水侵入完整性检测简介

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2022-10-26   环球过滤分离技术网   guolvfenlitech2

制药工业中广泛使用的疏水性除菌滤器，其滤膜的疏水性拥有防止水汽润湿滤膜导致过高压差的性能，但这也给使用传统方法（前进流检测和泡点检测）检测完整性带来了挑战：

润湿疏水滤膜需使用有机溶剂，其可能对滤膜和下游工艺产生污染；对滤器离线测试完整性无法测试滤芯与滤壳的密封性；完全干燥后重新安装的过程中可能出错，也不便于实现系统灭菌后使用前的完整性检测。

而（Water Intrusion Test, 简称WIT）则很好地解决了这些问题：

• 滤膜不需要润湿——检测完成后滤器排空液体及干燥的时间降至最低
• 无需对滤器下游（无菌区域）进行操作并产生可能的污染——可以应用于灭菌后的系统进行在线检测
• 仅使用注射水或者去离子水——避免有机溶剂对滤膜以及下游工艺的污染
  
  

WIT可以与疏水性过滤器的细菌截留能力进行关联是基于如下原理（参考下图）:

在上游压力稳定后，对于完整过滤器，滤膜上游的水在压力下侵入滤膜，水在膜内的两相临界面发生蒸发，所产生的水蒸气将透过膜到达过滤器下游，这样过滤器上游水量的减少会导致压力下降，测试仪（Pall Palltronic®系列）可以直接测量维持上游恒压所需的气体流量。正常操作条件下，实测流量低于此滤器经过验证的WIT流量限值时，过滤器完整性得到确认。

试验装置设计

我们使用如下方法和试验来验证此原理，并讨论相关的影响因素。Pall的Palltronic® Flowstar测试仪直接测量实时流量，可以在整个检测过程中持续测量具体流量值，是进行此研究的基础。

图1展示了研究中所使用的检测装置设计。过滤器为安装于不锈钢滤壳中的Pall Emflon® PFR滤芯，膜材为疏水性PTFE。其中B，C，D分别是在A所示的标准设计上进行的改动，具体描述见图标。

图1：用于WIT的装置：

A）标准装置

B）滤器上游水气两相之间安装乳胶屏障

C）滤器下游安装冷阱

D）滤器下游安装倒置量筒

结果

上游压力对流量的影响

使用图1A设计，上游流量值是在一定压力范围内测量得到的，结果见图2。

图2：不同压力下的流量值

可以看到，在低压下，流量虽小但可以被检测到。随着压力增加流量会稳步上升，当压力达到5.5-6.0 bar时，流量迅速增加，这种非线性的流量剧增来自于高压作用下水穿透滤膜。

对Pall的滤器，WIT需要在2.5bar下进行，那对应的微小流量到底来自于什么？

上游正常检测压力下流量的动态变化

依然使用图1A设计，保持滤器上游压力恒定为2.5bar,检测气体流量随时间的变化，结果如图3所示。

随检测过程推进，滤器上游检测到的流量可能来源于以下多个因素的动态影响：（1）过滤器打褶结构被压缩；（2）膜褶皱中的空气被排出；（3）空气压缩产热后顶部气体空间的冷却（绝热效应）；（4）水侵入到滤膜结构内部；（5）空气溶解到水中；以及（6）水透过滤膜产生的流量。

图3：流量随时间的变化

从图3数据可以看出，在检测初期流量相对较高，上述（1）至（6）所有因素在此阶段均起作用。但约20分钟后流量稳定，随后保持恒定，表明对于完好的滤器在流速初始波动期后仍然存在稳定的可检测到的流量。这个现象无法用（1）至（4）这些因素产生的瞬态效应来解释，因为如果是这些因素的影响，流量应该随着时间延长而趋于零。

那么问题来了，这个稳定存在的微小流量到底与（5）和（6）哪个因素有关呢：

(5) 是上游空气在压力下溶解到水中，并扩散到滤膜处穿过滤膜而转移到下游？(这种情况下流量来源于空气的转移)

(6) 还是水于滤膜内产生蒸气透过滤膜，或者水以液态渗过滤膜，从而在上游产生了流量？(这种情况下流量来源于水的转移)

稳定微小流量是过膜流量吗？

在进行下一步试验之前，我们先来确认下过滤器上游检测到的流量是否直接来自于空气或者水透过滤膜的流量。

表1对比了使用图1D设计的测试结果和上游检测仪测量的结果，发现两个流量值在误差范围内直接对应，说明上游测得的是实际的过膜流量。

表1：滤器上下游流量对比

稳定微小流量来源于空气？

图1B设计中我们在上游水气两相之间安装不透气的乳胶屏障。分别使用图1A和1B两个设计对同一滤器进行检测，结果对比见表2，可见有无屏障对流量没有影响。说明流量应该不是来自上游空气向下游的转移。

表2：隔绝屏障对于流速的影响

再严谨一点，那水中自带的已经溶解的空气会不会影响上游测得的流量呢？我们也做了试验：使用充分通气的水和去除气体的水分别进行检测，结果见表3，可见液体的含气水平对流量几乎没有影响。

表3：水中含气量对流速的影响

通过以上两个试验，可以确认流量来源于水的转移，剩下的就是确认水到底是以气态还是液态形式通过了滤膜。

上游的水与下游收集的水有不同吗？

使用图1C设计，对一支完好滤器使用高电导率的0.2%氯化钠溶液进行试验，确保下游的游离液态水和水蒸气都能被收集到，结果见表4。

表4：滤器上下游水的电导率

可以发现下游收集到的水的电导率远低于氯化钠溶液，这表明透过滤膜的主要是水分子，而不是氯化钠离子。

所以到这里，我们可以确认：完好滤器上游压力稳定后的水侵入流量主要是由于滤膜内的水蒸发后向下游转移产生的。

那现在也不难推测，对水的蒸发效应有影响的因素也会对WIT的结果产生影响。下面我们着重考察一下水质和温度两个因素。

水的离子含量的影响

我们对同一支滤器使用不同电导率的氯化钠溶液进行的一系列检测结果见表5，同时测量了对应溶液的表面张力以确认表面张力不是一个影响因素。

表5：水的电导率对流量的影响

结果看到电导率越高流量越低，这印证了WIT的检测原理，因为越高的电导率会对应越低的蒸发效应。此结果也提示我们，在日常检测中控制水质的重要性。

温度的影响

保证环境温度和水温相同,不同温度下的检测结果总结见图4。

图4：温度对流量的影响

结果显示流量随着温度的升高而显著增加，这进一步证实了蒸发理论，因为蒸发效应会随着温度的升高而更明显。这也表明温度是WIT中所需要控制的重要参数。

总结

这样的“刨根问底“让我们拨开云雾，明确了蒸发流量在水侵入检测中的作用，同时提示我们需要控制好检测用水的水质和温度等参数，如此才能保证WIT结果和相应的细菌挑战可以建立可靠的关联，真实反映滤器是否完好。

Pall作为分离和过滤技术方案的领先供应商，我们的Palltronic® Flowstar 完整性测试仪，以及专为全自动水侵入检测设计的Palltronic® AquaWIT完整性测试系统，能够满足您对于完整性测试的不同需求！

参考文献：

[1] Washburn, F.W. ; Note on a Method of Determining the Distribution of Pore Sizes in a Porous Material, Proc. Natl. Acad. SCI, Vol 7, 1921, pp. 115 - 116 (1921).

[2] Honald E, and Shau E ; Application of mercury-intrusion method for determination of pore size distribution to membrane filters, Science, Vol 120, p 805 (1954).

[3] Sciences, Filtration Catalogue and System Design Guide (1980).

[4] Dosmar et al, The Water Pressure Integrity Test: a new Integrity Test for Hydrophobic Membrane Filters. Journal of Parenteral Science and Technology Vol 46 (4) pp. 102 - 106 (1990).

[5] Analysis of water penetration through hydrophobic filters. Pall Publication STR 1427, 1994.

[6] Dosmar et al, A new in-place integrity test for hydrophobic membrane filters, Filtration & Separation, 30 (4) p. 305 - 309 (1993).

[7] Tingley et al, Water-Flow integrity testing: A viable and validatable alternative to alcohol testing, PDA Asian Symposium (1994).

[8] Emflon PFR validation guide, Pall Publication STR 1576, 1996.

[9] The Pall Water Intrusion Test for Integrity Testing Sterile Gas Filters. Pall Publication STR 1603, 1997.

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