专利名称：多孔过滤器的完整性测试方法
多孔过滤器的完整性测试方法相关申请本申请涉及2009年9月24日提交的临时专利申请系列第61/245，493号。
背景技术：
例如薄膜的多孔材料被用作过滤装置，以从有用的最终产物中去除不合乎需要的污染物。制药、食品加工以及生物技术エ业要求所述的过滤装置符合特定的性能标准。完整性测试为保证装置符合所需的性能标准提供了首选。对于薄膜过滤装置，完整性测试保证了薄膜在特定尺寸下不含缺陷，所述缺陷的存在会污染最终产物从而降低装置的性能。 ー种已知的完整性测试方法是气-液扩散测试，该测试測量了当过滤装置在ー侧承压且气体压カ设定为低于过滤器泡点吋，穿过液体浸润的多孔过滤器的气流。如果装置是不含缺陷的，因为测得的气流主要是扩散流而非大宗气流，因此在给定压カ下测得的气体流量较低。然而对于有缺陷的装置，由于气流穿过了多孔过滤器中的缺陷，会展现出较高的、大宗气体流量。然而，对于具有大型多孔过滤面积的大型多轮外壳，穿过过滤材料的扩散流通常很高，所述扩散流难以区别于小缺陷所引起的大宗气流。类似地，对于使用如美国专利第7，306，729号中所述的极薄薄膜的装置，其穿过薄膜的扩散流固有地高，这使得难以识别由缺陷引起的流动。因此，对大型过滤装置使用气-液扩散测试受到了限制。这就需要ー种提高灵敏度的完整性测试方法。附图
简要说明图I所不为用于气-液扩散测试的设备的不意图。图2所示为用于实现根据本发明的一个实施方式的方法的设备示意图。图3所示为用于实现根据本发明的一个实施方式的方法的设备示意图。图4所示为用于实现根据本发明的一个实施方式的方法的设备示意图。图5所示为根据本发明方法测得的扩散流量与薄膜圆盘过滤器的压カ的函数关系O图6所示为对于褶式筒过滤器，根据本发明的一个实施方式测得的扩散流量随时间衰退的函数关系。图7所示为对于褶式筒过滤器，气-液扩散测试与根据本发明的方法之间的对比。图8所示为对于具有以及不具有针孔的筒式过滤器，根据本发明方法测得的液体质量流量与压カ的函数关系。图9所示为根据气-液扩散测试与根据本发明方法的扩散流量的对比。发明详述本发明涉及ー种多孔过滤材料的完整性测试的方法。更具体来说，本发明方法为测试大面积过滤器以及具有高扩散流量的过滤器提供了必需的增强的灵敏度。所述方法简单、快速且可容易地整合入終端用户生产环境中。图I描述了标准气-液扩散测试，如今通常被用于エ业中以检测过滤介质中的缺陷。所述测试測量了穿过浸润的多孔过滤器(10)的气流。首先用液体浸润过滤装置的多孔过滤材料。所述浸润液体通常为醇、水或者其他液体。在进ロ(22)侧对系统用气体加压，所述气体通常为空气或者氮气。在测试压力下测量进ロ(22)侧的气流。扩散测试的目的在于当压力低于过滤器泡点时，測量气流穿过过滤器的流量。过滤器的泡点定义为最大孔的毛细管压力。毛细管压カ取决于过滤材料上的浸润液体的接触角、浸润液体的表面张カ以及孔的尺寸和形状。在低于泡点的不同压カ下，浸润液体应该仍然充满过滤器的所有孔。在扩散测试时，任何大于过滤器的孔的缺陷将被反浸润并允许气流穿过过滤器，从而被測量到。如果在扩散测试中测得的气流小于过滤器制造商推荐的气流，那么所述过滤装置被认为是无缺陷的。如果测得的气流超过了过滤器制造商推荐的扩散气流，那么所述过滤 装置被认为是有缺陷的。所述测试的ー个显著缺点在于，当过滤器上有气压差时，位于过滤器高压侧的气体会被过滤器中的液体吸收，扩散穿过过滤器厚度，并释放。这ー穿过过滤器的气流干扰了对于穿过过滤器中的缺陷的气流的測量。来自此扩散流的干扰可以是非常大的，特别是对于大面积筒和薄膜。例如，对于一般的过滤器筒，在压差为15psi时，穿过筒的扩散流量可约为20cc/分钟。扩散测试中的扩散气体流量通常基于Fick定律，其可用如下所述的等式表达
Γ ハ DH(AP)AK ,姑.、、Q =——^~ (等式 I)
LjQ :穿过多孔过滤器的扩散气流，A :多孔过滤器的表面积，K :形状因子，其是多孔过滤材料孔隙率以及曲折性的函数，D :浸润液体中气体的扩散能力，L :液体路径长度，以及ΛΡ:多孔过滤器上的压カ梯度。H:亨利定律常数。在上述方法中，路径长度，L，定义为多孔过滤器中的浸润液体的厚度。如果过滤器被浸润液体完全浸润，那么路径长度等于过滤器厚度。对于薄多孔过滤材料，例如过滤材料的厚度小于约50微米，所述液体路径长度，L，小于约50微米，从而在测试中引起了高扩散气流，Q。这使得难以区分穿过缺陷的大宗气流与穿过薄膜中的液体的扩散气流。对于多孔过滤器中具有大表面积，Α，的过滤装置，如等式I所述，也会有高扩散气流。这也使得难以区分扩散气流与由一个或者多个缺陷所引起的大宗气流。从而限制了气-液扩散测试的实际应用。然而，如下所述的本发明的完整性测试方法相对于气-液扩散测试在灵敏度上表现出了显著的提高。图2所示为用于实现根据本发明的第一实施方式的方法的设备示意图。将平盘或者褶式筒元件形式的多孔过滤器样品(40)安装在测试固定装置(42)的进ロ(44)和出口(46)之间。用液体冲洗样品一定时间，使得样品被浸润液体所浸润。优选地，选择不会对薄膜或者最終产物带来不利影响的浸润液体。对于亲水性膜，可用水或者醇作为浸润液体。对于疏水性膜，可用含异丙醇(IPA)或者甲醇的醇溶液。用浸润液体(50)填充位于样品下游侧(48)与出口(46)之间的测试固定装置。在进ロ(44)侧对样品用气体加压(该气体可以是空气、氮气、或者其他气体)。以预定的速率缓慢增加气体压力，并通过测定样品下游的液体流量来測定穿过样品的气体流量。使用天平(52)或者其他測量装置来连续监控浸润液体的转移量以测定流量。在本发明的此实施方式中，基本消除了扩散气流的影响。扩散气流对于下游液柱的体积膨胀没有显著贡献并且不会形成液流。只有气体穿过过滤器中的缺陷所引起的气泡对液体的转移有贡献作用并导致了天平上所测得的流量。根据如图3所示的本发明测试的ー个实施方式中，首先用脱气水浸润多孔过滤器介质。通过将过滤器上游的三向阀门(71)设置为水管线(72)并将过滤器下游的三向阀门
(73)设置为过滤循环来实现。通过水泵(79)经除气器(77)与多孔过滤介质(40)从水源
(75)抽水。尽管如示意图2、3以及4所示，测试设备的结构为气体进ロ位于过滤器的上方而液体位于下方，但是可反转固定装置使得气体从固定装置的底部进入。因为可以防止任意穿透薄膜的气体在薄膜表面的积累，所以这是有利的。在多孔过滤介质被浸润之后，即可进行测试。
通过将三向阀门(73)从水系统设置到旁路管道(74)，并调节位于过滤器与贮水池之间的三向阀门(71)对压缩的干空气(CDA)的管道打开过滤器，从而停止通往多孔过滤介质的水流。一旦停止了通往过滤器的水流且打开了通往过滤器的空气管道，通过将三向阀门(81)设置到排水槽来使得从过滤器出来的管道通往排水槽。通过压缩的空气实现了水被从过滤器外壳中推出，而不会涌进天平。将出ロ管道切换到排水槽之后，即可对系统加压。关闭位于质量流量控制器(MFC)与贮水池之间的阀门(83)，开始对系统加压。随着压カ的上升，水被迫离开过滤器外壳并进入到排水槽(84)中。当水流停止时，通过将三向阀门(81)调节到天平使得排出管从排水槽切換到天平(91)。一旦过滤器外壳被排尽且排出管被切換到天平，实际的测试已经开始。随着测试的进行，天平的读数在一段时间内非常缓慢地上升。最后，天平上的质量开始快速上升，表明水流再一次穿过过滤器且已达到了泡点。在另ー个实施方式中，如图2所示的设备也用于实现该方法。然而在此实施方式中，代替以预定的速率持续增加压力，在上游侧对样品加压并保持为恒定的压力。測定随时间变化的液体流量。在另ー个实施方式中，如图2所示的设备也用于实施该方法。在此实施方式中，逐步增加压力，并且在每一次增加压力后在给定时间的内保持不变。在每个压力下測定随时间变化的液体流量。例如,可以以每5分钟O. 5psi逐步增加压力。在另ー个实施方式中，如图4所示的装置用于实现本发明。在此实施方式中，在过滤器的上游测量穿过过滤器的气流而不是在过滤器的下游测量液体流量。在根据本发明方法的此实施方式中，如等式(I)中所定义的液体路径长度，L，的显著增加，明显地減少了穿过样品的扩散气流，Q0扩散气流的减少提高了整体性测试方法的灵敏度。例如，如果将L设置为Icm而不是50 μ m(O. 005cm)，那么扩散的路径长度增加了200倍；从而，扩散流減少了 200倍。可选择管道的尺寸使得穿过多孔过滤器的扩散气流显著降低。通过减少气流的扩散组分，提高了所述测试相较于标准气-液扩散测试的灵敏度。根据本发明的过滤器完整性测试方法的灵敏度还可用流动比率(FR)来表述。对于给定的压力，FR可定义为使用本发明方法测得的流与使用标准气-液扩散测试测得的扩散流的比。FR与测试方法的灵敏度之间为反比关系。例如，流动比率为O. I表明本发明方法相较于标准气-液扩散测试的灵敏度提升的系数为10。可选择管道的尺寸使得灵敏度提升的系数至少为2，优选的系数至少为10且最优选的系数至少为100。
本发明方法可用于各种过滤装置，包括但不限干平盘薄膜、褶式筒、层叠盘式筒、板框式筒、凹槽片、管、纤维以及缠绕螺旋模块。所述方法可用于若干具有很宽额定孔径范围的聚合薄膜。所述聚合薄膜的例子包含由聚四氟こ烯(PTFE)、聚偏ニ氟こ烯(PVDF)、尼龙、聚醚砜、聚烯烃、聚砜以及纤维素酯制成的聚合薄膜。所述方法可用于亲水性以及疏水性薄膜。实施例I用膨胀型PTFE(ePTFE)薄膜来实现根据本发明的完整性测试方法，所述薄膜根据美国专利7，306，729所述制备。所述薄膜的空气流为2. 6格力秒且单位面积质量为I. 6g/m2。将直径为47mm的此薄膜的平盘安装在测试固定装置上。IPA循环经过样品约5分钟，以使得IPA浸润样品。如图2和3所示，用浸润液体IPA填充测试固定装置的位于样品下游侧与出ロ之间的部分，以形成液体管道。在浸润了样品并用IPA填充测试设备的下游部分之后，用空气对样品加压。以IOpsi/分钟的速率缓慢增加空气压力。用容器收集移除的IPA的量，并用天平(型号CPA324S,萨托瑞斯公司(Sartorius Corporation))姆秒进行测量。用IPA质量流量除以IPA的密度，将IPA流量转换成气体体积流量。图5描述了液体体积流量(cc/分钟)与压カ的函数关系。如图5所示，区域A-B显示穿过薄膜样品的流量非常低，平均小于O. 04cc/分钟。在区域B-C中，达到了样品的泡点。当气流随着压カ特征性地增加时，出现了大宗气流。实施例2用亲水性PVDF过滤器(额定孔径为O. lum，Durapore ，密理博公司(MilliporeCorporation))来实现本发明的完整性测试方法。IPA循环经过样品约5分钟，以使得IPA浸润样品。如上所述，用IPA填充测试固定装置位于样品下游侧与出口之间的部分，以形成液体管道。用空气对样品加压；以IOpsi/分钟的速率缓慢增加空气压力。用容器收集移除的IPA的量，并用天平每10秒进行测量。用质量流量除以IPA的密度，将质量流量转换成液体体积流量。图5描述了液体体积流量(cc/分钟)与压カ的函数关系。如图5所示，所测得的穿过区域D-E中的薄膜样品的流量非常低，平均小于0. 015cc/分钟。在区域E-F中，达到了样品的泡点。当气流随着压カ特征性地增加时，出现了大宗气流。实施例3用PVDF过滤器筒来实现本发明的完整性测试方法。将商用筒(Durapore ，额定孔径为0. 22um,密理博公司(Millipore Corporation))安装在测试固定装置(部件编号CSF 786-226，神科过滤器公司(Shelco Filters))中。IPA循环经过样品约60分钟，以使得IPA浸润样品。如上所述，用IPA填充测试固定装置位于样品下游侧与出口之间的部分，以形成液体管道。用空气对样品加压；空气压カ保持IOpsi不变。用容器收集移除的IPA的量，并用天平每10秒进行测量。用质量流量除以IPA的密度，将质量流量转换成液体体积流量。图6描述了液体体积流量(cc/分钟)随时间衰退的函数关系。如图6所示，用此技术能测得低至0. 03cc/分钟的液体流量。 实施例4用膨胀型PTFE过滤器筒来实现本发明的完整性测试方法。将戈尔公司(W.L.Gore&Associates, Inc)生产的,部件编号为GMM 109的商用ePTFE薄膜夹在两个聚丙烯垫板之间，然后用本领域中的已知方法将其皱褶并转换成10英寸的聚丙烯筒元件。筒的有效过滤面积为6.9ft2。筒的OD与ID分别为2. 45英寸与I. 65英寸。将筒安装在测试固定装置中(部件编号CSF 786-226，神科过滤器公司)。IPA循环经过样品约60分钟，以使得IPA浸润样品。如上所述，用IPA填充测试固定装置位于样品下游侧与出口之间的部分，以形成液体管道。用空气对样品加压；以O. 25psi/分钟的速率缓慢增加空气压力。用容器收集移除的IPA的量，并用天平每10秒进行测量。用质量流量除以IPA的密度，将质量流量转换成液体体积流量。图7描述了体积流量(cc/分钟)与压カ的函数关系。如图7所示，穿过筒式样品的液体流量小于Icc/分钟。
实施例5用亲水性PVDF过滤器筒(额定孔径为O. 22um, Durapore ，密理博公司(Millipore Corporation))来实现本发明的完整性测试方法。将筒安装在测试固定装置中(部件编号CSF 786-226，神科过滤器公司)。70/30 (IPA/水)混合物循环经过样品约60分钟，以使得70/30(IPA/水)混合物浸润筒式样品。如上所述，用70/30(IPA/水)混合物填充测试固定装置位于样品下游侧与出ロ之间的部分，以形成液体管道。以约为5psi的増量缓慢增加空气压力，并在该压カ下保持约5分钟。用容器收集移除的IPA/水的混合物的量，并用天平(型号CPA324S,萨托瑞斯公司(Sartorius Corporation))在最后一分钟内进行测量。用质量流量除以IPA/水混合物的密度，将质量流量转换成液体体积流量。图7描述了体积流量(cc/分钟)与压カ的函数关系。如图7所示，穿过筒式样品的流量小于0. 5cc/ 分钟。在压カ为IOpsi下，用此实施例与对比例I中的液体流量数据，计算所得的FR为0. 00189。此FR值表明，测试方法灵敏度提升的系数约为529。实施例6此实施例显示了使用本发明方法精确鉴定有缺陷的过滤器。用含亲水性PVDF过滤材料的 0. 22 μ m Millipak-100 (密理博公司(Millipore Corporation)部件#MPGL10Zffl)层叠盘过滤单元来实现本发明的完整性测试方法。将所述単元安装在测试固定装置中。脱气水循环经过単元数分钟，以使得脱气水浸润筒式样品。用空气对单元加压；以约2psi/分钟的速率缓慢增加空气压力。用容器收集移除的水的量，并用天平(型号CPA324S,萨托瑞斯公司(Sartorius Corporation))进行连续测量。当压カ上升到50psi时，水流质量流量小于0. 2g/分钟。如图8所示，当压カ约为53psi时,质量流量远超过0. 2g/分钟，表明过滤器的泡点约为53psi。用过滤器截留测试所测得的相同批次的相似过滤器单元的对数截留值(LRV) > 8. 9。使用10微升注射器(汉密尔顿部件#80030)的尖端穿过所述的过滤器単元的排出口，产生ー个针孔来破坏相同的过滤器単元。小心地使制造的缺陷尽可能的小。重复如上所述的测试过程。如图8所示，即使当压カ< 5psi时，水流质量流量超过0. 2g/分钟。当压カ为约9. 6psi时,质量流量远超过0. 2g/分钟,表明过滤器的泡点远低于约9. 6psi,表明其是有缺陷的过滤器。有缺陷的过滤器的LRV明显下降，测得为5. 9。按照以下方式测定Millipak过滤器筒的微粒截留将高纯水以50ml/分钟的流量循环经过过滤器。循环中包含有光学颗粒计数器(颗粒测试系统LiqUiLaz-S02)以测定颗粒浓度。将500nm聚苯こ烯胶乳颗粒的悬浮液(杜克科学猫(Duke ScientificCat)#3500A)注射入过滤器上游的循环水中。选择注射速率使得所产生的过滤器上游的颗粒浓度为4. 0E6/mL。测得的被破坏的与未被破坏的过滤器下游的颗粒浓度分别为4. 6/mL以及< O. 05/mL。根据该浓度计算所得的过滤器的对数截留值(LRVs)分别为5. 9以及>
8.9 ο实施例7根据如图4所述的实施方式，用亲水性PVDF过滤器筒(额定孔径为O. 22um,Durapore,密理博公司(Millipore Corporation))来实现本发明的完整性测试方法。将筒安装在测试固定装置中(部件编号CSF 786-226，神科过滤器公司)。70/30IPA/水的混合物循环经过样品约45分钟，以使得70/30IPA/水的混合物浸润筒式样品。如图3所示，用IPA/水混合物填充测试固定装置位于样品下游侧与出口之间的 部分，形成长为12”，直径为5/8英寸的液体管道，然后为长为28英寸，直径为I英寸的液体管道，然后为88英寸，直径为1/4英寸的液体管道。缓慢增加空气压力，且将样品在给定压力下保持约20分钟。Sartocheck 4(萨托瑞斯公司(Sartorius AG))用于测定流量与压力。图9所示为空气流量与压カ的函数关系。在压カ为IOpsi下，用此实施例与对比例I中的空气流量数据，计算所得的FR为O. 0303。此FR值表明测试方法灵敏度提升的系数约为33。对比例I对实施例5和7中所述的筒式样品进行标准气-液扩散测试。用Sartocheck 4 (萨托瑞斯公司(Sartorius AG))进行该测试。将筒安装在测试固定装置(部件编号HUl 1U7TY00S0S, Sartorius Stedin Biotech(萨托瑞斯斯丁生物技术公司))中。用70/30IPA :水的混合物浸润筒，并在进ロ侧用特定测试压力的空气加压。以约为5psi的增量増加空气压力。在测试压力下測定过滤器下游侧的气流。图7和9所示为气体流量与压力的函数关系。
权利要求
1.一种测试含具有泡点的多孔过滤材料的过滤器的完整性的方法，所述过滤器具有预期特定的液体流量值，该方法包括 提供具有流体进口和流体出口的过滤器固定装置； 将所述多孔过滤器安装在过滤器固定装置的进口与出口之间； 浸润多孔过滤材料以用浸润液体填充材料的孔； 用液体填充多孔过滤介质与流体出口之间的过滤器固定装置， 在过滤器固定装置的流体进口处对过滤器固定装置提供空气加压，所述空气的压力低于过滤器的泡点， 测量离开过滤器固定装置的液体流。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤 对比测得的离开过滤器固定装置的液体流与预期的液体流，如果测得的特定液体流超过预期特定的液体流，则过滤器测试失败。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤 增加过滤器固定装置进口处的气压；以及 测定液体管道中的液体流量。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述加压步骤包括在不同压力步骤中逐步增加压力。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述加压步骤包括以恒定速率增加压力。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述加压步骤包括控制压力以在进口处保持恒定的压力。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述过滤器为过滤材料平盘。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述过滤器包含褶状材料。
9.一种用于测试含具有泡点的多孔过滤材料的过滤器的完整性的方法，该方法包括 提供具有流体进口和流体出口的过滤器固定装置； 将所述多孔过滤器安装在过滤器固定装置的进口与出口之间； 浸润多孔过滤材料以用浸润液体填充材料的孔； 用液体填充多孔过滤介质与流体出口之间的过滤器固定装置， 在过滤器固定装置的流体进口处对过滤器固定装置提供空气加压，所述空气的压力低于过滤器的泡点， 称量从过滤器固定装置中移除的液体，以及 通过移除的液体体积计算气体流量。
10.一种用于测试多孔过滤器的完整性的改进方法，该测试方法包括以下步骤提供具有流体进口和流体出口的过滤器固定装置，将所述多孔过滤器置于固定装置中，用浸润液体浸润过滤材料的孔，对所述过滤器用空气加压，所述空气的压力小于过滤器材料的泡点，以及测定过滤器下游的液体流量，所述改进包括在所述过滤器的下游提供了液体管道，并在所述管道中测量液体流量。
11.如权利要求10所述的用于测试多孔过滤器的完整性的改进方法，其特征在于，所述管道使得测得的流动比率小于0. I。
12.一种用于测试含具有泡点的多孔过滤材料的过滤器的完整性的方法，该方法包括 提供具有流体进口与流体出口的过滤器固定装置； 将所述过滤器安装在过滤器固定装置的进口与出口之间； 用浸润液体填充多孔过滤材料的孔； 用浸润液体填充多孔过滤介质与流体出口之间的过滤器固定装置， 在多孔过滤材料的下游提供被浸润液体填充的液体管道，选择所述液体管道的扩散路径的长度以减少穿过薄膜的扩散流， 在过滤器固定装置的流体进口处对过滤器固定装置提供空气加压，所述空气的压力低于过滤器的泡点； 测定进入固定装置的气体流量。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤 对比测得的气流与预期的气流，当测得的气流小于或者等于预期的气流时，所述过滤器通过测试，而如果测得的气流超过预期的气流，所述过滤器测试失败。
全文摘要
一种含具有泡点的多孔过滤材料的过滤器的完整性测试方法，所述过滤器具有预期特定的液体流量值，所述方法包括以下步骤提供具有流体进口和流体出口的过滤器固定装置，将所述多孔过滤器安装在过滤器固定装置的进口与出口之间；浸润多孔过滤材料以用浸润液体填充材料的孔；用液体填充多孔过滤介质与流体出口之间的过滤器固定装置，在过滤器固定装置的流体进口处对过滤器固定装置提供空气加压，其中所述空气的压力低于过滤器的泡点，以及测量离开过滤器固定装置的液体流。
文档编号G01N15/08GK102639218SQ201080053183
公开日2012年8月15日 申请日期2010年9月23日 优先权日2009年9月24日
发明者D·C·格兰特, E·伯斯彻, S·罗斯 申请人:戈尔企业控股股份有限公司