一、概述

過濾是一門應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，在我們的日常生活中經(jīng)常隨處都能看到。

在古代，人們用編織物來過濾食品和果汁，用石灰墊草作為過濾介質(zhì)來過濾染料。

在很長一段時間中，用砂、陶瓷、硅藻土、布、氈、石棉等作為過濾介質(zhì)，得到了相應(yīng)的應(yīng)用和發(fā)展。

1979年，由法國政府批準(zhǔn)了世界上*個過濾技術(shù)。

19世紀(jì)初，出現(xiàn)了微過濾（Micro Filtration簡稱MF）。

1925年德國建立了世界上*家微濾膜生產(chǎn)和銷售的公司―――沙多利斯（Sartorius）公司。

1954年美國成立了Millipore（密利博）公司，其他國家（如英國、日本、蘇聯(lián)）相繼形成了自己獨立的微過濾工業(yè)。

中國在70年代開始，上海醫(yī)藥工業(yè)研究院、四機部十院。杭州海洋所等單位先后對微濾膜的制備、應(yīng)用開始了研究系統(tǒng)。

二、基本概念

1、微過濾屬于過濾技術(shù)中的一種，它與其他的分離方法及適用范圍見附圖1。

2、微過濾是指將顆粒從流體（氣體或液體）中分離出來的一種技術(shù)。這里所指的微過濾介質(zhì)的孔徑范圍一般為0.1um－10um，介于常規(guī)過濾和超濾之間。

3、微過濾與超濾及反滲透的異同

微過濾、超濾和反滲透都是以壓力為驅(qū)動力達到分離和濃縮的目的，都無相態(tài)變化和界面質(zhì)量的轉(zhuǎn)移。

微過濾技術(shù)與超濾過濾技術(shù)和反滲透過濾技術(shù)共同組成了一個可分離單價離子到固態(tài)顆粒的完整的三級分離體系。這三種技術(shù)既有，他們之間是互相交叉的，并無截然分界線。一般來說，反滲透膜的孔徑在以下，zui高操作壓力在500－1500psi（35－105bar），可截留全部溶質(zhì)分子和單價氯離子，主要用于水脫鹽、污水處理等。超濾膜孔徑一般在10－100A之間，操作壓力約10－100psi（0.7－7bar），可截留各種可溶性的大分子，如多糖、蛋白質(zhì)分子等，主要用于濃縮和分離膠體溶液，去除小分子雜質(zhì)，高純水制備，污水處理等。微濾膜孔徑一般在0.1－10微米之間，操作壓力在1－10psi（0.07－0.7bar），可截留細菌，微生物和各種固態(tài)顆粒，主要用于各種液體和氣體和凈化除菌和除微粒，包括各種工業(yè)性的大規(guī)模過濾。目前這三種技術(shù)中尤以微過濾技術(shù)應(yīng)用zui廣，經(jīng)濟價值zui大。

4、微過濾和常規(guī)過濾的區(qū)別

  4.1常規(guī)過濾的過濾介質(zhì)孔結(jié)構(gòu)類型一般屬深層型。其一般的孔形是極不整齊的多孔體，孔形分布范圍較廣，無法標(biāo)明它的 孔徑大小。過濾時粒子是靠陷入介質(zhì)內(nèi)部通道而被阻擋，阻留率則隨壓力而下降，介質(zhì)厚，對顆粒的容納量大，用于一般澄清過濾。

  4.2微過濾所用的過濾介質(zhì)孔結(jié)構(gòu)類型屬篩網(wǎng)型，是由天然或合成高分子材料所形成。它具有形態(tài)較整齊的多孔結(jié)構(gòu)。孔徑分布較均勻。過濾時近似于過篩的機理，使所有大于直徑的粒子全部攔截在濾膜表面上。由于過濾只限于表面，因此便于觀察、分析和研究截留物。微過濾所用微孔濾膜的過濾膜的過濾介質(zhì)薄、對顆粒容納量小、因此使用時宜設(shè)置預(yù)過濾裝置。

5、微濾膜的特性

微濾膜所用的過濾介質(zhì)是高分子材料在一定的條件下所形成的多孔濾膜，可形成一定范圍的孔徑，且孔是一種多層相疊的具有不規(guī)則孔形的重疊篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)。雖然測到的zui大孔徑比較大，但是這些大孔由于他們的不規(guī)則形態(tài)以及上下網(wǎng)孔的重疊，而使其通道的有效直徑大為縮小，它近似一種多層疊起來的篩網(wǎng)，因此具有一般深層過濾所不具備的特性。

  5.1微濾膜因其孔徑十分均勻，能將液體中所有大于孔徑的微粒全部阻攔，而對于氣體中的微粒，更由于慣性和靜電作用使其截留的效率更高，能孔徑小3至5倍的塵粒。

  5.2微濾膜孔隙率高達80％，因而阻力很小，對液體或氣體的過濾速度，可較同樣效果的常用濾材快數(shù)十倍，但由于它的篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，阻留作用只在表面，因而又極易受少量與孔徑大小相仿的微?；蚰z狀物質(zhì)所堵塞。

  5.3微濾膜為均一連續(xù)的高分子材料，過濾時沒有纖維和碎屑的脫落，從而得到高度純潔的氣體和液體。

  5.4大于孔徑的微粒不會因為壓力增高而穿過濾膜，當(dāng)壓力波動時也不影響過濾效率。

  5.5微濾膜濾層薄，質(zhì)量小，吸附小，可減少貴重物料的損失。

  5.6用微濾膜進行除菌過濾時，細菌截留在表面，經(jīng)培養(yǎng)后細菌也不能穿過濾膜生長，不像深層過濾介質(zhì)，一部分細菌被截留在通道中，除沖洗可能脫落外，還可能由于細菌向正反兩個方向生長繁殖而污染濾出系統(tǒng)。

三、微過濾介質(zhì)

1、微濾介質(zhì)的分類

微濾介質(zhì)一般可分為深層過濾（粗濾）介質(zhì)和篩網(wǎng)狀過濾（精濾）介質(zhì)兩種類型。在常規(guī)過濾中所用的多屬深層過濾介質(zhì)，一些廠家所標(biāo)示的通常只是其產(chǎn)品的截留粒度和截留率，過濾時液體中的顆粒是在濾層的彎曲通道中填擱于轉(zhuǎn)折死角或因架橋而被阻攔，微細的粒子則由于吸附而被除去，因此以深層過濾時，不能保證沒有少量大顆粒物質(zhì)進入濾液，特別在壓力波動等情況下更易如此，而大量細微粒子則被阻攔。同時深層過濾介質(zhì)對顆粒的容納量也較大。篩網(wǎng)狀過濾介質(zhì)具有形態(tài)整齊的多孔結(jié)構(gòu)，過濾時，主要是以近似過篩的機理，使所有比網(wǎng)孔大的粒子全部被攔截在膜表面上，小于孔徑的顆粒則能較順利通過。由于只在表面阻留，因此顆粒容納量小，易被堵塞。

2、深層過濾介質(zhì)的品種和特點

  ①深層過濾介質(zhì)的品種

    聚丙烯無紡布。聚丙烯氈

    超細硼硅酸纖維紙

    聚四氟乙烯燒結(jié)管

    金屬燒結(jié)管

    其他

  ②深層過濾介質(zhì)的特點

    流體阻力較低，有利于節(jié)能。

    有較高的容塵量，可以降低成本。

    有一定的過濾能力、精度及截留效率。

3、精密過濾介質(zhì)的品種和特點

作為精密過濾介質(zhì)應(yīng)該是膜。供制微孔濾膜的材質(zhì)較多，已商品化的主要有硝酸纖維素酯、醋酸纖維酯，和這兩種酯的混合物，再生纖維素酯，聚酰胺，丙烯腈/氯乙烯共聚物，聚丙烯，聚偏二氟乙烯，聚四氟乙烯，聚碳酸酯，聚醚砜等。

  ①纖維素酯微孔濾膜

歷史zui久，應(yīng)用zui廣的一類濾膜?？讖揭?guī)格多，性能良好，生產(chǎn)成本較低，親水好，可耐熱壓消毒（121 ℃，半小時），其中醋酸纖維素濾膜尚能耐干熱至180℃，并能用來過濾低達－200 ℃的低溫液體。

  ②再生纖維素微孔濾膜

于非水溶液的澄清或除菌過濾，耐各種有機溶劑，但能用來過濾水溶液，可用蒸汽熱壓法或干熱消毒。

  ③聚氯乙烯微孔濾膜

適用于較強的酸性或堿性液體，但耐溫低（<40 ℃），不便消毒。親水性差，因而在低壓下過濾水溶液時，應(yīng)先用乙醇濕潤。

  ④聚酰胺（尼龍）微孔濾膜

較耐堿而不耐酸，在酮、酯、醚及高分子量醇類中不易被侵蝕，適用于電子工業(yè)中光致抗蝕劑等的生產(chǎn)。

  ⑤聚四氟乙烯微孔濾膜

為增強水性膜，耐高溫。它的化學(xué)穩(wěn)定性*，可耐強酸、強堿和各種溶劑，用于過濾蒸汽及各種有機溶劑和強酸、強堿以及腐蝕性液體，適用面廣。

  ⑥聚丙烯微孔濾膜

在當(dāng)前商品中主要是拉伸膜，孔徑不均勻，但耐酸、強堿和各種溶劑，用于過濾蒸汽及各種有機溶劑和強酸、強堿以及腐蝕性液體，適用面廣。

  ⑦聚碳酸酯微孔過濾膜

主要制成核徑跡膜，孔特別均勻，但孔隙率較低。

  ⑧聚醚砜濾膜

有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐各種有機溶劑，也能耐較高溫度。

  ⑨聚偏二氟乙烯微孔濾膜

為憎水性膜。耐高溫消毒，它的化學(xué)穩(wěn)定性較好，目前主要用于空氣過濾。

4、微孔濾膜適用范圍舉例

  ①12微米

微生物學(xué)研究中分離細菌的懸浮體。

  ②3－8微米

食堂精制，澄清過濾，工業(yè)塵埃重量測定，有機液體中分離水滴（憎水膜），細胞學(xué)研究，藥液灌封前過濾，啤酒生產(chǎn)中麥芽沉淀量測定，寄生蟲濃集。

  ③1.2微米

組織移植，細胞學(xué)研究，酵母及霉菌顯微鏡鑒別，粉塵重量分析。

  ④0.6－0.8微米

大輸液澄清過濾，飲料穩(wěn)定消毒，油類澄清過濾，光致抗蝕劑及噴漆溶劑的澄清過濾，油及燃料油中重量分析，牛奶中的大腸桿菌檢測，液體中的殘渣測定。

  ⑤0.45微米

抗菌素及其他注射液的無菌試驗，水。飲料、食品中大腸桿菌檢測，培養(yǎng)基除菌過濾，血球計數(shù)用電解質(zhì)溶液的凈化，去離子水的凈化，鑒別微生物。

  ⑥0.2微米

藥液、生物制劑和熱敏性液體的除菌過濾，液體中細菌計數(shù)，電子工業(yè)中用于用水凈化。

  ⑦0.1微米

超凈試劑及其他液體的產(chǎn)生，膠懸體分析沉淀物的分離。

5 微濾單元形式

  ①片式

一般為圓片形，過濾有效較小。

  ②袋式

過濾的有效面積比片式的要大，用于氣體過濾中的深層過濾。

  ③管式

主要以燒結(jié)法制成，一般用于深層過濾。

  ④折疊式

是目前zui常用的微濾單元形式，zui大的優(yōu)點是有效過濾面積大，占地面積小。既可用于氣體過濾，又可用于液體過濾。

6微濾膜制備

  ①自然蒸發(fā)法

自然蒸發(fā)法是一種相轉(zhuǎn)化法，目前使用較廣的纖維素膜和尼龍膜等主要用此法制造。其他原理是將高分子材料配成鑄膜液，然后在基村上流延成薄膜。在一定的條件下，薄膜中的形成濾膜。用這種方法制成不同孔徑和規(guī)格的微濾膜。

  ②急速凝膠法

急凝膠法也是利用相轉(zhuǎn)化法制膜，它是將鑄膜液薄層浸入凝固液中，使溶劑與水立即相互擴散，技術(shù)造成相分離，從而制成膜。用這種方法制成微孔膜水多為不對稱膜。

  ③溶出法

是指在制膜基材中加入可溶性的材料，成膜后用溶劑將可溶的物質(zhì)溶解出來，從而形成微孔膜。

  ④拉伸法

此類膜目前主要用聚烯烴制成，如聚丙烯。將聚丙烯薄膜通過縱向拉伸形成縫狀空隙。

  ⑤燒結(jié)法

此顆粒狀高分子材料均勻加熱，使顆粒表面熔融，從而相互粘接形成多孔薄層或塊狀物，再進行加工成為微濾膜。

  ⑥核徑跡法

將高速運動的粒子對薄膜進行轟擊，從而膜形成多孔膜。

7、過濾機理

流體中雜質(zhì)主要通過三種過濾機理而除去。

  ①直接攔截

流體中的顆粒等于大于濾材孔徑時，受到孔的攔截而被截留（篩分原理），搭橋現(xiàn)象截留小于濾材微孔的顆粒，不規(guī)則顆粒等也可被截留。

  ②慣性碰撞

顆粒在流動的流體中具有質(zhì)量和速度，所以它有一股動量。當(dāng)液體和它夾帶的顆粒通過過濾介質(zhì)時，流體將選取阻力zui小的通道流過，并將順著纖維結(jié)構(gòu)改變，而顆粒因其有動量，它仍作直線運動的傾向結(jié)果將位于液體接近中心處的顆粒投向和撞擊到纖維上而被分離出來。

  ③擴散攔截/布朗運動

對于非常小的顆粒（那些質(zhì)量極小的顆粒）可以從擴散攔截中分離出來。在這過程中顆粒和液體分子碰撞（氣體分子碰撞），這種頻繁碰撞使顆粒以不規(guī)則形式沿著流體作動線運動。這種可以在顯微鏡下觀察的運動稱為“布朗運動”。布朗運動使這些較小的顆粒從流體的流動線上游離出來，因而增加了他們撞擊過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)表面而被分離出來的可能性。

每種機理的作用大小與顆粒的尺寸及濾材的性質(zhì)有關(guān)，顆粒的尺寸不同時，三種機理起的作用也就存差異。

直接攔截主要對：1.0um和大于10um顆粒起作用，這些顆粒相對容易去處。

慣性碰撞主要對：1.0um－0.3um范圍內(nèi)顆粒起作用。

擴散攔截/布朗運動：當(dāng)顆粒達到0.3um時，慣性碰撞作用減小，而擴散攔截/布朗運動成為主要去除顆粒的主要機理。顆粒越小，擴散攔截/布朗運動的明顯，即顆粒越小越容易去除。

在氣體中，由于布朗運動強烈，擴散攔截起著相當(dāng)重要的作用；在液體中，布朗運動大為消弱，這也是同種濾芯過濾不同狀態(tài)流體時，過濾精度存在差異的主要原因。

8、 微過濾術(shù)語和常用名詞

  ①微米的概念

在微過濾行業(yè)中，常用微米作為衡量過濾性能的計量單位，符號用um表示。

1um＝10－3mm＝10－6m

微米與傳統(tǒng)意義上的“目”有如下的關(guān)系：

目            微米

2.5           8000

5.0           4000

10.0          2000

20.0          840

40.0          420

50.0          297

60.0          250

70.0          210

80.0          177

100.0         149

200.0         74

400.0         36

800.0         15

2500.0        5

5000.0        2.5

6250.0        2

12000.0       1

  ②典型物體的尺寸

人的頭發(fā)絲直徑：    70～80um

裸眼可見zui小顆粒：40um

酵母菌：3um

假單胞菌：0.3×0.8um

病毒：0.03um

  ③過濾精度

    公稱精度

一般是根據(jù)功率等于或大于顆粒尺寸的某一個百分比而設(shè)定的。是生產(chǎn)廠家設(shè)定的微米數(shù)值。

    精度

在規(guī)定的測試條件下能夠通過的zui大硬度球型顆粒的直徑，它是過濾元件中zui大孔徑的讀數(shù)。

通常當(dāng)過濾效率大于99.98％時作為過濾器的精度的標(biāo)準(zhǔn)。

  ④除菌等級過濾器精度的確定

采用通用菌種

0.1um    支原體

0.2um    假單胞菌

0.45um   沙雷氏菌

  ⑤過濾效率

出過濾器顆粒數(shù)和進過濾器顆粒數(shù)之比。

過濾效率越大，過濾效果越好。

  ⑥流量

在規(guī)定的試驗條件下，干凈的液體或氣體在單位時間通過單個過濾器的體積總和。

流量與壓力成正比，和阻力成反比。因此，阻力不變時，壓力越大，流量也越大；壓力不變，阻力越小，流量越大。

  ⑦壓力降

過濾系統(tǒng)阻力是流體經(jīng)過管路所產(chǎn)生的壓力損失加上它經(jīng)過過濾器時的壓力損失的總和。

流體通過過濾器（清潔）時所受阻力是由過濾器外殼、濾芯的內(nèi)外筒和過濾介質(zhì)等引起的。

當(dāng)流體在過濾器中遇到阻力時，會導(dǎo)致過濾器的下游壓力下降，在過濾器上下游測得的壓力降稱為“壓力差”。因此實際上壓力降、壓力差是同義詞。

  ⑧表面積

流體流過過濾器的過濾介質(zhì)的有效截面積。

過濾器的壽命和它的容污量有關(guān)。相對來說，過濾器的表面積的加強，壽命也會大大增加。

9、 液體過濾器的特點及應(yīng)用

  ①液體過濾器的特點

    液體的特性

液體具有流動性、不可壓縮性兩大特性。制藥工業(yè)中的液體多種多樣，有水、溶酶、藥液等。成份比較復(fù)雜、物理化學(xué)性質(zhì)、工藝條件也有較大差異。過濾器的選擇比較復(fù)雜，影響過濾器的壽命的因素也很多。

    氣體/液體中過濾精度的差異

液體中布朗運動比較弱，三種過濾機理，擴散攔截基本不起作用，同種濾芯在氣體/液體中過濾較大差異。

氣體中             液體中

除菌過濾器             0.01um             0.2um

過濾器                   0.1um            1.2um

因此，液體過濾精度要求更嚴(yán)格。

    液體過濾器與過濾液體間的化學(xué)相容性

       要求：過濾液體不能損壞過濾器的標(biāo)示性能

              過濾器也能影響過濾液體的各種特性

       測試方法：過濾器在一定溫度下一定濃度液體中，然后定期檢驗過濾性能，確定安全使用期限。

檢測過濾器在液體中物含量，越低對過濾器污染越小。

我廠在產(chǎn)品樣本中提供了常見過濾器及密封材料在液體中的化學(xué)相容表。在選配時要注意選擇合適的過濾器材質(zhì)和密封材料。

注：影響化學(xué)相容性的因素很多，有時需根據(jù)實際工藝要求預(yù)選進行化學(xué)相容性試驗。過濾器各部件材料品種越少越好，這樣相容性可以兼顧。

  ②液體過濾器的選型

選型時要考慮以下因素：

   液體的性質(zhì)

根據(jù)液體性質(zhì)選擇濾材，過濾介質(zhì)、濾芯和殼體的材料必須適用于過濾的流體。

對水及水溶性液體，盡量選親水性膜過濾器。

對腐蝕性特強的液體，如濃酸、濃堿、各種溶媒等，要用PTFE材料（疏水性）過濾器。

    流量（體積）

根據(jù)系統(tǒng)壓力、溫度、是否要消毒等要求來選擇外殼材料和濾芯。

如：室溫、除顆粒―――可用聚丙烯PP外殼；

如：要除菌、較嚴(yán)格液體過濾―――可選用（衛(wèi)生級）不銹鋼材料316L或314；

如：含CL溶液，還需在外殼內(nèi)襯PTFE。

    溫度

溫度對流體粘度、殼體腐蝕速度二者以及過濾介質(zhì)適應(yīng)都有影響。高溫也會加快腐蝕速度。

    過濾程度（除菌、除顆粒等）

根據(jù)過濾程度要求來選擇濾芯過濾精度。

    污染程度，前處理情況

根據(jù)前處理情況確定是否需配預(yù)過濾。

    預(yù)過濾器的選擇

使用預(yù)過濾器的目的是處長終端過濾器的壽命，以降低成本。如前處理好中端過濾器壽命比較經(jīng)濟，可不選用。

對精度高的過濾器，壓差主要集中在濾芯上，濾殼本身壓差可以忽略；對除顆粒濾器，除芯壓差處，還要考慮殼本身的壓差。

對于一些特殊液體，需進行可濾性試驗，確定*預(yù)、終過濾組合，要進行經(jīng)濟核算。

③深層預(yù)過濾器和膜頂過濾器

  深層預(yù)過濾器的容污力大、初裝壓差高、過濾過程中壓差變化小?？讖椒植紝?、成本低。過濾污染嚴(yán)懲，低價值液體時選用。

  膜預(yù)過濾器的容污力小、初裝壓差低、但過濾過程中壓差變化大、孔徑分布窄，成本高。潔凈度高，高價值液體，初裝壓差要求低時選用。

④液體過濾器、運行、蒸汽消毒、更換、清洗

  除菌過濾器的蒸汽消毒

液體除菌過濾器安裝示意圖

一般程序：

蒸汽壓力1.0～1.3BAR，121℃，30min，過濾器前后壓力<0.15bar。

迅速充入N2氮氣或干凈的空氣進行系統(tǒng)保壓，充入氣體壓力蒸汽約高0.2bar，當(dāng)溫度低于100℃后，加大氣體壓力將濾芯吹冷。

如濾芯已濕潤，蒸汽不易穿過，應(yīng)在較低蒸汽壓力下，先將濾芯微孔中水分蒸發(fā)出去，待觀察到下游蒸汽時，再提高到消毒所需壓力。

要特別注意排除蒸汽中的凝水。

  除菌過濾器完整性檢驗

    將濾芯用過濾器廠家推薦的液體（如水、乙醇）等進行濕潤。

    按完整性測試儀標(biāo)準(zhǔn)程序及廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)值對濾芯進行檢驗。

    完整性試驗失敗的原因：

       ―――－濾芯濕潤不*

－―――密封不好（濾殼密封圈、濾芯O型圈）

――――管線有泄漏（接頭、閥門等）

――――濾芯損壞

  過濾

完整性試驗通過后，即可進行液體過濾，注意輕開閥門、濾殼排氣。

    過濾完畢用溶劑（水或藥用溶劑）將過濾液體置換出，關(guān)閉閥門，保持到下一批生產(chǎn)。

  濾芯的更換

出現(xiàn)下列情況時濾芯應(yīng)進行更換：

―――過濾流量太小

―――壓差達到有效壓差

―――達到累積消毒時間

―――達到化學(xué)相容性要求時間

―――不能通過完整性測試

  濾芯的清洗

―――推薦正向漂洗，不推薦反向清洗，反向清洗易損壞濾芯，效果不明顯。

―――如濾芯是因蛋白質(zhì)等凝膠物質(zhì)堵塞，可用稀堿溶液等將其溶解、清洗除去，可部分恢復(fù)過濾性能。

  濾芯長期不用時的儲存

將濾芯用水沖洗干凈，進行烘干，套上塑料袋，置于干燥清潔的地方，不要靠近鋒利的物體，以免損壞濾膜，造成不可挽回的損失。