过滤基本知识.ppt

1、过滤基本知识-微滤（Microfiltration）,概述,滤材,孔,过滤的定义：即利用有孔介质从流体(液体或气体)中除去污染物。,过滤的定义,除颗粒：澄清、预过滤、分离，保护下游产品或设备除菌：不耐热液体产品的终端过滤和无菌生产的气体过滤，使产品达到行业的规定或标准分子纯化：脱盐、脱醇、去除小分子物质浓缩,过滤的目的,过滤的形式-死端过滤示意图,死端过滤方向与滤液流动方向相同,死端过滤（或带搅动装置）应用领域：1、微滤澄清最大处理量为2000ml),过滤的形式-切向流流向示意图,过滤方向同滤液流动方向相垂直,压力,切向流过滤应用领域：1、微滤用于收集细胞或去除杂质2、超滤所有生产规模的超滤,

2、死端过滤及切向流过滤的通量-时间示意图,通量,时间,时间,滤饼层厚度,通量,滤饼层厚度,死端过滤切向流过滤,需通过过滤去除的杂质分类,微孔过滤,超滤,70um/50um/20um,8um/5um/3um,1um/0.8um/0.65um,0.45um/0.2um,0.1um,300KD,100KD,30KD,10KD,5KD,肉眼可见微粒,细胞,酵母,霉菌,细菌,胶体,病毒,蛋白,脂质体,热原,多肽,类菌质体,过滤介质的孔径-以m标称过滤等级区分,人类头发的直径约为75m人类肉眼可见的颗粒直径约为40m.澄清过滤，即从液体中去除大于等于40m的颗粒，小于这个尺寸的颗粒肉眼是看不见的。0.2m孔

3、径的滤膜专用于除菌过滤。,头发,细菌,酵母菌,物浊物,MF、UF、NF和RO的共同特点是以静压差为推动力而达到分离目的。它们的区别是分离精度不同，因而压差也不同。定义如下：微滤（MF）：指大于0.1m的微粒或可溶物被截留的压力驱动型膜过程。超滤（UF）：指小于0.1m大于2nm的微粒或可溶物被截留的压力驱动型膜过程。纳滤（NF）：指小于2nm的微粒或可溶物被截留的压力驱动型膜过程。反渗透（RO）：指高压下溶剂逆着其渗透压而选择性透过的膜过程。由于分离的精度不同，因而其原理、过程用膜及操作方式也不完全相同。,过滤的分类-依据孔径大小区分,定义,过滤/分离范围,过滤与超滤的区别,在过滤的定义中，其

4、含义涵盖了超滤这个概念，也就是说超滤是过滤的一种，过滤除了超滤之外还包括微滤和钠滤等形式。,微滤和超滤的区别,微孔过滤是指过滤介质的孔径在0.1um以上的，如0.1、0.2、0.45um等，超滤一般指过滤介质的孔径的截留范围在1K0.1um之间，用截留分子量来表示，如；1、3、10、50K等。,纸板过滤：属于深层过滤，过滤介质为纸板，其使用形式有滤堆，过滤纸板，主要作用是预过滤或沉淀的分离微孔过滤：大多属于表面过滤，过滤介质为微孔滤膜、其使用形式有微孔滤芯、平面滤膜等，主要应用于预滤、除菌；分亲水性和疏水性超滤：盒式超滤和中空纤维超滤。主要作用是置换缓冲液和浓缩钠滤：反渗透，主要作用是脱盐,生

5、产中过滤的应用,过滤术语（FilterTerminology）,流速（FlowRate）：气体或液体透过膜的速度。单位时间内的液体或气体通过量，如升/小时，L/h。比较不同的滤膜的流速时，必须用单位时间内单位过滤面积的流量作比较。,通量（Throughput）：滤膜所能透过的气体或液体总量。在滤膜被截留的颗粒物所堵塞、流速衰减至不能进行过滤之前，该滤膜所透过的气体或液体总量，通常用体积表示。在实际的过滤中，要求滤膜具有一定的通量，比如一次必须能过滤一个批次的料液，否则，就不得不中断过滤，更换堵塞的滤膜，这会在时间和成本上造成很大的浪费。因此，在过滤之前，应根据流速衰减实验来评估所需要的过滤面积

6、，已选择可以胜任的过滤器。,容尘量（DirtHoldingCapacity）：滤膜在被堵塞前所能截留的气体或液体中颗粒物的数量。指从开始过滤到滤膜逐渐被颗粒物堵塞，流速衰减至不能接受的水平时，该滤膜所截留的污染物的总量。因为膜孔是易堵塞的，所以在恒定的压力下，流速也是逐渐衰减的。根据收益递减理论，通常在某一点上，滤膜还没有完全堵死，仍有一点的流速，但如果继续过滤所付出的的成本已与收益不成比例时，就认为滤膜的使用寿命已经结束，能再用了。,压差/压降（DifferentialPressure/PressureDrop）：滤膜上游和下游两面压力的差。产生原因：1.由流体阻力产生2.在干净的过滤器，由

7、滤孔产生,过滤术语（FilterTerminology）,孔径/过滤精度（PoreSize/RetentionRating）：滤膜上膜孔的直径。孔径的标识和过滤精度并不是一回事，标称的孔径，只是一个指定的号码，并不表示膜孔的实际尺寸（直径），如一个厂家的0.1um，可能相当于另一个厂家的0.2/0.22um，标识的孔径实际上更像一个产品编号。,过滤精度单位是um，通常在过滤领域，我们使用公称精度（Normial）和绝对精度（Absolute）两种。,过滤术语（FilterTerminology）,依据绝对精度或公称精度,如何确定过滤器的性能呢？,过滤精度单位是um，通常在过滤领域，我们使用公称

8、精度（Normial）和绝对精度（Absolute）两种。两种精度的定义和算法有所不同，简单讲：Norminal的定义是某个精度以上的污染物总重量的拦截效率来定义；即以过滤介质拦截Xum以上的效率，每个企业定义不用，一般国外的公司PALL，3M(CUNO)，Millpore，定义需要在85%以上，国内的过滤效率一般在50%左右，或者更低；Absolute是过滤行业内部的统一标准，有beta值(过滤前的颗粒/过滤后颗粒)和过滤效率值(1-b)，通常绝对精度的定义过滤效率需要在99.9%以上，视公司产品不同而定。滤芯的选择，通常Normial的滤芯以深层过滤depthfilter为多，用于工业级别

9、比较多或预过滤阶段pre-filtration；Absolute滤芯以膜过滤surfacefilter居多，多在终过滤阶段finalfiltration。,过滤术语（FilterTerminology）,绝对精度Absolute100%(亦有以99.99or99.9999%)去除率.凭借完整性试验，可使过滤效果不断重現.多指薄膜和少数致密纤维结构滤材而言.生产要求严，生产失败率高，一般较为昂貴.,公称精度Normial可以是98%，60%甚至更低的去除率.凭借较厚的滤材深度，可增加杂质捕捉能力.多指纤维或无纺布結构之深度型滤材而言.生产失败率低,较为价廉.,过滤器精度表示法对比,亲水/疏水（H

10、ydrophilic/Hydrophobic）：可以被水润湿/排斥水。亲水性，是指滤膜能够被水润湿；水分子可以通过，气体不能通过。疏水性，是指滤膜不能够被水润湿，水分子不能通过，气体可以通过。滤膜的亲水/疏水性取决于滤膜的材质，亲水性滤膜主要用于液体过滤，疏水性滤膜用于空气过滤。,过滤术语（FilterTerminology）,亲水性:可以被水润湿的滤膜用来过滤水性介质.疏水性:不能被水浸润，但可被有机溶剂如乙醇浸润。用来过滤气体或非水性介质.,疏水性/亲水性,aqueous,过滤介质类型,深度过滤介质（纸板过滤）1、污染物捕获于介质内部结构的一种过滤介质，其滤孔遍布整个介质厚度。2、变化的流

11、体通道可以获得更高容污能力表面过滤介质（滤膜）1、所有滤孔在同一个平面上2、特点：主要依靠直接拦截(小于孔径的颗粒将穿过)）；惯性撞击无效；扩散拦截有微效.,表面过滤vs深层过滤介质特点对比,表面过滤介质通过直接截留机制拦截粒子绝对截留拦截颗粒物在滤膜表面低容尘量耐压力波动窄孔径分布,深层过滤介质公称孔径有多种截留机理拦截颗粒物在过滤介质内部高容尘量压力波动时颗粒会发生泄露宽孔径分布,深层和表面过滤器的特点对比,使用时间,流速,表面型,深度型,深度型：用毕抛弃型多为公称过滤容污量大使用寿命长适用于硬、软或纤维各种杂质过滤能长时间维持一定流量易于设计,表面型：可清洗再用多为绝对过滤容污量小不适用

12、于杂质含量高体系不适用于软性或纤维杂质过滤压降直线变化，难以设计过滤器大小,1、过滤的常用类型-深层过滤的原理及应用,三、过滤介质的常用类型,填补在上游和下游处理的过滤产品线的空白并有利于过滤过程的优化-在颗粒物和胶体含量过高，标准滤芯不能胜任的应用领域-保护下游的标准表面过滤滤芯另外，由于使用滤堆无须改变现有技术，可直接取代平面纸板，增加了过滤的规范性,深层过滤的意义,深层过滤基本原理,直接碰撞附着1um以上,惯性碰撞捕捉0.3um到1um,扩散捕捉0.3um以下,污染液体,过滤介质,洁净液体,该机理适用于所有过滤器类型,深层过滤和薄膜过滤,机械截留,木质纤维和硅藻土助滤剂形成的渐紧结构能够

13、将杂质按大小均匀排布在介质内外，有效的增加了滤材的容污量,吸附截留,特种树脂在纤维表面形成正电位胶体颗粒与玻璃纤维之间的分子作用力可以截留比公称直径更小的颗粒吸附软性杂质和有害微生物(雾浊物),深层过滤基本原理,带正电荷深层过滤介质的吸附原理,溶液中大多数悬浮固体带有负电，如胶体，细胞碎片等。将具有呈正电位功能团的树脂涂在滤材表面，使其在一定的溶液条件下显现正电性从而捕捉带负电的杂质。带电滤材可以去除比孔径小的颗粒。,平面纸板,滤堆,医药级深层过滤介质,深层过滤滤器,滤堆,平面纸板,同样体积，打褶设计可以增加过滤面积近513倍,纤维-磨碎的纸纤维构成过滤纸板的支撑体硅藻土增大内表面增强过滤纸板

14、的筛分作用树脂黏合剂带正zeta电势可以有效吸附带负电荷的颗粒,介质组成,深层过滤纸板的结构组成,颗粒物吸附在纤维上的电镜照片,深层过滤装置的组成,过滤筒,过滤芯,降低胶体和颗粒物含量培养液的预过滤血清/血浆(脂类)蛋白组分的过滤沉淀物活性炭为下列下游处理过程提供保护标准滤芯过滤系统切向流过滤系统纯化层析柱,深层过滤的应用领域,滤堆形式过滤系统的实际操作,操作程序金属部件的合格检查（见图）,滤堆形式过滤介质的安装和使用事项,1、剪开叠式滤芯带密封圈一端的包装并检查密封是否完好.2、将叠式滤芯插入滤壳底盘并确认密封圈是否压紧.3、这时再叠式滤芯上的包装袋取下.假如使用多芯滤壳,再插入另一根滤芯.

15、4、在插入最后一根滤芯后,盖上支撑盘并旋紧固定螺钉压紧弹簧.确认滤芯正确放置.只要安装正确,系统是不会发生泄露的.,目的：安装合格检查的目的是确定滤芯安装是否正确和滤筒密封是否完好.检查密封垫安装不正确或者没有完全密封;辅助压紧部件是否上紧;辅助部件的O型圈是否损坏。,滤堆形式过滤介质安装后的检查操作,纸板形式过滤介质的安装和使用事项,1、过滤纸板有粗糙的上游表面和光滑的下游表面.安装纸板时将粗糙表面面对面放置，过滤时从粗糙面进液。2、同样,安装纸板时将光滑表面面对面放置。3、摆正滤板,使其边缘恰好夹在框架中.并且应预先检查压滤机的工作状态。,深层过滤介质优点,过滤介质由纤维无规交错而成的三维

16、网状结构。在物理截留和吸附作用的作用下将颗粒和微生物截留在过滤介质的内部。,优点:容尘量高不易堵塞正zeta电势增强了电负性胶体颗粒和内毒素的截留和净化作用含较低离子和热原水平,深层过滤介质的缺点,不能称为“绝对”截留。公称孔径由纤维直径纤维结构和过滤介质的厚度决定。,缺点:仅有有限的安全性特别是在高压差和压力波动时易发生穿透现象。,2、过滤的常用类型-表面过滤的原理及应用,三、过滤介质的常用类型,表面过滤介质的结构和特点,过滤介质由均质的海绵状多孔结构和多层不同的交错筛网。由于机械作用被截留的颗粒和微生物主要集中在滤膜表面。,优点：安全性高即使在高压差和压力波动时也不会发生穿透现象。,电镜照

17、片,截留在醋酸纤维素膜表面的蛋白,气体或空气过滤专用：PTFE滤膜,表面过滤机制/原理,直接拦截惯性撞击扩散拦截吸附拦截,截留机理直接拦截,液体中的基本过滤机制本质是一种筛分效应，机械拦截颗粒例如：一种简单的筛网可以拦截尺寸大于其孔径的颗粒,直接截留=筛网作用微孔滤膜更多是靠筛网效应截留的。,通过搭桥作用，尺寸小于滤孔的颗粒也可被拦截不规则形状的颗粒/方向性多个颗粒同时撞击到同一个滤孔,不规则形状的搭桥,多个小颗粒的搭桥,截留机理直接拦截,筛网作用的影响因素,与颗粒物的数量无关，只要这些颗粒都比膜的孔径大即可除非压差大到足以改变颗粒的大小，一般不受压差、过滤液体的特性的影响，如粘稠度、PH值等

18、适用于除大颗粒的机理,pH渗透压离子强度粘度表面活性剂,温度时间压力流速,化学-产品特性,物理工艺条件,截留机理惯性拦截,当流体改变运动方向时，由于惯性使颗粒撞击到滤材表面，因吸附力的存在颗粒便停留在撞击表面而被拦截,尺寸小于滤材孔径的颗粒的辅助拦截方式流体携带的颗粒由于质量和线速度而具有直线运动的惯性颗粒离开流体主流而撞击到滤材上,惯性拦截的影响因素,与颗粒物的数量和速度直接相关惯性会被液体的粘度削弱受温度的影响大，因温度与粘度成反比对于空气中较重的颗粒来说，这种捕获方式比较重要，因相对液体来说，气体的粘度非常低，布朗运动的影响更为重要,截留机理扩散拦截,极小颗粒由于布郎运动的扩散截留,气体

19、分子(作随机运动)碰撞小颗粒或雾滴布朗运动(Brownianmotion)碰撞的结果，增加了颗粒碰撞过滤介质的机会仅在气体中有效,扩散拦截的影响因素,粘度低，颗粒物小时这种截留机制起的作用大，多适用于除气体中颗粒的机制在气体除颗粒时，颗粒的大小、数量和速度与截留效果成反比。,截留机理吸附拦截,AdsorptiveForce,ReleasingForce,依赖操作条件压力降低颗粒数目表面张力pH/离子强度,表面相互作用电荷不同范德华力,吸附拦截的影响因素,流速越慢颗粒在膜孔中停留的时间越长膜孔越窄，颗粒与膜孔壁接触的可能性越大溶液中多数微生物的截留和蛋白的吸附，都是疏水性的，也就是说，它们不靠电

20、荷吸附，而是靠疏水位点的结合所导致的表面自由能最小化来吸附的，如微生物的细胞表面蛋白质等复杂的结构是由亲水和疏水程度的不同原子基团表达的不同区域所组成的，这些区域不同的组合就有机会形成吸附的位点。,滤膜种类,微孔滤膜醋酸纤维素聚偏二氟乙烯PVDF尼龙聚砜聚醚砜聚四氟乙烯PTFE,深层滤膜聚丙烯玻璃纤维,其它不锈钢陶瓷聚碳酸酯,滤膜特性,不同聚合物材质对蛋白的吸附性，这是聚合物上的疏水基团和蛋白结构间的吸引力，是滤膜对蛋白的非特异性吸附。,醋酸纤维素吸附极低通量大pH耐受范围4-8不耐受干热灭菌,尼龙化学兼容性强pH值耐受范围2-10用于溶剂过滤干热灭菌吸附性强流速和通量中等不耐受热水,PTFE

21、完全疏水化学兼容性强pH值耐受范围1-14吸附性高用于空气和气体过滤,聚醚砜不对称形态，具有较大的容尘量通量极大pH耐受范围1-14，化学兼容性好非特异性吸附中等耐溶剂性低,不同材质滤膜特点对比,膜过滤器,液体膜过滤器,空气过滤器,完整性测试微生物挑战试验气泡点测试扩散流测试水侵入法测试(WIT),滤膜的完整性测试的相关规定,细菌挑战性实验的目的,在高渗环境中，过滤时间过长，或药物液中缺乏可同化的营养素，细菌都可能受到影响而缩小滤器和产品之间以及参数之间的兼容性必须测试，如滤器的性能不应受压力的波动的影响在液体的过滤中主要由筛网截留和吸附截留，但是有些液体的特性会消弱吸附效应，当处在兼容的临界

22、状态时，可能会使膜孔变大，因此一般必须用特定的产品在特定的条件下进行细菌挑战实验来评估滤膜的安全性。,完整性测试,将微生物挑战试验的结果与完整性测试相对应证实除菌过滤器对微生物的截留能力提供制造商和用户一个非破坏性的方法来取代破坏性的微生物挑战测试,亲水性滤芯材料(CA,PESU,PA),疏水性滤芯材料(PTFE),气泡点法扩散流法压降法,乙醇/水扩散流法水侵入法(WIT)水流量测试,目的：通过该实验来确认待验证的过滤器滤膜的孔径大小试验的依据原理；液体由于表面张力和毛细管压力的作用，可以保持在完全湿润的滤膜小孔中，气体的压力低于起泡点压力时，气体将溶解在小孔中的液体里面，当气体的压力高于起泡

23、点的压力时，小孔中的液体将被气体挤出。使用不同的液体或具体的产品进行该项试验，起泡点的压力是有差别的。常用的试验液体是纯水或乙醇及异丙醇和水的混合液。,气泡点实验,完全润湿的膜,气泡点测试原理,膜孔累似毛细管,气泡点测试原理,毛细管现象,浸润液体,不浸润液体,毛细管现象是液体在细小管路，狭缝或小孔的行为，是由液体的表面张力引起的,毛细管上升,毛细管下降,气泡点测试原理,毛细现象的原理,液体表面类似张紧的橡皮膜,如果液面是弯曲的,它就有变平的趋势.因此凹液面对下面的液体施以拉力，凸液面对下面的液体施以压力.浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力

24、跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体停止上升，达到平衡.同样的分析也可以解释不浸润液体在毛细管内下降的现象.,未浸润:润湿角度90,浸润:润湿角度90,由于表面张力的作用，在没有外力的作用下，液体将以球体的形态存在。,肥皂泡或浮动的水滴,气泡点测试原理,气泡点测试原理,气泡点测试原理,润湿的滤膜,压缩空气,空气优先穿透最大的孔,压缩空气,气泡点测试原理,产生连续气泡,气泡点如CA,0.2m,3.5bar,气泡点测试原理,气泡点是将润湿液体压出微孔滤膜上最大孔时对应的压力.气泡点与下列因素相关:,最小泡点值与微生物挑战测试的结果是对应的,e.g3.2barforSartobran-P,0.2m

25、(CA).,检测最大的孔,适于从针头式滤器到单根滤芯的过滤系统,气泡点测试原理（小结）,手动气泡点测试方法,Isthisnowacontinuouschainofbubbles?,使用手动方法进行气泡点测试时，会因操作者的不同判断产生主观误差,扩散流测试原理,最大允许扩散流for0.2m2:5ml/min,液体滤芯测试示意图,CompressedAir,FilterHousing,FilterCartridges,FiltrationDirection,疏水性空气滤芯的完整性测试方法,以前:IPA-Test由于疏水性的多孔滤膜不能被水相溶液润湿，必须使用乙醇或乙醇/水的混合溶液来润湿滤膜：e.g.标准润湿剂60/40-mixtureisopropylalcohol/water,IPA-test的缺点:,过滤时疏水性是空气滤芯的特点但在测试时却需要将滤芯亲水化通常滤芯必须从过滤滤壳中取出并在另一个独立的滤壳中测试，同时要求设备的防爆性能。IPA-Test