【問(wèn)】在選擇液體過(guò)濾器時(shí)，如何根據(jù)需求合理的確定過(guò)濾膜材質(zhì)和膜面積，選擇合適的過(guò)濾裝置?
【答】一、過(guò)濾膜材質(zhì)的選擇
過(guò)濾膜材質(zhì)的選擇主要考慮構(gòu)成過(guò)濾膜材質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)是否符合實(shí)際工藝的要求。應(yīng)充分考慮濾器與待過(guò)濾料液的兼容性。過(guò)濾器不得因與產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)、釋放物質(zhì)或吸附作用而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。除菌過(guò)濾器不得脫落纖維，嚴(yán)禁元使用含有石棉的過(guò)濾器。
濾膜材質(zhì)分為親水性膜材和疏水性膜材，親水性膜材一般用于液體過(guò)濾，例如:親水性聚偏二氟乙烯 (polyvinylidenefluoride，PVDF) 、聚孤 (polysulfone) 、聚醚碩 (polyethersulfone,PES) 、尼龍 (nylon) 、纖維素酷(cellulose ester)等。特殊情況下，例如有機(jī)溶媒的過(guò)濾，建議使用疏水性聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)。
疏水性膜材一般用氣體過(guò)濾和有機(jī)溶媒過(guò)濾，例如:聚四氟乙烯和疏水性聚偏二氟乙烯等。嚴(yán)格工藝條件下，應(yīng)使用絕對(duì)疏水材質(zhì)的氣體過(guò)濾器，如聚四氟乙烯。
膜材的選擇還應(yīng)考慮不同料液的特性，通?？梢酝ㄟ^(guò)小試工藝開發(fā)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的過(guò)濾器進(jìn)行選擇，小試工藝開發(fā)時(shí)會(huì)關(guān)注載量和流速，來(lái)選擇適合的膜材。尤其是一些特殊或者新型治療藥物。比如納米制劑具有粒徑大、黏度高等特性，在過(guò)濾初期就會(huì)對(duì)濾膜造成堵塞，造成過(guò)濾載量低，在前期除菌過(guò)濾器篩選的時(shí)候，就會(huì)關(guān)注載量。
不同的膜材不僅影響過(guò)濾器的過(guò)濾效果，同時(shí)也影響過(guò)濾器的可提取物和(或)浸出物水平、物理和熱特性以及與過(guò)濾料液的相互反應(yīng)。確定過(guò)濾膜后，需要對(duì)有效過(guò)濾面積、操作溫度和壓差限值、可提取物和(或)浸出物、兼容性以及除菌性能進(jìn)行評(píng)估。
物理性質(zhì)的要求主要體現(xiàn)在:在工藝要求的溫度或壓力條件下，過(guò)濾膜結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能的穩(wěn)定性。一方面這與過(guò)濾膜的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，另一方面也與不同供應(yīng)商的過(guò)濾膜和過(guò)濾器的制造工藝有關(guān)。
可參考供應(yīng)商的過(guò)濾器產(chǎn)品資料，確定過(guò)器合理的工作范圍 (包括最大工作壓差、最高耐受溫度等)，必要時(shí)可對(duì)過(guò)濾器的供應(yīng)商進(jìn)行審計(jì)。
過(guò)濾膜的化學(xué)兼容性是指與被過(guò)濾料液之間相互作用的性質(zhì)。在過(guò)濾典型的水溶液時(shí)，這種情況較少發(fā)生。但在極端 pH或有機(jī)溶劑存在的情況下，可能發(fā)生不兼容的情況。由于聚偏二氟乙烯 (PVDF) 其良好的親水性 (經(jīng)過(guò)親水改良)成熟的制造工藝、對(duì)蛋白質(zhì)類產(chǎn)品的極低吸附，作為除菌過(guò)濾膜被廣泛應(yīng)用 (但在高 pH 等堿性條件下，會(huì)有不穩(wěn)定的情況發(fā)生)纖維素材質(zhì)的親水性較好，但對(duì)極端 pH 溶液的耐受性欠佳聚醚碩 (PES)有良好的 pH 耐受性能，較好的過(guò)濾通量和載量但對(duì)某些有機(jī)溶劑耐受性欠佳。聚四氟乙烯(PTFE) 對(duì)極端pH和有機(jī)溶劑有很好的耐受性，但由于其疏水性較強(qiáng)，不適合普通水溶液的過(guò)濾，作為液體過(guò)濾器時(shí)通常用于有機(jī)溶劑的過(guò)濾。
過(guò)濾膜材質(zhì)的選擇還需要考慮吸附情況。雖然吸附作用是不可避免的，但可以選擇吸附作用相對(duì)較小的過(guò)濾材質(zhì)。過(guò)濾膜的吸附可以等比工藝放大，因此可以用縮小模型試驗(yàn)考察生產(chǎn)規(guī)模的吸附情況。在進(jìn)行最終灌裝時(shí)，因?yàn)槲阶饔玫陌l(fā)生有時(shí)候需要排放和收集最初一部分的濾液以保證最終產(chǎn)品的濃度。
二、過(guò)濾膜面積的確定
在對(duì)過(guò)濾膜材質(zhì)進(jìn)行初步篩選后，需要確定過(guò)濾膜面積在實(shí)際操作中，過(guò)濾膜材質(zhì)的選擇和過(guò)濾膜面積的確定通常會(huì)同步進(jìn)行。
相對(duì)于預(yù)過(guò)濾，除菌過(guò)濾器的成本通常較高，其載量卻相對(duì)較低。對(duì)于較渾濁的液體，通常需要經(jīng)過(guò)一級(jí)或幾級(jí)預(yù)過(guò)濾才適合進(jìn)行最終的除菌過(guò)濾。另外，根據(jù)無(wú)菌產(chǎn)品生產(chǎn)工藝生產(chǎn)時(shí)限可以考慮在配制后除菌過(guò)濾之前采用預(yù)過(guò)濾 (如減菌過(guò)濾)降低微生物負(fù)荷。
過(guò)濾膜面積的大小關(guān)系到過(guò)濾工藝的成敗。過(guò)小的過(guò)濾膜面積會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾時(shí)間延長(zhǎng)，和(或)過(guò)濾過(guò)程中途堵塞，甚至過(guò)濾料液報(bào)廢。過(guò)濾膜面積過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品收率下降，過(guò)濾成本上升。因此，選擇合理的過(guò)濾膜面積需要經(jīng)過(guò)科學(xué)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和計(jì)算后得出。
三、過(guò)濾裝置的選擇
過(guò)濾裝置的選擇涉及不同的過(guò)濾器結(jié)構(gòu)，過(guò)濾器出口的不同形式和過(guò)濾器的方向等。雖然可以采用縮小規(guī)模試驗(yàn)計(jì)算過(guò)濾膜面積，但對(duì)于不同過(guò)濾裝置放大后仍會(huì)存在一些差別。因此，在選擇過(guò)濾裝置的時(shí)候不僅需要考慮工藝上的適用性，也要考慮不同過(guò)濾裝置對(duì)過(guò)濾器本身性能的影響。
1.過(guò)濾器結(jié)構(gòu)的選擇 過(guò)濾器由于結(jié)構(gòu)不同，存在多種形式，比如圓盤式、層疊式、簡(jiǎn)式和囊式過(guò)濾器等。因?yàn)閳A盤(片)式過(guò)濾器的成本較低，通常被用于產(chǎn)品附加值較低的行業(yè)。但因?yàn)槠湫枰呐涮撞讳P鋼夾具裝配復(fù)雜，濾膜面積小等缺點(diǎn)，逐漸為其他過(guò)濾裝置所替代。層疊式過(guò)濾器最大的優(yōu)點(diǎn)是它的保留體積較小，通常適合于高附加值產(chǎn)品的終端除菌過(guò)濾，但由于其本身結(jié)構(gòu)的原因，有不耐受反壓缺點(diǎn)。筒式過(guò)濾器是應(yīng)用最為廣泛的除菌過(guò)濾器，它將膜折疊于濾芯中，有很高的濾膜面積 (如150~10,000cm2) ，在濾膜上下兩端均有支撐層，因此有較好的正反向壓力耐受，可耐受多次蒸汽滅菌其可被安裝于不銹鋼外殼中，也可自帶塑料外殼，作為一次性過(guò)濾系統(tǒng)使用，后者通常稱為囊式過(guò)濾器。
2.過(guò)濾器出口形式和過(guò)濾方向的選擇 囊式過(guò)器外殼的管路接口有多種形式: 如法蘭接口、倒刺軟管接口等，可根據(jù)需要選擇合適的過(guò)濾接口形式。不銹鋼外殼過(guò)濾器常見的為法蘭接口。
根據(jù)連接管道方向的不同，通常囊式過(guò)濾器有兩種不同方向的進(jìn)出口形式。一種是平行于管道的方式 (in-line) ，另一種是垂直于管道的方式 (T-line)。
需要注意的是，不同過(guò)濾器接口內(nèi)徑大小不同，在一定流速下的壓差也會(huì)有較大差異。另外，過(guò)濾方向不同的過(guò)濾器壓差也會(huì)有差異。如下圖所示。
3.過(guò)濾器管道大小的確定 液體在過(guò)濾過(guò)程中在管道內(nèi)存在一定的壓力損失，且會(huì)在管道內(nèi)壁產(chǎn)生殘留，管徑越大則殘留越多。因此，需要根據(jù)過(guò)濾過(guò)程中所需要達(dá)到的流速選擇合適的管徑大小。
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