《“芯”中有數(shù)》系列知識課堂

《“芯”中有數(shù)》系列知識課堂將從本期開始，開設(shè)氣體過濾器專題系列，從機理、應(yīng)用、驗證幾個方面與大家分享氣體過濾器的知識。

在生物制藥行業(yè)中，過濾器主要被用于去除過濾介質(zhì)中的雜質(zhì)或?qū)崿F(xiàn)除菌功能，從而確保工藝生產(chǎn)的安全順利進行。根據(jù)過濾介質(zhì)的不同，過濾器分為氣體過濾與液體過濾，今天我們將深入剖析氣體過濾器的截留機理。

氣體過濾器是如何工作的？

氣體過濾器的截留機理相比液體過濾器更為復(fù)雜，可分為：

1尺寸排除，去除大顆粒

2其他機理，去除小顆粒

尺寸排除

尺寸排除又稱“篩分法”或“機械截留”，和液體過濾一樣，在氣體過濾中機械過濾或篩分（因大小而排除）是截留干燥氣流中微粒的一種機理。顧名思義，這種機理適用于尺寸太大而不能通過曲折濾材通道的粒子。

假設(shè)過濾過程中粒子不變形，這類截留方式與通過過濾器氣體的流速無關(guān)。

除了尺寸排除外，去除其他小顆粒，通常分為以下幾種機理：擴散攔截、慣性撞擊、重力沉降、靜電俘獲。

擴散攔截

擴散攔截機理中，由于空氣分子持續(xù)不斷和隨機撞擊所致的布朗運動導(dǎo)致粒子離開氣流。布朗運動提高了粒子與濾材間接觸的概率，從而提高了截留微粒的概率。然而，布朗運動對小粒子的影響比較大，因此，擴散攔截所致的截留效率隨著粒子尺寸的減小而增大。

慣性撞擊

慣性使得氣體中的顆粒不跟隨氣流作繞過濾材的運動，而撞擊到濾材。這個作用在粒子質(zhì)量越大時越明顯，因此，此機理所致的截留效率也是隨著粒子的增大而增大。

對于亞微米級的疏水性濾膜（例如除菌級氣體過濾器）而言，慣性撞擊導(dǎo)致的大顆粒的截留就不怎么明顯了，因為這些粒子通常被篩分機制所攔截。但在粗放的深層過濾器（例如孔徑較大的預(yù)過濾器）中，慣性撞擊對于截留不能單純依靠篩分機制截留的粒子起到了主要作用。

重力沉降

粒子還會因重力沉降偏離氣流通道并與濾材相碰撞。和慣性撞擊十分相似，此機理對大的粒子比較明顯，尤其是那些密度高的粒子。對于亞微米級的疏水性濾膜而言，這一機理不太重要，因為通常由重力沉降截留的粒子（和深層過濾的情況相似）更可能由篩分機制所攔截。

靜電俘獲

根據(jù)粒子和濾材的性質(zhì)，分子間的作用力能夠截留靠近或接觸濾材的微粒。即使在壓力波動條件下，這些粒子也會被牢固地截留住，因為分子間的作用力要比氣流對粒子的拉力大許多倍。這類過濾器的過濾效率取決于兩個參數(shù)，空氣的濕度及流速。濕度必須低，因為空氣干燥時靜電最強烈。

干燥的空氣還能降低過濾器基質(zhì)中冷凝水形成的危險。氣流速度極為重要，對于待截留的粒子，必須有足夠長的接觸時間以達到對初始粒子的分離。

干燥空氣過濾中的凈過濾效率

對粒子的凈過濾效率是所觀察到的各個單個機理作用的總和。

在給定的氣流流速下，很小的微粒主要由擴散攔截方式截留。當(dāng)粒徑變大，擴散攔截方式的效率下降時，慣性撞擊、重力沉降和篩分機制就變得更明顯。下圖表示由擴散攔截向慣性撞擊轉(zhuǎn)變的粒子大小范圍，包括不被這兩個截留機理俘獲的粒子尺寸。最難被攔截的粒子尺寸被稱之為“最易穿透粒子粒徑” （MPPS =Most Penetrating Particle Size）。

這里要引入一個新的概念MPPS，Most Penetrating Particle Size最易穿透粒子尺寸，顧名思義，就是在所有上述機理的相互作用下最有可能無法被截留住的顆粒大小。而凈效率則可通過MPPS與空氣速率的函數(shù)轉(zhuǎn)變來得到。

最易穿透粒子粒徑不僅取決于濾材種類，還與過濾器上的氣流流速有關(guān)。在高流速和高壓情況下，布郎運動變得不明顯了；因而在高流速時，由擴散攔截而俘獲給定粒徑粒子的概率下降。空氣流速對慣性撞擊方式的影響比較小，尤其是對更小孔徑的膜式過濾器，因為慣性撞擊被更有效的篩分機制所掩蓋了。凈截留效果是最易穿透粒子粒徑的轉(zhuǎn)換，是空氣流速的函數(shù)。為了獲得在干燥氣體中的理想過濾特性，必須考慮這些信息。

正如上面所討論的那樣，用膜式過濾器過濾氣流中粒子最可靠的機理是篩分，因為它的截留效率在不同過濾工藝條件下基本保持不變。它的機理主要取決于被截留污染物的大小及所討論濾膜的真實孔徑。下一期《“芯”中有數(shù)》系列知識課堂將會為大家講解氣體過濾器真實孔徑與供應(yīng)商標稱孔徑之間的關(guān)系，敬請期待！

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艾里奧斯Alipore^® TAHF 系列由具有疏水性和化學(xué)惰性的PTFE（聚四氟乙烯）濾膜組成，該產(chǎn)品通過嚴格的液體細菌截留驗證，可高效截留潤濕或潮濕氣體中的微生物或顆粒。高強度、耐受多次在線蒸汽滅菌，適用于制藥應(yīng)用中對質(zhì)量要求嚴格的氣體除菌過濾及有機溶劑的過濾。

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• 典型應(yīng)用：N₂、O₂、CO₂及壓縮空氣等除菌過濾；發(fā)酵罐、儲液罐等呼吸器；有機溶劑的除菌過濾