PVDF與PES濾芯對液體質量的影響分析

＊白彩虹 韓潤澤 豆佳毓 韓丹 趙陽 謝澎

（蘭州生物制品研究所 甘肅 730000）

1.引言

濾芯是一種廣泛應用于液體過濾和凈化的裝置[1,2]，其材質和操作參數對液體質量參數的影響是一個重要的研究課題。液體質量參數是指液體的物理、化學和生物學特性，如酸堿度、密度、電導率等，它直接影響著液體的使用效果和安全性[3,4]。例如，在疫苗生產中，培養基及緩沖液液體質量參數的變化決定了后續疫苗的活性、穩定性和無菌性，因此，需要對液體進行嚴格的過濾和凈化，以去除雜質和菌體，保證液體的純凈度和質量[5]。濾芯的材質和過濾過程中的操作參數是影響液體質量的主要因素[6]。濾芯材質的選擇和過濾過程中操作參數的設定，需要根據液體的性質和過濾的目的進行優化[7]。

目前，關于濾芯材質與操作參數對液體質量的交互作用的研究[8,9]，主要集中在水處理、食品飲料、化工聚合物等領域，而在醫學領域，尤其是疫苗生產中，涉及到不同性質的液體，如蛋白溶液、鹽溶液、緩沖液、培養液等，這些液體的酸堿度、密度、電導率等參數與常見的液體有所不同。常見的親水性除菌過濾濾芯材質有聚醚砜（PES）、硝酸纖維素（CN）、醋酸纖維素（CA）、尼龍（NY）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。不同材質的濾芯各有其優缺點：聚醚砜（PES）膜通量高，析出低；硝酸纖維素（CN）膜又稱硝化棉、硝化纖維素、纖維素硝酸酯，其特點是耐稀酸、耐弱酸；醋酸纖維素（CA）對過濾物質如藥物的吸附量最低；尼龍（NY）膜具有良好的化學耐受性，適用于水系和有機系，但不耐強酸；醋酸纖維素（CA）聚偏二氟乙烯（PVDF）膜過濾流速高，且蛋白吸附性低。本文以不同材質（選擇PES和PVDF）的除菌過濾濾芯為對象，以溶液酸堿度為指標，探究了濾芯材質與操作參數對液體質量的交互作用規律。

2.實驗方法

(1)實驗材料和儀器

實驗材料包括濾芯和液體。濾芯為成品濾芯，分為兩種材質：PVDF（聚偏二氟乙烯）和PES（聚醚砜），均為折疊式濾芯，長度為12.7cm，外徑為69mm，內徑為33mm，有效過濾面積為0.45m2。PVDF濾芯的孔徑為0.22mm，PES濾芯的孔徑為0.22mm+0.45mm，即雙層結構，內層為0.22mm，外層為0.45mm。PVDF濾芯的孔隙率為75%，表面性質為親水。PES濾芯的孔隙率為80%，表面性質為親水。

液體為疫苗生產中常見的不同性質的液體，包括蛋白溶液、鹽溶液、緩沖液和培養液。蛋白溶液為牛血清白蛋白（BSA）溶液，濃度為1g/L，pH值為7.0，密度為1.002g/cm3，電導率為0.055S/m。鹽溶液為氯化鈉（NaCl）溶液，濃度為0.9g/L，pH值為7.0，密度為1.002g/cm3，電導率為1.413S/m。緩沖液為磷酸鹽緩沖液（PBS），濃度為10mM，pH值為7.3，密度為1.002g/cm3，電導率為0.154S/m。培養液為MEM培養液，濃度為10g/L，pH值為7.3，密度為1.003g/cm3，電導率為0.147S/m。

實驗儀器包括過濾裝置、天平、pH/電導一體機、紫外可見分光光度計。

(2)液體的制備和分析

液體的制備方法如下：BSA溶液為市售的1g/L BSA溶液，直接使用；NaCl溶液為將0.9g NaCl溶解于1000mL注射用水中制備；PBS溶液為將10mM PBS緩沖液粉末按照說明書用注射用水配制；MEM培養液為將10g/L MEM培養基按照說明書用注射用水配制。

(3)濾芯與液體的交互作用的測試方法

濾芯與液體的交互作用的測試方法如下：恒壓過濾法為用過濾裝置將濾芯與液體連接，調節壓差為0.1MPa，記錄過濾時間和過濾量，計算過濾通量。pH變化為除菌過濾前pH與除菌過濾后pH的差值。

3.實驗結果與討論

(1)液體的分析結果

表1為不同液體的分析結果，包括酸堿度、電導率、吸光度等參數。

表1 不同液體的分析結果

從表1可以看出，不同液體的性質有明顯的差異，其中PBS溶液和MEM培養液的pH較高，NaCl溶液和BSA溶液的pH較低；NaCl溶液的電導率最高，BSA溶液的電導率最低；MEM培養液的吸光度最高，NaCl溶液和PBS溶液的吸光度最低。這些參數反映了液體的物理、化學和生物學特性，對濾芯與液體的交互作用有重要的影響。

(2)濾芯與液體的交互作用的影響因素

①濾芯材質的影響

表2為不同濾芯材質對不同液體的過濾通量和pH變化的影響結果。

表2 不同濾芯材質對不同液體的過濾通量和pH變化的影響結果

PVDF濾芯的過濾通量高于PES濾芯，這是因為PVDF濾芯的孔隙率高于PES濾芯，導致液體的滲透性更好。PES濾芯的pH變化低于PVDF濾芯，這是因為PES濾芯的表面性質為親水，導致液體的吸附性和濃縮性更低。不同液體的過濾通量和pH變化有明顯的差異，這是因為不同液體的性質（如pH、電導率、密度等）影響了液體與濾膜的交互作用，導致過濾效果的不同。

②操作參數的影響

表3為不同操作參數對不同液體的過濾通量和pH變化的影響結果。

表3 不同操作參數對不同液體的過濾通量和pH變化的影響結果

從表3可以看出，操作參數對液體的過濾通量和pH變化率也有顯著的影響，其中壓差、流速和溫度的增加，均會導致過濾通量的增加，但也會導致pH變化率的增加。這是因為壓差、流速和溫度的增加，會增加液體與濾膜的接觸力度和時間，從而提高過濾效率，但也會增加液體的吸附和濃縮程度，從而降低pH。因此，操作參數的選擇，需要根據液體的性質和過濾的目的進行調節，以達到最佳的過濾效果。

③液體性質的影響

表4為不同液體性質對不同濾芯材質的過濾通量和pH變化率的影響結果。

表4 不同液體性質對不同濾芯材質的過濾通量和pH變化率的影響結果

從表4可以看出，液體性質對液體的過濾通量和pH變化率也有顯著的影響，其中pH、電導率和密度的增加，均會導致過濾通量的降低，但pH變化率的變化不一致。這是因為pH、電導率和密度的增加，會增加液體的分子間作用力，從而降低液體的流動性和滲透性，導致過濾通量的降低。而pH變化率的變化，與液體的成分和結構有關，如BSA溶液和MEM培養液中含有大分子的蛋白質和細胞，容易被濾膜截留，導致pH的降低。

4.結論

本文以PES和PVDF兩種不同材質的除菌過濾濾芯為對象，以溶液酸堿度為指標，探究了濾芯材質與操作參數對液體質量的交互作用規律。本文的主要結論如下：（1）濾芯材質、操作參數和液體性質對液體的過濾通量和pH變化率有顯著的影響，其中濾芯的孔隙率、孔徑、表面性質、壓差、流速、溫度、液體的pH、電導率、密度等是主要的影響因素[10]。（2）濾芯材質的選擇，需要根據液體的性質和過濾的目的進行權衡，以達到最佳的過濾效果。一般來說，PVDF濾芯適合用于截留能力要求高的液體，如蛋白溶液和培養液，但也要注意控制pH的降低[11]；而PES濾芯適合用于截留能力要求低的液體，如鹽溶液和緩沖液，但也要注意提高過濾通量。（3）操作參數的選擇，需要根據液體的性質和過濾的目的進行調節，以達到最佳的過濾效果。一般來說，壓差、流速和溫度的增加，可以提高過濾通量，但也會增加pH的變化，因此，需要在保證液體質量的前提下，選擇合適的除菌過濾操作參數。