PVDF與PES濾芯對(duì)液體質(zhì)量的影響分析

＊白彩虹 韓潤(rùn)澤 豆佳毓 韓丹 趙陽(yáng) 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(yīng)用于液體過(guò)濾和凈化的裝置[1,2]，其材質(zhì)和操作參數(shù)對(duì)液體質(zhì)量參數(shù)的影響是一個(gè)重要的研究課題。液體質(zhì)量參數(shù)是指液體的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，如酸堿度、密度、電導(dǎo)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(chǎn)中，培養(yǎng)基及緩沖液液體質(zhì)量參數(shù)的變化決定了后續(xù)疫苗的活性、穩(wěn)定性和無(wú)菌性，因此，需要對(duì)液體進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)濾和凈化，以去除雜質(zhì)和菌體，保證液體的純凈度和質(zhì)量[5]。濾芯的材質(zhì)和過(guò)濾過(guò)程中的操作參數(shù)是影響液體質(zhì)量的主要因素[6]。濾芯材質(zhì)的選擇和過(guò)濾過(guò)程中操作參數(shù)的設(shè)定，需要根據(jù)液體的性質(zhì)和過(guò)濾的目的進(jìn)行優(yōu)化[7]。

目前，關(guān)于濾芯材質(zhì)與操作參數(shù)對(duì)液體質(zhì)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(lǐng)域，而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是疫苗生產(chǎn)中，涉及到不同性質(zhì)的液體，如蛋白溶液、鹽溶液、緩沖液、培養(yǎng)液等，這些液體的酸堿度、密度、電導(dǎo)率等參數(shù)與常見(jiàn)的液體有所不同。常見(jiàn)的親水性除菌過(guò)濾濾芯材質(zhì)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(zhì)的濾芯各有其優(yōu)缺點(diǎn)：聚醚砜（PES）膜通量高，析出低；硝酸纖維素（CN）膜又稱(chēng)硝化棉、硝化纖維素、纖維素硝酸酯，其特點(diǎn)是耐稀酸、耐弱酸；醋酸纖維素（CA）對(duì)過(guò)濾物質(zhì)如藥物的吸附量最低；尼龍（NY）膜具有良好的化學(xué)耐受性，適用于水系和有機(jī)系，但不耐強(qiáng)酸；醋酸纖維素（CA）聚偏二氟乙烯（PVDF）膜過(guò)濾流速高，且蛋白吸附性低。本文以不同材質(zhì)（選擇PES和PVDF）的除菌過(guò)濾濾芯為對(duì)象，以溶液酸堿度為指標(biāo)，探究了濾芯材質(zhì)與操作參數(shù)對(duì)液體質(zhì)量的交互作用規(guī)律。

2.實(shí)驗(yàn)方法

(1)實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料包括濾芯和液體。濾芯為成品濾芯，分為兩種材質(zhì)：PVDF（聚偏二氟乙烯）和PES（聚醚砜），均為折疊式濾芯，長(zhǎng)度為12.7cm，外徑為69mm，內(nèi)徑為33mm，有效過(guò)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(jié)構(gòu)，內(nèi)層為0.22mm，外層為0.45mm。PVDF濾芯的孔隙率為75%，表面性質(zhì)為親水。PES濾芯的孔隙率為80%，表面性質(zhì)為親水。

液體為疫苗生產(chǎn)中常見(jiàn)的不同性質(zhì)的液體，包括蛋白溶液、鹽溶液、緩沖液和培養(yǎng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率為0.154S/m。培養(yǎng)液為MEM培養(yǎng)液，濃度為10g/L，pH值為7.3，密度為1.003g/cm3，電導(dǎo)率為0.147S/m。

實(shí)驗(yàn)儀器包括過(guò)濾裝置、天平、pH/電導(dǎo)一體機(jī)、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)。

(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(shuō)明書(shū)用注射用水配制；MEM培養(yǎng)液為將10g/L MEM培養(yǎng)基按照說(shuō)明書(shū)用注射用水配制。

(3)濾芯與液體的交互作用的測(cè)試方法

濾芯與液體的交互作用的測(cè)試方法如下：恒壓過(guò)濾法為用過(guò)濾裝置將濾芯與液體連接，調(diào)節(jié)壓差為0.1MPa，記錄過(guò)濾時(shí)間和過(guò)濾量，計(jì)算過(guò)濾通量。pH變化為除菌過(guò)濾前pH與除菌過(guò)濾后pH的差值。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

(1)液體的分析結(jié)果

表1為不同液體的分析結(jié)果，包括酸堿度、電導(dǎo)率、吸光度等參數(shù)。

表1 不同液體的分析結(jié)果

從表1可以看出，不同液體的性質(zhì)有明顯的差異，其中PBS溶液和MEM培養(yǎng)液的pH較高，NaCl溶液和BSA溶液的pH較低；NaCl溶液的電導(dǎo)率最高，BSA溶液的電導(dǎo)率最低；MEM培養(yǎng)液的吸光度最高，NaCl溶液和PBS溶液的吸光度最低。這些參數(shù)反映了液體的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，對(duì)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(zhì)的影響

表2為不同濾芯材質(zhì)對(duì)不同液體的過(guò)濾通量和pH變化的影響結(jié)果。

表2 不同濾芯材質(zhì)對(duì)不同液體的過(guò)濾通量和pH變化的影響結(jié)果

PVDF濾芯的過(guò)濾通量高于PES濾芯，這是因?yàn)镻VDF濾芯的孔隙率高于PES濾芯，導(dǎo)致液體的滲透性更好。PES濾芯的pH變化低于PVDF濾芯，這是因?yàn)镻ES濾芯的表面性質(zhì)為親水，導(dǎo)致液體的吸附性和濃縮性更低。不同液體的過(guò)濾通量和pH變化有明顯的差異，這是因?yàn)椴煌后w的性質(zhì)（如pH、電導(dǎo)率、密度等）影響了液體與濾膜的交互作用，導(dǎo)致過(guò)濾效果的不同。

②操作參數(shù)的影響

表3為不同操作參數(shù)對(duì)不同液體的過(guò)濾通量和pH變化的影響結(jié)果。

表3 不同操作參數(shù)對(duì)不同液體的過(guò)濾通量和pH變化的影響結(jié)果

從表3可以看出，操作參數(shù)對(duì)液體的過(guò)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(huì)導(dǎo)致過(guò)濾通量的增加，但也會(huì)導(dǎo)致pH變化率的增加。這是因?yàn)閴翰?、流速和溫度的增加，?huì)增加液體與濾膜的接觸力度和時(shí)間，從而提高過(guò)濾效率，但也會(huì)增加液體的吸附和濃縮程度，從而降低pH。因此，操作參數(shù)的選擇，需要根據(jù)液體的性質(zhì)和過(guò)濾的目的進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳的過(guò)濾效果。

③液體性質(zhì)的影響

表4為不同液體性質(zhì)對(duì)不同濾芯材質(zhì)的過(guò)濾通量和pH變化率的影響結(jié)果。

表4 不同液體性質(zhì)對(duì)不同濾芯材質(zhì)的過(guò)濾通量和pH變化率的影響結(jié)果

從表4可以看出，液體性質(zhì)對(duì)液體的過(guò)濾通量和pH變化率也有顯著的影響，其中pH、電導(dǎo)率和密度的增加，均會(huì)導(dǎo)致過(guò)濾通量的降低，但pH變化率的變化不一致。這是因?yàn)閜H、電導(dǎo)率和密度的增加，會(huì)增加液體的分子間作用力，從而降低液體的流動(dòng)性和滲透性，導(dǎo)致過(guò)濾通量的降低。而pH變化率的變化，與液體的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)，如BSA溶液和MEM培養(yǎng)液中含有大分子的蛋白質(zhì)和細(xì)胞，容易被濾膜截留，導(dǎo)致pH的降低。

4.結(jié)論

本文以PES和PVDF兩種不同材質(zhì)的除菌過(guò)濾濾芯為對(duì)象，以溶液酸堿度為指標(biāo)，探究了濾芯材質(zhì)與操作參數(shù)對(duì)液體質(zhì)量的交互作用規(guī)律。本文的主要結(jié)論如下：（1）濾芯材質(zhì)、操作參數(shù)和液體性質(zhì)對(duì)液體的過(guò)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(zhì)、壓差、流速、溫度、液體的pH、電導(dǎo)率、密度等是主要的影響因素[10]。（2）濾芯材質(zhì)的選擇，需要根據(jù)液體的性質(zhì)和過(guò)濾的目的進(jìn)行權(quán)衡，以達(dá)到最佳的過(guò)濾效果。一般來(lái)說(shuō)，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(yǎng)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(guò)濾通量。（3）操作參數(shù)的選擇，需要根據(jù)液體的性質(zhì)和過(guò)濾的目的進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳的過(guò)濾效果。一般來(lái)說(shuō)，壓差、流速和溫度的增加，可以提高過(guò)濾通量，但也會(huì)增加pH的變化，因此，需要在保證液體質(zhì)量的前提下，選擇合適的除菌過(guò)濾操作參數(shù)。