè)試方法。以下為泡點(diǎn)值計(jì)算公式

式中，BP為泡點(diǎn)壓力;d為孔徑;k為形狀矯正因子;θ為液固接觸角;γ為表面張力。

膜材料、表面張力、接觸角和有效孔徑都會(huì)影響濾膜的泡點(diǎn)值。對(duì)濾膜而言，有很多微孔存在，每個(gè)孔的泡點(diǎn)值不一定完全一樣，所以濾膜的泡點(diǎn)值指的是該濾膜可能的最大膜孔的泡點(diǎn)值，也就是最大直徑膜孔的泡點(diǎn)。當(dāng)達(dá)到泡點(diǎn)后，濾膜至少有一個(gè)孔會(huì)被吹干，氣體會(huì)迅速通過(guò)該干燥的孔吹至膜下游，從下游氣體流量的突變可以判斷該濾膜達(dá)到了泡點(diǎn)。高起泡點(diǎn)值并不是意味好的過(guò)濾膜，例如，兩種無(wú)菌過(guò)濾膜用同一細(xì)菌截留可能有不同的最小泡點(diǎn)值;同一種無(wú)菌過(guò)濾膜采用不同的溶劑進(jìn)行潤(rùn)濕也會(huì)產(chǎn)生不同的最低泡點(diǎn)值。

起泡點(diǎn)測(cè)試操作方法

起泡點(diǎn)測(cè)試的操作方法分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種。手動(dòng)測(cè)試通常適用于過(guò)濾器面積小于2000cm2的工況;自動(dòng)測(cè)試適用于氣體流速超過(guò)100ml/mm或自動(dòng)測(cè)試儀限定的工況。對(duì)大面積過(guò)濾器而言，由于擴(kuò)散流較大，手工完整性測(cè)試中可能會(huì)影響泡點(diǎn)值的判斷，所以，對(duì)于大面積濾器手工測(cè)試推薦采用擴(kuò)散流測(cè)試;而對(duì)于小面積過(guò)濾器，由于泡點(diǎn)與濾器孔徑可以直接關(guān)聯(lián)，可以采用起泡點(diǎn)測(cè)試(圖2.75)。

圖2.75手動(dòng)操作的起泡點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

水浸入測(cè)試

水浸入(HydroCorr)測(cè)試也稱為“擠水法”，該測(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HydroCorr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。HydroCorr測(cè)試過(guò)程中，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(圖2.76)，其水流指標(biāo)是與細(xì)菌挑戰(zhàn)有關(guān)。

圖2.76水浸入(HydroCorr)測(cè)試的原理

HydroCorr測(cè)試法是一種高度靈敏、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，它有效避免了乙醇與水混合物作為疏水濾芯潤(rùn)濕溶液帶來(lái)的成本高、燃燒隱患、高擴(kuò)散流、難于在線測(cè)試且殘留有機(jī)溶劑等缺陷。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

擴(kuò)散流測(cè)試也稱前進(jìn)流測(cè)試，該方法主要是基于溶解/擴(kuò)散模型。當(dāng)濾膜被潤(rùn)濕液體完全潤(rùn)濕后，如果在過(guò)濾器的上游存在壓縮氣體，而該壓縮氣體的壓力值又小于泡點(diǎn)壓力時(shí)，壓縮氣體一側(cè)的氣體濃度會(huì)高于常壓一側(cè)，氣體分子會(huì)從高壓側(cè)溶解到潤(rùn)濕液體中并擴(kuò)散至常壓側(cè),如果在下游接一根管道會(huì)發(fā)現(xiàn)有氣體緩慢流出，在低壓側(cè)的氣體流量即為擴(kuò)散流(圖2.77)，通過(guò)檢測(cè)擴(kuò)散流的完整性測(cè)試方法稱為擴(kuò)散流測(cè)試。

圖2.77擴(kuò)散流與起泡點(diǎn)的區(qū)別

氣體的擴(kuò)散符合Fick定律，擴(kuò)散流量與濾膜兩側(cè)壓差和膜面積成正比，為了消除測(cè)試壓力不同所帶來(lái)的影響，擴(kuò)散流測(cè)試都在固定的壓力下進(jìn)行(通常為泡點(diǎn)值的80%)。以下為擴(kuò)散流計(jì)算公式

擴(kuò)散流量=

式中，擴(kuò)散流量為低壓側(cè)的氣體流量;K為擴(kuò)散/溶解常數(shù);P1-P2為膜兩側(cè)壓差;P為濾膜開(kāi)孔率;L為有效膜孔的長(zhǎng)度;A為膜表面積。

壓力對(duì)濾膜的透過(guò)氣流量有較大影響。壓力增加，濾膜透過(guò)的氣體流量會(huì)隨著增加，濾膜下游的氣流從擴(kuò)散流、泡點(diǎn)區(qū)到大量氣流逐漸過(guò)渡，圖2.78為濾膜的壓力/流量特征曲線。改變完整性檢測(cè)氣體對(duì)擴(kuò)散流結(jié)果也會(huì)有影響，例如，在2.8bar下采用氮?dú)夂蛪嚎s空氣分別對(duì)某同一只濾膜進(jìn)行擴(kuò)散流試驗(yàn)，氮?dú)獾臄U(kuò)散流值為不高于8ml/min;壓縮空氣的擴(kuò)散流值為不高于l0ml/min。二氧化碳在水中溶解性較大，不能作為完整性檢測(cè)氣體使用。

圖2.78濾膜的壓力/流量特征曲線

擴(kuò)散流可以評(píng)價(jià)濾膜的完整性，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(圖2.79)。溫度對(duì)擴(kuò)散流有較大影響，但擴(kuò)散流與濾膜孔徑無(wú)關(guān)，對(duì)于大面積濾器測(cè)試，濾膜面積不會(huì)影響擴(kuò)散流測(cè)試結(jié)果的判斷，推薦采用擴(kuò)散流測(cè)試。

圖2.79擴(kuò)散流工作原理圖

完整性檢測(cè)不同要求

中國(guó)GMP2010版雖然沒(méi)有明確過(guò)濾前必須做完整性檢測(cè)，但歐盟和FDA均要求除菌級(jí)過(guò)濾器在滅菌后及時(shí)進(jìn)行完整性檢測(cè)，以保證在藥液過(guò)濾前除菌濾膜始終處于完整狀態(tài)。擴(kuò)散流試驗(yàn)的操作方法分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，自動(dòng)完整性檢測(cè)儀(圖2.80)可以在排除下游無(wú)菌狀態(tài)受到影響的情況下操作，它排除了操作人員的主觀因素，每次操作后可打印記錄并可驗(yàn)證，完全符合GMP的質(zhì)量控制要求。

圖2.80在線完整性檢測(cè)儀