CN116078048A - 一种预过滤深层过滤纸板、制备方法、过滤系统和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及过滤纸板领域，具体涉及一种预过滤深层过滤纸板、制备方法、过滤系统和使用方法，所述深层过滤纸板有如下IvIg蛋白吸附性能：由进料面向所述深层过滤纸板供给0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用所述深层过滤纸板捕捉IvIg蛋白，过滤100L/m2，测定滤出的IvIg蛋白溶液时，浓度降低5％～70％；所述深层过滤纸板在厚度方向上的疏水性自进料面向出料面逐步递增；所述深层过滤纸板在厚度方向的紧度自进料面向出料面逐步递增。本申请具有兼顾对蛋白聚集体的较好的截留效果、截留效率、过滤速度以及较低的杂质脱落量等性能的优点。

Description

一种预过滤深层过滤纸板、制备方法、过滤系统和使用方法
技术领域
本发明涉及深层过滤纸板的领域，更具体地说，它涉及一种预过滤深层过滤纸板、制备方法、过滤系统和使用方法。
背景技术
血浆衍生的蛋白质溶液如免疫球蛋白(IgG)和其他蛋白质(天然或重组)如单克隆抗体通常含有蛋白质聚集体,包括蛋白质三聚体或更高的聚合物。为了将该溶液施用于患者,必须首先去除这些聚集体以避免患者的毒性反应。当使用传统的过滤过程时,即使在0.01-0.1％的低聚集体浓度下,病毒清除过滤器会迅速被聚集体堵塞。因此,必须使用昂贵的凝胶色谱法或尺寸排阻色谱法来实现选择性聚集体的去除。
授权公告号为US7465397B2的EMD密理博公司的美国发明专利公开了一种从蛋白质溶液中去除蛋白质聚集体和病毒的方法。其提供了一种在正常流动(NFF)过滤过程中从蛋白质溶液中选择性去除蛋白质聚集体的过程，第一步，蛋白质溶液以正常流动过滤操作模式通过一层或多层吸附深层过滤器、带电荷或表面改性的微孔膜或小层析介质床过滤,以产生蛋白质聚集体自由流，然后通过一个或多个超滤膜过滤无聚集体的蛋白质流以将病毒颗粒保留在至少3LRV的保留水平并且允许无聚集体和无病毒的蛋白质溶液通过。
换而言之，深层过滤器是可以作为用于过滤含有蛋白聚集体的溶液。授权公告号为CN105492101A的EMD密理博公司的中国发明专利公开了一种具有低可提取物的高容量复合深层过滤介质，具有一种或多种以下介质组分：合成无纺布或微纤维、原纤化聚合纤维、合成助滤剂和湿强树脂。该深层过滤介质表现出对二次澄清期间来自生物/细胞培养进料流的可溶性杂质如DNA和宿主细胞蛋白的更好的结合能力。由此可知，目前的深层过滤器通常是用于对来自生物/细胞培养进料流的澄清过滤，通过疏水、离子和其他相互作用来进行排阻和吸附。
但是经过不断的探索，我们发现并不是所有深层过滤器均适用于蛋白聚集体的过滤。因为对含有蛋白聚集体的溶液的过滤与澄清过滤相比，前者是为了避免蛋白聚集体对除病毒过滤器的堵塞，而蛋白聚集体的尺寸比澄清过滤时过滤的细胞蛋白更小，为了提高对蛋白聚集体的截留效果，直接将用于澄清过滤的深层过滤器在应用于含有蛋白聚集体的溶液过滤的过程中时，会不可避免的出现通量不高、载量过早饱和、流量衰减快、杂质掉落过多等问题。
因此，希望提供一种降低杂质脱附且各项性能均不低的可用于过滤蛋白聚集体的深层过滤器。
发明内容
针对现有技术存在的的问题，本发明的目的在于提供一种预过滤深层过滤纸板、制备方法、过滤系统和使用方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种预过滤深层过滤纸板，包括纤维和用于粘接纤维的粘结剂，所述深层过滤纸板包括用于接收待过滤料液的进料面以及用于排出透出液的出料面；
所述深层过滤纸板有如下IvIg蛋白吸附性能：由进料面向所述深层过滤纸板供给0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用所述深层过滤纸板捕捉IvIg蛋白，过滤100L/m2，测定滤出的IvIg蛋白溶液时，浓度降低5％～70％；
所述深层过滤纸板在厚度方向上的疏水性自进料面向出料面逐步递增；
所述深层过滤纸板在厚度方向的紧度自进料面向出料面逐步递增。
通过采用上述技术方案，IvIg蛋白在经过深层过滤纸板时，通过纸板中的疏水基团与IvIg蛋白上的疏水基团之间的非特异性疏水作用，使得IvIg蛋白被纸板截留。当然，纸板也会通过部分物理截留作用截留IvIg蛋白，但是由于纸板孔径与蛋白的直径之间相差量级较大，该部分作用可以忽略不计，因此纸板主要是通过疏水作用吸附IvIg蛋白。
本申请的深层过滤纸板经过0.5g/L的IvIg蛋白溶液过滤后，下游滤液的IvIg蛋白浓度降低5％～70％，可以间接显示出深层过滤纸板整体的疏水吸附能力。
抗体单体的疏水性很弱，而当抗体单体结合成聚集体后，疏水基团会相互聚集而导致聚集体的疏水性显著提高。因此，当满足上述条件的深层过滤纸板，用于除病毒前的预过滤时，抗体聚集体会与深层过滤纸板发生疏水相互作用而被截留吸附，抗体单体不会受到疏水作用的影响，从而将流体中的抗体聚集体去除，避免其对后续除病毒过滤的堵塞等不良影响。因为过滤的流体通常是水溶剂体系，因此疏水性过强的深层过滤纸板会阻碍流体的过滤，造成过滤流速的大量损失。而如果深层过滤纸板的疏水性过低，则一方面很容易达到截留饱和，载量变低；另一方面，可能无法较稳定地截留吸附住蛋白聚集体，相对较小的蛋白聚集体容易重新掉落而进入后续除病毒过程，造成对除病毒膜的堵塞等不良影响。
其次，深层过滤纸板的疏水性沿厚度方向自进料面向出料面梯度升高，使得深层过滤纸板靠近进料面一侧的区域仅用于提供对抗体聚集体的预过滤效果，而深层过滤纸板靠近出料面一侧的区域用于保证对抗体聚集体的完全过滤，使得深层过滤纸板可以兼顾较大的过滤速度、较优的抗体聚集体过滤效率、较大的抗体聚集体截留载量。
为了保证深层过滤纸板的强度，深层过滤纸板的紧度不应过低。而深层过滤纸板的紧度过高会导致其容易被各种杂质堵塞，从而使得其通量在较短的时间内发生较快的衰减。而本申请中深层过滤纸板的紧度也保持沿厚度方向自进料面向出料面梯度递增，由此可使得深层过滤纸板靠近进料面的一侧的区域对于物理拦截的杂质也能有较大的截留载量，提供预过滤效果，保证深层过滤纸板可以较长时间的维持较大的通量。
深层过滤纸板的紧度在厚度方向上呈梯度升高，可以使得深层过滤纸板在过滤的时候，紧度较高的下半层可以起到对上半层上脱落的杂质的吸附截留效果。紧度越高，纸板内部的流道更加弯折复杂，且孔隙更小，一方面紧度更高的纸板区域纤维之间更加紧密，相互之间的作用力更大，因此更不容易产生杂质脱落；另一方面，紧度更高的区域可以截留从紧度较低区域可能脱落下的杂质，避免其最终进入到过滤的流体内。
其次，紧度梯度升高可以使得该区域内的孔隙变小，孔隙率变高，那么当含有蛋白聚集体的溶液经过该区域时，疏水性纤维与溶液的接触面积更多，而且流速减慢，与疏水性纤维的接触时间变长，从而使得疏水性纤维接触并吸附蛋白聚集体的概率更大，可以更加充分地去除溶液中的蛋白聚集体。
本申请进一步设置为，将所述深层过滤纸板沿厚度方向自进料面向出料面的方向间隔等距水平分割为第一子过滤纸板、第二子过滤纸板和第三子过滤纸板，向第一子过滤纸板、第二子过滤纸板和第三子过滤纸板分别供给浓度为0.5g/L的IvIg蛋白溶液，过滤100L/m2，测定所述第一子过滤纸板、第二子过滤纸板和第三纸过滤纸板的下游滤液的IvIg蛋白浓度降低值K1、K2、K3，其中K1∶K2∶K3＝1∶1.05～2.5∶1.1～4。
通过采用上述技术方案，将深层过滤纸板沿厚度方向等分成三份后，分别制成过滤器后测试三者的IvIg蛋白吸附能力，可以间接得到三份子过滤纸板的疏水性能强弱。通过控制疏水性强弱在厚度方向上的变化程度，控制梯度变化率在一定范围内，以使得深层过滤纸板可以更好地兼顾流速和蛋白聚集体吸附截留效率。因为疏水性能在深层过滤纸板的厚度方向上梯度变化程度过大，会导致流体在深层过滤纸板内部流速很快受到较大的影响，对于深层过滤纸板靠近进料面一侧的区域的冲击过大，可能导致该区域内的纤维与硅藻土之间的结构发生变形等变化，导致深层过滤纸板的截留效果大大降低。其次，如果疏水性能在深层过滤纸板的厚度方向上梯度变化程度控制过小，那么深层过滤纸板整体的过滤流速提高不明显，过滤效率过低。
本申请进一步设置为，所述第一子过滤纸板IvIg蛋白浓度降低值K1＝10～30％，所述第二子过滤纸板IvIg蛋白浓度降低值K2＝15～45％，所述第三子过滤纸板IvIg蛋白浓度降低值K3＝20～60％。
通过采用上述技术方案，三份子过滤纸板的IvIg蛋白浓度降低值应满足上述范围，如果IvIg蛋白浓度降低值过低，则对于蛋白聚集体的整体截留效果不高，整体载量较低；如果IvIg蛋白浓度降低值过高，三块子过滤纸板之间的疏水性差别无法达到较优的范围，且处于出料面一侧的子过滤纸板的疏水能力基本不发挥作用，导致性能上的浪费。
本申请进一步设置为，所述自进料面三分之一厚度的紧度为t1，所述自进料面三分之一厚度到自出料面三分之一厚度的紧度为t2，所述自出料面三分之一厚度的紧度为t3，所述t1∶t2∶t3为1∶1.1～1.8∶1.2～3。
通过采用上述技术方案，将深层过滤纸板沿厚度方向等分成三份后，分别测试三份子过滤纸板的紧度强度。通过控制深层过滤纸板紧度大小在厚度方向上的变化程度，控制紧度的梯度变化率在一定范围内，以使得深层过滤纸板对于蛋白聚集体的截留能力更强，同时不会过多地影响深层过滤纸板的整体流速。
本申请进一步设置为，所述自进料面三分之一厚度的紧度为t1＝0.2～0.5g/cm3；所述自进料面三分之一厚度到自出料面三分之一厚度的紧度为t2＝0.25～0.55g/cm3；所述自出料面三分之一厚度的紧度为t3＝0.3～0.6g/cm3。
通过采用上述技术方案，紧度控制在上述具体的范围内时，深层过滤纸板过滤含有蛋白聚集体的溶液时，溶液经过不同紧度区域的时间更适合蛋白聚集体与该区域发生疏水相互作用，从而提高了深层过滤纸板对于蛋白聚集体的截留能力。
本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板内还包括有质量百分比为30～80％的助滤剂颗粒；所述助滤剂颗粒的含量在所述深层过滤纸板内厚度方向上逐步升高；且将所述深层过滤纸板自进料面向出料面等分成三等分，分别为上层、中层和下层，上层、中层和下层助滤剂的质量比为1∶1.3～2∶1.8～3。
通过采用上述技术方案，助滤剂的内部微孔丰富，比表面积大，可以在深层过滤纸板内形成无数错综交叉的微细孔道。在过滤时，液体穿过了助滤剂颗粒时，大颗粒的悬浮物就会被截留在靠近进料面一侧的助滤剂颗粒表面，而尺寸更小的杂质会进入到助滤剂颗粒内，在弯曲、错综的孔道中被截留。本申请中的深层过滤纸板用于病毒前预过滤时，蛋白单体(抗体)可以顺畅地通过助滤剂颗粒的孔隙，大尺寸的蛋白聚集体会被助滤剂的孔道截留。
而由于深层过滤纸板靠近出料面一侧的紧度较大，说明深层过滤层纸板靠近出料面一侧的区域内纤维之间排列更为紧密，当流体在深层过滤纸板内流经该区域时，流速衰减较快。如果增大压降以提高流速，则容易导致蛋白聚集体也容易发生穿透，导致截留效果变差。本申请通过控制助滤剂的含量在深层过滤纸板内厚度方向上逐步升高，以使得硅藻土颗粒在深层过滤纸板靠近出料面的一侧区域内含量更多，助滤剂可以使得流经该区域时流速可以得到明显提升。
其次，由于深层过滤纸板靠近出料面一侧的紧度更高，纤维之间排列更加紧密，导致蛋白聚集体与疏水性纤维之间的接触面积变少，该区域内疏水性纤维对蛋白聚集体的吸附效率较低。而助滤剂由于其多孔的结构特性，当助滤剂较多地分散在深层过滤纸板靠近出料面一侧的区域内时，助滤剂可以帮助增加疏水性纤维与蛋白聚集体的接触面积，从而提高疏水性纤维对于蛋白聚集体的吸附效率，较大程度低提高对蛋白聚集体的截留效果。
本申请进一步设置为，将所述深层过滤纸板自进料面向出料面等分成三等分，分别为上层、中层和下层；所述深层过滤纸板的上层中助滤剂的质量比例为B1，所述深层过滤纸板的中层中的助滤剂的质量比例为B2，所述深层过滤纸板的下层中的助滤剂的质量比例为B3，B1＜B2＜B3。
通过采用上述技术方案，由于深层过滤纸板的紧度在厚度方向上呈递增趋势，为了提高助滤剂与疏水性纤维之间的配合效果，深层过滤纸板的助滤剂占比也需要沿深层过滤纸板的厚度方向逐步增大，占比越大则硅藻土相对疏水性纤维的含量更多，那么在下层中助滤剂可以与疏水性纤维起到更充分的配合效果，提高下层中的疏水性纤维的疏水作用能力，从而提高深层过滤纸板整体疏水性的梯度程度，提高对于蛋白聚集体的吸附效果。同时，下层的流速也可以得到提高，不会由于紧度过高而导致流速明显降低的缺陷。
本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板的上层中助滤剂的质量比例B1＝10～60％；所述深层过滤纸板的中层中的助滤剂的质量比例B2＝20～70％；所述深层过滤纸板的下层中的助滤剂的质量比例B3＝30～80％。
通过采用上述技术方案，上半层的硅藻土含量以及下半层的硅藻土含量可以通过沿厚度方向将深层过滤纸板撕开成两等分，然后通过煅烧法将纸板中的纤维完全燃烧分解成气体，测量剩余的灰分即可得到硅藻土的含量。通过控制深层过滤纸板的上半层中硅藻土的质量比例在20～30％，深层过滤纸板的下半层中的硅藻土质量比例在40～60％时，深层过滤纸板中的纤维上以及纤维周侧含有的硅藻土颗粒在深层过滤纸板的厚度方向上呈递增的趋势，从而使得深层过滤纸板整体的通量得到保证，同时深层过滤纸板对于蛋白聚集体的吸附截留效果得到显著的提高。
本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板自进料面20％厚度区域内的助滤剂质量比小于50％，所述深层过滤纸板自进料面80％厚度区域内的助滤剂质量比大于50％。
通过采用上述技术方案，深层过滤纸板自进料面一定厚度的区域内的助滤剂质量比例小于50％，说明该区域内助滤剂占比小。而本申请的深层过滤纸板靠近进料面一侧的区域内疏水性以及紧度均较低，主要起到一定的预过滤以及避免过滤效率过低的作用。而助滤剂的占比也小于50％的区域如果低于20％的厚度时，层过滤纸板的预过滤和流速补偿效果不高。
本申请进一步设置为，所述纤维包括SEM平均直径为8～20μm的粗纤维，所述助滤剂的SEM平均粒径为1～80μm，所述助滤剂的SEM平均粒径与所述粗纤维的SEM平均直径之比为0.1～1。
本申请中纤维可以仅包括粗纤维，也可以由粗纤维和细纤维组成。纤维的SEM平均直径的测量方式可以通过使用扫描电子显微镜对纸板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。
在纸板的制备过程中，在垂直于纸板的厚度方向上，其各项特征如纤维直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纤维平均直径，来反映该平面上整体的纤维平均直径大小。在实际进行测量时，可以先用电子显微镜对纸板表面进行表征，获得相应的SEM图，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粗纤维的直径，然后进行计算，获得该表面的粗纤维平均直径；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。本申请中的粗纤维是指采用上述方法测量得到的直径大于1μm的纤维，粗纤维的SEM平均直径为所有粗纤维测量值之和的平均值。
通过采用上述技术方案，硅藻土SEM平均粒径粒径与纤维的SEM平均直径的比值越大，说明硅藻土颗粒在深层过滤纸板中的实际尺寸相较于纤维尺寸更大，那么在深层过滤纸板制备的过程中，硅藻土颗粒不易向下层迁移，容易导致硅藻土颗粒下层含量低于上层含量，使得通量会降低，蛋白吸附效率会降低。
本申请的深层过滤纸板制备过程中，采用了真空抽吸的步骤，天然纤维表面含有羟基，在真空抽吸过程中，天然纤维一方面会受到真空抽吸作用而向下迁移，另一方面天然纤维之间容易形成氢键，天然纤维更容易发生缠结，使得天然纤维不易向下迁移。
当真空抽吸的真空度相对较高时，天然纤维之间的氢键作用低于真空抽吸作用，因此下层天然纤维密度比上层高。那么硅藻土颗粒由于表面也含有羟基，因此与天然纤维之间也会形成氢键，再通过抽吸作用，会使得下层的硅藻土颗粒含量高于上层。
当真空度相对较低时，天然纤维之间的氢键作用大于真空抽吸作用，天然纤维不易向下迁移，下层天然纤维密度低于上层。其次，由于硅藻土颗粒表面含有大量的羟基，容易与天然纤维发生氢键结合，会阻碍硅藻土颗粒向下迁移；真空抽吸会帮助硅藻土颗粒向下迁移。那么在真空度较低的情况下，硅藻土与天然纤维之间的氢键作用强于真空抽吸作用，所以下层的硅藻土颗粒会变少或者占比会变少，导致下层的通量和蛋白聚集体吸附率减低。
因此，控制硅藻土颗粒粒径与纤维直径比之后，在较低的真空度和较多的天然纤维情况下，也能制备出下层硅藻土颗粒多的纸板。硅藻土颗粒与天然纤维的比值越小，阻力越大；比值越大，硅藻土本身的阻力也会较大。所以控制在该范围下才能满足。
控制纤维的SEM平均直径为8～20μm可以保证纸板的强度，因为纸板的骨架主要是由纤维构成的，纤维直径过大会导致纸板变得过脆，容易在组装纸板到过滤器中时，发生损伤或断裂；纤维的直径过小会导致纸板变软，容易弯折变形，并且会直接影响与硅藻土之间的配合紧密性，导致硅藻土颗粒在脱落等问题的发生。
控制硅藻土的SEM平均粒径为1～5μm，可以保证硅藻土与纤维之间配合更为紧密和均匀。如果硅藻土颗粒的粒径过小，硅藻土颗粒容易分散不均，造成团聚，使得深层过滤纸板的各处性能存在较大的差异，纸板容易发生各种不良的问题；而如果硅藻土颗粒的粒径过大，容易造成纤维之间的缠结不够紧密，导致纸板的湿强度降低。
本申请进一步设置为，所述助滤剂的D50粒径为1～50μm的助滤剂颗粒，所述助滤剂颗粒的渗透率为0.01～0.5darcy。
通过采用上述技术方案，控制硅藻土颗粒的孔径限定在20～600nm内，因为硅藻土颗粒的孔径过小会导致部分抗体分子在容易发生碰撞而附加生成聚集体，导致抗体收率在一定程度上降低。而硅藻土颗粒的孔径过大会导致硅藻土的比表面积降低，单位体积的硅藻土暴露与内部孔隙中的疏水性基团也会减少，蛋白聚集体的吸附效率会降低。
本申请进一步设置为，所述助滤剂选自硅藻土颗粒、二氧化硅、珍珠岩、活性炭中的一种或多种。
本申请进一步设置为，所述粘结剂为PE、PP、PET纤维或粉末。
本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板的进料面的表观接触角为40～120度，出料面的表观接触角为45～130度，且所述出料面的表观接触角大于所述进料面的表观接触角。
通过采用上述技术方案，深层过滤纸板的进料面疏水性低一点，有利于流体进入纸板；深层过滤纸板的出料面疏水性高一点，有利于提高聚集体的截留效率。
本申请进一步设置为，取所述深层过滤纸板制成有效过滤面积为1.3×10-3m2，厚度为bcm的过滤器，在室温下用超纯水源以600LMH的流速进行冲洗，当冲洗量达到1.4×10- 2L/cm3后，对过滤器以5ml/min速度恒定供给浓度为50ppm的皂黄染液，当透过液在418nm下的吸光度上升至0.05A时，皂黄染液透过量为b×(14～43)ml。
本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板的干耐破度为400～600kpa，湿耐破度为150～250kpa。
通过采用上述技术方案，深层过滤纸板干耐破度控制在400～600kpa，说明深层过滤纸板中纤维与硅藻土颗粒配合紧密，使得深层过滤纸板的整体的强度得到提高。而湿耐破度由于测试的过程中，纸板湿润后聚合物分子之间的滑动性会导致湿耐破度低于干耐破度。
一种预过滤深层过滤纸板的制备方法，包括以下步骤：
S1：打浆，选取纤维与水混合打浆，得到纤维浆料；所述纤维包括质量百分比为1～80wt％的疏水性纤维和20～99％的天然纤维；纤维浆料的打浆度控制在30～95°SR之间；
S2：混合，向纤维浆料中加入粘结剂，搅拌均匀，得到混合浆料；
S3：成型，将混合浆料铺在筛网上，并用真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品；控制真空抽吸的真空度为-40～-100kpa；
S4：烘干，将初成品进行定型烘干；烘干过程中保持深层过滤纸板出料面一侧的温度高于进料面一侧的温度；
S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。
通过采用上述技术方案，疏水性纤维的添加、在成型过程中对真空度的控制、以及烘干过程中的温度梯度控制等共同配合以制备得到紧度和疏水性在厚度方向上呈梯度分布的深层过滤纸板。
本申请进一步设置为，所述粘结剂为PE、PP、PET纤维或粉末。
本申请进一步设置为，所述疏水性纤维在制备深层过滤层纸板前先进行亲水预处理，所述亲水预处理包括采用亲水表面活性剂溶液对疏水性纤维进行浸泡处理。
本申请进一步设置为，所述亲水表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钙、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺、环氧乙烷中的一种或多种。
通过采用上技术方案，疏水纤维在水中分散容易发生相互之间的疏水作用而吸附团聚，但是当疏水性纤维在经过亲水处理后，疏水性纤维不易发生团聚，可以使得疏水性纤维分散更加均匀。
疏水性纤维一般合成纤维，而合成纤维表面相对光滑，大部分不能形成氢键，因此硅藻土颗粒与疏水性纤维之间不易形成附着。但是亲水处理后的疏水性纤维与硅藻土颗粒之间附着性得到改善，硅藻土颗粒也可以附着到合成纤维表面。因此，亲水处理后还可以提高硅藻土颗粒与合成纤维之间的附着或分布均匀性。
本申请进一步设置为，所述疏水性纤维选自聚丙烯腈纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维和疏水改性的天然纤维中的一种或多种。
本申请进一步设置为，所述步骤S4烘干过程中的温度控制在120～270℃，且所述深层过滤纸板进料面一侧的烘干温度低于出料面一侧的烘干温度，两侧温度差为3～20℃。
本申请进一步设置为，步骤S2中纤维浆料中还加入有助滤剂，所述助滤剂选自硅藻土颗粒、二氧化硅、珍珠岩、石墨粉、氧化镁、石膏、活性炭中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，控制步骤S4烘干过程中的进料面一侧的温度和出料面一侧的温度差范围，并结合真空抽吸过程中真空度的控制，可以控制深层过滤纸板内紧度以及疏水性在厚度方向上的分布情况。真空度高时，纤维和助滤剂会更容易往出料面一侧迁移，而烘干过程中上下温差的控制可以使得进料面和出料面两侧的亲水处理的疏水性纤维上的亲水表面活性剂分解或者挥发程度不同，从而控制深层过滤纸板厚度方向上的疏水性强度变化。而助滤剂会受到真空度和亲水表面活性剂的共同影响。因此，本申请可以制备出不同紧度梯度变化以及不同疏水性梯度变化的纸板。
一种应用上述预过滤深层过滤纸板的病毒过滤系统，包括有沿系统的过滤方向依次配合组装的深层过滤器和除病毒过滤器；所述深层过滤纸板作为深层过滤器的过滤介质。
本申请进一步设置为，所述深层过滤器和所述除病毒过滤器之间设置有一层尼龙膜，所述尼龙膜的孔径为0.1～0.4μm，厚度为100～300μm。
一种使用上述深层过滤纸板的方法，用于去除流体中蛋白聚集体和病毒，包括以下步骤：
A1：在室温下用超纯水源冲洗深层过滤纸板，冲洗量至少为100L/m2；
A2：通过至少一个步骤A1处理后的深层过滤纸板对含有蛋白聚集体和/或病毒的流体进行过滤；
A3：通过步骤A2的滤液再通过至少一个分子量截止为50～150kD的病毒过滤器；
在进行步骤A1前，流体中病毒的含量不超过0.1％。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、本申请的深层过滤纸板通过控制紧度和疏水性在厚度方向上都呈梯度变化，以兼顾对蛋白聚集体的较好的截留效果、截留效率、过滤速度以及较低的杂质脱落量等性能。
第二、本申请通过具体对深层过滤纸板中厚度方向上疏水性分布情况的设置以及助滤剂分布情况的设置，以达到进一步提高截留效果、截留效率、过滤速度以及较低的杂质脱落量等性能的效果。
附图说明
图1是实施例1～10以及对比例1～4的Vmax的柱状图；
图2是实施例11～26的Vmax的柱状图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
实施例1
一种深层过滤纸板的制备方法，包括以下步骤：
S1：打浆，由质量百分比为41wt％的疏水性纤维和59％的天然纤维混合的纤维与水混合打浆，得到纤维浆料；
其中，疏水性纤维为聚丙烯腈纤维；天然纤维为棉纤维；
疏水性纤维通过质量浓度为5％的十二烷基硫酸钠亲水表面活性剂水溶液浸泡作亲水处理；
其中，纤维浆料的打浆度控制在80°SR。
S2：混合，向纤维浆料中加入表氯醇粘结剂，搅拌均匀，得到混合浆料；
其中，纤维与表氯醇粘结剂的含量：纤维98％、表氯醇粘结剂2％。
S3：成型，将混合浆料铺在筛网上，并用真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品；
其中，真空抽吸的真空度为-55kpa；
S4：烘干，将初成品进行定型烘干；
控制进料面一侧的温度为130℃，出料面一侧的温度为133℃。
S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。
实施例1还公开了一种应用深层过滤纸板的病毒过滤系统，包括有沿系统的过滤方向依次配合组装的深层过滤器和除病毒过滤器；深层过滤器的过滤介质依次采用上述制备得到的过滤纸板。
实施例1还公开了一种使用深层过滤纸板去除流体中蛋白聚集体和病毒的方法，包括以下步骤：
A1：选取用超纯水源冲洗的深层过滤纸板100L/m2，再对含有蛋白聚集体和/或病毒的流体进行过滤；压强为30psi，温度为25℃。其中，流体中病毒的含量不超过0.1％。
A2：通过步骤A2过滤后的滤液再通过分子量截止为150kD的病毒过滤器。
实施例2～10以及对比例1～3与实施例1的区别在于疏水性纤维与天然纤维的比例以及工艺参数不同，如下表所示：
表1
Figure BDA0003998181650000121
Figure BDA0003998181650000131
对比例4为常规纤维素/硅藻土深层滤器Millistak X0HC。
其中，对比例2和对比例3中步骤S3中成型过程采用挤压成型，挤压的压力为10kpa。
其中，对比例1与实施例2中烘干过程保持温度进料一侧和出料一侧的温度一致。
分割测试：
将深层过滤纸板沿厚度方向等分切成三等分，自进料面向出料面依次分为上层、中层和下层；分别测试上层、中层和下层的紧度以及IvIg蛋白截留能力。
紧度按照下式进行计算：
Figure BDA0003998181650000132
其中，G为用电子精密天平等仪器测试样品的质量，d为用电动厚度测试仪测试样品的厚度，S为样品的截面积；
IvIg蛋白截留能力可按照下式进行计算：
Figure BDA0003998181650000133
其中，IvIg蛋白截留能力按照以下方法进行测试：
配制0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用夹具将夹持横截面面积为13cm2的圆片状纸板，自进料面一侧向纸板供给IvIg蛋白溶液，过滤速度为120LMH，过滤100L/m2后，测量滤液中的IvIg蛋白溶液浓度C。
表2
Figure BDA0003998181650000141
性能测试：
(1)接触角测试：将深层过滤纸板置于温度为(20±2℃)，相对湿度为(65±4)％的环境中30h后，用表观接触角测试仪测试深层过滤纸板的进料面和出料面的表观接触角，记录读数。
(2)蛋白聚集体截留性能测试：配制蛋白聚集体进料标准液：将IgG聚集体溶液(SeraCare 5％人类伽马球蛋白，采购自SeraCare,Inc.，CAT#HS-9000)、磷酸盐缓冲液(10g/L Difeo FA缓冲液，pH 7.2，来自Fisher Scientific,Cat#DF2314150)和EDTA(10mmol/L乙二胺四酸二钠钙盐，来自Sigma Aldrich，CAT#ED2SC)混合得到初始料液，将初始料液过PLCXK膜(PLCXK膜为纤维素超滤膜，标称分子量为1000kDaltons，可从马萨诸塞州贝德福德市的Millipore公司获得)去除90％的蛋白聚集体，得到浓度为原来的10％的蛋白聚集体进料液。
使用传统的常流病毒过滤器，没有任何聚合体去除步骤，使用马萨诸塞州贝德福德市的密理博公司提供的13.5cm2的
Figure BDA0003998181650000142
NFP病毒过滤器，在常流(NFF)过滤过程中选择性地去除蛋白质溶液的聚合体。
使用本申请中各个实施例和对比例中的深层过滤纸板装配成的有效过滤面积为4.5×10-4m2的深层过滤器，在常流(NFF)过滤过程中选择性地去除蛋白质溶液的聚合体。随后使用马萨诸塞州贝德福德市的密理博公司提供的13.5平方厘米的
Figure BDA0003998181650000151
NFP过滤器进行病毒清除步骤。
将测得病毒过滤器的截留量Vmax作为衡量深层过滤纸板去除蛋白聚集体的能力强弱，去除能力越强，Vmax越大。
(3)流速测试：将深层过滤纸板装配到过滤器中，得到4.5×10-4m2有效过滤面积的深层过滤器；在100kPa的恒压和20℃下用超纯水源过滤双层过滤器，测得各个实施例和对比例中的过滤速度。
实施例1～10以及对比例1～4的测试结果为：
表3
Figure BDA0003998181650000152
结论：结合表2和表3和图1的数据，通过实施例1～10与对比例1～4的Vmax可以看出，当本申请中制备得到的深层过滤纸板控制疏水性和紧度在深层过滤纸板的厚度方向上同时呈梯度升高时，对于蛋白聚集体的截留效果得到显著提高。其次，根据实施例6～10与其他实施例之间的对比，可以进一步地看出，当满足疏水性和紧度在深层过滤纸板的厚度方向上梯度升高的程度满足本申请公开的比例范围时，深层过滤纸板的蛋白聚集体截留效果得到进一步提高。根据实施例11、12、13可以看出，当K1∶K2∶K3＝1∶1.05～2.5∶1.1～4且t1∶t2∶t3为1∶1.3～2∶1.8～3时，深层过滤纸板对于蛋白聚集体的过滤效果更优。
其次，满足本申请疏水性和紧度在深层过滤纸板的厚度方向上梯度升高的程度时，深层过滤纸板的过滤速度也得到提高。
实施例14
一种预过滤深层过滤纸板的制备方法，包括以下步骤：
S1：打浆，由质量百分比为70wt％的疏水性纤维和30％的天然纤维混合的纤维与水混合打浆，得到纤维浆料；
其中，疏水性纤维为聚丙烯腈纤维；天然纤维为棉纤维；
疏水性纤维通过质量浓度为5％的十二烷基硫酸钠亲水表面活性剂水溶液浸泡作亲水处理；
其中，纤维浆料的打浆度控制在90°SR。
S2：混合，向纤维浆料中加入表氯醇粘结剂和硅藻土助滤剂，搅拌均匀，得到混合浆料；
其中，纤维与表氯醇粘结剂的含量：纤维45％、硅藻土助滤剂53％、表氯醇粘结剂2％；
硅藻土助滤剂的D50＝10μm，渗透率为0.35darcy。
S3：成型，将混合浆料铺在筛网上，并用真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品；
其中，真空抽吸的真空度为-50kpa；
S4：烘干，将初成品进行定型烘干；
控制进料面一侧的温度为130℃，出料面一侧的温度为135℃。
S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。
实施例14还公开了一种应用预过滤深层过滤纸板的病毒过滤系统，包括有沿系统的过滤方向依次配合组装的深层过滤器和除病毒过滤器；深层过滤器的过滤介质依次采用上述制备得到的过滤纸板。
实施例14还公开了一种使用预过滤深层过滤纸板去除流体中蛋白聚集体和病毒的方法，包括以下步骤：
A1：选取用超纯水源冲洗的深层过滤纸板100L/m2，再对含有蛋白聚集体和/或病毒的流体进行过滤；压强为30psi，温度为25℃。其中，流体中病毒的含量不超过0.1％。
A2：通过步骤A2过滤后的滤液再通过分子量截止为150kD的病毒过滤器。
实施例12～26与实施例11的区别在于，硅藻土助滤剂的添加量以及选用的参数不同。
表4
Figure BDA0003998181650000171
对实施例14～29进行紧度、助滤剂含量、IvIg蛋白截留能力测试，测试结果如下：
助滤剂含量按照以下方法进行测试：
将样品纸板置于575±25℃的马弗炉中灼烧至恒重(3h)，称量为m。
助滤剂比例按照下式进行计算：
Figure BDA0003998181650000172
其中，M为样品纸板的总重量。
表5
Figure BDA0003998181650000181
B20指将深层过滤纸板进料面至距离进料面20％厚度的纸板撕下来，进行灰分测试后的结果。B80指将深层过滤纸板进料面至距离进料面80％厚度的纸板撕下来，进行灰分测试后的结果。
表6
Figure BDA0003998181650000182
Figure BDA0003998181650000191
对实施例14～29进行蛋白聚集体截留性能测试和流速测试，测试结果如下：
表7
Figure BDA0003998181650000192
Figure BDA0003998181650000201
结论：通过表5、6、7和图2可以看出，本申请添加助滤剂后深层过滤纸板整体的过滤速度得到了提高。而通过表6和表7中实施例14～29的数据可知，助滤剂的添加以及粒径的选择与纤维的搭配会对深层过滤纸板的梯度结构造成较直接的影响。根据实施例14～20的数据可以看出，紧度的梯度结构和疏水性的梯度结构依旧对于深层过滤纸板截留吸附蛋白聚集体的效果起到较大的影响。其次，根据实施例21～29的数据可以看出，深层过滤纸板中的助滤剂在厚度方向上的梯度分布情况也会进一步对深层过滤纸板截留吸附蛋白聚集体的效果起到影响。
助滤剂一方面提高了深层过滤纸板的蓬松性，使得深层过滤纸板的紧度梯度更大；另一方面提高了蛋白聚集体和疏水性纤维之间的接触面积。因此，合适的助滤剂的选择以及配比是比较重要的，再通过制备工艺中真空度和抽真空时间的控制，使得深层过滤纸板厚度方向上的梯度结构达到对蛋白聚集体吸附起最优效果的比例。
当满足本申请中助滤剂含量在深层过滤纸板的厚度方向上梯度升高，助滤剂的质量占比也在深层过滤纸板的厚度方向上梯度升高时，蛋白聚集体被深层过滤纸板吸附的效果更好，测得的Vmax更高。
实施例30与实施例29的区别在于，粘结剂采用PE粉末，且烘干温度控制进料面一侧的温度为220℃，出料面一侧的温度为225℃；
实施例31与实施例29的区别在于，粘结剂采用PP粉末，且烘干温度控制进料面一侧的温度为160℃，出料面一侧的温度为165℃；
实施例32与实施例29的区别在于，粘结剂采用PET粉末，且烘干温度控制进料面一侧的温度为270℃，出料面一侧的温度为275℃；
对实施例28、29、30、31、32以及对比例1、2、3、4进行皂黄染液测试以及蛋白聚集体截留能力测试。
纸板带电量测试：将深层过滤纸板装配到过滤器壳体中，得到1.3×10-3cm2有效过滤面积的深层过滤器；用带负电的皂黄染料作为标准试剂，加水，配成50ppm浓度的溶液。以5ml/min速度恒定供给浓度为50ppm的皂黄染液，当透过液在430nm下的吸光度下降至0.05A时，测得此时透过的皂黄染液总体积。
表8
Figure BDA0003998181650000211
结论：通过上表可知，将粘结剂替换为更为纯净的PE、PP、PET粉末粘结剂时，深层过滤纸板整体的带电量明显下降，带电杂质的脱落也可降低到较低的程度，而整体的蛋白聚集体截留能力并未受到过多的影响。
实施例33与实施例26的区别在于，助滤剂采用二氧化硅；
实施例34与实施例26的区别在于，助滤剂采用珍珠岩；
实施例35与实施例26的区别在于，助滤剂采用石墨粉；
实施例36与实施例26的区别在于，助滤剂采用氧化镁；
实施例37与实施例26的区别在于，助滤剂采用石膏；
实施例38与实施例26的区别在于，助滤剂采用活性炭。
表11
Figure BDA0003998181650000212
结论：通过上表可知，硅藻土助滤剂相较于其他助滤剂而言，其对于蛋白聚集体也具有一定的吸附效果。因此，添加硅藻土助滤剂后的深层过滤纸板除了流速提高外，其蛋白聚集体的吸附能力也得到提高。
耐破度测试：用NPD-02全自动耐破度测定仪进行测试。
实施例1-38制得的纸板的干耐破度在400～600kpa之间，湿耐破度为在150～250kpa之间，可以满足实际的应用。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (26)

1.一种预过滤深层过滤纸板，包括纤维和用于粘接纤维的粘结剂，所述深层过滤纸板包括用于接收待过滤料液的进料面以及用于排出透出液的出料面，其特征在于，
所述深层过滤纸板有如下IvIg蛋白吸附性能：由进料面向所述深层过滤纸板供给0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用所述深层过滤纸板捕捉IvIg蛋白，过滤100L/m2，测定滤出的IvIg蛋白溶液时，浓度降低5％～70％；
所述深层过滤纸板在厚度方向上的疏水性自进料面向出料面逐步递增；
所述深层过滤纸板在厚度方向的紧度自进料面向出料面逐步递增。
2.根据权利要求1所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，将所述深层过滤纸板沿厚度方向自进料面向出料面的方向间隔等距水平分割为第一子过滤纸板、第二子过滤纸板和第三子过滤纸板，向第一子过滤纸板、第二子过滤纸板和第三子过滤纸板分别供给浓度为0.5g/L的IvIg蛋白溶液，过滤100L/m2，测定所述第一子过滤纸板、第二子过滤纸板和第三纸过滤纸板的下游滤液的IvIg蛋白浓度降低值K1、K2、K3，其中K1∶K2∶K3＝1∶1.05～2.5∶1.1～4。
3.根据权利要求2所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述第一子过滤纸板IvIg蛋白浓度降低值K1＝10～30％，所述第二子过滤纸板IvIg蛋白浓度降低值K2＝15～45％，所述第三子过滤纸板IvIg蛋白浓度降低值K3＝20～60％。
4.根据权利要求1所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述自进料面三分之一厚度的紧度为t1，所述自进料面三分之一厚度到自出料面三分之一厚度的紧度为t2，所述自出料面三分之一厚度的紧度为t3，所述t1∶t2∶t3为1∶1.3～2∶1.8～3。
5.根据权利要求4所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述自进料面三分之一厚度的紧度为t1＝0.2～0.5g/cm3；所述自进料面三分之一厚度到自出料面三分之一厚度的紧度为t2＝0.25～0.55g/cm3；所述自出料面三分之一厚度的紧度为t3＝0.3～0.6g/cm3。
6.根据权利要求1所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板内还包括有质量百分比为30～80％的助滤剂颗粒；所述助滤剂颗粒的含量在所述深层过滤纸板内厚度方向上逐步升高；且将所述深层过滤纸板自进料面向出料面等分成三等分，分别为上层、中层和下层，上层、中层和下层助滤剂的质量比为1∶1.3～2∶2～3。
7.根据权利要求6所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，将所述深层过滤纸板自进料面向出料面等分成三等分，分别为上层、中层和下层；所述深层过滤纸板的上层中助滤剂的质量比例为B1，所述深层过滤纸板的中层中的助滤剂的质量比例为B2，所述深层过滤纸板的下层中的助滤剂的质量比例为B3，B1＜B2＜B3。
8.根据权利要求7所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板的上层中助滤剂的质量比例B1＝10～60％；所述深层过滤纸板的中层中的助滤剂的质量比例B2＝20～70％；所述深层过滤纸板的下层中的助滤剂的质量比例B3＝30～80％。
9.根据权利要求7所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板自进料面20％厚度区域内的助滤剂质量比小于50％，所述深层过滤纸板自进料面80％厚度区域内的助滤剂质量比大于50％。
10.根据权利要求6所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述纤维包括SEM平均直径为8～100μm的粗纤维，所述助滤剂的SEM平均粒径为1～80μm，所述助滤剂的SEM平均粒径与所述粗纤维的SEM平均直径之比为0.1～1。
11.根据权利要求6所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述助滤剂的D50粒径为1～50μm的助滤剂颗粒，所述助滤剂颗粒的渗透率为0.01～0.5darcy。
12.根据权利要求6所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述助滤剂选自硅藻土颗粒、二氧化硅、珍珠岩、活性炭中的一种或多种。
13.根据权利要求1所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述粘结剂为PE、PP、PET纤维或粉末。
14.根据权利要求1所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板的进料面的表观接触角为40～120度，出料面的表观接触角为45～130度，且所述出料面的表观接触角大于所述进料面的表观接触角。
15.根据权利要求1所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，取所述深层过滤纸板制成有效过滤面积为1.3×10-3m2，厚度为bcm的过滤器，在室温下用超纯水源以600LMH的流速进行冲洗，当冲洗量达到1.4×10-2L/cm3后，对过滤器以5ml/min速度恒定供给浓度为50ppm的皂黄染液，当透过液在418nm下的吸光度上升至0.05A时，皂黄染液透过量为b×(14～43)ml。
16.根据权利要求1所述的一种预过滤深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板的干耐破度为400～600kpa，湿耐破度为150～250kpa。
17.一种根据权利要求1至16任一所述的预过滤深层过滤纸板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打浆，选取纤维与水混合打浆，得到纤维浆料；所述纤维包括质量百分比为1～80wt％的疏水性纤维和20～99％的天然纤维；纤维浆料的打浆度控制在30～95°SR之间；
S2：混合，向纤维浆料中加入粘结剂，搅拌均匀，得到混合浆料；
S3：成型，将混合浆料铺在筛网上，并用真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品；控制真空抽吸的真空度为-40～-100kpa；
S4：烘干，将初成品进行定型烘干；烘干过程中保持深层过滤纸板出料面一侧的温度高于进料面一侧的温度；
S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。
18.根据权利要求17所述的预过滤深层过滤纸板的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为PE、PP、PET纤维或粉末。
19.根据权利要求17所述的预过滤深层过滤纸板的制备方法，其特征在于，所述疏水性纤维在制备深层过滤层纸板前先进行亲水预处理，所述亲水预处理包括采用亲水表面活性剂溶液对疏水性纤维进行浸泡处理。
20.根据权利要求19所述的预过滤深层过滤纸板的制备方法，其特征在于，所述亲水表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钙、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺、环氧乙烷中的一种或多种。
21.根据权利要求19所述的预过滤深层过滤纸板的制备方法，其特征在于，所述疏水性纤维选自聚丙烯腈纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维和疏水改性的天然纤维中的一种或多种。
22.根据权利要求19所述的预过滤深层过滤纸板的制备方法，其特征在于，所述步骤S4烘干过程中的温度控制在120～280℃，且所述深层过滤纸板进料面一侧的烘干温度低于出料面一侧的烘干温度，两侧温度差为3～20℃。
23.根据权利要求17所述的预过滤深层过滤纸板的制备方法，其特征在于，步骤S2中纤维浆料中还加入有助滤剂，所述助滤剂选自硅藻土颗粒、二氧化硅、珍珠岩、石墨粉、氧化镁、石膏、活性炭中的一种或多种。
24.一种应用权利要求1～16任一所述预过滤深层过滤纸板的病毒过滤系统，其特征在于，包括有沿系统的过滤方向依次配合组装的深层过滤器和除病毒过滤器；所述深层过滤纸板作为深层过滤器的过滤介质。
25.根据权利要求24所述的一种应用所述预过滤深层过滤纸板的病毒过滤系统，其特征在于，所述深层过滤器和所述除病毒过滤器之间设置有一层尼龙膜，所述尼龙膜的孔径为0.1～0.4μm，厚度为100～300μm。
26.一种使用权利要求1～16任一所述预过滤深层过滤纸板的方法，其特征在于，用于去除流体中蛋白聚集体和病毒，包括以下步骤：
A1：在室温下用超纯水源冲洗深层过滤纸板，冲洗量至少为100L/m2；
A2：通过至少一个步骤A1处理后的深层过滤纸板对含有蛋白聚集体和/或病毒的流体进行过滤；
A3：通过步骤A2的滤液再通过至少一个分子量截止为50～150kD的病毒过滤器；
在进行步骤A1前，流体中病毒的含量不超过0.1％。
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