如何通过技术参数选择所需的膜通量的过滤器

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2021-08-06   环球过滤分离技术网    guolvfenlitech6


过滤类型在生物制药及水处理行业的功能为标准, 可将过滤器分为预过滤器、微生物符合控制级过滤器、除菌级过滤器、除支原体过滤器、除病毒过滤器等类型.

如何通过技术参数选择所需的膜通量的过滤器。

预过滤器

         预过滤器多为精度小于0.45μm , 用以去除流体中颗粒物从而保护下游避免过早堵塞的滤器类型。

目前行业内, 预过滤器的材质 (滤膜) 通常包括聚丙烯、玻璃纤维、不锈钢、混合纤维素等, 相应滤器的精度跨度不同, 一般主要集中在微滤范围。

相应滤器外观及滤膜微观电镜照片如下图示（图3.93）。

除菌级过滤器——绝对精度为0.2μm的过滤器，多为聚醚砜 (PES)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、尼龙(N66)和聚四氟乙烯(PTFE)等材质组成。这些材质在化学兼容性方面也各有优势, 大致的定性描述如下表3.6所示：

大家在选择过滤器时，可以参考上表。

下面我们主要介绍两部分内容：三类不同外观的过滤器、选择过滤器时如何利用供应商提供的参数进行过滤器的选型计算与评估。

三类不同外观的过滤器

根据过滤器的外观形式, 大致又可分为筒式过滤器 (AB 型)、 囊式过滤器，以及以筒式过滤器结构为基础的特殊过滤器等。不同过滤精度的滤膜放在不同外观形式的过滤器内，才是一个完整的可用的过滤器。

1. 筒式过滤器 (AB 型)——是制药行业使用最广泛的滤器产品形式，如下图所示 (图3.94)，其高度涵盖了5in (英寸)、10in、20in、30in与40in。筒式滤芯的内、外各有一个强有力的圆柱形支撑结构，支撑物一般采用聚丙烯材质，这种材质的熔点较高，一般可达160℃以上，因此能承受100℃以上的高温湿热灭菌。筒式滤芯可用于制药过程中蒸汽在线灭菌, 但需注意滤芯厂家给出的滤芯灭菌温度和压力等技术操作参数。

筒式滤芯内部可根据需要，装载预过滤器和除菌级滤膜。预过滤器和除菌级滤膜都以不同的打褶方式装载，如下图所示 (图3.95)。滤膜经打褶设计并装载至滤芯支撑组件内部后，可最大限度提高单支过滤器的有效过滤面积 (即滤膜面积)。一般而言，滤膜面积越大，其膜通量【单位L/(m2·h)， 常以 LMH 表示】等工作参数会越大。

值得一提的是，深层滤芯的装载方式是多层垛叠的形式，大概是由于它比较厚的原因吧。还记得上期我们谈到过的深层滤过器吗？与膜式过滤器相比，深层过滤器的滤材厚度更大，通常为3-5mm，所以它的容污能力更大，通常属于预过滤器的范畴。

不锈钢壳体：提到筒式过滤器，我们不得不说一说不锈钢壳体。

完整的过滤器由滤芯和不锈钢壳体组成，钢壳是安装于滤芯外的不锈钢滤壳，其材质为316L。按外形划分，不锈钢滤壳可分为I型和T型两种，如

下图所示(图3.99)，每种滤壳上都含有进料口、出料口、排气口和排液口。

下图是来自于网络的过滤器内部Inlet和Outlet示意图：

2. 囊式过滤器——是由核心组件 (滤膜) 与有机材质的外壳整合在一起的整体式滤器产品。囊式过滤器外壳的材料有聚丙烯和聚酯等，其中部分外壳材质强度高、耐热性好，可以接受诸如在线蒸汽灭菌等高温处理条件。

为了满足用户对管路连接的不同要求，囊式过滤器家族有多种接口的产品形式。同时，为便于适应用户在同一工艺位点使用不同膜面积的过滤器，行业内以10in筒式滤芯为基础而衍生出了20in及30in的囊式过滤器，如下图所示 (图3.96)。

在囊式过滤器家族中，除了适用于中试及大规模生产的大面积过滤器外，还有为便于用户进行质检、小试选型等目的的小型囊式过滤器，如下图所示 (图3.97)。

此类小型囊式过滤器与以筒式滤芯为基础的大面积囊式过滤器具有同样的优势。同时，小型囊式过滤器与常规筒式滤芯相比，还具有如下优势：

A. 在使用上简化了安装步骤，无需拆装不锈钢壳体；

B. 减少了生产与清洗、消毒等验证工作；

C. 减少了钢壳的购置成本。

此外，由于小型囊式滤器与大面积的囊式滤器、筒式滤器装载有同样结构的核心组件 (滤膜)，所以常用来做小试选型实验并最终可实现良好的工艺放大。

3. 以筒式过滤器结构为基础的特殊过滤器——在流体过滤领域，由于用户的工艺条件及目标要求千差万别，此类过滤器密封件结构分为内 O 圈、外O圈形式，对应于不同结构的钢壳，使用时可视工艺管路特定位点的流体处理目标参数、空间布局等特定要求而选择最合理的产品形式。从图中（图3.98）可以看出，这些特殊过滤器的接口形态各异，安装的方式也各有不同。

由于在流体过滤的全工艺流程中，某些位点要求既要适应小流量、少体积的处理需求，又要符合某些特定法规条款的要求 (如制药及制药用水领域的GMP)，因此，这类可提供全套数据支持文件的生产级小型过滤装置，就可最大程度地达到合规性要求，满足用户的使用要求。

二、   通过技术参数选择过滤器

1. 制药用水中的应用——在制药用水过滤领域选择过滤器时，可参考过滤器供应商提供的流量与压差曲线进行便捷的选型计算与评估。

以下图（图3.100）中AB1射线(AB1代表10in筒式过滤器) 为例，在右侧显示压差的纵坐标轴上找到3psi所对应的虚线与(AB1)的交点，便可对应在底部以 L/min为单位的横坐标轴上找到具体的流量值 (即25L/min)，代表在20℃的温度下，用此过滤器对水在3psi的压差下可实现25L/ min的流速。

2. 高黏度料液中的应用——如果料液黏度比较高，水的流速-压降曲线无法被直接引用，需要过滤器供应商提供相关选型试验以得出更加精确的数据。

例如针对除菌滤膜的PMAX、TMAX 试验。此类试验是利用47mm的小型滤器根据具体工艺要求进行测试，得到相应滤器对某种料液的膜通量 【常用单位 L/(m2·h)表示】，计算时会设定合理的安全系数, 然后将47mm 膜片的数据线性放大至实际工艺中。

如下图所示（图3.101）为某款过滤器的线性放大比例，其47mm 膜片的试验结果可以被逐级线性放大至某合适尺寸的滤芯，以 AB1形式 (即10in高度) 的滤器为例，从47mm 膜片的小试数据可有效线性放大至 AB1形式滤器上 (即放大了约495倍)。如果要过滤更大体积的料液，则中试规模的测试可以更加有效确保工艺放大的合理性和可行性。

上图的实验数据，是以47mm的流量数据为基点（图中设定为1），当小试工艺摸索出47mm的膜通量时，按照图中显示的不同过滤器的倍数关系，选择适合自己的过滤通量。比如设计的膜通量约是47mm的膜通量的495倍，那么就可以选择AB1这样的过滤器了。

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