一、概述

过滤是一门应用非常广泛的技术，在我们的日常生活中经常随处都能看到。

在古代，人们用编织物来过滤食品和果汁，用石灰垫草作为过滤介质来过滤染料。

在很长一段时间中，用砂、陶瓷、硅藻土、布、毡、石棉等作为过滤介质，得到了相应的应用和发展。

1979年，由法国政府批准了世界上*个过滤技术。

19世纪初，出现了微过滤（Micro Filtration简称MF）。

1925年德国建立了世界上*家微滤膜生产和销售的公司―――沙多利斯（Sartorius）公司。

1954年美国成立了Millipore（密利博）公司，其他国家（如英国、日本、苏联）相继形成了自己独立的微过滤工业。

中国在70年代开始，上海医药工业研究院、四机部十院。杭州海洋所等单位先后对微滤膜的制备、应用开始了研究系统。

二、基本概念

1、微过滤属于过滤技术中的一种，它与其他的分离方法及适用范围见附图1。

2、微过滤是指将颗粒从流体（气体或液体）中分离出来的一种技术。这里所指的微过滤介质的孔径范围一般为0.1um－10um，介于常规过滤和超滤之间。

3、微过滤与超滤及反渗透的异同

微过滤、超滤和反渗透都是以压力为驱动力达到分离和浓缩的目的，都无相态变化和界面质量的转移。

微过滤技术与超滤过滤技术和反渗透过滤技术共同组成了一个可分离单价离子到固态颗粒的完整的三级分离体系。这三种技术既有，他们之间是互相交叉的，并无截然分界线。一般来说，反渗透膜的孔径在以下，zui高操作压力在500－1500psi（35－105bar），可截留全部溶质分子和单价氯离子，主要用于水脱盐、污水处理等。超滤膜孔径一般在10－100A之间，操作压力约10－100psi（0.7－7bar），可截留各种可溶性的大分子，如多糖、蛋白质分子等，主要用于浓缩和分离胶体溶液，去除小分子杂质，高纯水制备，污水处理等。微滤膜孔径一般在0.1－10微米之间，操作压力在1－10psi（0.07－0.7bar），可截留细菌，微生物和各种固态颗粒，主要用于各种液体和气体和净化除菌和除微粒，包括各种工业性的大规模过滤。目前这三种技术中尤以微过滤技术应用zui广，经济价值zui大。

4、微过滤和常规过滤的区别

  4.1常规过滤的过滤介质孔结构类型一般属深层型。其一般的孔形是极不整齐的多孔体，孔形分布范围较广，无法标明它的 孔径大小。过滤时粒子是靠陷入介质内部通道而被阻挡，阻留率则随压力而下降，介质厚，对颗粒的容纳量大，用于一般澄清过滤。

  4.2微过滤所用的过滤介质孔结构类型属筛网型，是由天然或合成高分子材料所形成。它具有形态较整齐的多孔结构。孔径分布较均匀。过滤时近似于过筛的机理，使所有大于直径的粒子全部拦截在滤膜表面上。由于过滤只限于表面，因此便于观察、分析和研究截留物。微过滤所用微孔滤膜的过滤膜的过滤介质薄、对颗粒容纳量小、因此使用时宜设置预过滤装置。

5、微滤膜的特性

微滤膜所用的过滤介质是高分子材料在一定的条件下所形成的多孔滤膜，可形成一定范围的孔径，且孔是一种多层相叠的具有不规则孔形的重叠筛网结构。虽然测到的zui大孔径比较大，但是这些大孔由于他们的不规则形态以及上下网孔的重叠，而使其通道的有效直径大为缩小，它近似一种多层叠起来的筛网，因此具有一般深层过滤所不具备的特性。

  5.1微滤膜因其孔径十分均匀，能将液体中所有大于孔径的微粒全部阻拦，而对于气体中的微粒，更由于惯性和静电作用使其截留的效率更高，能孔径小3至5倍的尘粒。

  5.2微滤膜孔隙率高达80％，因而阻力很小，对液体或气体的过滤速度，可较同样效果的常用滤材快数十倍，但由于它的筛网结构，阻留作用只在表面，因而又极易受少量与孔径大小相仿的微粒或凝胶状物质所堵塞。

  5.3微滤膜为均一连续的高分子材料，过滤时没有纤维和碎屑的脱落，从而得到高度纯洁的气体和液体。

  5.4大于孔径的微粒不会因为压力增高而穿过滤膜，当压力波动时也不影响过滤效率。

  5.5微滤膜滤层薄，质量小，吸附小，可减少贵重物料的损失。

  5.6用微滤膜进行除菌过滤时，细菌截留在表面，经培养后细菌也不能穿过滤膜生长，不像深层过滤介质，一部分细菌被截留在通道中，除冲洗可能脱落外，还可能由于细菌向正反两个方向生长繁殖而污染滤出系统。

三、微过滤介质

1、微滤介质的分类

微滤介质一般可分为深层过滤（粗滤）介质和筛网状过滤（精滤）介质两种类型。在常规过滤中所用的多属深层过滤介质，一些厂家所标示的通常只是其产品的截留粒度和截留率，过滤时液体中的颗粒是在滤层的弯曲通道中填搁于转折死角或因架桥而被阻拦，微细的粒子则由于吸附而被除去，因此以深层过滤时，不能保证没有少量大颗粒物质进入滤液，特别在压力波动等情况下更易如此，而大量细微粒子则被阻拦。同时深层过滤介质对颗粒的容纳量也较大。筛网状过滤介质具有形态整齐的多孔结构，过滤时，主要是以近似过筛的机理，使所有比网孔大的粒子全部被拦截在膜表面上，小于孔径的颗粒则能较顺利通过。由于只在表面阻留，因此颗粒容纳量小，易被堵塞。

2、深层过滤介质的品种和特点

  ①深层过滤介质的品种

    聚丙烯无纺布。聚丙烯毡

    超细硼硅酸纤维纸

    聚四氟乙烯烧结管

    金属烧结管

    其他

  ②深层过滤介质的特点

    流体阻力较低，有利于节能。

    有较高的容尘量，可以降低成本。

    有一定的过滤能力、精度及截留效率。

3、精密过滤介质的品种和特点

作为精密过滤介质应该是膜。供制微孔滤膜的材质较多，已商品化的主要有硝酸纤维素酯、醋酸纤维酯，和这两种酯的混合物，再生纤维素酯，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纤维素酯微孔滤膜

历史zui久，应用zui广的一类滤膜。孔径规格多，性能良好，生产成本较低，亲水好，可耐热压消毒（121 ℃，半小时），其中醋酸纤维素滤膜尚能耐干热至180℃，并能用来过滤低达－200 ℃的低温液体。

  ②再生纤维素微孔滤膜

于非水溶液的澄清或除菌过滤，耐各种有机溶剂，但能用来过滤水溶液，可用蒸汽热压法或干热消毒。

  ③聚氯乙烯微孔滤膜

适用于较强的酸性或碱性液体，但耐温低（<40 ℃），不便消毒。亲水性差，因而在低压下过滤水溶液时，应先用乙醇湿润。

  ④聚酰胺（尼龙）微孔滤膜

较耐碱而不耐酸，在酮、酯、醚及高分子量醇类中不易被侵蚀，适用于电子工业中光致抗蚀剂等的生产。

  ⑤聚四氟乙烯微孔滤膜

为增强水性膜，耐高温。它的化学稳定性*，可耐强酸、强碱和各种溶剂，用于过滤蒸汽及各种有机溶剂和强酸、强碱以及腐蚀性液体，适用面广。

  ⑥聚丙烯微孔滤膜

在当前商品中主要是拉伸膜，孔径不均匀，但耐酸、强碱和各种溶剂，用于过滤蒸汽及各种有机溶剂和强酸、强碱以及腐蚀性液体，适用面广。

  ⑦聚碳酸酯微孔过滤膜

主要制成核径迹膜，孔特别均匀，但孔隙率较低。

  ⑧聚醚砜滤膜

有较好的化学稳定性，能耐各种有机溶剂，也能耐较高温度。

  ⑨聚偏二氟乙烯微孔滤膜

为憎水性膜。耐高温消毒，它的化学稳定性较好，目前主要用于空气过滤。

4、微孔滤膜适用范围举例

  ①12微米

微生物学研究中分离细菌的悬浮体。

  ②3－8微米

食堂精制，澄清过滤，工业尘埃重量测定，有机液体中分离水滴（憎水膜），细胞学研究，药液灌封前过滤，啤酒生产中麦芽沉淀量测定，寄生虫浓集。

  ③1.2微米

组织移植，细胞学研究，酵母及霉菌显微镜鉴别，粉尘重量分析。

  ④0.6－0.8微米

大输液澄清过滤，饮料稳定消毒，油类澄清过滤，光致抗蚀剂及喷漆溶剂的澄清过滤，油及燃料油中重量分析，牛奶中的大肠杆菌检测，液体中的残渣测定。

  ⑤0.45微米

抗菌素及其他注射液的无菌试验，水。饮料、食品中大肠杆菌检测，培养基除菌过滤，血球计数用电解质溶液的净化，去离子水的净化，鉴别微生物。

  ⑥0.2微米

药液、生物制剂和热敏性液体的除菌过滤，液体中细菌计数，电子工业中用于用水净化。

  ⑦0.1微米

超净试剂及其他液体的产生，胶悬体分析沉淀物的分离。

5 微滤单元形式

  ①片式

一般为圆片形，过滤有效较小。

  ②袋式

过滤的有效面积比片式的要大，用于气体过滤中的深层过滤。

  ③管式

主要以烧结法制成，一般用于深层过滤。

  ④折叠式

是目前zui常用的微滤单元形式，zui大的优点是有效过滤面积大，占地面积小。既可用于气体过滤，又可用于液体过滤。

6微滤膜制备

  ①自然蒸发法

自然蒸发法是一种相转化法，目前使用较广的纤维素膜和尼龙膜等主要用此法制造。其他原理是将高分子材料配成铸膜液，然后在基村上流延成薄膜。在一定的条件下，薄膜中的形成滤膜。用这种方法制成不同孔径和规格的微滤膜。

  ②急速凝胶法

急凝胶法也是利用相转化法制膜，它是将铸膜液薄层浸入凝固液中，使溶剂与水立即相互扩散，技术造成相分离，从而制成膜。用这种方法制成微孔膜水多为不对称膜。

  ③溶出法

是指在制膜基材中加入可溶性的材料，成膜后用溶剂将可溶的物质溶解出来，从而形成微孔膜。

  ④拉伸法

此类膜目前主要用聚烯烃制成，如聚丙烯。将聚丙烯薄膜通过纵向拉伸形成缝状空隙。

  ⑤烧结法

此颗粒状高分子材料均匀加热，使颗粒表面熔融，从而相互粘接形成多孔薄层或块状物，再进行加工成为微滤膜。

  ⑥核径迹法

将高速运动的粒子对薄膜进行轰击，从而膜形成多孔膜。

7、过滤机理

流体中杂质主要通过三种过滤机理而除去。

  ①直接拦截

流体中的颗粒等于大于滤材孔径时，受到孔的拦截而被截留（筛分原理），搭桥现象截留小于滤材微孔的颗粒，不规则颗粒等也可被截留。

  ②惯性碰撞

颗粒在流动的流体中具有质量和速度，所以它有一股动量。当液体和它夹带的颗粒通过过滤介质时，流体将选取阻力zui小的通道流过，并将顺着纤维结构改变，而颗粒因其有动量，它仍作直线运动的倾向结果将位于液体接近中心处的颗粒投向和撞击到纤维上而被分离出来。

  ③扩散拦截/布朗运动

对于非常小的颗粒（那些质量极小的颗粒）可以从扩散拦截中分离出来。在这过程中颗粒和液体分子碰撞（气体分子碰撞），这种频繁碰撞使颗粒以不规则形式沿着流体作动线运动。这种可以在显微镜下观察的运动称为“布朗运动”。布朗运动使这些较小的颗粒从流体的流动线上游离出来，因而增加了他们撞击过滤介质结构表面而被分离出来的可能性。

每种机理的作用大小与颗粒的尺寸及滤材的性质有关，颗粒的尺寸不同时，三种机理起的作用也就存差异。

直接拦截主要对：1.0um和大于10um颗粒起作用，这些颗粒相对容易去处。

惯性碰撞主要对：1.0um－0.3um范围内颗粒起作用。

扩散拦截/布朗运动：当颗粒达到0.3um时，惯性碰撞作用减小，而扩散拦截/布朗运动成为主要去除颗粒的主要机理。颗粒越小，扩散拦截/布朗运动的明显，即颗粒越小越容易去除。

在气体中，由于布朗运动强烈，扩散拦截起着相当重要的作用；在液体中，布朗运动大为消弱，这也是同种滤芯过滤不同状态流体时，过滤精度存在差异的主要原因。

8、 微过滤术语和常用名词

  ①微米的概念

在微过滤行业中，常用微米作为衡量过滤性能的计量单位，符号用um表示。

1um＝10－3mm＝10－6m

微米与传统意义上的“目”有如下的关系：

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典型物体的尺寸

人的头发丝直径：    70～80um

裸眼可见zui小颗粒：40um

酵母菌：3um

假单胞菌：0.3×0.8um

病毒：0.03um

  ③过滤精度

    公称精度

一般是根据功率等于或大于颗粒尺寸的某一个百分比而设定的。是生产厂家设定的微米数值。

    精度

在规定的测试条件下能够通过的zui大硬度球型颗粒的直径，它是过滤元件中zui大孔径的读数。

通常当过滤效率大于99.98％时作为过滤器的精度的标准。

  ④除菌等级过滤器精度的确定

采用通用菌种

0.1um    支原体

0.2um    假单胞菌

0.45um   沙雷氏菌

  ⑤过滤效率

出过滤器颗粒数和进过滤器颗粒数之比。

过滤效率越大，过滤效果越好。

  ⑥流量

在规定的试验条件下，干净的液体或气体在单位时间通过单个过滤器的体积总和。

流量与压力成正比，和阻力成反比。因此，阻力不变时，压力越大，流量也越大；压力不变，阻力越小，流量越大。

  ⑦压力降

过滤系统阻力是流体经过管路所产生的压力损失加上它经过过滤器时的压力损失的总和。

流体通过过滤器（清洁）时所受阻力是由过滤器外壳、滤芯的内外筒和过滤介质等引起的。

当流体在过滤器中遇到阻力时，会导致过滤器的下游压力下降，在过滤器上下游测得的压力降称为“压力差”。因此实际上压力降、压力差是同义词。

  ⑧表面积

流体流过过滤器的过滤介质的有效截面积。

过滤器的寿命和它的容污量有关。相对来说，过滤器的表面积的加强，寿命也会大大增加。

9、 液体过滤器的特点及应用

  ①液体过滤器的特点

    液体的特性

液体具有流动性、不可压缩性两大特性。制药工业中的液体多种多样，有水、溶酶、药液等。成份比较复杂、物理化学性质、工艺条件也有较大差异。过滤器的选择比较复杂，影响过滤器的寿命的因素也很多。

    气体/液体中过滤精度的差异

液体中布朗运动比较弱，三种过滤机理，扩散拦截基本不起作用，同种滤芯在气体/液体中过滤较大差异。

气体中             液体中

除菌过滤器             0.01um             0.2um

过滤器                   0.1um            1.2um

因此，液体过滤精度要求更严格。

    液体过滤器与过滤液体间的化学相容性

       要求：过滤液体不能损坏过滤器的标示性能

              过滤器也能影响过滤液体的各种特性

       测试方法：过滤器在一定温度下一定浓度液体中，然后定期检验过滤性能，确定安全使用期限。

检测过滤器在液体中物含量，越低对过滤器污染越小。

我厂在产品样本中提供了常见过滤器及密封材料在液体中的化学相容表。在选配时要注意选择合适的过滤器材质和密封材料。

注：影响化学相容性的因素很多，有时需根据实际工艺要求预选进行化学相容性试验。过滤器各部件材料品种越少越好，这样相容性可以兼顾。

  ②液体过滤器的选型

选型时要考虑以下因素：

   液体的性质

根据液体性质选择滤材，过滤介质、滤芯和壳体的材料必须适用于过滤的流体。

对水及水溶性液体，尽量选亲水性膜过滤器。

对腐蚀性特强的液体，如浓酸、浓碱、各种溶媒等，要用PTFE材料（疏水性）过滤器。

    流量（体积）

根据系统压力、温度、是否要消毒等要求来选择外壳材料和滤芯。

如：室温、除颗粒―――可用聚丙烯PP外壳；

如：要除菌、较严格液体过滤―――可选用（卫生级）不锈钢材料316L或314；

如：含CL溶液，还需在外壳内衬PTFE。

    温度

温度对流体粘度、壳体腐蚀速度二者以及过滤介质适应都有影响。高温也会加快腐蚀速度。

    过滤程度（除菌、除颗粒等）

根据过滤程度要求来选择滤芯过滤精度。

    污染程度，前处理情况

根据前处理情况确定是否需配预过滤。

    预过滤器的选择

使用预过滤器的目的是处长终端过滤器的寿命，以降低成本。如前处理好中端过滤器寿命比较经济，可不选用。

对精度高的过滤器，压差主要集中在滤芯上，滤壳本身压差可以忽略；对除颗粒滤器，除芯压差处，还要考虑壳本身的压差。

对于一些特殊液体，需进行可滤性试验，确定*预、终过滤组合，要进行经济核算。

③深层预过滤器和膜顶过滤器

  深层预过滤器的容污力大、初装压差高、过滤过程中压差变化小。孔径分布宽、成本低。过滤污染严惩，低价值液体时选用。

  膜预过滤器的容污力小、初装压差低、但过滤过程中压差变化大、孔径分布窄，成本高。洁净度高，高价值液体，初装压差要求低时选用。

④液体过滤器、运行、蒸汽消毒、更换、清洗

  除菌过滤器的蒸汽消毒

液体除菌过滤器安装示意图

一般程序：

蒸汽压力1.0～1.3BAR，121℃，30min，过滤器前后压力<0.15bar。

迅速充入N2氮气或干净的空气进行系统保压，充入气体压力蒸汽约高0.2bar，当温度低于100℃后，加大气体压力将滤芯吹冷。

如滤芯已湿润，蒸汽不易穿过，应在较低蒸汽压力下，先将滤芯微孔中水分蒸发出去，待观察到下游蒸汽时，再提高到消毒所需压力。

要特别注意排除蒸汽中的凝水。

  除菌过滤器完整性检验

    将滤芯用过滤器厂家推荐的液体（如水、乙醇）等进行湿润。

    按完整性测试仪标准程序及厂家提供的标准值对滤芯进行检验。

    完整性试验失败的原因：

       ―――－滤芯湿润不*

－―――密封不好（滤壳密封圈、滤芯O型圈）

――――管线有泄漏（接头、阀门等）

――――滤芯损坏

  过滤

完整性试验通过后，即可进行液体过滤，注意轻开阀门、滤壳排气。

    过滤完毕用溶剂（水或药用溶剂）将过滤液体置换出，关闭阀门，保持到下一批生产。

  滤芯的更换

出现下列情况时滤芯应进行更换：

―――过滤流量太小

―――压差达到有效压差

―――达到累积消毒时间

―――达到化学相容性要求时间

―――不能通过完整性测试

  滤芯的清洗

―――推荐正向漂洗，不推荐反向清洗，反向清洗易损坏滤芯，效果不明显。

―――如滤芯是因蛋白质等凝胶物质堵塞，可用稀碱溶液等将其溶解、清洗除去，可部分恢复过滤性能。

  滤芯长期不用时的储存

将滤芯用水冲洗干净，进行烘干，套上塑料袋，置于干燥清洁的地方，不要靠近锋利的物体，以免损坏滤膜，造成不可挽回的损失。