CN115025641B - 一种除病毒纤维素滤膜及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种除病毒纤维素滤膜及其制备工艺。其中，除病毒纤维素滤膜包括以连续纤维过渡的多孔主体，多孔主体具有非定向曲折通路，多孔主体具有多孔进液面和多孔出液面，多孔主体在膜厚度方向上沿料液流经方向依次为预过滤层、第一分离层、多孔支撑层和第二分离层；多孔支撑层的平均孔径大于第一分离层和第二分离层的平均孔径且小于预过滤层的平均孔径；多孔进液面的平均孔径为200~600nm；滤膜的PMI平均孔径为15~25nm。本申请还公开了前述纤维素滤膜的制备工艺。本申请的纤维素滤膜通过引入双分离层结构和位于其之间的多孔支撑层，能够进一步提高病毒截留率且具有较高的通量；此外，双分离层结构使得间断过滤病毒截留率仍较高，大大降低了病毒泄露风险。

Description

一种除病毒纤维素滤膜及其制备工艺

技术领域

本申请涉及膜分离技术的领域，尤其是涉及一种除病毒纤维素滤膜及其制备工艺。

背景技术

膜分离技术是指以外界能力（如压力）或化学位差为推动力，对双组分或多组分的混合流体进行分离、分级、富集、提纯等的方法。膜分离技术由于具有分离效率高、能耗低、无需外加化学试剂、能分离常规方法无法分离的体系（如共沸体系）等优点，而被各行业广泛采用。

2020年版《中国药典》和“ICH Q5A”对于生物制剂的病毒安全性有明确要求，对于生物、医药企业而言，生物制剂必须进行病毒清除和/或病毒灭活步骤，以确保生物制剂的安全性。目前，在进行药品申报时也必须附上病毒安全性评估测试结果的报告，以供审查，报告内容将直接影响审查结果。

因此，生物制剂生产工序中，病毒清除工序的病毒清除能力就显得十分重要。膜过滤除病毒方式由于操作条件较为温和、不易引起生物制剂活性变化、病毒清除效果好、能直接放大应用于规模化分离工序等原因，而被广泛应用于生物制剂的病毒清除步骤。膜过滤器（或滤膜）的除病毒能力将直接影响生物制剂生产过程中病毒清除工序的病毒清除能力，而膜过滤器（或滤膜）的核心组件为滤膜。

专利号为JP1984204911A的日本发明专利公开了，再生纤维素膜（RC膜）对于艾滋病毒（约100nm）具有良好的清除能力，但是其对于如乙肝病毒（约42nm）、nAnB型肝炎病毒（30～60nm）等尺寸大于20nm病毒的清除能力较差，因此，已经无法满足当下严苛的病毒清除要求。

申请公开号为CN1759924A的中国专利中公开了一种多层复合超滤膜；该复合超滤膜包括至少一层具有第一面和等价的第二面的第一多孔膜层，以及至少一层具有等价的第一面和第二面的第二多孔膜层，该第一层与第二层的连接相叠加并具有从所述第二层的等价的第一面至所述第一层的等价的第二面的孔隙率连接过渡区域，其中所述层中的至少一层是非对称超滤膜；这样复合形成的膜结构对细小病毒就有较强的截留作用，同时能够得到较高的蛋白质收率，满足了实际应用的需求；但也存在以下问题，首先由于该滤膜是一种复合膜，在从一层过渡到另一层的过程中，孔径会突然变化（减小），这就容易导致大范围的粒径保留在通过共浇铸生成的层的界面上，层边界的这种颗粒负载导致过滤器使用寿命的损失，即使用寿命大大降低；并且复合膜存在打褶期间分层/层分离的风险；此外制备该复合膜用的成膜材料主要为聚醚砜，聚醚砜的砜基两边是苯环，使得其亲水性较差，最终成膜就会对蛋白质具有一定的吸附作用，蛋白质收率一般，降低了经济效益。

申请公开号为CN113842792A的中国发明专利申请文件中，公开了一种除病毒用不对称的PES滤膜，该PES滤膜包含主体，体包括预过滤层和用于截留病毒的分离层，预过滤层的另一侧和分离层的另一侧以连续纤维过渡；该PES滤膜仅通过一种铸膜液制备而成，一体成型，不需要复合。该PES膜具有典型的双层结构（大孔径的预过滤层和小孔径的分离层），并且具有良好的病毒截留效果（LRV＞4），但是该PES滤膜因为选用PES材质，必然存在对蛋白质的较高吸附率；此外，该PES膜一旦因为制膜过程中产生小尺寸的缺陷，这些小尺寸的缺陷并不会影响PES膜的完整性，但是仍有可能引起病毒泄露风险。

申请公开号为CN105980038A的中国发明专利申请文件中，公开了一种去除病毒的膜，其包含纤维素，具有供给含有蛋白质的溶液的第一侧的表面、和将透过该去除病毒的膜的透过液排出的第二侧的表面，其对于猪细小病毒（约18~26nm）的对数去除率能够达到4以上（LRV＞4）。其通过在铸膜液中添加无机盐，使得纤维素浓缩相所形成的颗粒的扩散速度变化，从而影响微相分离的速度，控制膜的表面到内部的孔隙的尺寸、膜厚度方向中的孔隙的尺寸的变化程度等。该纤维素膜具有单分离层的三层结构（大孔径的预过滤层、小孔径的分离层和较大孔径的其他层）并且具有良好的病毒截留效果（一般认为膜截面中平均孔径小于40nm的区域为分离层），但是该纤维素膜的预过滤层较薄，容易发生堵塞从而影响其使用寿命。

鉴于目前生物、医药企业对于病毒清除能力要求的不断提升，需要进一步提高滤膜的病毒清除能力。然而，病毒清除能力提升一般以通量下降为代价，且病毒清除能力的提升难度并非是线性的，而是越接近100%，提升难度越大。因此，当病毒清除能力邻近100%时，病毒清除能力的微小提升很可能意味着通量的大幅度下降（如从LRV4提升至LRV6、LRV7，往往引起通量的大幅下降）；若要保证高通量又往往意味着病毒清除能力的下降；对于用于过滤小尺寸病毒的滤膜而言（例如小于30nm的病毒），这一现象更加突出。

基于此，对于用于滤除小尺寸病毒的滤膜而言，如何在进一步提升滤膜病毒清除能力的基础上，保持滤膜仍具有较高的通量，是目前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种除病毒纤维素滤膜及其制备工艺，该纤维素滤膜一体成型，不需要复合；该滤膜不但具有对病毒有高截留作用，同时具有高蛋白质收率和通量。

第一方面，本申请提供一种除病毒纤维素滤膜，采用如下的技术方案：

一种除病毒纤维素滤膜，包括以连续纤维过渡的多孔主体，所述多孔主体具有非定向曲折通路，所述多孔主体具有多孔进液面和多孔出液面，所述多孔主体在膜厚度方向上沿料液流经方向依次为预过滤层、第一分离层、多孔支撑层和第二分离层；其中，

所述多孔支撑层的平均孔径大于第一分离层和第二分离层的平均孔径且小于预过滤层的平均孔径；

所述多孔进液面的平均孔径为200~600nm；

所述滤膜的PMI平均孔径为15~25nm。

通过采用上述技术方案，目前的除病毒滤膜一般包括双层结构，首先是孔径较大的预过滤层（或者叫纳污层）；然后是孔径较小、对病毒起主要截留作用的分离层；预过滤层和分离层沿料液的流经方向依次设置。预过滤层能够提高纳污量和滤膜的使用寿命，分离层起主要截留作用，确保病毒的截留效率。当然，目前已经有团队制得了三层结构的滤膜，即在分离层外增设一孔径较大的层，进一步引入的孔径较大的层一般认为是形成了对分离层的保护，降低分离层受到机械破坏的可能性。

对于除病毒滤膜而言，特别是对于用于滤除小尺寸病毒的滤膜而言，为了获得良好的病毒截留效率且提高滤膜的通量，本申请中的滤膜在其膜厚度方向上具有四层结构，且特定的具有双分离层结构，在双分离层之间引入较大孔径的多孔支撑层。四层结构在膜厚度方向上沿料液流经方向依次排列，分别是平均孔径最大的预过滤层、孔径较小的第一分离层、孔径较大的多孔支撑层和孔径较小的第二分离层（一般认为，平均孔径小于40nm的为分离层）。本申请中的四层结构滤膜为一体成型而非复合得到，因此，无需使用额外的胶粘剂等使各层结构相互连接，且除非通过外力撕裂，否则层与层之间的纤维并不能分离。由于四层结构滤膜的各层材质均一无变化，均为纤维素类材料，故各层对于蛋白质材料的特异性吸附均较低。

其中，预过滤层的平均孔径较大，能够滤除料液中的大颗粒物质，降低大颗粒物质直接堵塞滤膜导致滤膜使用寿命降低的可能。平均孔径较小的第一分离层起主要截留作用，经过预过滤层滤除大颗粒后的料液经过第一分离层时，被截留或吸附在第一分离层的表面或中间，而粒径更小的蛋白质等能够通过第一分离层上的孔隙结构，随料液移动，因此经过第一分离层后的料液病毒浓度很低，而蛋白质浓度、纯度较高。经过第一分离层后的料液进入平均孔径相较于第一分离层更大的多孔支撑层，多孔支撑层起到良好的缓冲作用，降低滤膜在料液压力作用下的形变，提高使用寿命和过滤效果（特别是对于中空纤维膜而言，由于膜丝外表面通过胶水相互粘接，不断形变的膜丝很容易与胶粘剂脱附，从而影响整个膜过滤组件的寿命）。由于料液流经多孔支撑层后，流入孔径相较于多孔支撑层更小的第二分离层，这一过程伴随孔径的变化（变小），能够形成二次截留效果，以截留料液中本就浓度不高的病毒，进一步提高滤膜对于病毒的截留效果。

在膜厚度方向上，孔径较大的多孔支撑层形成对第一分离层和第二分离层的隔断，降低膜厚度方向上平均孔径的变化连续性，使滤膜在膜厚方向上的孔径形成逐渐减小、逐渐增大、再逐渐减小的非对称膜结构，从而在膜厚度方向上形成双分离层结构，获得更好的病毒截留效果。并且，本申请中的滤膜在膜厚度方向上具有非定向曲折通道，所谓非定向曲折通道，是指无规取向的沟槽结构和/或离散分布的孔洞结构，且各非定向曲折通路相互贯通，从而提高滤膜的截留效果、保证料液能够通过滤膜。

本申请的发明人们发现，特定的双分离层结构（起主要截留作用的第一分离层和起辅助截留作用的第二分离层）配合特定的PMI孔径（15~25nm），能够显著提高滤膜的病毒截留效果，病毒通过滤膜的概率大大降低，确保病毒不存在泄露的风险。这可能是由于，在制膜过程中，即使制备工艺的完善度很高，也难以避免制得的滤膜存在少量缺陷，这些缺陷对于滤膜的病毒截留率产生较大影响，大大提高了病毒泄露的风险（这也是为什么滤膜的完整性测试特别重要的原因之一）。特定的双分离层结构配合特定的PMI孔径，使得即使制膜过程中滤膜产生了缺陷也仍能保持良好的病毒截留效果，例如，即使预过滤层和第一分离层上具有缺陷导致病毒截留效果下降，多孔支撑层配合第二分离层也能够起到良好的截留效果（一张滤膜的两个面都存在缺陷并且缺陷正好在同一处的概率较低），从而大大提高生物制剂的安全性，这对于降低生物制剂的病毒污染风险具有十分重要的意义。

此外，一般认为，双分离层结构的滤膜由于引入了第二分离层，滤膜的通量一般较低，而滤膜的通量对于效率的影响是需要着重考虑的因素。本申请的发明人们发现，与预期的双分离层滤膜通量较小不同，本申请中的双分离层滤膜具有相当高的通量，这是十分意外的。这可能是由于，本申请中的多孔进液面孔径较大（200~600nm），即使配合双分离层仍能确保滤膜具有较好的通量；除此之外，由于第一分离层和第二分离层之间具有孔径较大的多孔支撑层，料液从第一分离层中进入多孔支撑层内时，具有较高的流速，而多孔支撑层对于料液的阻力较小（相较于小孔径的层结构，多孔支撑层的阻力小得多），料液较容易进入到第二分离层内并通过第二分离层，这大大降低了第二分离层对于滤膜通量的影响。也就是说，在第一分离层和第二分离层之间的孔径较大的多孔支撑层，使得第二分离层对于料液的流动阻力远低于预期。因此，即使进一步引入了第二分离层，滤膜仍有较高的通量，这是未曾预料到的。

另外，相较于常见的除病毒滤膜所使用的材料（如PES聚醚砜），本申请中的滤膜采用纤维素类材料制成，纤维素类材料具有较强的亲水性（一般认为纤维素类滤膜是有机滤膜中最不易吸附蛋白质的材料）。亲水性膜材和特定的双分离层配合，能够确保滤膜不但具有良好的病毒截留效果，而且对于蛋白质的吸附较低。因此，本申请的滤膜不但具有较好的病毒截留效果，蛋白质收率也较高，这与一般认为的滤膜的病毒截留效果越好、蛋白质收率越低不同，具有较高的实用价值。

因此，本申请中特定的双分离层结构配合特定的PMI孔径能够获得显著更好的病毒截留效果；在此基础上，双分离层的滤膜结构在较大孔径的多孔进液面和多孔支撑层配合下，仍具有较大的通量；并且由于采用了纤维素类材料一体成型得到，使得双分离层的滤膜获得更好病毒截留效果的前提下仍有较高的蛋白质收率。

可以理解的是，滤膜的PMI孔径可通过PMI薄膜孔径分析仪直接测得。而膜表面平均孔径的测量方式可以通过使用扫描电子显微镜对膜结构进行形貌表征后，再利用计算机软件（如Matlab、NIS~Elements等）或手工进行测量，并进行相应计算；在膜的制备过程中，在垂直于膜厚度方向上（如果膜是平板膜形态，则该方向是平面方向；如果膜是中空纤维膜形态，则该方向是垂直于半径方向），其各项特征如孔径分布是大致均匀的，基本保持一致；所以可以通过在相应平面上部分区域的平均孔径大小，来反映该平面上整体的平均孔径大小。在实际进行测量时，可以先用电子显微镜对膜表面进行表征，获得相应的SEM图，而由于膜表面孔洞大致是均匀的，因此可以选取一定的面积，例如1μm²（1μm乘以1μm）或者25μm²（5μm乘以5μm），具体面积大小视实际情况而定，再用相应计算机软件或者手工测出该面积上所有孔洞的孔径，然后进行计算，获得该表面的平均孔径；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考。

可选的，所述第一分离层的平均孔径为25~35nm；所述第一分离层的厚度为5~20um；所述第一分离层的厚度与多孔主体的厚度之比为5~25%。

通过采用上述技术方案，第一分离层是起主要分离、截留作用的层，一般来说厚度比较小以降低对于蛋白质的吸附。本申请中特定限定了滤膜为纤维素滤膜，而纤维素具有十分良好的亲水性，其对于蛋白质的吸附效果很低，因此，能够适当提高提高第一分离层的厚度，能够在保证蛋白质收率较高的基础上，获得更好的病毒截留率。

可选的，所述第二分离层的平均孔径为25~35nm；所述第二分离层的厚度为0.2~5um；所述第二分离层的厚度与多孔主体的厚度之比为0.5~8%。

通过采用上述技术方案，相较于目前的三层结构滤膜，由于进一步在多孔支撑层外侧引入了第二分离层，滤膜从单分离层结构变成双分离层结构，一般认为，双分离层的滤膜虽然能够获得更高的病毒截留率，但是孔径较小的第二分离层对于滤膜的通量必然存在较大的影响。因此，可预期的是相较于三层结构的滤膜，四层结构滤膜的通量应当较低。

然而，在具有较大平均孔径的多孔支撑层以及多孔进液面的前提下，只需控制第二分离层的平均孔径为25~35nm、厚度为0.2~5um，即使是四层结构的滤膜，仍能有较高的通量。

这可能是由于，当第一分离层的厚度（5~20um）、平均孔径（25~35nm）处于较为合理的范围内时，第一分离层本就具有较高的病毒截留率，第二分离层主要起辅助截留的作用。考虑到第二分离层的厚度、平均孔径对于滤膜的通量的确有较大的影响，因此，需要严格控制第二分离层的平均孔径和厚度，确保滤膜不但具有较好的病毒截留率，还具有较高的通量。

本申请的发明人们发现，滤膜的病毒截留效果随第二分离层厚度的提高存在边际递减效应，随着第二分离层厚度的提高，滤膜的病毒截留率首先以较快速的提高（快速上升段）；随着第二分离层厚度的继续提高，滤膜的病毒截留率提高缓慢直至保持相对稳定（慢速上升段和稳定段）。这意味着，只需第二分离层的厚度增长处于快速上升段，较薄的第二分离层即可显著提高滤膜的病毒截留效果；而较薄的第二分离层配合对于料液阻力较小的、孔径较大的多孔支撑层，对于滤膜的通量影响较小。也就是说，当第二分离层的厚度低至0.2~5um（与膜厚度之比为0.5~8%）时属于快速上升段，相较于厚度更大的第二分离层，滤膜的病毒截留效果变化较小，而滤膜的通量会有明显的提高，这是十分意外的。

除了厚度外，第二分离层的平均孔径同样影响滤膜的病毒截留率以及蛋白质收率，第二分离层的平均孔径过大时，通过第一分离层的病毒也能够轻松的通过第二分离层；第二分离层的平均孔径过小时，病毒的截留率提高极少，但是滤膜的通量和蛋白质收率将大幅下降。此外，第二分离层的平均孔径也很大程度上决定了料液在第二分离层所受阻力，本申请的发明人们发现，当第二分离层的厚度为0.2~5um时，其平均孔径只需在25~35nm时，即可保证具有良好的病毒截留效果以及较高的通量。

可选的，所述第一分离层的厚度与所述第二分离层的厚度之比为2~12；所述第一分离层的平均孔径与所述第二分离层的平均孔径之比为0.75~1.3。

通过采用上述技术方案，相较于单分离层的滤膜，双分离层滤膜的两个分离层对于滤膜而言应当作为整体看待，双分离层的总厚度不能过大，以确保滤膜具有较高的通量。在此基础上，本申请的发明人们发现，即使分离层的总厚度相近，双分离层的厚度分配（即第一分离层和第二分离层的厚度之比），对于滤膜的病毒截留效果和通量均有较大的影响。

一般认为，只要分离层的总厚度不变，双分离层的厚度如何分布对于病毒截留效率、通量等应该无影响。然而，在本申请特定的四层结构的滤膜中，第一分离层和第二分离层的厚度分布必须保证两者厚度之比为2~12，只有此时，才能够在确保滤膜同时具有较高的病毒截留率和通量。

可选的，所述多孔支撑层的平均孔径为50~180nm；所述多孔支撑层的厚度为4~20μm；所述多孔支撑层的厚度与多孔主体的厚度之比为5~25%。

通过采用上述技术方案，相较于目前常见的双层结构滤膜，四层膜结构的滤膜可以近似认为在连续的分离层中引入了多孔支撑层，一般认为，在分离层中引入孔径更大的多孔支撑层，虽然可能会使滤膜的通量提高，但是也必然会导致滤膜病毒截留率的下降。这是由于引入多孔支撑层后，分离层的总厚度（即第一分离层和第二分离层的厚度之和）下降，而引入的多孔支撑层的截留效率必然不如孔径更小的分离层，因此，可预期的是相较于双层结构的滤膜，四层结构滤膜的病毒截留率出现下降。然而，相较于双层结构的滤膜，四层结构的滤膜即使分离层的总厚度有所下降，但是其病毒截留率并无下降，这是十分出人意料的。

这可能是由于，位于第一分离层和第二分离层之间的多孔支撑层将原本孔径相差较小的第一分离层和第二分离层隔断，从而形成类似非连续的孔径变化梯度。多孔支撑层的引入改变了病毒在多孔主体内的连续运动状态，病毒在连续变化的曲折通路中的运动能力较强，而在非连续变化的滤膜中运动阻力更大，从而产生二次截留效果。

例如，病毒从孔径较小的第一分离层进入孔径更大的多孔支撑层的阻力较小；而病毒从孔径较大的多孔支撑层进入到孔径较小的第二分离层时，遇到较大的阻力，病毒无法形成连续的运动，被截留的可能性提高。因此，与预期不同，相较于双层结构的滤膜，四层结构的滤膜病毒截留效果并无下降，而通量有所提高。

在此基础上，多孔支撑层的孔径、厚度等需要严格限定，若多孔支撑层的厚度过大，料液在多孔支撑层中动能丧失过多，不易进一步进入到第二分离层的孔隙结构内，这将导致通量的明显下降；若多孔支撑层的孔径过大，虽然料液收到的阻力变小，但是多孔支撑层内纤维对料液的引导作用也减弱（纤维对料液起导向作用，引导料液进入到第二支撑层的孔隙结构内），这同样会导致通量的下降。这与一般认为的，多孔支撑层厚度、孔径的提高能够提高滤膜通量的认知甚至相反，是未曾预料到的。而当多孔支撑层的厚度过小或平均孔径过小时，第一分离层和第二分离层形成了近似连续的孔径变化梯度，这就使得二次截留效果有所降低，形成了类似双层结构的滤膜。

在第一分离层、第二分离层的孔径和厚度等的前提下，当多孔支撑层的平均孔径为50~180nm、厚度为4~20μm时，滤膜能够同时获得良好的病毒截留效果和通量。

可选的，所述多孔支撑层与所述第一分离层的厚度之比为0.5~2；所述多孔支撑层与所述第二分离层的厚度之比为2~12。

通过采用上述技术方案，在本申请特定的四层结构滤膜中，第一分离层、多孔支撑层和第二分离层应当作为整体看待，为了使多孔支撑层起到良好的隔断作用而又不过多的影响滤膜的病毒截留率和通量，必须严格控制多孔支撑层与第一分离层、第二分离层的厚度之比。确保料液在多孔支撑层的动能受损较小，能快速通过第二分离层；以及料液能够受到多孔支撑层良好的引导效果，更易于进入到第二分离层的孔隙结构内。

若多孔支撑层与第一分离层的厚度之比过大，过厚的多孔支撑层和过薄的第一分离层往往导致病毒截留率的下降；若多孔支撑层与第一分离层的厚度之比过小，过薄的多孔支撑层导致二次截留效果下降，过厚的第一分离层导致通量下降。若多孔支撑层与第二分离层的厚度之比过大，料液在多孔支撑层中动能丧失过多，不易快速通过第二分离层，反而导致通量的下降，过薄的第二分离层起到的二次截留效果也下降；若多孔支撑层与第二分离层的厚度之比过小，过薄的多孔支撑层往往不能起到良好的隔断效果，对于病毒的运动状态影响较小，使第二分离层的截留效果下降。

可选的，所述多孔支撑层的平均孔径沿料液的流经方向先增大后减小，且所述多孔支撑层平均孔径增大的区域厚度与所述多孔支撑层的厚度之比为55~80%。

通过采用上述技术方案，多孔支撑层的平均孔径先增大再减小，并且增大的速度较慢，减小的速度较快。这样的孔径分布使得料液从第一分离层中进入到多孔支撑层时，料液的变化速度是相对较为缓慢的，降低活性物质因为骤然变化的运动条件而损伤的可能。此外，在此过程中，料液与多孔支撑层孔隙结构的孔壁结构接触较少，料液所受阻力较小，料液在多孔支撑层中孔径缓慢变大的区域动能损失并不大。而当料液从大孔径的多孔支撑层进入到小孔径的第二分离层时，料液与孔壁结构大面积接触从而受到较大阻力；降低多孔支撑层内孔径快速减小区域的厚度占比，能够降低料液在大阻力区内的停留时间，从而确保料液有足够动能快速通过第二分离层，配合特定厚度和孔径的第二分离层，在确保具有良好病毒截留率的基础上，获得较高的通量。

可选的，所述多孔支撑层与所述第一分离层的平均孔径之比为2~5；所述多孔支撑层与所述第二分离层的平均孔径之比为2~5。

通过采用上述技术方案，当多孔支撑层和第一分离层、第二分离层的平均孔径之比过高时，将可能导致滤膜的病毒截留效果下降；而当多孔支撑层和第一分离层、第二分离层的平均孔径之比过低时，多孔支撑层无法起到良好的隔断作用，病毒在滤膜中的运动方式仍为比较连续的状态，第二分离层无法起到良好的二次截留效果。

可选的，所述预过滤层的平均孔径为80~300nm，所述预过滤层的孔隙率为35~80%，所述预过滤层的厚度与多孔主体的厚度之比为40~75%。

通过采用上述技术方案，由于本申请特定的四层结构的滤膜中引入了第二分离层，虽然能够提高病毒的截留效果，但是也一定程度影响滤膜的通量。本申请通过引入特定厚度、平均孔径以及孔径变化趋势的多孔支撑层，能够很大程度降低第二分离层的引入对滤膜通量的影响。在此基础上，控制预过滤层的平均孔径为80~300nm、孔隙率为35~80%，厚度占总膜厚的40~75%，能够在不影响滤膜病毒截留效果的基础上，提高滤膜的通量和纳污量，进一步降低第二分离层的引入对滤膜通量的影响。

此外，预过滤层的平均孔径、孔隙率等并非越大越好，甚至于，随着预过滤层平均孔径和孔隙率的进一步提高，滤膜的纳污量反而会产生下降，这是本申请的发明人们所未曾预料到的。这可能是由于，料液的压力直接作用于预过滤层，平均孔径、孔隙率过高的预过滤层容易因为料液的压力而形变压缩，使得预过滤层的平均孔径和孔隙率大幅下降，从而导致通量、纳污量等均下降。因此，预过滤层的平均孔径、厚度、孔隙率等需要严格控制。

可选的，所述多孔主体的厚度为25~100μm，所述多孔主体的孔隙率为25~70%。

通过采用上述技术方案，当多孔主体的厚度为25~100μm且孔隙率为25~70%时，更适合用于过滤细小病毒，不但具有良好的截留效果、通量也较高。此外，由于纤维素的亲水效果较好，对于蛋白质的特异吸附较低，因此可以适当提高滤膜的厚度，以在较高的蛋白质收率的基础上，获得更高的载量和更好的病毒截留效果。

可选的，所述多孔进液面的孔洞面积率为5~30%，所述多孔进液面的第一水接触角为25°~70°；所述多孔出液面的孔洞面积率为2~15%，所述多孔出液面的平均孔径为15~30nm，所述多孔出液面的第一水接触角为25°~70°。

通过采用上述技术方案，多孔进液面是滤膜最先与料液接触的部分，孔隙率较高、亲水性较好的多孔进液面与料液的亲和性较高，易于引导料液通过多孔进液面进入到多孔主体的内部孔隙结构内，从而提高滤膜的通量。孔隙率较低、平均孔径较小、亲水性较高的多孔出液面能够确保对于病毒良好的二次截留效果以及较低的蛋白质吸附率。

可选的，所述多孔支撑层内形成多孔结构的平均纤维直径大于所述第一分离层和第二分离层形成多孔结构的平均纤维直径，小于所述预过滤层内形成多孔结构的平均纤维直径；所述第一分离层的平均纤维直径为40~100nm，所述第一分离层和所述多孔支撑层的平均纤维直径之比为0.6~0.95，所述第一分离层和所述第二分离层的平均纤维直径之比为0.8~1.2。

通过采用上述技术方案，预过滤层是直接承受料液压力的部分，为了获得更高的纳污量和通量，需要提高预过滤层的平均孔径和孔隙率，但是这也会导致预过滤层的力学性能下降，在料液压力的作用下更容易被压缩形变，反而导致滤膜的纳污量和通量下降。因此，为了使预过滤层具有综合更大的纳污量和通量，需要在提高其平均孔径和孔隙率的基础上，同步提高其平均纤维直径。

而第一分离层和第二分离层的平均孔径小，纤维连接节点多，能够形成相对稳定的三维网络结构，所以整体强度比较高。而在第一分离层和第二分离层之间的多孔支撑层孔径较大（为了获得更好的隔断效果），纤维间的连接节点较少，必须确保有更大的纤维直径，否则容易因为外力产生分层现象。

一般认为，多孔支撑层的平均孔径与第一分离层和第二分离层的平均孔径相差较大，因此，多孔支撑层的纤维直径需要有较大的纤维直径从而获得良好的机械性能，而第一分离层和第二分离层的纤维直径应当较小，从而获得更高的通量，因而多孔支撑层的纤维直径应该与第一分离层和第二分离层的纤维直径有较大的差异。然而，本申请的发明人们意外发现，虽然多孔支撑层的纤维直径大于第一分离层和第二分离层的纤维直径，但是相差并不大，这与一般认知并不同。并且，这样的膜结构还会有更高的蛋白质收率。

这可能是由于，对于多孔支撑层而言，只需纤维直径达到一定程度即可保证受到料液压力时压缩较小，以及保证第一分离层和第二分离层不易分层，进一步提高多孔支撑层的纤维直径意义较小。而对于第一分离层和第二分离层而言，由于第一分离层和第二分离层的平均孔径较小，即使发生微小的压缩，也会对其性能产生较大的影响。提高第一分离层和第二分离层的纤维直径能够降低其因为料液压力而导致的压缩变形，并且，更粗的纤维具有相对更小的比表面积，对于蛋白质的特异性吸附降低。

因此，与一般认知的不同，实际上多孔支撑层的纤维尺寸与第一分离层和第二分离层的纤维尺寸虽然有差异，但是差异并不大，这样的膜结构反而能够获得更好的通量、蛋白质收率。

可选的，所述第一分离层的平均孔径大于等于所述第二分离层的平均孔径，所述第二分离层的厚度与多孔主体厚度之比为2~5%，所述多孔支撑层与多孔主体厚度之比为5~22%。

通过采用上述技术方案，当第一分离层的平均孔径大于第二分离层的平均孔径时，平均孔径较小的第二分离层虽然对于病毒的截留效果更好，但是其对于滤膜通量的影响也明显更大。此时，需要进一步降低第二分离层的厚度，以降低对滤膜通量的影响；此外，多孔支撑层的厚度也需要进一步降低，从而降低料液在多孔支撑层内压力、流速等的损失，从而使料液更易于从多孔支撑层内进入到第二分离层内。因此，当第一分离层的平均孔径大于第二分离层的平均孔径时，适当降低多孔支撑层和第二分离层的厚度，能够在确保良好的二次截留效果的基础上，降低对滤膜通量的影响。

可选的，所述第一分离层的平均孔径小于所述第二分离层的平均孔径，所述第二分离层的厚度与多孔主体厚度之比为4~8%，所述多孔支撑层与多孔主体厚度之比为8~25%。

通过采用上述技术方案，当第一分离层的平均孔径小于第二分离层的平均孔径时，平均孔径较大的第二分离层对于病毒的截留效果下降，导致滤膜的二次截留效果有所下降。为了确保滤膜具有良好的二次截留效果，可以适当提高第二分离层的厚度；还可以提高多孔支撑层的隔断效果，即提高多孔支撑层的厚度。因此，当第一分离层的平均孔径小于第二分离层的平均孔径时，适当提高多孔支撑层和第二分离层的厚度，能够在降低对滤膜通量影响的基础上，确保良好的二次截留效果。

可选的，所述滤膜的拉伸强度为6~15MPa，断裂伸长率为5~40%；所述滤膜的通量大于70L*h^-1*m^-2；所述滤膜的蛋白质收率不低于98%。

通过采用上述技术方案，与一般认知的不同，第二分离层的引入并没有对滤膜的通量产生较大的影响，四层结构的滤膜仍具有较高的通量。

可选的，对于20nm的病毒，所述滤膜的连续过滤截留率满足LRV＞4，所述滤膜的间断过滤截留率与所述滤膜的连续过滤截留率之比不小于0.9。

通过采用上述技术方案，在膜过滤器（或滤膜）的实验室验证阶段，例如病毒挑战试验中，当膜过滤器（或滤膜）的流量衰减至75%或料液仅有少量剩余时，需要撤去外压并暂停一段时间（如5min），再进行顶洗操作，以将被滤膜吸附或截留的蛋白质洗出，提高蛋白质的收率。在企业实际生产过程中，也有类似的操作，从而提高蛋白质等活性物质的收率。一般来说，顶洗液与滤液需要分开进行处理，这是由于，撤去外压一段时间后，虽然蛋白质能够从滤膜的孔隙中被释放，病毒也同样可能从滤膜的孔隙中被释放。

此外，相较于蛋白质，病毒具有显然更强的活动能力，在无外压存在时，病毒在滤膜的孔隙中无规则运动，极可能运动到滤膜下端，从而在顶洗操作时被洗出。因此，即使是同一张滤膜，滤液的截留率可能达到LRV5，而顶洗液的截留率可能只能达到LRV4，即，目前常见的滤膜间断过滤截留率往往与连续过滤时的过滤截留率有较大差异。可以理解的是，间断过滤截留率是指，连续过滤过程中发生中断，并且中断时间不低于5min，中断后继续进行过滤，即为间断过滤，间断后的截留率即为间断过滤截留率。

然而，本申请的发明人们意外发现，相较于单分离层结构的滤膜，本申请中特定的双分离层结构的滤膜即使分离层的总厚度保持不变，仍然能够显著提高滤膜的间断过滤截留率，间断过滤截留率与连续过滤截留率之比能够达到0.9以上，这与一般认知的并不同。一般认为不论是连续过滤的过滤截留率还是间断过滤的截留率，在平均孔径等其余参数保持一致的前提下，应当是分离层的厚度越高，间断过滤截留率与连续过滤截留率相差越小，若分离层的厚度基本相同，间断过滤截留率与连续过滤截留率之比也应当基本相同。

这可能是由于，通过多孔支撑层将分离层隔断为第一分离层和第二分离层后，病毒在多孔主体中的运动变得不连续，而病毒在连续的孔隙中运动阻力更小，更易于运动到滤膜下端，也就更易于被洗出。虽然病毒从第一分离层进入到孔径更大的多孔支撑层的阻力较小，但是从孔径更大的多孔支撑层进入到孔径更小的第二分离层时阻力较大，病毒在大孔径的多孔主体内无规则运动，其进入到孔径较小的第二分离层的概率明显降低，这就使得，即使分离层的总厚度近似，引入多孔主体并具有双分离层的滤膜具有显著更高的间断过滤截留率。这一效果是难以预料的，与一般的认知并不同，是十分出人意料的。

可以理解的是，本申请中LRV＞4是指，对于约20nm的病毒的截留效率达到LRV＞4。

第二方面，本申请提供一种除病毒纤维素滤膜的制备工艺，采用如下的技术方案：

一种除病毒纤维素滤膜的制备工艺，包括以下步骤：

A1、铸膜液配置，将棉纤维溶解于铜氨溶液，溶解过程中通入氨气，溶解完成后加入无机盐，得到铸膜液，所述铸膜液中，固含量为7~10%，铜含量为3~5%，无机盐的含量为0.1~1.5%；所述无机盐的阳离子为钠、钾、钙、镁中的一种或多种，所述无机盐的阴离子为硫酸根、亚硫酸根或碳酸盐中的一种或多种；

A2、挤出，将铸膜液挤出成膜，模头温度为15~35℃，得到成型膜；

A3、预分相，将成型膜放置在温度为5~35℃的环境下进行分相固化，分相固化后形成生膜；所述生膜包括第一外表面和第二外表面，其中第一外表面的平均孔径大于第二外表面的平均孔径，所述第二外表面的预分相速度大于所述第一外表面的预分相速度；

A4、凝固，将初生膜浸入凝固浴中进行进一步分相、固化，得到水合纤维素膜，所述凝固浴为酸的水溶液，所述凝固浴中氢离子浓度为0.5~3mol/L，所述酸为乙酸、硫酸中的至少一种；

A5、后处理，依次对水合纤维素膜进行酸洗和水洗，得到纤维素滤膜。

通过采用上述技术方案，本申请的发明人们发现，步骤A11中以铜氨溶液溶解棉纤维时，通入氨气能够明显提高棉纤维的溶解速度和溶解量。并且，其效果相较于添加浓氨水等常规的方式明显更好，这可能是由于，随着铜氨溶液不断溶解纤维素，体系中铜氨络合离子的浓度下降，对于纤维素的溶解性能也就必然下降。通入氨气能够促进氢氧化铜等进一步转化为铜氨离子，从而补充体系中铜氨离子的浓度，保证棉纤维的溶解速度和溶解量。虽然通过添加浓氨水等虽然能够补充铵根离子，但是浓氨水的加入，也会稀释整个体系，甚至导致体系固含量的明显下降，从而影响后续的挤出成膜步骤。而氨气的添加能够提高体系中铵根离子的浓度，且对于体系的影响较小，且通入的氨气还具有自搅拌作用，因此，在体系中通入氨气能够显著提高棉纤维的溶解速度和溶解量。

可选的，所述步骤A1包括以下步骤：

A11、配置铜氨溶液，将氢氧化铜粉末与氨水混合并搅拌，搅拌过程中通入氨气，搅拌至氢氧化铜不再溶解，得到铜氨溶液；

A12、纤维素溶解，保持搅拌并将棉纤维放入铜氨溶液，添加完成后继续搅拌，至棉纤维被润湿，随后通入氨气并搅拌至棉纤维完全溶解，再加入无机盐，得到铸膜液。

通过采用上述技术方案，虽然在铸膜液中加入无机盐能够改善铸膜液的分相性能，但是无机盐的添加时机很重要。本申请的发明人们意外发现，若直接将无机盐和棉纤维同时加入到铜氨溶液中，棉纤维的溶解速率将产生明显的下降；若将无机盐的添加时间变为棉纤维溶解后，在未添加无机盐的情况下，棉纤维的溶解速率明显更快，这一现象是十分意外的，一般认为铜氨溶液对于纤维素的溶解速率与无机盐并无直接关系。

这可能是由于，铜氨溶液中的铜氨离子一般以两种形式存在，一种是络碱、一种是络盐，而能够起到溶解纤维素功效的主要是络碱，无机盐的过早加入可能会促进络盐的生成，降低络碱的含量，从而导致促进纤维素溶解的络碱占比下降，即使铜氨离子的浓度相同，其溶解能力也会下降。

可选的，所述成型膜为中空纤维状，所述步骤A3包括以下步骤：

A31、内分相，以铸膜液进行纺丝时，铸膜液和内部的内芯液共同挤出，得到中空的膜丝，中空的膜丝暴露于空气中，使膜丝的内表面进行分相，所述内芯液为70~90wt%的丙酮水溶液；

A32、外分相，膜丝从空气中浸入到外芯液中，使膜丝的外表面进行分相，所述外芯液为5~15wt%的丙酮水溶液；

所述内芯液的丙酮浓度与所述外芯液的丙酮浓度之差为60~80wt%。

通过采用上述技术方案，在纺丝时，中空纤维状的膜内部已经通入内芯液，内芯液中含有水，因此，中空纤维膜的内表面会率先发生分相。由于内芯液中的水含量较低，因此，膜丝内表面的分相速度较慢，溶液相和聚合物相有充分的时间相互聚集，而聚集度高的溶液在去除后就能形成更大的孔隙结构，因此，膜丝内表面能够形成更大孔径的孔隙结构，也就形成了大平均孔径的预过滤层。在此过程中，膜丝的外表面直接暴露于空气中，一般纺丝环境下的空气并不足以引起膜丝外表面的分相（即使有程度也很低，可近似认为无分相）。

随着膜丝经过空气段并浸入到外芯液中，具有更高水含量的外芯液将引起膜丝外表面的快速分相，由于溶液的聚集度较低，溶液脱去后只能形成较小的孔隙结构，因此膜丝外表面只能形成小孔径的孔隙结构，也就形成了小平均孔径的第二分离层。

随后膜丝浸入到凝固浴中，凝固浴通过膜丝外表面上预分相形成的孔结构进入到膜丝内部，由于膜丝外表面上的孔隙结构孔径很小，因此凝固浴进入膜丝内部的速度较慢，形成了孔径较大的多孔支撑层。随着多孔支撑层的不断形成，膜丝内部进入大量水含量较高的凝固浴，大量水含量较高的凝固浴将引起膜丝内部的快速分相，从而形成孔径较小的孔隙结构，即为第一分离层。因此，以本申请特定的制备工艺，能够制得特定的四层结构的滤膜。

其中，预过滤的孔隙结构和纤维结构主要受到内芯液配比的影响，而第二分离层的孔隙结构和纤维结构主要受到外芯液配比的影响，本申请的发明人们发现，当两者的丙酮浓度之差为60~80wt%时，能够形成本申请特定的四层结构的滤膜，并且使滤膜具有良好病毒截留效果的基础上，具有较高的通量。

可选的，所述步骤A31中，膜丝在空气中暴露的距离为0.5~100mm，暴露时间为0.1~0.5s；所述步骤A32中，膜丝在外芯液中的浸渍距离为100~1000mm，浸渍时间为2~5s。

通过采用上述技术方案，在膜丝浸入到外芯液的过程中，膜丝的内表面在内芯液的存在下一直在较为缓慢的分相，因此，大孔径的预过滤层较厚，而小孔径的第二分离层很薄。其中，预过滤层的厚度主要受到膜丝挤出到进入凝固浴之间的时间的影响，而第二分离层的厚度主要受到膜丝外分相的时间的影响。

本申请的发明人们发现，为了获得通量高、截留效率高、特别的间断过滤截留率高的滤膜，必须严格控制膜丝在空气中暴露的时间和距离，也必须严格控制膜丝在外芯液中的浸渍距离和浸渍时间。只有这样，滤膜的内表面才能形成孔径大、厚度大的预过滤层，从而使滤膜具有较高的纳污量；第二分离层的厚度才不会过厚影响通量、不会过薄无法产生良好的二次截留效果；多孔支撑层的厚度和孔径才会合理，从而与较薄的第二分离层配合在提高截留效率的基础上，降低对通量的影响。

可选的，所述成型膜为平板状，所述步骤A3包括以下步骤：

A31、对第一外表面进行预分相，将相对湿度为20~40%，流速为0.2~0.4m/s的第一气流吹到所述成型膜的第一外表面上，成型膜暴露在第一气流中的时间为40~80s；且第一气流温度与模头挤出温度相同；

A32、对第二外表面进行预分相，将相对湿度为60~90%，流速为0.6~0.9m/s的第二气流吹到所述成型膜的第二外表面上，成型膜暴露在第二气流中的时间为10~30s，且第二气流温度比模头挤出温度小5~15℃。

通过采用上述技术方案，当滤膜为平板状膜时，通过湿度相对较低的第一气流吹拂第一外表面，使第一外表面在较低的湿度的条件下缓慢分相，从而获得孔径较大的预过滤层。通过控制第一气流的湿度、流速和吹拂时间，能够对预过滤层的平均孔径、厚度等进行调节。

通过湿度相对较高的第二气流吹拂第二外表面，使第二外表面在较高的湿度的条件下快速分相，从而获得孔径较小的第二分离层。通过控制第二气流的的湿度、流速和吹拂时间，能够对第二分离层的平均孔径、厚度等进行调节。本申请的发明人们还意外发现，在第二外表面预分相时，需要适当控制第二气流的温度降低5~15℃，这是由于，第一外表面在第一气流吹拂后，部分水汽保留在第一外表面和铸膜液内部，引起铸膜液的分相。

由于没有稳定的水相补充以及水相在铸膜液中分布的不均匀性，第一外表面的这种分相行为是不均匀的，形成的孔隙结构并不良好，这一现象给滤膜的性能产生了较大的影响。本申请的发明人们通过大量实验，意外发现，只需降低第二气流的温度，即可大大缓解这种不均匀分相的现象。这可能是由于，较低的第二气流的温度不但能够提高第二外表面的分相速度，降低第二外表面的预分相时间，从而减少第一外表面的不均匀分相行为；还能够通过降低铸膜液的温度，提高铸膜液的粘度，由于第一外表面并没有进一步的水相补充，因此，铸膜液粘度的提高能够降低第一外表面处水相的渗透速度，从而降低第一外表面的不均匀分相行为。第一内表面的不均匀分相行为是本申请的发明人们之前并未预料到的问题，而通过降低第二气流的温度能够解决这一问题，同样是本申请的发明人们意料之外的。

此外，需要注意的是，必须先进行第一外表面的预分相，再进行第二外表面的预分相，只有这样，当预分相完成后，浸入到凝固浴中时，凝固浴才会通过具有小孔径的第二外表面进入到铸膜液内部，从而形成孔径较大的多孔支撑层，才能进一步形成小孔径的第一分离层。因此，除了需要控制第一气流和第二气流的湿度、流速和吹拂时间，还必须控制两者的先后顺序，才能获得本申请中特定的四层结构的滤膜。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请中特定的四层结构滤膜通过引入第二分离层形成了双分离层结构，配合特定的PMI孔径，能够获得显著更好的病毒截留效果；在此基础上，较大孔径的多孔进液面和多孔支撑层配合，使得滤膜仍具有较大的通量；且由于滤膜使用纤维素类材料一体成型得到，使得滤膜即使具有双分离层，仍具有较高的蛋白质收率。

2.在第一分离层具有较高的病毒截留效果的基础上，通过限定第二分离层的厚度、平均孔径，相较于厚度更大的第二分离层，滤膜的病毒截留效果变化较小，而滤膜的通量明显提高，使得滤膜可以兼得高病毒截留效果和高通量。

3.通过限定第一分离层的厚度之比、平均孔径之比等参数，能够在具有多孔支撑层分离层总厚度保持不变的前提下，使滤膜的病毒截留效果和通量均有所提高。

4.通过限定多孔支撑层与第一分离层、第二分离层之间的厚度之比、平均孔径之比等参数，能够确保滤膜具有较高通量的基础上，多孔支撑层起到良好的隔断效果，通过改变病毒在滤膜中的运动状态，起到良好的二次截留效果，从而提高滤膜的病毒截留效果。

5.通过将多孔支撑层的纤维直径与第一分离层、第二分离层设置为相差较小，不但能够确保滤膜在料液压力下形变较小，获得更好的通量和病毒截留效果，还能够降低高比表面的纤维对于蛋白质的特异性吸附。

6.本申请特定的具有双分离层的四层结构的滤膜，不但在连续过滤过程中具有较高的病毒截留率，即使过滤过程有简单，间断过滤截留率仍然较高，相较于连续过滤截留率之比下降较少。

附图说明

图1是本申请除病毒纤维素滤膜的横截面扫描电镜图，其放大倍数为5K×。

图2是本申请实施例3的除病毒纤维素滤膜的多孔进液面的扫描电镜图，其放大倍数为20K×。

图3是本申请实施例3的除病毒纤维素滤膜的多孔出液面的扫描电镜图，其放大倍数为50K×。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种除病毒纤维素滤膜及其制备工艺。

实施例1

一种除病毒纤维素滤膜的制备工艺，滤膜为平板状，包括以下工艺步骤：

A1、铸膜液配置，具体包括以下工艺步骤：

A11、配置铜氨溶液，将氢氧化铜粉末与氨水混合并搅拌，搅拌过程中保持通入氨气，搅拌至氢氧化铜不再溶解，得到铜氨溶液。

A12、纤维素溶解，保持搅拌并将棉纤维放入铜氨溶液，添加完成后继续搅拌，至棉纤维被润湿，随后通入氨气并搅拌至棉纤维完全溶解，再加入无机盐，得到铸膜液。铸膜液中，固含量为8.5%，铜含量为4%，无机盐的含量为0.5%，无机盐选用硫酸钠。

A2、挤出，将铸膜液挤出刮涂到平面载体上，挤出时模头温度为30℃，得到成型膜。

A3、预分相，将成型膜的两个表面均进行分相固化，得到生膜，生膜包括第一外表面和第二外表面，第二外表面的预分相速度大于第一外表面的预分相速度，从而使得第一外表面的平均孔径大于第二外表面的平均孔径。具体包括以下工艺步骤：

A31、对第一外表面进行预分相，以相对湿度为25%，流速为0.35m/s，温度为30℃的第一气流吹到成型膜的第一外表面，成型膜暴露在第一气流中的时间为70s；

A32、对第二外表面进行预分相，以相对湿度为70%，流速为0.9m/s，温度为15℃的第二气流吹到成型膜的第二外表面，成型膜暴露在第二气流中的时间为20s。

A4、凝固，将初生膜浸入凝固浴中进行进一步分相、固化，得到水合纤维素膜，凝固浴为8wt%的乙酸水溶液。

A5、后处理，依次对水合纤维素膜进行10wt%硫酸酸洗和水洗，得到纤维素滤膜。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处主要在于，铸膜液中固含量为7.2%，铜含量为3.3%，无机盐含量为0.2%。此外，步骤A3中的预分相条件不同，具体包括以下工艺步骤：

A31、对第一外表面进行预分相，以相对湿度为40%，流速为0.25m/s，温度为30℃的第一气流吹到成型膜的第一外表面，成型膜暴露在第一气流中的时间为50s；

A32、对第二外表面进行预分相，以相对湿度为85%，流速为0.65m/s，温度为20℃的第二气流吹到成型膜的第二外表面，成型膜暴露在第二气流中的时间为12s。

实施例3

一种除病毒纤维素滤膜的制备工艺，滤膜为中空纤维状，包括以下工艺步骤：

A1、铸膜液配置，具体包括以下工艺步骤：

A11、配置铜氨溶液，将氢氧化铜粉末与氨水混合并搅拌，搅拌过程中保持通入氨气，搅拌至氢氧化铜不再溶解，得到铜氨溶液。

A12、纤维素溶解，保持搅拌并将棉纤维放入铜氨溶液，添加完成后继续搅拌，至棉纤维被润湿，随后通入氨气并搅拌至棉纤维完全溶解，再加入无机盐，得到铸膜液。铸膜液中，固含量为8.5%，铜含量为4%，无机盐的含量为0.5%，无机盐选用硫酸钠。

A2、挤出，将铸膜液挤出纺丝，挤出时模头温度为30℃，得到成型膜。

A3、预分相，分别对膜丝的内外表面进行预分相，具体包括以下工艺步骤：

A31、内分相，以铸膜液进行纺丝时，铸膜液和内部的内芯液共同挤出，得到中空的膜丝，中空的膜丝暴露于30℃的空气中，暴露距离为30mm、暴露时间为0.2s，使膜丝内表面进行分相，内芯液为70wt%的丙酮水溶液；

A32、外分相，膜丝从空气中浸入到外芯液中，使膜丝的外表面进行分相，外芯液为6wt%的丙酮水溶液，浸渍距离为300mm，浸渍时间为2s。

A4、凝固，将初生膜浸入凝固浴中进行进一步分相、固化，得到水合纤维素膜，凝固浴为8wt%的乙酸水溶液。

A5、后处理，依次对水合纤维素膜进行10wt%硫酸酸洗和水洗，得到纤维素滤膜。

实施例4~10

实施例4~10与实施例3的不同之处在于，各步骤的工艺参数不同，记为下表：

对比例1

对比例1与实施例3的不同之处在于，步骤A2中，挤出纺丝时膜丝内部通入氮气而非内芯液，即步骤A3中，膜丝内表面并未进行预分相处理，仅通入氮气保持其尺寸稳定性。

对比例2

对比例2与实施例3的不同之处在于，步骤A3中，并未将膜丝浸入到外芯液中，而是一直保持其在空气中，即步骤A3中，膜丝外表面并未进行预分相处理。

对比例3

对比例3与实施例3的不同之处在于，步骤A11和A12中，均未通入氨气，此时，步骤A11中氢氧化铜的溶解速度明显下降；而步骤A12中，仅依靠氨水并不能完全溶解加入的棉纤维，自然也就无法获得所需的8.5%固含量的铸膜液，导致后续工艺无法进行，并未继续进行后续制膜操作。此外，在实验过程中发现，相较于无机盐的添加节点延后至棉纤维溶剂后，若无机盐的添加时间早于棉纤维，棉纤维的溶解速度将进一步下降，这说明无机盐过早加入会影响棉纤维的溶解速度。

一、膜结构参数表征

1.1 第一水接触角

以各实施例和对比例制得的滤膜作为试样，放在第一水接触角测试仪的夹具上，通过纯水水滴在试样上的变化，观察第一水接触角变化，第一水接触角数据。

1.2 PMI平均孔径

以各实施例和对比例中制得的滤膜作为试样，以CFP~1J00AEX型PMI孔径测试仪测试试样的PMI平均孔径。

1.3 滤膜孔隙率

以密度法测试各实施例或对比例中制得的滤膜作为试样，测试试样的孔隙率，试样的孔隙率通过下式计算得到：孔隙率=

；

上式中，m为试样的质量；V为试样的体积；

为铜氨纤维的密度，为1.48g/cm³。

1.4形貌表征

以扫描电镜对各实施例或对比例中制得的滤膜作为试样，进行形貌表征，统计相应数据。

各实施例、对比例中滤膜的膜结构参数记为下表：

上表中，膜厚度单位为μm，孔隙率单位为%，PMI平均孔径和平均孔径的单位均为nm。

各实施例、对比例中滤膜的形貌表征记为下表：

上表中，平均孔径的单位均为nm，厚度的单位均为μm，平均纤维直径的单位均为nm；所谓增大区占比是指多孔支撑层的平均孔径增大区域厚度与多孔支撑层的厚度之比，单位为%。

此外，需要注意的是，由于对比例1中并未进行内表面的预分相，故并未形成本申请中特定的四层膜结构，故并无相关形貌表征参数；同样的，对比例2中并未进行外表面的预分相，同样未形成本申请中特定的四层膜结构，故并无相关形貌表征参数；对比例3并未进行进一步的制膜操作，故同向无相关形貌表征参数。

二、机械性能

以各实施例、对比例中制得的滤膜作为试样进行拉伸性能的测试，以夹头将滤膜的两端分别夹持，两端夹头距离为5cm（即滤膜的实际测试长度为5cm），对滤膜的拉伸强度和断裂伸长率进行检测。

2.1 拉伸强度

拉伸强度：

；

式中：σ—拉伸强度；Fb—拉断时所承受的最大力；So—试样原始横截面积；仪器中用“试样面积S”表示。

2.2 断裂伸长率

断裂伸长率：

；

式中：e—断裂伸长率；△L—试样标距间长度的增量；L—试样的标距。

三、过滤性能

将各实施例或对比例中制得的滤膜制成膜过滤器，在30psi的恒定压力下进行测试，挑战液中含有1mg/mL的人血浆IGG以及约10⁷pfu/mL的鼠细小病毒（粒径约20nm），缓冲体系为PBS，以容器收集下端滤液。在病毒挑战过程中，直到75%的流量衰减或挑战液仅有少量残留时，停止连续过滤，此时下端收集的滤液为连续滤液；随后缓慢释放压力，保持工艺停留5min，加入PBS缓冲液并保持30psi恒定压力进行间断过滤操作，并以新容器接收下端滤液，此时下端收集的滤液为间断滤液。

3.1 滤膜的通量

在前述连续过滤过程中，记录下端收集的连续滤液的体积V、连续过滤的时间T以及滤膜的有效面积A，膜通量通过下式计算得到：

J= V/(T×A)。

3.2 蛋白质收率和LRV

对挑战液中病毒的滴度进行检测，记为D0；

对连续滤液中病毒的滴度进行检测，记为D1；

对间断滤液中病毒的滴度进行检测，记为D2。

通过D0和D1计算连续过滤截留率LRV_连续；

通过D0和D2计算间断过滤截留率LRV_间断。

分别检测挑战液中的IGG量，以及连续滤液和间断滤液中的总IGG量，计算IGG的收率，即为蛋白质收率。

滤膜的机械性能和过滤性能记为下表：

上表中，拉伸强度的单位为MPa，断裂伸长率的单位为%，膜通量的单位为L*h^-1*m^-2，LRV_连续及LRV_间断无单位。

此外，由于对比例1和对比例2中的滤膜很快就发生堵塞，其蛋白质收率、LRV_连续及LRV_间断等数据无法测得。

结论：通过比较实施例1-3与对比例1-2的技术方案和各项性能参数，不难发现，通过特定的制备工艺制得的双分离层滤膜不但具有良好的病毒截留效果，同时具有较高的通量，而不是一般认为的病毒截留效果的进一步提升需要以通量的大幅下降为代价。虽然对比例1-2中的病毒截留率很高，但是其通量极低，基本失去实用价值。除此之外，在具有较高通量的基础上，双分离层滤膜具有特别良好的间断过滤截留率，这是目前常规的单分离层滤膜结构较难实现的。

通过比较实施例3和对比例3的技术方案和各项性能参数，不难发现，在铸膜液的配制过程中，是够在体系中通入氨气对于棉纤维的溶解有较大的影响，在未通入氨气的情况下，较难得到固含量高的铸膜液。除此之外，在制备过程中，无机盐的添加节点若早于棉纤维，将显著降低棉纤维溶解所需的时间。这意味着，虽然无机盐的添加能够优化铸膜液的分相性能，但是在铸膜液的配制过程中，无机盐的过早添加会影响制膜效率，因此，无机盐的添加节点以棉纤维全部溶解后为宜。

通过比较实施例3-6的技术方案和各项性能参数，不难发现，具有双分离层的四层结构滤膜只需控制预过滤层具有较高的孔隙率和平均孔，并且控制多孔支撑层的厚度、平均孔径，即可在具有良好病毒截留效果的基础上，同时具有较高的通量和蛋白质收率。

通过比较实施例6和实施例7的技术方案和各项性能参数，不难发现，当提高第二分离层的厚度时，只需同步降低多孔支撑层的厚度、提高预过滤层的厚度，滤膜的通量并无明显下降。此外，在膜通量较高的基础上，适当提高第二分离层的厚度，能够提高滤膜的间断过滤截留率，从而进一步降低病毒渗漏的风险。

通过比较实施例8和实施例9的技术方案和各项性能参数，不难发现，即使同为双分离层滤膜，且膜厚度基本相同，但是第二分离层厚度更大的实施例8具有显然更高的间断过滤截留率，而非一般认为的，只要分离层的总厚度相同，间断过滤截留率也基本相同。

通过比较实施例1和实施例10的技术方案和各项性能参数，不难发现，即使两者的膜厚度、双分离层的总厚度均基本相同，但是实施例1的通量显然更高，这可能是由于，当第二分离层的厚度较大而多孔支撑层的厚度不下降、预过滤层的厚度不下降时，第二分离层对于通量的影响较大。此外，第二分离层厚度更大的实施例10的间断过滤截留率反而有所下降，这可能是由于，第一分离层的厚度较小，在连续过滤时无法起到良好的病毒截留效果，已经有较多病毒泄露到第二分离层；在间断过滤时，位于第二分离层内的病毒容易泄露，在此过程中，多孔支撑层并未起到改变病毒连续运动状态的效果。

通过比较实施例1-10的技术方案和各项性能参数，不难发现，厚度较薄的滤膜通量有所提高而病毒截留效果有少许下降，但是不同厚度的滤膜均具有良好的病毒截留效果和较高的通量，可根据实际需求选择。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种除病毒纤维素滤膜，该纤维素滤膜一体成型，包括以连续纤维过渡的多孔主体，所述多孔主体具有非定向曲折通路，所述多孔主体具有多孔进液面和多孔出液面，其特征在于，所述多孔主体在膜厚度方向上沿料液流经方向依次为预过滤层、第一分离层、多孔支撑层和第二分离层，滤膜在膜厚方向上的孔径先逐渐减小、后逐渐增大、再逐渐减小，所述预过滤层的一侧为多孔进液面，所述第二分离层的一侧为多孔出液面；其中，

所述多孔支撑层的平均孔径大于第一分离层和第二分离层的平均孔径且小于预过滤层的平均孔径；

所述多孔进液面的平均孔径为200~600nm；

所述滤膜的PMI平均孔径为15~25nm；

所述第一分离层的平均孔径为25~35nm；

所述第二分离层的平均孔径为25~35nm；

所述第一分离层的厚度与所述第二分离层的厚度之比为2~12。

2.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述第一分离层的厚度为5~20um；所述第一分离层的厚度与多孔主体的厚度之比为5~25%。

3.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述第二分离层的厚度为0.2~5um；所述第二分离层的厚度与多孔主体的厚度之比为0.5~8%。

4.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述第一分离层的平均孔径与所述第二分离层的平均孔径之比为0.75~1.3。

5.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述多孔支撑层的平均孔径为50~180nm；所述多孔支撑层的厚度为4~20μm；所述多孔支撑层的厚度与多孔主体的厚度之比为5~25%。

6.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述多孔支撑层与所述第一分离层的厚度之比为0.5~2；所述多孔支撑层与所述第二分离层的厚度之比为2~12。

7.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述多孔支撑层的平均孔径沿料液的流经方向先增大后减小，且所述多孔支撑层平均孔径增大的区域厚度与所述多孔支撑层的厚度之比为55~80%。

8.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述多孔支撑层与所述第一分离层的平均孔径之比为2~5；所述多孔支撑层与所述第二分离层的平均孔径之比为2~5。

9.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述预过滤层的平均孔径为80~300nm，所述预过滤层的孔隙率为35~80%，所述预过滤层的厚度与多孔主体的厚度之比为40~75%。

10.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述多孔主体的厚度为25~100μm，所述多孔主体的孔隙率为25~70%。

11.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述多孔进液面的孔洞面积率为5~30%，所述多孔进液面的第一水接触角为25°~70°；所述多孔出液面的孔洞面积率为2~15%，所述多孔出液面的平均孔径为15~30nm，所述多孔出液面的第一水接触角为25°~70°。

12.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述多孔支撑层内形成多孔结构的平均纤维直径大于所述第一分离层和第二分离层形成多孔结构的平均纤维直径，小于所述预过滤层内形成多孔结构的平均纤维直径；所述第一分离层的平均纤维直径为40~100nm，所述第一分离层和所述多孔支撑层的平均纤维直径之比为0.6~0.95，所述第一分离层和所述第二分离层的平均纤维直径之比为0.8~1.2。

13.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述第一分离层的平均孔径大于等于所述第二分离层的平均孔径，所述第二分离层的厚度与多孔主体厚度之比为2~5%，所述多孔支撑层与多孔主体厚度之比为5~22%。

14.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述第一分离层的平均孔径小于所述第二分离层的平均孔径，所述第二分离层的厚度与多孔主体厚度之比为4~8%，所述多孔支撑层与多孔主体厚度之比为8~25%。

15.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：所述滤膜的拉伸强度为6~15MPa，断裂伸长率为5~40%；所述滤膜的通量大于70L*h^-1*m^-2@30psi；所述滤膜的蛋白质收率不低于98%。

16.根据权利要求1所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于：对于20nm的病毒，所述滤膜的连续过滤截留率满足LRV＞4，所述滤膜的间断过滤截留率与所述滤膜的连续过滤截留率之比不小于0.9。

17.权利要求1~16任一项所述的除病毒纤维素滤膜的制备工艺，其特征在于：包括以下步骤：

A1、铸膜液配置，将棉纤维溶解于铜氨溶液，溶解过程中通入氨气，溶解完成后加入无机盐，得到铸膜液，所述铸膜液中，固含量为7~10%，铜含量为3~5%，无机盐的含量为0.1~1.5%；所述无机盐的阳离子为钠、钾、钙、镁中的一种或多种，所述无机盐的阴离子为硫酸根、亚硫酸根或碳酸盐中的一种或多种；

A2、挤出，将铸膜液挤出成膜，模头温度为15~35℃，得到成型膜；

A3、预分相，将成型膜放置在温度为5~35℃的环境下进行分相固化，分相固化后形成生膜；所述生膜包括第一外表面和第二外表面，其中第一外表面的平均孔径大于第二外表面的平均孔径，所述第二外表面的预分相速度大于所述第一外表面的预分相速度；

A4、凝固，将初生膜浸入凝固浴中进行进一步分相、固化，得到水合纤维素膜，所述凝固浴为酸的水溶液，所述凝固浴中氢离子浓度为0.5~3mol/L，所述酸为乙酸、硫酸中的至少一种；

A5、后处理，依次对水合纤维素膜进行酸洗和水洗，得到纤维素滤膜。

18.根据权利要求17所述的除病毒纤维素滤膜的制备工艺，其特征在于：所述步骤A1包括以下步骤：

A11、配置铜氨溶液，将氢氧化铜粉末与氨水混合并搅拌，搅拌过程中通入氨气，搅拌至氢氧化铜不再溶解，得到铜氨溶液；

A12、纤维素溶解，保持搅拌并将棉纤维放入铜氨溶液，添加完成后继续搅拌，至棉纤维被润湿，随后通入氨气并搅拌至棉纤维完全溶解，再加入无机盐，得到铸膜液。

19.根据权利要求17或18所述的除病毒纤维素滤膜的制备工艺，其特征在于：所述成型膜为中空纤维状，所述步骤A3包括以下步骤：

A31、内分相，以铸膜液进行纺丝时，铸膜液和内部的内芯液共同挤出，得到中空的膜丝，中空的膜丝暴露于空气中，使膜丝的内表面进行分相，所述内芯液为70~90wt%的丙酮水溶液；

A32、外分相，膜丝从空气中浸入到外芯液中，使膜丝的外表面进行分相，所述外芯液为5~15wt%的丙酮水溶液；

所述内芯液的丙酮浓度与所述外芯液的丙酮浓度之差为60~80wt%。

20.根据权利要求19所述的除病毒纤维素滤膜的制备工艺，其特征在于：所述步骤A31中，膜丝在空气中暴露的距离为0.5~100mm，暴露时间为0.1~0.5s；所述步骤A32中，膜丝在外芯液中的浸渍距离为100~1000mm，浸渍时间为2~5s。

21.根据权利要求17或18所述的除病毒纤维素滤膜的制备工艺，其特征在于：所述成型膜为平板状，所述步骤A3包括以下步骤：

A31、对第一外表面进行预分相，将相对湿度为20~40%，流速为0.2~0.4m/s的第一气流吹到所述成型膜的第一外表面上，成型膜暴露在第一气流中的时间为40~80s；且第一气流温度与模头挤出温度相同；

A32、对第二外表面进行预分相，将相对湿度为60~90%，流速为0.6~0.9m/s的第二气流吹到所述成型膜的第二外表面上，成型膜暴露在第二气流中的时间为10~30s，且第二气流温度比模头挤出温度小5~15℃。

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