本仪器采用紫外氧化的原理,将样品中的有机物氧化为二氧化碳,二氧化碳的测试采用的是直接电导率法,通过测试经过氧化反应的样品的总碳含量和未经过氧化反应的样品总无机碳的含量差值来测定总有机碳含量。
过滤器的任务说起来简单:让该通过的东西通过,把该拦下的东西拦下。但过滤器装上管路以后,内部那张膜的状态是封闭的,肉眼看不见,拆开检查又会破坏它。于是行业里更习惯用一组可以测量、可以复现的参数来反推膜的状态,起泡点就是这里面引用得比较多的一项。
起泡点,也有叫泡点、气泡点的。它反映的是一件很具体的事:当滤膜被液体充分润湿、孔道里充满了液体时,气体要穿过膜,得先把孔口处的液膜顶开,而顶开不同大小的孔所需要的气压并不一样。孔径大的地方先被顶开,气压从低到高升上去,气体开始连续逸出的那一刻所对应的压力,就与膜上较大孔道的大小挂上了关系。这一个读数,既能看孔径是否落在设计范围内,也能察觉膜有没有破口、密封有没有漏气。
起泡点测定仪就是把上述判断做成标准动作的一类设备:由它控制进气、升压、稳流、计时,由它记录压力与流量的变化,并给出结论。本文以起泡点测定仪 BC-50A 为对象,把这类设备测什么、怎么判、指标怎么读、使用时注重的是什么,逐项说清。
滤膜被液体润湿之后,每一个孔道都可以看成一根很细的毛细管,管里充满液体。气体要从膜的一侧穿到另一侧,必须先克服液体在孔口形成的表面张力。孔径越小,需要的气压越高;孔径越大,气体越容易先穿过去。这个关系可以用很直观的方式理解:孔越细,液体在孔口形成的封膜越结实,越不容易被气压顶开。
由此可以推出三点。其一,泡点测的是湿膜状态下较大孔道所对应的压力,它给出的是一项下限性质的信息,即膜上存在多大的孔。其二,泡点读数与膜的材质、润湿液体的表面张力以及温度都有关系,所以任何读数都要带条件,不能孤立比较。其三,如果膜上有破口,或者滤芯与密封处有漏气,气体会从那条捷径先走,泡点读数会比正常值明显偏低。
还要分清两个说法:起泡点通常指气体开始连续逸出时的压力;有些资料把气体从膜内连续冒出、形成稳定气泡串时的压力称作泡点,两者在实操中常被视为同一事件的两种描述。名称之外,方法与判断逻辑是一致的。
一台起泡点测定仪,功能并不止于测一个泡点。以本篇介绍的这类设备为例,出厂即可支持七种测试功能:手动泡点测试、基本泡点测试、增强泡点测试、保压测试、扩散流测试、水浸入测试与超滤膜包测试。这七种方法从不同角度切入同一件事,彼此互补。
泡点类方法关注的是孔道是否完好、有没有被撑开;扩散流方法关注气体在润湿膜上的溶解与扩散,对膜的完整性同样敏感,而且更适合孔径较小、泡点较高的膜;水浸入方法面向疏水膜,用水侵入的难易来判断膜的状态;保压方法把系统在加压下是否稳定、是否漏气单独拿出来考核,对排查管路与密封很有用。把这几种方法组合起来用,才能对一只过滤器形成比较完整的判断。
手动泡点测试:由操作者自行控制升压过程,观察气泡出现与连续逸出的节点,适合初次接触某型滤芯、要建立判断基准的场合。
基本泡点测试:仪器按设定程序自动升压并判定泡点,操作者只需设置参数、启动、读数,适合日常批量检验。
增强泡点测试:在判定逻辑上作了强化,用于对判定稳定性要求比较高的场合,能够大大减少人为经验差异带来的影响。
保压测试:把系统加压到设定值并保持,观察压力是否在允许范围内稳定,用于检查气路、接头与密封是否漏气,是许多测试开始前的一道基础检查。
扩散流测试:在低于泡点的压力下测量通过润湿膜的气体扩散流量,对被试膜的整体完整性与密封状态比较敏感。
水浸入测试:面向疏水滤膜,经过测量水在一定气压下透过膜的量来判断膜是否完好,对疏水膜来说是一种适用性较好的方法。
超滤膜包测试:面向超滤膜包这类结构较为特殊的部件,按相应方法完成完整性与性能判断。
七项功能覆盖了水浸入、扩散流、泡点等主要完整性测试路线,也覆盖了在线与离线两种使用方式,实际使用时按滤芯类型与工艺技术要求选取。
这类设备的使用场合,多集中在制药、生物制品、医疗器械、实验室与餐饮等对数据有要求的领域,因此除了技术指标,还要看它对法规要求的响应能力。
资料显示,本设备满足 2020 年颁布的药典有关要求,可用来配合过滤器完整性检查。同时,在数据管理方面,它按 GMP 与 FDA 21 CFR Part 11 的要求设计,支持权限分级与电子签名,并具备审计追踪功能,用以满足数据完整性方面的要求。对需要出具正式检验或验证记录的单位,这几项能力比单纯的测量精度更需要我们来关注,因为它们决定了数据能不能被追溯、能不能被信任。
起泡点测定仪的测量过程,本质上是气液两相在膜上的置换。滤膜先被润湿液浸润,孔道充满液体;随后气体从上游加压,把液体逐渐从孔道中挤出去。挤出的过程分阶段:压力较低时,只有个别较大孔被顶开,气体以很小的量通过;压力继续上升,被顶开的孔慢慢的变多,气体流量随之增大;当压力达到某一水平,气体开始成串逸出,这个节点就是泡点。
与湿膜相对的是干膜。干膜状态下孔道里没有液体,气体通过几乎不受阻碍,因此干膜测量常用来测流量、阻力,而不用于泡点判定。湿膜测量才有泡点的意义。理解这一点,有助于在操作时判断该先润湿还是该先通干气,也有助于排查读数异常:如果膜没有充分润湿,测出的泡点会偏高,甚至测不出稳定的泡点。
把一台起泡点测定仪拆开看,大致分为气路、传感与控制、人机界面、数据管理、结构防护几个部分。
气路部分负责把压缩气体稳定地送入被测件,并按程序升压、稳压。资料提到本机优化了进气控制单元,使进气速度与稳定性提高,这对泡点判定的可重复性帮助比较明显。
传感与控制部分负责压力与流量的采集和运算,并驱动阀门动作。资料提到本机采用自主优化的 Linux 系统,并对测试运算过程作了优化,使测试时间有所缩短;同时具备开机自检功能,能对仪器自身的多项性能进行自检,发现异常及时提示。
人机界面部分采用 10 英寸真彩触摸屏,操作以触控为主,界面按功能分区,并支持中英文双语切换,多语环境下的使用门槛较低。
结构防护部分,资料提到对仪器结构作了优化,使其防尘防溅达到 IP54 级别,并采用快速连接头(可选 Staubli 接头),以减少进出管路接错的可能;参数栏另标正面防护为 IP65。这两处表述的面向对象略有不同,见文末提示。
此外,资料提到高精度传感器与优化后的算法可使气路延长至 100m,使上游体积测试更为准确,适应现场条件而不影响测试结果;内置热敏打印机可避免颗粒及油墨污染风险,字迹在合适条件下可保持较长时期清晰。这些设计都指向同一件事:让仪器在车间与实验室的不同条件下都能给出稳定读数。资料另载明,本机通过欧盟 CE 认证。
电源要求与功率:100–240 VAC,50HZ,120W,备用电池(选配)。
测试功能:手动泡点测试;基本泡点测试;增强泡点测试;保压测试;扩散流测试;水浸入测试;超滤膜包测试。
测试精度:净体积测试 ±4%;气泡点 ±50mbar;扩散流 ±4%;水浸入法 ±0.02ml。
适用范围:对称及非对称膜测试、针式过滤器、囊式过滤器、平板过滤器、筒式过滤器(12 芯 20 英寸以内)、超滤膜包、超滤柱、各种不规则过滤器。
权限管理:用户名密码登录,4 级权限,满足 FDA 21CFR PART 11 要求。
历史记录与备份:储存 30 万条记录;支持 U 盘导出数据(包括测试曲线 英寸彩色触摸屏。
测试精度一栏给了四项:净体积测试 ±4%、气泡点 ±50mbar、扩散流 ±4%、水浸入法 ±0.02ml。四项的单位并不相同:两项是相对值(百分比),一项是绝对压力值(mbar),一项是绝对体积值(ml)。这提醒使用者,比对结果时要把同一种测试放在一起比,不能把不同测试的精度直接相比。其中气泡点用的是 ±50mbar 这样的绝对量,意味着在泡点数值偏低的场合,这一项所占的相对比例会更大,判读时要留意。
测试范围给了三项:泡点 100-8000mbar、扩散流速 1-1000ml/min、水浸入 0.01-100ml/min。范围给出的是能测到哪,不等于在这一段里都能给出同样的精度,实际使用中宜按被测件的典型值取中段,避免长期在量程边缘工作。
压力单位一栏列出 Mbar、kpa、psi、kgf/cm2 四种,且支持任意切换。这一点在实际在做的工作中有用:国内实验室多用 mbar 与 kPa,进口设备资料与部分工艺文件常以 psi 表示,老图纸里还也许会出现 kgf/cm2。同一批物料用不同单位书写时容易看错量级,能在同一台仪器上切换单位,比手工换算更稳妥。
操作压力标为 100-10000 mbar,括注 150psi。这一项给出的是仪器可用的压力范围,实际操作压力要按被测件的泡点与测试方法设定,并非一定要用到上下限。
操作条件标为环境和温度 +5℃ ~ +40℃、相对湿度 10-80%。这两项对环境的要求相对宽松,一般的实验室与洁净区都能满足。必须要格外注意的是,环境和温度会影响润湿液体的表面张力,进而影响泡点读数,因此在同一批比对中,宜尽可能保持环境和温度稳定。
从操作角度看,触屏化的意义在于把旋钮调压、指针读数、人工计时这类依赖经验的动作,转成设参数、启动、看曲线、取结论的流程。资料提到,本机增加了扩散流量与压力的显示曲线,并实现多项曲线的显示与打印,这对判断测试是否正常结束很有帮助:如果曲线形状异常,往往说明润湿不充分、连接有误或被测件状态特殊,可以据此在出结论之前先排查。
数据完整性是这类设备近年被反复强调的一项能力。本机在这方面的安排是:用户名加密码登录,权限分为 4 级,符合 GMP 与 FDA 21 CFR Part 11 的要求,支持多级用户访问权限设置,并支持手动或电子签名;仪器自身带审计追踪功能,可记录多项操作事件日志,日志可导出但不可修改,存储不少于 5 年。
把这几件事连起来看,逻辑是清楚的:谁在什么时间做了哪一步操作,由日志固定下来;谁能看到、谁能改哪些设置,由权限分级管住;一份记录要生效,由签名确认。对需要通过审计、检查或验证的单位,这套机制决定了数据能不能作为证据使用。资料另提到可建立 1000 组预存方案、支持 1000 个用户账号,便于按滤芯类型与现场条件分别调用,减少每次重新设置的麻烦。
打印方面,内置热敏打印机,可按条件打印记录,也可联机 PC 输出。接口方面,标配数字与模拟接口(RS232、USB),支持无线连接;并可根据自身的需求定制多种工业总线与控制端口,例如用于在线自动化灭菌控制管理系统的配套。信号输出方面提供(4-20)mA、RS485 与 12V 报警输出(选配),便于把测试状态接入上位系统。
这些配置对使用现场的意义是:测试结果不必只留在仪器里,可以按单位的管理方式进入纸质记录或信息系统,减少二次转录带来的差错。
两种方式各有必须要格外注意的地方。离线测试要保证测试台本身不漏气、密封件到位;在线测试则要确认现场气源与管路能提供稳定的压力,并注意别把工艺管路中的杂质带入测试回路。资料提到气路可延长至 100m 以适应现场条件,正是为在线与现场测试留出的余地。
其一是确认气源与电源条件,检查供电在 100-240 VAC 范围内、气源压力稳定且干燥洁净。
其四是充分润湿,按方法要求用规定液体浸润滤膜并保证浸润时间,这一步直接影响泡点读数是否可信。
其六是选择测试功能,按滤芯类型在手动泡点、基本泡点、增强泡点、保压、扩散流、水浸入、超滤膜包之间选取。
以上十项中,润湿与自检容易被简化,而它们恰恰是偏差的大多数来自,建议把它固定成动作,不因赶时间而省略。
其一,润湿是否充分与浸润时间是否足够。膜未充分润湿时,泡点读数偏高,甚至测不出稳定泡点。
其二,润湿液体的种类与温度。液体表面张力不同,泡点读数不同;气温变化会改变表面张力,进而影响读数。
其三,密封可不可靠。接头、卡箍、垫片处漏气,会使读数偏低,且曲线形状异常。
其四,被测件的安装方向与位置。流体方向装反或滤芯安放不到位,都会改变测量结果。
其六,升压速度与稳定性。升压过快容易错过节点,进气控制单元的稳定性因此很重要。
其七,环境和温度与湿度。环境条件超出工作范围或波动较大时,读数的可比性下降。
其八,管路长度与死体积。管路较长时上游体积较大,测试时间与判定都会受影响,本机的气路适配与算法优化正是为应对这一情况。
其二,保持接头与密封件清洁、完好,发现老化、变形按时换,避免因密封问题造成误判。
其二,生物制品与疫苗生产中的超滤、除病毒过滤等环节,对膜完整性要求较高。
其五,平板过滤器与筒式过滤器的批量检验,其中筒式过滤器覆盖 12 芯 20 英寸以内。
其二,数据合规能力持续加强,权限、审计、签名的完备程度成为选购的重要考量。
其三,在线化程度提高,仪器与生产系统的对接方式趋于多样,工业总线与信号输出接口的重要性上升。
其四,测试速度与稳定性继续优化,缩短单次测试时间、减少人为判断差异,是共同的努力方向。