CN103278432B - 一种滤膜完整性的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤膜完整性的检测装置及其检测方法，属于滤膜完整性检测领域。该检测装置是在常规激光粒径检测仪的基础上对光路系统进行集成，装置中的溶液检测池通过进样泵和电磁阀与过滤装置的循环系统形成流动回路，通过激光散射检测溶液中自然分布微粒的粒径分布，根据滤后溶液粒径分布峰的位置进行判定，当在10nm以内出现粒径分布峰判定滤膜完好，当在10～200nm之间出现粒径分布峰判定滤膜破损，或对滤前和滤后溶液的粒径分布图进行相似度计算，当相似度小于0.5时判定滤膜完好，否则判定滤膜破损。本发明实现了滤膜完整性的快速检测，降低了检测成本。

Description

一种滤膜完整性的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光粒径检测的滤膜完整性检测装置及其检测方法，属于滤膜完整性检测领域。

背景技术

超滤膜和微滤膜广泛应用于化工、环保、食品、医药等领域，根据溶液中的分子大小，以膜为过滤介质，依靠一定的压力和流速，通过膜的筛分作用，在分子水平上进行分离，迫使大分子杂质被截留，小分子成分被滤过，而滤膜的完整性是保证超滤去杂效果的重要条件。

超滤膜和微滤膜完整性的检测目前主要包括直接检测法（气泡测试、压力检测、声学传感器检测、液体空隙率检测）和间接检测法（微粒计数法、微粒检测法、浑浊度检测、替代挑战实验），此外还有紫外监测法，用于在线检测超滤膜完整性。

1、直接检测法存在的缺陷：

气泡测试中气泡穿过膜孔最小压力被称为气泡点，此方法操作简单，且有相对标准的测试步骤，在企业中应用较广泛，其缺点在于指标较为模糊，受主观因素和外界影响因素多，只能离线检测，从而影响生产线的工作效率。

压力衰减测试是基于溶液在一定压力的作用下过滤后检查压力前后的衰减，其是一种离线检测方法，缺少通用的检测限值和操作参数。

声学传感器检测的灵敏度很差，且需要专业人员检测，应用局限性较大，不可在线检测。

液体空隙率检测是通过筛选出可以衡量膜孔径分布的标准物质，采取参数计算分析，评价未知膜的完整性，方法灵敏度高，但是无法实现离线操作。

2、间接检测法存在的缺陷：

微粒计数法和微粒检测法的检测原理相近，其检测系统中的微粒计数器是通过激光散射技术对待滤液和滤液中分布较为广泛的微粒进行计数，根据所得数据分析膜构件的完整性，此方法可以对膜的完整性实现在线检测，但是灵敏度较低，检测结果与待滤液中微粒的浓度有关，且易受积压空气导致的气泡影响。

浑浊度检测法可以对膜的完整性实现在线检测，但是灵敏度也较低。

替代挑战实验常用的是探针挑战测试法，纳米颗粒的背景噪音低，分散度高，且价钱合理，常用纳米金微粒作为纳米探针（12-15nm），可以检测膜破损的直径和病毒大小的膜损伤，判断膜的完整性。此方法灵敏度高，可以在线检测，但是此方法会对溶液产生二次污染。

目前也有采用紫外分光度计进行膜完整性检测的方法，专利“一种采用紫外监测法在线检测超滤膜完整性的方法”（CN101762561B），其是在超滤膜破损时对溶液中被超滤膜截留的有紫外吸收的大分子（如蛋白）峰进行检测，以判断膜的完整与否，但是在对没有紫外吸收的杂质进行超滤时无法检测超滤膜的完整性，对含有多类强紫外吸收成分的中药药液因前后紫外无明显差异也无法应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，而提出一种滤膜完整性的检测装置及其检测方法，以满足滤膜完整性的检测需求。

该滤膜完整性的检测装置包括进样泵、进样电磁阀、超声探头、光源能量调节器、光源、短焦透镜、光栅、长焦透镜、流动检测池、散射光接收器、光电转换器、信号放大器、信号处理器、数据采集器、运算器、数据显示器和扫描模式设定器，其中：进样泵的进液口与过滤装置的循环管路相接通，进样泵的出液口通过进样电磁阀连接流动检测池的进液口，流动检测池的出液口接回至过滤装置的循环管路，超声探头设于流动检测池的进液口处，光源能量调节器与光源相连，光源的输出光依次通过短焦透镜、光栅和长焦透镜后进入流动检测池，流动检测池的透出光由散射光接收器接收后进入光电转换器，光电转换器的输出信号经过信号放大器再分别经过信号处理器和数据采集器后进入运算器进行粒径分布运算，运算器的输出端通过扫描模式设定器连接光源，运算器的输出端还连接进样泵、进样电磁阀、超声探头和数据显示器。

基于上述滤膜完整性的检测装置的检测方法，该方法分为粒径分布峰检测法和相似度检测法，其中：

粒径分布峰检测法包括如下步骤：

步骤1-1：调节光源能量，并设定光源为分段扫描模式；

步骤1-2：将待检滤膜置于过滤装置中，将滤液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤1-3：通过运算器对粒径分布峰的出现位置进行分析；

步骤1-4：当在10nm以内出现粒径分布峰时，判定滤膜完好，当在10～200nm之间出现粒径分布峰时，判定滤膜破损；

相似度检测法包括如下步骤：

步骤2-1：调节光源能量，并设定光源为全分布扫描模式；

步骤2-2：将待滤溶液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤2-3：将待检滤膜置于过滤装置中，将滤液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤2-4：通过运算器对滤前和滤后溶液的粒径分布图进行相似度计算；

步骤2-5：当相似度小于0.5时，判定滤膜完好，反之则判定滤膜破损。

技术效果：

1、采用溶液中自然存在的微粒，无需添加其他试剂或纳米探针，大幅降低了滤膜完整性检测的成本。

2、大大缩短了滤膜完整性检测的时间，检测速度快，可用于反渗透滤膜、纳滤膜、超滤膜、微孔滤膜完整性的快速检测判断。

3、可实现在线和离线检测，检测灵敏度高，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明检测装置的结构框图，图中标号名称：1、进样泵；2、进样电磁阀；3、超声探头；4、光源能量调节器；5、光源；6、短焦透镜；7、光栅；8、长焦透镜；9、流动检测池；10、散射光接收器；11、光电转换器；12、信号放大器；13、信号处理器；14、数据采集器；15、运算器；16、数据显示器；17、预警装置；18、打印机；19、扫描模式设定器。

图2为5%葡萄糖注射液的粒径分布图。

图3为5%葡萄糖注射液全新中空纤维超滤膜超滤液的粒径分布图。

图4为5%葡萄糖注射液破损中空纤维超滤膜超滤液的粒径分布图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明。

本发明滤膜完整性检测装置的结构如图1所示，包括进样泵1、进样电磁阀2、超声探头3、光源能量调节器4、光源5、短焦透镜6、光栅7、长焦透镜8、流动检测池9、散射光接收器10、光电转换器11、信号放大器12、信号处理器13、数据采集器14、运算器15、数据显示器16和扫描模式设定器19，其中：进样泵1的进液口与过滤装置的循环管路相接通，进样泵1的出液口通过进样电磁阀2连接流动检测池9的进液口，流动检测池9的出液口接回至过滤装置的循环管路，超声探头3设于流动检测池9的进液口处，光源能量调节器4与光源5相连，光源5的输出光依次通过短焦透镜6、光栅7和长焦透镜8后进入流动检测池9，流动检测池9的透出光由散射光接收器10接收后进入光电转换器11，光电转换器11的输出信号经过信号放大器12再分别经过信号处理器13和数据采集器14后进入运算器15进行粒径分布运算，运算器15的输出端通过扫描模式设定器19连接光源5，运算器15的输出端还连接进样泵1、进样电磁阀2、超声探头3和数据显示器16。

进样泵1采用美国默克公司的可调流速的蠕动进样泵，进样电磁阀2采用亚德客AIRTAC4V310-08电磁阀；超声探头3采用常州市武进南方超声设备厂的NDT超声探头，用于排除气泡干扰；光源能量调节器4采用德国EGO能量调节器，用于调节光源能量；光源5采用加拿大EXFO公司的FLS-2600B激光源或上海凯润计算机网络系统有限公司的VLS/VLP系列可见光源；短焦透镜6采用超低色散透镜；光栅7采用光纤耦合器型光纤光栅；长焦透镜8采用低耗NV-202m透镜；流动检测池9由光学玻璃制成，在其下端设有出液口和进液口；散射光接收器10采用API公司的Picometrix LLC高速多点宽角度散射光接收器模块，呈多点间隔对数排列；光电转换器11采用美国恒启电子有限公司的HESMC光电转换器；信号放大器12由放大电路和滤波电路组成，其中放大电路由三个ICL7650放大器接成差动放大电路形式，滤波器为常用的RC网络；信号处理器13采用意大利VAL.CO的CONVERTER-VLC.602可编程信号处理器；数据采集器14采用美信公司的A/D转换器Max132。运算器15主要用于粒径分布峰的位置分析和粒径分布的相似度计算，相似度计算模块参考现有的色谱相似度计算软件进行优化编程，运算器15还用于控制进样泵1、进样电磁阀2、超声探头3的开启和关闭，同时用于传输检测结果；数据显示器16采用金创导公司的128×64点阵显示终端，用于显示滤膜完整性的检测结果；扫描模式设定器19用于控制粒径的扫描范围，其模式包括分段扫描模式和全分布扫描模式。为了使本装置具备报警功能，本装置还设有与运算器15输出端相连的预警装置17，预警装置17采用集成成就电子的CMS7000-500报警监控软件和压电式预警系统，在预警软件中可预先设定滤膜破损判定限值，当检测结果超过限值时警示器报警。为了能及时获取检测报告，本装置还设有与运算器15输出端相连的打印机18，打印机18采用爱普生TM-U220B针式微型打印机。

本装置在用于滤膜完整性检测时，是针对溶液中自然存在的微粒（如细菌内毒素团聚粒子），根据滤后溶液粒径分布峰的出现范围，或根据滤前和滤后溶液的粒径分布图的相似度，判断滤膜是否完好。本装置的检测方法分为粒径分布峰检测法和相似度检测法，其中：

粒径分布峰检测法包括如下步骤：

步骤1-1：调节光源能量，并设定光源为分段扫描模式；

步骤1-2：将待检滤膜置于过滤装置的循环系统中，将滤液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤1-3：通过运算器对粒径分布峰的出现位置进行分析；

步骤1-4：当在10nm以内出现粒径分布峰时，判定滤膜完好，当在10～200nm之间出现粒径分布峰时，判定滤膜破损（此时将触发预警装置报警），显示器显示检测结果，打印机出具检测报告。

相似度检测法包括如下步骤：

步骤2-1：调节光源能量，并设定光源为全分布扫描模式；

步骤2-2：将待滤溶液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤2-3：将待检滤膜置于过滤装置的循环系统中，将滤液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤2-4：通过运算器对滤前和滤后溶液的粒径分布图进行相似度计算；

步骤2-5：当相似度小于0.5时，判定滤膜完好，反之则判定滤膜破损（此时将触发预警装置报警），显示器显示检测结果，打印机出具检测报告。

下面提供一个超滤膜完整性的相似度检测法实例。

设备材料：a、本发明检测装置；b、全新中空纤维超滤膜（聚醚砜，截留分子量：10kDa，天津膜天）；c、有机溶剂破坏的中空纤维超滤膜；d、5%葡萄糖注射液（批号：2011083107，南京小营药业集团有限公司）。

方法步骤：打开本检测装置电源，预热30min以上，设定激光源为全分布扫描模式，将5%葡萄糖注射液泵入流动检测池中，超声停止后，检测溶液的粒径分布，然后在过滤装置中采用b和c两种超滤膜进行超滤，分别将两种超滤液泵入检测池中进行粒径分布检测，通过运算器计算原液粒径分布图（如图2所示）与两种超滤液粒径分布图（如图3、图4所示）的相似度，结果见表1。

表1

结果表明，当超滤膜发生破损时，超滤液和原液的相似度高于0.5，可以满足超滤膜完整性的检测要求。

Claims (5)

1.一种滤膜完整性的检测装置，其特征在于：包括进样泵（1）、进样电磁阀（2）、超声探头（3）、光源能量调节器（4）、光源（5）、短焦透镜（6）、光栅（7）、长焦透镜（8）、流动检测池（9）、散射光接收器（10）、光电转换器（11）、信号放大器（12）、信号处理器（13）、数据采集器（14）、运算器（15）、数据显示器（16）和扫描模式设定器（19），其中：进样泵（1）的进液口与过滤装置的循环管路相接通，进样泵（1）的出液口通过进样电磁阀（2）连接流动检测池（9）的进液口，流动检测池（9）的出液口接回至过滤装置的循环管路，超声探头（3）设于流动检测池（9）的进液口处，光源能量调节器（4）与光源（5）相连，光源（5）的输出光依次通过短焦透镜（6）、光栅（7）和长焦透镜（8）后进入流动检测池（9），流动检测池（9）的透出光由散射光接收器（10）接收后进入光电转换器（11），光电转换器（11）的输出信号经过信号放大器（12）再分别经过信号处理器（13）和数据采集器（14）后进入运算器（15）进行粒径分布运算，运算器（15）的输出端通过扫描模式设定器（19）连接光源（5），运算器（15）的输出端还连接进样泵（1）、进样电磁阀（2）、超声探头（3）和数据显示器（16）。

2.根据权利要求1所述的滤膜完整性的检测装置，其特征在于：所述光源（5）采用激光源或可见光源。

3.根据权利要求1所述的滤膜完整性的检测装置，其特征在于：还包括预警装置（17）和打印机（18），所述预警装置（17）和打印机（18）均与运算器（15）的输出端相连。

4.根据权利要求1所述的滤膜完整性的检测装置，其特征在于：所述扫描模式设定器（19）的模式包括分段扫描模式和全分布扫描模式。

5.一种基于权利要求1所述的滤膜完整性的检测装置的检测方法，其特征在于：该方法分为粒径分布峰检测法和相似度检测法，其中：

粒径分布峰检测法包括如下步骤：

步骤1-1：调节光源能量，并设定光源为分段扫描模式；

步骤1-2：将待检滤膜置于过滤装置中，将滤液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤1-3：通过运算器对粒径分布峰的出现位置进行分析；

步骤1-4：当在10nm以内出现粒径分布峰时，判定滤膜完好，当在10～200nm之间出现粒径分布峰时，判定滤膜破损；

相似度检测法包括如下步骤：

步骤2-1：调节光源能量，并设定光源为全分布扫描模式；

步骤2-2：将待滤溶液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤2-3：将待检滤膜置于过滤装置中，将滤液泵入流动检测池中进行粒径分布检测；

步骤2-4：通过运算器对滤前和滤后溶液的粒径分布图进行相似度计算；

步骤2-5：当相似度小于0.5时，判定滤膜完好，反之则判定滤膜破损。