CN115569528A - 一种除病毒用不对称亲水pvdf滤膜及其制备工艺、膜过滤器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜及其制备工艺、膜过滤器。本申请的滤膜包含多孔主体，多孔主体内具有非定向曲折通路，多孔主体包括进液面和出液面，多孔主体以连续纤维过渡，多孔主体的SEM测量平均孔径由进液面向着出液面逐渐减小，多孔主体包括预过滤层以及用于截留直径20nm胶体金的分离层，分离层包括出液面，出液面的SEM测量平均孔径为60～160nm，分离层的厚度为15～45μm。本申请还公开了前述滤膜的制备工艺，进一步的，本申请还公开了膜过滤器，包括前述滤膜。该滤膜的分离层具有较大的孔径和厚度，通过较长的曲折通路确保对小尺寸病毒的高截留效果，平均孔径较大的分离层对于蛋白质吸附率大幅下降，从而获得较高的病毒截留效果和蛋白质收率。

Description

一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜及其制备工艺、膜过滤器

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用不对称亲水PVDF滤膜及其制备工艺、膜过滤器。

背景技术

膜分离技术是指以分离膜作为核心，通过外部压力、浓度差等作为推动力的分离技术，其能够将料液中的组分进行分离、浓缩、提纯等。相较于常规的分离技术，膜分离技术的分离效率高、分离过程无需外加试剂，并且能够分离常规分离技术无法分离的体系。更为重要的是，膜分离技术是一种纯物理、分离条件温和的分离技术，对于生物医药领域，这一特性使得分离过程不易引起料液中活性物质的变性，而这些活性物质的生产成本高昂，因此，膜分离技术特别契合生物医药领域的分离过程。

各类生物制剂的生产流程极为复杂，往往需要经过培养、纯化、洁净、钝化、提取、冷冻、冻干等工序，而在这些工序中难以避免引入各类病毒，一旦这些病毒随生物制剂被注射到患者体内，后果不堪设想。也正因此，不论是新版的《中国药典》，还是人用药品注册技术要求国际协调会(ICH)发布的Q5A《生物制品的病毒安全性评价》等相关文件中，都明确要求了生物制剂的病毒安全性。在进行药品申报时，也必须随附生物制剂的病毒安全性评估测试结果报告，以证明生物制剂的病毒安全性。生物制剂的除病毒必要性结合膜分离技术在滤除病毒时不易引起活性物质变性的特点，使得膜分离技术广泛应用于生物医药企业。

目前除病毒滤膜的常见制膜材料有纤维素、PES和PVDF等，PVDF(聚偏二氟乙烯)是一种半结晶聚合物，具有良好的机械性能、耐候性和化学稳定性，因而是目前主流超滤膜、微滤膜的成膜材料之一。相较于纤维素类滤膜，PVDF滤膜往往具有更好的机械性能，且纤维素类滤膜干燥后容易收缩的特性使得其必须在润湿状态下进行储存和运输，储运成本和繁琐度较高。相较于PES滤膜，PVDF滤膜往往具有更高的蛋白质收率，这是由于经过亲水改性后的PVDF材料相较于经过亲水改性后的PES滤膜具有更好的亲水性，对于蛋白质的吸附率更低，这对于生物制药企业而言是十分重要的优点。

如专利号为JP1984204911A的日本发明专利公开了一种再生纤维素膜，该再生纤维素膜(RC膜)对于艾滋病毒(约100nm)具有良好的清除能力，但是其对于更小尺寸的病毒，如乙肝病毒(约42nm)、nAnB型肝炎病毒(30～60nm)和鼠细小病毒(约20nm)等尺寸为20～100nm病毒的清除能力较差，已经无法满足当下严苛的病毒清除要求。此外，纤维素类滤膜繁琐的储运条件也限制了其发展和应用。

如申请公开号为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，主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膜通过大孔径的预过滤层过滤较大颗粒的物质，进一步以小孔径的分离层截留病毒，其具有良好的病毒截留能力，病毒的对数去除率能达到4以上。但是PES材质本身较差的亲水性决定了其蛋白质收率往往较低，而蛋白质的生产成本十分高昂，因此，低蛋白收率对于生物医药企业而言是难以接受的缺陷。

如授权公告号为CN105980037B的中国发明专利中公开了一种去除病毒的膜，其包括亲水化了的合成高分子，用于由含有蛋白质的溶液去除病毒，该去除病毒的膜具有：供给所述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，湿润状态的该去除病毒的膜的截面中，捕捉直径20nm的胶体金的部位是自所述第一侧处于所述膜厚的25％以上且85％以下的区域，捕捉直径15nm的胶体金的部位是自所述第一侧处于所述膜厚的60％以上且100％以下的区域，其不捕捉直径10nm的胶体金。该滤膜的孔径减小后恒定并且在第二侧附近具有最致密的层，以对直径20nm甚至15nm的胶体金产生良好的截留效果。然而，虽然该滤膜不捕捉10nm的胶体金，但是该滤膜对于10nm胶体金的对数去除率仍达到LRV为0.03～0.09(即10nm胶体金的收率为约81～93％，该专利图5的表中有所记载)，由于10nm胶体金主要用于表征滤膜对于蛋白质(igG蛋白，约10nm)的截留效果，10nm胶体金仅81～93％的收率意味着igG蛋白质的收率也较低。一般认为igG蛋白质的收率比10nm胶体金更低，这是由于，即使亲水改性后，PVDF仍具有一定疏水性，结合该滤膜存在的孔径较小的区域，会对蛋白质产生较强的吸附作用，导致蛋白质收率的下降。此外，该滤膜采用纯TIPS法制得，纯TIPS法的本征特性决定了该滤膜往往具有较低的孔隙率，对于高蛋白浓度的料液而言，较高的蛋白质截留率加上高蛋白浓度，很容易将滤膜堵塞，导致通量以及使用寿命的下降。

基于前述问题，获得一种对于小尺寸病毒具有较高病毒截留效果的同时具有较高的蛋白质收率的滤膜是目前亟待解决的问题。

发明内容

申请提供一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜及其制备工艺、膜过滤器，该滤膜的分离层具有较大的平均孔径和厚度，通过较长的曲折通路确保对小尺寸病毒的高截留效果，平均孔径较大的分离层对于蛋白质吸附率大幅下降，从而获得较高的病毒截留效果和较高的蛋白质收率。

本申请提供的一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜及其制备工艺、膜过滤器采用如下的技术方案：

第一方面，本申请提供一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，采用如下的技术方案：

一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，包含多孔主体，所述多孔主体内具有非定向曲折通路，所述多孔主体靠近供给料液的一侧为进液面，所述多孔主体远离供给料液的一侧为出液面，所述多孔主体在膜厚度方向上以连续纤维过渡，所述多孔主体的SEM测量平均孔径由所述进液面向着所述出液面逐渐减小，所述多孔主体包括预过滤层以及用于截留直径20nm胶体金的分离层，所述分离层包括所述出液面，所述出液面的SEM测量平均孔径为60～160nm，所述分离层的厚度为15～45μm。

优选的，所述滤膜的蛋白质收率不小于95％。更优选的，所述滤膜的蛋白质收率不小于98％。

通过采用上述技术方案，经过亲水改性的PVDF滤膜虽然亲水性优于商品化的亲水改性PES滤膜，但是仍不如纤维素类滤膜，因此，亲水PVDF滤膜往往仍会对蛋白质产生吸附，从而导致蛋白质收率的下降。并且，滤膜吸附蛋白质后，容易导致滤膜孔隙结构的堵塞，从而导致滤膜通量的快速降低。对于生物医药企业而言，蛋白质活性物质高昂的生产成本使得低蛋白质收率难以接受，通量的快速下降对于生产效率的影响同样是需要极力避免的。

在上述基础上，对于除病毒膜而言，为了降低病毒泄露风险，需要提高滤膜对于病毒的滤除能力，并且随着病毒风险把控要求的提高，滤膜对于小尺寸病毒的滤除能力变得尤为重要。然而，小尺寸病毒的尺寸和蛋白质的尺寸已经比较接近，如典型的细小病毒鼠细小病毒的直径约为20nm、典型的小尺寸病毒PP7噬菌体的直径约为27nm；而典型的蛋白质如igG(免疫球蛋白)的直径约为10nm。因此，若滤膜对于小尺寸病毒的滤除能力较高，往往也意味着其对于蛋白质的滤除能力也较高，导致蛋白质收率的下降；结合经过亲水改性后的PVDF仍具有一定疏水性，其对于蛋白质仍具有一定吸附作用，使得PVDF滤膜病毒滤除能力的提高往往需要以蛋白质收率的下降作为代价。

针对前述问题，本申请的发明人们意外发现，对于亲水PVDF滤膜而言，当滤膜为非对称结构(进液面SEM测量平均孔径最大、出液面SEM测量平均孔径最小)且SEM测量平均孔径最小的出液面孔径较大，为约60～160nm；滤膜分离层的厚度较大，为约15～45μm；滤膜不但具有较高的对于小尺寸病毒的截留效果，还能够获得较高的蛋白质收率。这与一般认知有所不同，一般认为，对于PVDF滤膜而言，为了高效截留20nm左右的小尺寸病毒，滤膜的孔隙结构孔径应该较小，至少具有最小孔的出液面处的孔径不应该大于40nm。若滤膜的出液面SEM平均孔径大于40nm，甚至达到较大的60～160nm(由于滤膜的孔径梯度变化，因此，分离层的孔径应当更大)，滤膜对于小尺寸病毒的截留效率往往较差，无法满足实际使用需求。即本申请中的滤膜具有一般认为对于PVDF滤膜而言难以同时获得的高病毒截留率和高蛋白质收率，是十分意外的结果。

这可能是由于，PVDF材料经过亲水处理后，虽然亲水效果较好(相较于亲水改性的PES材料更好)，但是其仍具有一定疏水性，因此，滤膜内部曲折通路的孔壁对于料液中蛋白质仍有一定的吸附能力(这一点从CN105980037B中的PVDF滤膜经过亲水改性后，蛋白质收率仍只有约81～93％可见)，从而使得蛋白质收率的提高变得十分困难。

一般来说，除病毒滤膜的实际孔径大于蛋白质的尺寸，因此，滤膜对于尺寸较小的蛋白质的孔径筛分作用并不明显，即使滤膜内部具有路径较长的曲折通路，其对于蛋白质的筛分截留仍较少。然而，如CN105980037B中的滤膜甚至能够截留15nm的胶体金，这一尺寸已经与蛋白质十分相近，为了获得对小尺寸病毒(胶体金)的高效截留，滤膜必须有SEM测量平均孔径较小的区域。虽然这些SEM测量平均孔径较小的区域孔径仍大于蛋白质的尺寸，但是这些小孔径区域更容易产生对蛋白质的大量吸附，导致蛋白质收率的下降。也就是说，对于亲水PVDF滤膜而言，滤膜孔径的降低虽然能够提高其对于病毒的截留效果，但是随着孔径的进一步降低，滤膜孔径较小的孔隙结构对于蛋白质的吸附可能快速提高，从而导致蛋白质收率的迅速下降。

而当滤膜SEM测量平均孔径最小的出液面也具有较大SEM测量平均孔径时(60～160nm)，滤膜内部孔隙结构的孔径较大，不但不易产生对蛋白质的筛分效果，且对于蛋白质的吸附里力也显著降低，而滤膜对于蛋白质的吸附力很可能比如大于一定阈值，才能将蛋白质吸附到孔壁上，因此，出液面SEM测量平均孔径增大导致的吸附力降低，将使得蛋白质收率的显著提高，达到95％甚至98％以上，这对于目前常见的PVDF滤膜是巨大的提升。

需要注意的是，对于本就具有一定蛋白质吸附率的亲水PVDF滤膜而言，由于滤膜对于蛋白质的吸附必然存在，因此，蛋白质收率的提高越接近100％，难度越大，其难度并非是线性提高的。例如，蛋白质收率从80％提升至90％的难度相对较低，而从90％提升至95％难度急剧提高，从95％提升至98％的难度进一步提高，当蛋白质收率已经达到98％以上时，想要进一步提高难度将倍增。

在具有高蛋白质收率的基础上，通过提高具有病毒截留能力的分离层的厚度，延长分离层内曲折通路的路径，多层尺寸较大的孔隙结构在膜厚度上不断层叠，层叠的孔隙结构不重合的部分尺寸远小于SEM测量平均孔径(下层的实体部分会对上层的孔洞结构形成阻挡，以阻止料液以及料液中各类颗粒物质的通过，因此，能够供病毒通过的有效通路的尺寸往往小于滤膜孔洞的实际尺寸)。由于层叠的孔隙结构形成的供料液通过有效通路远小于SEM测量平均孔径，因此，通过提高分离层的厚度配合适当提高分离层的孔径，进一步提高层叠的孔隙结构的路径，确保层叠后的孔隙结构对于蛋白质的截留率低，而对于尺寸稍大的病毒的截留率高，这一效果是层叠后有效通路的孔径和层叠后路径长度提高同时作用而得到的，以同时获得高蛋白质收率和高病毒截留率。这与一般认为的大孔径亲水PVDF滤膜无法截留小尺寸病毒并不相同，是十分意外的结果。

当然，出液面的SEM测量平均孔径并非越大越好，随着出液面SEM测量平均孔径的提高，一方面，滤膜整体的SEM测量平均孔径也提高，即使曲折通路的路径延长，多层孔隙结构在膜厚度上不断叠加，但是过大的SEM测量平均孔径仍难以确保层叠后的有效通路尺寸小到能够截留小尺寸病毒，对于小尺寸病毒的滤除效果无法保证；而SEM测量平均孔径的进一步提高对于蛋白质所受吸附力的影响存在边际递减效应，因此SEM测量平均孔径的进一步提高对于蛋白质的收率提高并无明显作用；另一方面，随着滤膜SEM测量平均孔径的提高，滤膜的机械强度很可能会下降，在使用时一旦受到过滤料液较大的压力，可能会因为受压形变，导致滤膜内部孔隙结构的形变，甚至可能导致滤膜的堵塞或者破裂。因此，对于特定的亲水PVDF滤膜而言，在综合考虑蛋白质收率和对于小尺寸病毒的截留效果的基础上，滤膜出液面的SEM测量平均孔径最好为60～160nm，这与常见的为了得到高病毒截留率，控制滤膜出液面的SEM测量平均孔径小于40nm是完全不同的技术路线，也是十分意外的结果。

本申请中对于分离层的定义为能够截留20nm胶体金的区域，能够截留20nm胶体金是指，以制得的滤膜对20nm胶体金进行截留，并对20nm胶体金在膜厚度方向上的分布进行测定，分布结果测定可以根据中国专利CN105980038B-去除病毒的膜中的测试方法进行：对截留胶体金后的滤膜进行切片，对切片的界面中被胶体金染色部分的多个位点的亮度分布进行测定；胶体金不透光，因此，亮度的位移值能够用于表征胶体金的捕捉量。需要说明的是，根据需要可以由亮度分布去除本底噪声。然后制成横轴具有膜厚、纵轴具有亮度的位移的图；从而得到20nm胶体金在膜厚度方向上被截留的区域，示意图详见图6。此外，通过观察进行20nm胶体金截留实验后滤膜膜厚截面的SEM图，同样能够看到滤膜的分离层区域被20nm胶体金明显堵塞，从而导致孔隙结构的消失，示意图详见图7。

由于种种原因(如吸附和盲孔截留等)，即使是预过滤层等区域，也很可能残留有极少量的胶体金，但是该区域并不能认为对20nm胶体金产生了有效的截留。因此，在本申请中，在测定膜厚度方向上亮度的位移值时，以亮度常数255与所测定的亮度分布之差，得到亮度位移光谱，该光谱中最大偏移峰即为20nm胶体金的截留量最大处，与光谱最大偏移峰之比小于10％的区域，认为仅是胶体金的少量残留或误差，并不认为是实际截留20nm胶体金的区域。

也即是说，在沿膜厚度方向上，虽然存在某些截留有少量20nm胶体金的区域，但是这些区域截留的20nm胶体金量极少，不认为是真正截留20nm胶体金的区域，仅是误差或少量残留；因此，滤膜中分离层应当是在膜厚方向上连续的、大量的捕捉20nm胶体金的区域。

可以理解的是，本申请中所谓“非定向曲折通路”，是指在多孔主体内具有无规则取向的沟槽结构和/或离散分布的孔洞结构，且这些非定向曲折通路是相互贯通的，从而使料液能够通过相互贯通的通路而穿透滤膜，料液中的病毒及大颗粒物质等，被截留于滤膜的进液面或多孔主体内部的非定向曲折通路内，从而起到滤除病毒的效果。

本申请中所谓“连续纤维过渡”是指，多孔主体在膜厚度方向上的所有纤维是一体形成，所有纤维呈整体的相互连接，并不需要使用额外的胶粘剂等物质将各纤维进行粘接，除非通过外力撕裂剥离，否则三维网络状的纤维之间不会发生相互分离。与此同时，连续过渡的三维网络状纤维与第一外表面、第二外表面也是相互连接的。

本申请中的孔径、层结构的厚度、纤维直径等参数，是指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)或手工进行测量后计算平均值，在进行测量时对于尺寸明显偏小或明显偏大的部分均不纳入考虑。需要补充的是，孔隙率的测量方法也可以通过计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)来计算获得，或者，通过重量法对膜的孔隙率进行测量。在SEM测量平均孔径的测试方面，除了能够通过对SEM图进行测量分析，还可以通过SEM测量平均孔径分布仪直接分析各层SEM测量平均孔径，也可以通过泡压法测试SEM测量平均孔径等。以上对于各参数测量方法仅为举例，可以理解的是，本领域技术人员还可以通过其他测量手段获得上述参数。

可选的，所述分离层包括分离纤维，所述分离纤维相互连接形成所述分离层的三维网络结构，所述分离纤维的SEM测量平均直径为30～50nm；所述预过滤层包括支撑纤维，所述支撑纤维相互连接形成所述预过滤层的三维网络结构，所述支撑纤维的SEM测量平均直径为30～55nm。

通过采用上述技术方案，由于本申请中出液面的SEM测量平均孔径较大，相应的，分离层以及预过滤层的SEM测量平均孔径也较大。对于分离层而言，若分离纤维的SEM测量平均直径过小，将很可能导致分离层的自支撑性能不足，在受到外压时孔隙结构坍缩，而一旦分离层的孔隙结构坍缩，很可能导致分离层丧失病毒截留能力(不论是分离层挤压堵塞还是破裂，都会丧失病毒截留能力)。

此外，滤膜中对蛋白质和病毒起主要截留作用的是分离层，而分离层中对蛋白质起主要吸附作用的是其实体部分。分离层中实体部分的分离纤维相互交叉、连接，从而形成带有孔隙结构的三维网络结构，分离纤维则是分离层中孔隙结构的孔壁。当分离层的孔隙结构未发生形变时，分离纤维之间的距离较远，形成的孔隙结构孔径较大，也就不易达到对蛋白质吸附的阈值，以降低分离层对蛋白质的吸附，提高蛋白质收率。而一旦分离层的孔隙结构发生坍缩，分离纤维之间的距离大幅缩短，形成孔径较小的孔隙结构，即使分离层仍具有良好的病毒截留效果，其蛋白质收率也会大幅下降。

若分离纤维的SEM测量平均直径过大，虽然分离层的孔隙结构能够得到更好的支撑，但是料液流经滤膜时候，主要受到实体部分的阻力，分离纤维过大的SEM测量平均直径将很可能导致料液受到的阻力过大，从而使得滤膜的通量下降。因此，分离纤维的SEM测量平均直径不宜过大也不宜过小。

相较于分离层，预过滤层由于具有更大的SEM测量平均孔径，对于病毒和蛋白质的截留率都更低；但是预过滤层更大尺寸的孔隙结构也往往意味着预过滤层的机械性能更差，预过滤层作为滤膜直接接触料液的区域，很容易受压形变。一旦预过滤层因为受压发生形变，很可能导致预过滤层孔隙结构的坍缩，从而导致滤膜通量、载量的下降；由于孔隙结构坍缩后，支撑纤维之间的距离变小，形成对蛋白质更显著的截留和吸附，并且吸附力达到对蛋白质吸附的阈值，将导致滤膜蛋白质收率的下降，因此，支撑纤维的SEM测量平均直径不宜过小，从而对预过滤层的孔隙结构更良好的支撑。但是支撑纤维的SEM测量平均直径也不宜过大，这是由于，支撑纤维的SEM测量平均直径过大往往意味着预过滤层对于料液阻力的增大，导致通量的下降；此外，支撑纤维的SEM测量平均直径意味着预过滤层实体部分的占比较高，用于截留、容纳大颗粒物质的孔隙结构占比自然降低，由于本申请中的滤膜具有厚度较大的分离层，一旦大颗粒物质从预过滤层泄露，将很可能被分离层筛分截留或被路径较长的曲折通路截留，从而导致分离层的堵塞，导致滤膜通量的快速下降、载量降低。因此，支撑纤维的SEM测量平均直径同样不宜过大也不宜过小。

可选的，支撑纤维的SEM测量平均直径与分离纤维的SEM测量平均直径之比为0.8～1.5。

通过采用上述技术方案，一般认为，滤膜的孔隙结构尺寸和组成滤膜的纤维结构的尺寸存在正相关关系，因此，SEM测量平均孔径更大的预过滤层应当具有尺寸更大的纤维结构，而SEM测量平均孔径更小的分离层应当具有尺寸更小的纤维结构，即与滤膜的孔径不对称近似，滤膜的纤维直径也应当是不对称分布的。然而，本申请的发明人们意外发现，本申请中的滤膜在膜厚度方向上有大致相同的纤维尺寸，纤维尺寸的差异很小，即预过滤层支撑纤维的SEM测量平均直径与分离层分离纤维的SEM测量平均直径大致相同，并未呈现明显的不对称结构。而这可能是滤膜具有高蛋白质收率的原因之一，相较于一般滤膜的纤维尺寸从预过滤层到分离层逐渐减小，形成较为明显的非对称结构；本申请中的滤膜的纤维尺寸从预过滤层到分离层并无明显变化，因此，本申请中分离层具有尺寸更大的纤维结构。

由于纤维越细，比表面积越大，对于蛋白质的吸附率就越高，因此，本申请由SEM测量平均直径较大的分离纤维组成的分离层具有更低的蛋白质吸附率，从而使滤膜的蛋白质收率进一步提高。此外，本申请中特定的大厚度、大孔径的分离层结构对于分离层的自支撑性能提出了更高的要求，SEM测量平均直径更大的分离纤维能够形成骨架更为粗壮、自支撑能力更强的三维网络结构，从而提高分离层乃至滤膜的机械强度，进一步提高滤膜的耐压性能。

可选的，所述分离纤维的SEM测量平均长度为80～150nm，所述支撑纤维的SEM测量平均长度为120～180nm。

通过采用上述技术方案，由于分离层的孔隙结构主要由分离纤维形成，分离纤维的SEM测量平均长度一定程度上能够表征分离层的孔隙结构尺寸；同样的，预过滤层的孔隙结构主要由支撑纤维形成，支撑纤维的SEM测量平均长度也能够一定程度上表征预过滤层的孔隙结构尺寸。因此，分离纤维的SEM测量平均长度和支撑纤维的SEM测量平均长度都能够一定程度上表征滤膜的孔隙结构。

此外，需要注意的是，由于分离纤维和支撑纤维的SEM测量平均直径相差较小，分离纤维和支撑纤维的SEM测量平均长度也相差不大，因此，分离纤维的长径比和支撑纤维的长径比差异并不大，这意味着滤膜在膜厚度方向上的自支撑性能变化较小，滤膜厚度方向上各处并无明显的力学性能薄弱处，滤膜在受到外压时不易因为薄弱处而发生形变，以获得更高的耐压性，不论是分离纤维还是支撑纤维，都不易因为受压而压缩靠近，导致孔隙结构坍缩，降低因为孔隙结构坍缩导致对于蛋白质吸附力提高的可能，以获得更高的蛋白质收率。

可选的，所述分离层的SEM测量平均孔径与所述分离纤维的SEM测量平均直径之比为2～7；所述预过滤层的SEM测量平均孔径与所述支撑纤维的SEM测量平均直径之比为3.5～8。

优选的，所述分离层的SEM测量平均孔径与所述分离纤维的SEM测量平均直径之比为3～5；所述预过滤层的SEM测量平均孔径与所述支撑纤维的SEM测量平均直径之比为4.5～6.5。

通过采用上述技术方案，不论是分离层还是预过滤层，由于SEM测量平均孔径较大，而除病毒滤膜在使用时，受到料液较大的压力(30psi甚至是50psi)，因此，分离层和预过滤层都需要更强的支撑力，以确保孔隙结构在受到较大压力时的尺寸稳定性。由于纤维结构对孔隙结构起主要支撑作用，孔隙结构的尺寸与组成孔隙结构的纤维尺寸之比，很大程度上表征了孔隙结构的耐压性能。这是由于，尺寸越大的孔隙结构往往需要更大的支撑力，而更大的支撑力往往需要更粗的纤维结构，因此，尺寸越大的孔隙结构往往需要越粗的纤维结构。

对于分离层而言，若分离层的SEM测量平均孔径与分离纤维的SEM测量平均直径之比过高，往往导致分离层的孔隙结构不能获得良好的支撑，容易受压形变，由于影响病毒截留效果和蛋白质收率的主要是分离层，若分离层的孔隙结构耐压性能不足，很容易导致滤膜病毒截留效果和蛋白质收率的下降。若分离层的SEM测量平均孔径与分离纤维的SEM测量平均直径之比过低，说明分离层的实体部分占比过高，料液在分离层内流动时，受到实体部分较大的阻力，很容易导致通量的较大幅下降，影响过滤效率。

对于预过滤层而言，若预过滤层的SEM测量平均孔径与支撑纤维的SEM测量平均直径之比过高，往往导致预过滤层的孔隙结构不能获得良好的支撑，预过滤层的孔隙结构一旦发生坍缩，将丧失对料液中大颗粒物质的截留能力，滤膜很容易发生堵塞。若预过滤层的SEM测量平均孔径与支撑纤维的SEM测量平均直径之比过低，同样说明预过滤层的实体部分占比过高，从而导致预过滤层的载量不足，无法很好的截留并容纳料液中的大颗粒物质，导致通量的下降。

可选的，所述分离层的SEM测量平均孔径与所述分离纤维的SEM测量平均长度之比为1.1～1.4；所述预过滤层的SEM测量平均孔径与所述支撑纤维的SEM测量平均长度之比为1.2～1.7。

通过采用上述技术方案，由于孔隙结构主要由纤维结构围绕形成，对于孔隙结构而言，组成孔的纤维数量越多，纤维的长度就越短(可以认为孔的外边缘为多边形结构，当孔的尺寸保持不变的前提下，组成孔的多边形边越多，边的长度就越短)，孔隙结构的尺寸与纤维长度之比就越大，相应的，孔隙结构就越接近圆形，由于流体在圆形通道中受到的阻力较小，滤膜往往具有更大的通量；此外，对于面积相同的孔而言，圆形的周长小于多边形的周长，因此，孔隙结构越接近圆形，料液与孔壁的接触就越少，蛋白质吸附率就越低，滤膜的蛋白质收率就越高。因此，不论是分离层还是预过滤层，孔隙结构的孔径与纤维长度之比都不宜过低，以获得更高的通量和蛋白质收率。

但是，不论是分离层还是预过滤层，孔隙结构的孔径与纤维长度之比同样不宜过高，这可能是由于，若孔隙结构的孔径与纤维长度之比过高，说明组成孔洞的纤维数量较多，虽然孔隙结构更接近圆形，但是实体部分的纤维占比也往往提高，料液在流经滤膜时，虽然更接近圆形的孔洞对于料液的阻力降低，但是料液受到实体部分纤维结构较大的阻力，反而会导致通量的下降。因此，不论是分离层还是预过滤层，孔隙结构的孔径与纤维长度之比都需要控制在一定合理范围内，对于分离层而言，这一比值为约1.1～1.4，对于预过滤层而言，这一比值为约1.2～1.7。

可选的，所述进液面的SEM测量平均孔径为200～500nm，所述进液面的SEM测量平均孔径与所述出液面的SEM测量平均孔径之比为1.2～6，所述多孔主体的比表面积为6～12m²/g。

通过采用上述技术方案，滤膜进液面的SEM测量平均孔径和出液面的SEM测量平均孔径之比很大程度上表征了滤膜在膜厚度方向上的不对称程度，对于本申请特定的具有大厚度、大孔径分离层的滤膜而言，滤膜在膜厚度上的不对称程度对于滤膜的性能影响较大。若滤膜的不对称程度过高(如进液面的SEM测量平均孔径和出液面的SEM测量平均孔径之比大于5)，说明滤膜靠近出液面一侧的孔隙结构尺寸过大；一方面，在滤膜出液面的SEM测量平均孔径较大的基础上，很可能无法保证滤膜对小尺寸病毒的截留效果；另一方面滤膜整体的孔隙结构尺寸较大，很可能在受到较大外力时发生结构的坍缩，导致滤膜病毒截留效果和蛋白质收率的下降。若滤膜的不对称程度过低(如进液面的SEM测量平均孔径和出液面的SEM测量平均孔径之比小于1.5)，说明滤膜的预过滤层的孔隙结构尺寸较小，很可能无法确保对大颗粒物质的截留和容纳，导致滤膜的堵塞和通量的下降。因此，滤膜进液面和出液面的SEM测量平均孔径之比必须严格控制在1.2～6之间，通过较小梯度、大孔径、大厚度的分离层形成对病毒的有效截留，降低对蛋白质的吸附，从而获得高病毒截留效率和高蛋白质收率的滤膜。

除此之外，由于对蛋白质起主要吸附作用的是孔隙结构的孔壁，滤膜的比表面积能够很大程度上表征滤膜孔壁的多少。若滤膜的比表面积过大，滤膜对于蛋白质的附着力提高，导致蛋白质收率的下降；控制滤膜的比表面积在相对较小的范围内能够确保滤膜具有较高的蛋白质收率，且由于低比表面积的滤膜对于蛋白质的吸附较低，不易被堵塞，因此通量衰减较慢，能够长时间保持较高的通量。

需要注意的是，本申请中的比表面积通过BET比表面积测试法测得。

可选的，所述分离层的SEM测量平均孔径变化梯度不大于8nm/μm，所述分离层的SEM测量平均孔径为100～200nm。

通过采用上述技术方案，滤膜的出液面SEM测量平均孔径较大、结合滤膜进液面和出液面的SEM测量平均孔径之比较小，从一定程度上体现了滤膜整体的对称性较高。

而分离层的SEM测量平均孔径变化梯度以及其SEM测量平均孔径能够表征分离层的孔径大小和孔径变化趋势，由于分离层的厚度较大(15～45μm)，分离层孔隙结构在膜厚度方向上有较长路径的层叠结构，在此基础上，若分离层的SEM测量平均孔径过大，小尺寸病毒仍容易从层叠的孔隙结构中穿透，导致滤膜的病毒截留效果无法达到使用需求；若分离层的SEM测量平均孔径过小，虽然能够实现对小尺寸病毒的良好截留，但是蛋白质与小尺寸病毒本就尺寸差异不大，分离层层叠的、长路径的、小孔径的孔隙结构，很容易形成对蛋白质的过量截留，导致蛋白质的收率下降。因此，结合分离层15～45μm的厚度，其SEM测量平均孔径为100～200nm时，能够确保滤膜同时获得较高的病毒截留率和蛋白质收率。

此外，分离层的SEM测量平均孔径较大，在此基础上，分离层的整体SEM测量平均孔径变化梯度较小，为不大于8nm/μm，这说明分离层的膜厚度方向上不存在孔径的突变区，而孔径突变区由于具有密集的、快速变化的层叠孔隙结构，会对病毒和蛋白质等粒径不同的颗粒产生广泛的截留，从而导致通量的下降和蛋白质收率的下降，因此，SEM测量平均孔径变化梯度较小且SEM测量平均孔径较大的分离层在膜厚方向上几乎不存在对蛋白质的高吸附区，以确保滤膜具有高蛋白质收率。

可以理解的是，SEM测量平均孔径变化梯度＝(第一多孔表面SEM测量平均孔径-第二多孔表面SEM测量平均孔径)/厚度，其值越大，说明孔径变化越快，其值越小，说明孔径变化越小。

可选的，所述分离层靠近进液面一侧视为0％，所述出液面视为100％，所述分离层沿膜厚方向十等分，其中，所述分离层膜厚位置为0～10％的区域的SEM测量平均孔径与所述分离层膜厚位置为40～50％的区域的SEM测量平均孔径之比为K1，K1不大于2.2。

通过采用上述技术方案，分离层的孔隙结构对于滤膜的整体性能影响较大，若分离层的孔隙结构存在孔径的快速变化区域，不论孔径的快速变化区域位于分离层的上方还是下方，都可能会导致滤膜通量和蛋白质收率的较大幅下降。因此，虽然分离层整体的SEM测量平均孔径变化梯度较小，但是若分离层膜厚度方向上存在孔径的快速变化区域和慢速变化区域，虽然两者结合仍具有较小的SEM测量平均孔径变化梯度，但是滤膜的通量和蛋白质收率都可能产生较大幅的下降。

分离层膜厚位置0～10％的区域认为是分离层上方10％的膜厚区域，而分离层膜厚位置40～50％的区域认为是分离层中间50％的膜厚区域，两者的SEM测量平均孔径之比K1能够表征分离层上方和中间的SEM平均孔径变化趋势。由于K1不大于2.2，意味着分离层的上半部分的孔径变化速度较慢，不存在孔径的快速变化区域，以确保分离层的上半部分不存在对于料液的高阻滞区域、对于蛋白质的高吸附区域。结合分离层整体较小的SEM平均孔径变化梯度，能够大大降低分离层因为孔径的快速变化区域导致滤膜通量和蛋白质收率下降的可能。

可以理解的是，对于滤膜而言，靠近进液面一侧的认为是“上方”，而靠近出液面一侧的认为是“下方”，即料液流动方向的上游为“上方”，而料液流动方向的下游为“下方”。

可选的，所述分离层膜厚位置为40～50％的区域的SEM测量平均孔径与所述出液面的SEM测量平均孔径之比为K2，K2不大于1.5。

通过采用上述技术方案，同样的，分离层膜厚位置40～50％的区域认为是分离层上方50％的膜厚区域，出液面认为是分离层中间100％的膜厚区域，两者的SEM测量平均孔径之比K2能够表征分离层中间和底部的SEM平均孔径变化趋势。由于K2不大于1.5，意味着分离层下半部分的孔径变化速度较慢，不存在孔径的快速变化区域，其月报分离层的下半部分不存在对于料液的高阻滞区域、对于蛋白质的高吸附区域。结合分离层整体较小的SEM平均孔径变化梯度、分离层上半部分较慢的孔径变化速度，能够大大降低分离层的各个区域存在孔径的快速变化区域而导致滤膜通量和蛋白质收率下降的可能。

可选的，所述K1大于K2，所述K1与所述K2之比为1.05～1.6。

通过采用上述技术方案，K1大于K2且两者之比为1.05～1.6，说明分离层的SEM测量平均孔径变化速度先快后慢，但是整体相差并不大，结合分离层的整体SEM测量平均孔径变化梯度较小，说明分离层整体的对称性较高，仅有小梯度的不对称。

另外，由于分离层的SEM测量平均孔径先以相对较快的速度变小，层叠的孔隙结构形成的有效通路的尺寸以较快的速度变小，能够形成对小尺寸病毒较好的截留作用，确保滤膜具有较高的病毒截留率，且由于此时层叠的孔隙结构形成的有效通路的尺寸仍然较大，更小尺寸的蛋白质仍然能够顺畅的通过；随着分离层SEM测量平均孔径的逐渐减小，层叠的孔隙结构形成的有效通路的尺寸也逐渐减小，而一旦层叠的孔隙结构形成的有效通路的尺寸过小，不但将形成对病毒的截留，还很可能产生对蛋白质的截留，导致蛋白质收率的下降。而分离层下半部分较慢的孔径变化速度意味着分离层下半部分的对称度进一步提高，层叠的孔隙结构形成的有效通路的尺寸变化较小，以在确保能够形成对病毒良好截留的基础上，降低对蛋白质的截留。以使滤膜具有良好的蛋白质收率和较高的病毒截留率。

可选的，所述预过滤层包括所述进液面，所述预过滤层的厚度为1～15μm，所述预过滤层的SEM测量平均孔径为150～300nm，所述预过滤层的SEM测量平均孔径变化梯度为5～20nm/μm。

通过采用上述技术方案，本申请中滤膜的预过滤层厚度相对较小(相较于厚度较大的分离层)，且预过滤层的SEM测量平均孔径与分离层的SEM测量平均孔径相差并不大。这是由于，本申请中的分离层厚度较大，料液在流经路径较长的分离层的孔隙结构时，受到分离层中实体部分较大的阻力，导致通量的下降；若预过滤层的厚度过大，将使料液的流动路径进一步延长，受到的阻力也就更大，通量将可能产生较大的下降，因此，为了使滤膜具有较高的通量，在分离层的厚度较大的基础上，预过滤层的厚度应当适当降低。

在此基础上，需要确保预过滤层对于大颗粒物质的有效截留，以降低滤膜堵塞的可能。而分离层靠近预过滤层的一侧孔隙结构尺寸较大，同样能够较好的截留并容纳较大颗粒的杂质，也即是说，本申请中特定的大孔径分离层兼具一定的预过滤效果，能够对预过滤层形成补充和辅助作用，因此，本申请中滤膜的预过滤层即使相对较薄，在特定大厚度、大孔径的分离层的协同配合下，仍能够对大颗粒物质形成较好的截留而不引起滤膜的快速堵塞。

此外，预过滤层并不大的SEM测量平均孔径(150～300nm)配合相对较大的SEM测量平均孔径变化梯度(5～20nm/μm)，说明预过滤层的孔径在靠近出液面一侧以相对较快的速度变小，这部分孔径快速变小的区域配合本就孔径不大的孔隙结构(相较于大颗粒物质)，能够形成对大颗粒物质的有效截留；由于该区域的孔径仍然较大(相较于病毒和蛋白质)，基本不对尺寸较小的病毒和蛋白质形成截留。而部分未被预过滤层上半部分截留的大颗粒物质大概率被预过滤层孔径较小的下半部分截留，以降低对分离层的影响。

需要注意的是，由于预过滤层的厚度相对较小，必然难以避免有少量大颗粒物质从预过滤层泄露，孔径较大(相较于病毒和蛋白质而言，相较于大颗粒物质的孔径是较小的)且变化梯度不大的分离层的前半部分能够对预过滤层泄露的大颗粒物质进行截留和容纳，由于分离层靠近预过滤层的一侧的孔径较大，载量较大，少量大颗粒物质并不会堵塞分离层。

可选的，所述滤膜的通量不低于50L·h^-1·m^-2@30psi，所述滤膜对于PP7噬菌体的对数去除率大于2；所述滤膜的拉伸强度为5～20MPa。

可选的，所述滤膜的断裂伸长率为50～200％。

通过采用上述技术方案，目前国际上较为公认的标准是，膜过滤器对于小尺寸病毒(如典型的PP7噬菌体，PDA指导性文件TR41中小尺寸病毒的指示病毒)的对数去除率需要达到4以上，而目前的膜过滤器中滤膜的数量并不局限为只有1张。针对仅有1张滤膜的膜过滤器，本申请中的滤膜可通过调节分离层的厚度、孔径等参数，获得较高的对数去除率，如对于PP7的对数去除率不小于4；针对有多张滤膜的膜过滤器，本申请中的滤膜看通过调节分离层的厚度、孔径等参数，获得相对较低的对数去除率(多张串联使用仍能保证对数去除率达到4以上)以及较高的通量。

此外，一般认为分离层占比较大的滤膜往往通量较小，过滤效率较低，因为孔径较小的孔隙结构对于料液的阻力较大，导致滤膜通量的下降。然而，本申请特定的大孔径、大厚度的分离层结合厚度较小的预过滤层结构，使得滤膜即使有较大厚度分离层，仍具有较高的通量。这可能是由于，分离层虽然厚度较大，但是结合分离层整体较小的SEM测量平均孔径变化梯度(不大于8nm/μm)以及相对稳定的孔径变化梯度(K1与K2之比为1.05～1.6)，说明分离层中不存在对于通量影响较大的孔径突变区域，因此，料液在分离层各区域的流速比较稳定，不存在对于通量影响较大的“瓶颈区域”。结合分离层本就具有较大孔径的孔隙结构，虽然层叠的孔隙结构能够形成对病毒的良好截留，但是层叠的孔隙结构形成的有效通路对于料液本身的阻滞相对较小。由于大孔径的分离层整体对于料液的阻滞较小，且分离层内也不存在显著影响通量的孔径快速变化区域，因此，即使滤膜具有厚度较大的分离层，仍具有较高的通量。

另外，由于本申请中滤膜的分离层厚度较高，且纤维结构几乎未随分离层孔隙结构孔径的减小而减小，因此，分离层具有骨架粗壮、自支撑性能良好的三维网络结构，分离层乃至滤膜的耐压性能良好。不但具有较高的拉伸强度(5～20MPa，目前常见的PVDF滤膜的拉伸强度约为3.5～8MPa)，还具有良好的断裂伸长率，机械性能良好，不论是在制膜过程中，还是在后续的储存、运输和使用过程中，均不易发生机械破坏，从而降低病毒泄露风险。

需要注意的是，滤膜在装配成膜过滤器时，容易因为受到机械碰撞而发生膜损伤，由于本申请中滤膜的分离层厚度较大，即使分离层的表面产生少量损坏，仍有厚度较大的分离层区域能够对病毒进行截留，因此，本申请具有大厚度分离层的滤膜能够显著降低机械损伤导致的病毒泄露风险。

可选的，所述出液面的SEM测量平均孔径为60～120nm，所述分离层的厚度为25～45μm，所述滤膜对于PP7噬菌体的对数去除率不小于4。

通过采用上述技术方案，当分离层的厚度取较大值配合出液面的SEM测量平均孔径取较小值时，分离层的三维网络结构形成了路径较长、层叠后孔径较小的有效通路，能够形成对料液中病毒的长效截留，以获得更高的病毒截留效果，进一步降低病毒泄露风险。

此外，虽然分离层形成了路径长、孔径小的有效通路，由于分离层的孔隙结构孔径较大，即使通过三维网络结构的层叠结构形成了孔径相对较小的有效通路，但是三维网络结构自身的孔径仍然较大，不易对蛋白质形成高吸附。加之亲水PVDF本就具有较好的亲水性，孔壁对于蛋白质的吸附力本就较小，因此，大孔径的孔隙结构的孔壁对于蛋白质的吸附力很可能无法达到吸附蛋白质的阈值，那么，尺寸较小且不易被吸附的蛋白质仍能较好的通过。因此，本申请的滤膜通过分离层的厚度取较大值配合出液面的SEM测量平均孔径取较小值，能够在获得高病毒截留率的基础上，仍然保留较高的蛋白质收率。

可选的，所述出液面的SEM测量平均孔径为90～160nm，所述分离层的厚度为15～30μm，所述滤膜对于PP7噬菌体的对数去除率大于2且小于4。

通过采用上述技术方案，当分离层的厚度取较小值配合出液面的SEM测量平均孔径取较大值时，分离层的三维网络结构形成了路径稍短、层叠后孔径较大的有效通路，从而使料液所受阻力大大降低，以获得更大的通量，此外，由于蛋白质与孔壁的接触显著降低，蛋白质被吸附的概率进一步降低，能够获得更高的蛋白质收率。虽然此种结构的滤膜对于病毒的截留效果有所降低，但是通过多层使用，仍能确保较低的病毒泄露风险，且该种滤膜对于某些特定的过滤工况适用性较高。

第二方面，本申请提供一种滤膜的制备工艺，采用如下的技术方案：

一种滤膜的制备工艺，包括以下工艺步骤：

S1、配制铸膜液，并将其流延到载体上形成液膜；所述铸膜液包括下列重量份物质组成：PVDF树脂18～30份、亲水添加剂5～25份；小分子添加剂20～50份和良溶剂20～40份；铸膜液中PVDF树脂的质量百分比大于20％；

S2、将相对湿度为60～90％的气流吹到所述液膜表面进行处理，制得生膜；其中气流与液膜之间的相对速度为0.1～6m/s，持续时间不小于5s；且气流温度低于铸膜液温度5～20℃；

S3、将生膜浸入萃取浴中进行进一步萃取和固化，得到固态膜；

S4、将固态膜进行亲水后处理，得到成品膜。

可选的，所述PVDF树脂的数均分子量为30～120万；所述亲水添加剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的至少一种；所述小分子添加剂为LiCl、NH₄Cl、纳米二氧化硅、丙酮、丁酮和四氢呋喃中的至少一种。

可选的，聚乙二醇为PEG-2000、PEG-4000、PEG-6000中的一种；聚乙烯吡咯烷酮为PVP(K30)、PVP(K60)、PVP(K90)中的一种；聚乙烯醇为日本可乐丽的PVA-117、PVA-205、PVA-103中的一种。

可选的，铸膜液中PVDF树脂的质量百分比为20～35％

可选的，所述步骤S3中，处理时间不小于3min，萃取浴包括水和小分子醇中的至少一种。

可选的，所述良溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、r-丁内酯中的至少一种；所述小分子醇为乙醇和异丙醇中的至少一种。

通过采用上述技术方案，在制备本发明PVDF除病毒膜时，先配置铸膜液，铸膜液包括PVDF树脂、亲水添加剂、小分子添加剂和良溶剂；其中PVDF树脂为成膜聚合物，其具有良好的成膜加工性能，最终制得的成膜力学性能好同时抗污染，适合应用于除病毒领域。此外，本申请铸膜液中PVDF树脂的固含量需要严格控制，其固含量需要大于20％，这是由于，本申请的发明人们发现，在本申请的制膜体系中，若铸膜液中PVDF树脂的固含量过低，很难获得理想膜结构的除病毒膜。而良溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、r-丁内酯中的至少一种(可以是其中一种溶剂，也可以是多种溶剂混合得到的混合溶剂)；良溶剂用于对PVDF树脂进行充分溶解，从而形成均一稳定澄清的铸膜液，通过后续分相固化等工艺形成理想孔径的滤膜。

作为优选，PVDF树脂的数均分子量为30万～120万，这样分子量的PVDF树脂一方面有利于形成均一稳定且高固含量的铸膜液，另一方面有利于获得高机械性能的成膜。与此同时，铸膜液加入了小分子添加剂，小分子添加剂为LiCl、NH₄Cl、纳米二氧化硅、丙酮、丁酮和四氢呋喃中的至少一种；小分子添加剂不仅有利于使最终制得的滤膜具有理想的孔径，获得更大的通量以及保持对病毒的高效截留，同时还能提高滤膜孔隙结构的均匀性，以提高滤膜的拉伸强度等力学性能。此外，铸膜液中还加入了亲水添加剂，亲水添加剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的至少一种，亲水添加剂的加入一方面能够使滤膜具有更好的亲水性，还能促进铸膜液的分相，提高膜孔的孔隙率，铸膜液中亲水添加剂与萃取液协同配合，促使铸膜液更合理的分相和萃取固化，从而有利于成膜获得理想的膜孔结构，不容易出现缺陷和大孔，孔洞孔径也相对均匀。需要注意的是，不同滤膜的制膜工艺有较大差异，本申请中的铸膜液体系，仅仅适合应用于PVDF成膜，并不适合聚醚砜和纤维素类滤膜，发明人猜想这与成膜材料自身性质存在一定的关系。

合理的铸膜液配方会对最终形成的滤膜的结构以及性能产生较大的影响，例如影响滤膜的孔径分布，厚度，流速(通量)等；合理的铸膜液配方保证了最终制得的滤膜具有合适的厚度以及获得理想的孔径。此外，本申请中较高固含量的铸膜液粘度合理，易于操作，可以手动流延(例如，通过手倾倒、流延或铺展在流延用表面上)或自动流延(例如倾倒或另外流延在移动床上)；多种在本领域已知的设备均可用于流延。流延设备包括，例如机械涂布器，其包括涂刀、刮刀或喷涂/增压体系。在本领域已知的，多种流延速度都是合适的，例如流延速度为约2～6英尺/分钟(fpm)等，具体流延速度视情况而定。

将铸膜液流延成液膜后，接着将液膜进行分相处理，通过高湿度相对低温的气流吹到液膜表面促使液膜分相，形成生膜；众所周知，分相速度越快，形成的膜孔越小；而本发明中通过在气流湿度(60～90％)、气流温度(低于铸膜液温度5～20℃)和合适铸膜液配方协同配合下，使得液膜在空气侧相对快速分相，从而使得空气侧出现孔径较小的孔洞(但由于气流中水汽含量有限，膜孔不会过小，成膜不会出现孔径为20nm左右的孔洞)，同时有利于形成相对较厚的分离层；此外气流与液膜之间的相对速度为0.1～6m/s，持续时间不小于5s；经过这样的分相处理，一方面是为了获得滤膜理想的孔径及厚度；同时有利于获得理想的膜结构，即出现理想的纤维。

然后将生膜浸入萃取浴中进行进一步萃取固化，其中萃取浴为水和小分子醇(C1～C4的小分子醇)中的至少一种，小分子醇优选乙醇和异丙醇中的至少一种；在萃取浴的作用下，PVDF会更完全的析出，并且处理时间不小于3min，确保制得理想膜结构的固态膜。

接着为了提高固态膜的亲水性，利用接枝法对其进行亲水处理。亲水处理液中按照体积百分比包括8％的丙烯酸羟基丙酯、23％的3-丁醇以及余量的水。配得的亲水处理液以氮气鼓泡进行搅拌除氧，处理时间20min，处理时保持亲水处理液温度为45℃。随后，将固态膜置于氮气氛围中，并将固态膜降温至-60℃以下，并以钴-60作为辐射源，对固态膜进行至少25kGy的γ射线的照射。照射结束后，将固态膜置于约13.4Pa以下的低压下静置15min，并以前述搅拌除氧后的亲水处理液与固态膜接触反应，静置反应1h，反应结束后以2-丙醇洗涤，并在60℃的温度下真空干燥，即得成品膜。

最终制得的PVDF滤膜具有理想的膜结构，其通量较大，拉伸强度较高，且能够高效截留病毒，还具有高蛋白收率。

第三方面，本申请提供一种膜过滤器，采用如下的技术方案：

一种膜过滤器，包括前述的滤膜，且膜过滤器满足以下条件：

A、所述滤膜的PP7噬菌体对数去除率大于等于4，所述膜过滤器内包括1～2张所述滤膜；

B、所述滤膜的PP7噬菌体对数去除率小于4，所述膜过滤器内2～3张所述滤膜。

优选的，所述膜过滤器可以为囊式过滤器、针头过滤器。

通过采用上述技术方案，对于对数去除率大于等于4的滤膜而言，可直接将1张滤膜制成膜过滤器或将2张滤膜层叠使用制成膜过滤器，以进一步降低病毒泄露风险。

对于对数去除率小于4的滤膜而言，为了达到大于4的对数去除率，可以将2～3张滤膜层叠使用，以降低病毒泄露风险。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.本申请中的滤膜通过控制滤膜具有较大孔径、较大厚度的分离层，通过分离层在膜厚度方向上形成更长路径的层叠孔隙结构，多层孔隙结构形成的供病毒通过的有效通道的尺寸远小于孔隙结构的实际尺寸，从而实现对小尺寸病毒的高效截留，而即使是层叠后尺寸变小的孔隙结构，对于更小尺寸的蛋白质层截留和吸附也较少，从而同时获得高蛋白质收率和高病毒截留率；这与一般认为的，为了获得高病毒截留率需要控制分离层具有较小的孔径才能获得高病毒截留率，大孔径亲水PVDF滤膜难以截留小尺寸病毒不同，是不同的技术路线，也获得了十分意外的结果。

2.本申请中滤膜的纤维结构从预过滤层到分离层并未发生明显的尺寸变化，这与一般认为的滤膜孔径越大、纤维越粗的认知不同，而特定的纤维结构不但确保了纤维结构对蛋白质的低吸附，且由于滤膜各处耐压性能相对均匀，不存在薄弱处，因而具有更好的力学性能。

3.本申请的滤膜整体的对称度较低、分离层的对称度也较低，不但能确保滤膜整体力学性能的均匀性，还说明滤膜在膜厚度方向上不存在孔径的突变区，而孔径想突变区由于具有密集的、快速变化的层叠孔隙结构，将很可能产生对蛋白质的高截留和高吸附，导致蛋白质收率的下降。

4.本申请滤膜的制备工艺中通过对铸膜液配方的控制，控制PVDF树脂的质量百分比大于20％，且在铸膜液中添加亲水添加剂和小分子添加剂，促进分相过程的进行和提高PVDF树脂的亲水性，结合后续的湿空气扫吹、萃取固化以及亲水后处理，能够获得理想孔径结构的滤膜，以同时获得高病毒截留率、高蛋白质收率和高机械性能。

附图说明

图1是本申请实施例1制得的滤膜靠近进液面一侧的截面SEM图，其放大倍率为10K×。

图2本申请实施例1制得的滤膜靠近出液面一侧的截面SEM图，其放大倍率为10K×。

图3是本申请实施例3制得的滤膜进液面一侧的SEM图，其放大倍率为10K×。

图4是本申请实施例3制得的滤膜出液面一侧的SEM图，其放大倍率为10K×。

图5是本申请实施例3制得的滤膜的截面SEM图，其放大倍率为2K×。

图6是本申请滤膜进行20nm胶体金截留实验以确定滤膜预过滤层和分离层分布，滤膜厚度方向上20nm胶体金的分布曲线，图中滤膜的下侧为进液面，上侧为出液面；且该图仅为示意图，并非某个具体实施例的滤膜。

图7是本申请滤膜进行20nm胶体金截留实验后滤膜截面的SEM图，其放大倍率为5K×，图中滤膜的上侧为进液面，下侧为出液面；且该图仅为示意图，并非某个具体实施例的滤膜。

具体实施方式

以下结合附图1～7对本申请作进一步详细说明。

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面以实施例的方式进行详细说明。如未特殊说明，在下述实施例、对比例中，所用的原料及设备均可通过常规商业途径购得。其中，采用日立公司提供的型号为S-5500的扫描电镜对滤膜的结构形貌进行表征。

实施例1

一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜的制备工艺，包括以下工艺步骤：

S1、配制铸膜液，并将配置得到的铸膜液流延到载体上形成液膜；铸膜液由以下重量份物质组成：PVDF树脂23份、亲水添加剂15份；小分子添加剂35份和良溶剂30份；铸膜液中，PVDF树脂的质量百分比为22.3％。

铸膜液中，PVDF树脂的数均分子量为80万，亲水添加剂为PEG-4000和PVP(K30)等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基甲酰胺等体积的混合物。

S2、将相对湿度为68％的气流吹到液膜表面进行处理，制得生膜；气流与液膜之间的相对速度为1.5m/s，持续时间为24s，气流温度低于铸膜液(即液膜)温度10℃。

S3、将制得的生膜浸入萃取浴中进行进一步萃取和固化，得到固态膜。其中，萃取浴为去离子水和小分子醇等体积比的混合物，且小分子醇为乙醇，处理时间为6min。

S4、将得到的固态膜进行亲水后处理，具体为利用接枝法对固态膜进行亲水处理。亲水处理液中按照体积百分比包括8％的丙烯酸羟基丙酯、23％的3-丁醇以及余量的水。配得的亲水处理液以氮气鼓泡进行搅拌除氧，处理时间20min，处理时保持亲水处理液温度为45℃。随后，将固态膜置于氮气氛围中，并将固态膜降温至约-65℃，并以钴-60作为辐射源，对固态膜进行约27kGy的γ射线的照射。照射结束后，将固态膜置于约13.4Pa以下的低压下静置15min，并以前述搅拌除氧后的亲水处理液与固态膜接触反应，静置反应1h，反应结束后以2-丙醇洗涤，并在60℃的温度下真空干燥，即得成品膜。

实施例2～7

实施例2～7与实施例1的主要不同之处在于，铸膜液的配方及各工序的工艺参数不同，详细记为下表：

铸膜液中，PVDF树脂的数均分子量为80W，亲水添加剂为PEG-4000和PVP(K30)等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基甲酰胺等体积的混合物。

其中，

实施例2的铸膜液中，亲水添加剂为PEG-2000和PVP(K60)等质量比的混合物，小分子添加剂为纳米二氧化硅和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基乙酰胺等体积的混合物。

实施例3的铸膜液中，亲水添加剂为PEG-6000，小分子添加剂为NH₄Cl；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮，小分子醇为乙醇。

实施例4的铸膜液中，亲水添加剂为PEG-2000和PVP(K30)等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丁酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和磷酸三甲酯等体积的混合物，小分子醇为乙醇。

实施例5的铸膜液中，亲水添加剂为PEG-2000和PVA-117等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基甲酰胺等体积的混合物，小分子醇为异丙醇。

实施例6的铸膜液中，亲水添加剂为PEG-6000和PVA-103等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基甲酰胺等体积的混合物，小分子醇为乙醇。

实施例7的铸膜液中，亲水添加剂为PVP(K30)和PVA-103等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基甲酰胺等体积的混合物，小分子醇为异丙醇。

对比例

对比例1

一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜的制备工艺，包括以下工艺步骤：

S1、配制铸膜液，并将配置得到的铸膜液流延到载体上形成液膜；铸膜液由以下重量份物质组成：PVDF树脂40份、亲水添加剂10份；小分子添加剂10份和良溶剂30份；铸膜液中，PVDF树脂的质量百分比为44.4％。

铸膜液中，PVDF树脂的数均分子量为80W，亲水添加剂为PEG-4000和PVP(K30)等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基甲酰胺等体积的混合物。

S2、将液膜浸入预处理液中进行预处理，预处理液为去离子水和N-甲基吡咯烷酮按照体积比3：2的混合物，预处理时间为10s，预处理液的温度与液膜温度相同，预处理后得到生膜。

S3、将制得的生膜浸入萃取浴中进行进一步萃取和固化，得到固态膜。其中，萃取浴为去离子水和小分子醇等体积比的混合物，且小分子醇为乙醇。

S4、将得到的固态膜进行亲水后处理，具体为利用接枝法对固态膜进行亲水处理。亲水处理液中按照体积百分比包括8％的丙烯酸羟基丙酯、23％的3-丁醇以及余量的水。配得的亲水处理液以氮气鼓泡进行搅拌除氧，处理时间20min，处理时保持亲水处理液温度为45℃。随后，将固态膜置于氮气氛围中，并将固态膜降温至约-65℃，并以钴-60作为辐射源，对固态膜进行约27kGy的γ射线的照射。照射结束后，将固态膜置于约13.4Pa以下的低压下静置15min，并以前述搅拌除氧后的亲水处理液与固态膜接触反应，静置反应1h，反应结束后以2-丙醇洗涤，并在60℃的温度下真空干燥，即得成品膜。

对比例2

一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜的制备工艺，包括以下工艺步骤：

S1、配制铸膜液，并将配置得到的铸膜液流延到载体上形成液膜；铸膜液由以下重量份物质组成：PVDF树脂15份、亲水添加剂15份；小分子添加剂35份和良溶剂30份；铸膜液中，PVDF树脂的质量百分比为15.8％。

铸膜液中，PVDF树脂的数均分子量为80W，亲水添加剂为PEG-4000和PVP(K30)等质量比的混合物，小分子添加剂为LiCl和丙酮等质量比的混合物；良溶剂为N-甲基吡咯烷酮和二甲基甲酰胺等体积的混合物。

S2、将相对湿度为40％的气流吹到液膜表面进行处理，制得生膜；气流与液膜之间的相对速度为7m/s，持续时间为60s，气流温度低于铸膜液(即液膜)温度25℃。

S3、将制得的生膜浸入萃取浴中进行进一步萃取和固化，得到固态膜。其中，萃取浴为去离子水和小分子醇等体积比的混合物，且小分子醇为乙醇，处理时间为20min。

S4、将得到的固态膜进行亲水后处理，具体为利用接枝法对固态膜进行亲水处理。亲水处理液中按照体积百分比包括8％的丙烯酸羟基丙酯、23％的3-丁醇以及余量的水。配得的亲水处理液以氮气鼓泡进行搅拌除氧，处理时间20min，处理时保持亲水处理液温度为45℃。随后，将固态膜置于氮气氛围中，并将固态膜降温至约-65℃，并以钴-60作为辐射源，对固态膜进行约27kGy的γ射线的照射。照射结束后，将固态膜置于约13.4Pa以下的低压下静置15min，并以前述搅拌除氧后的亲水处理液与固态膜接触反应，静置反应1h，反应结束后以2-丙醇洗涤，并在60℃的温度下真空干燥，即得成品膜。

性能检测和性能参数

一：结构表征

用扫描电镜对实施例1～7以及对比例1～2所获得滤膜的膜结构进行形貌表征，即可获得所需数据；其中，实施例1～7以及对比例1～2进液面、出液面以及预过滤层结构的形貌参数记为下表：

其中，实施例1～7以及对比例1～2分离层结构的形貌参数记为下表：

需要注意的是，上表中，由于对比例2中制得的滤膜整体孔径较大，并不能很好的截留20nm胶体金，故并无明确的分离层和预过滤层结构，因此并无相关形貌参数，仅对进液面和出液面的表面形貌进行表征。

二、病毒截留能力

取各实施例或对比例中制得的滤膜作为试样进行病毒挑战测试，其中，滤膜的LRV检测方法参照PDA颁布的指导性文件TR41，测试时，以PP7噬菌体作为截留病毒、物料流为免疫球蛋白IVIG、缓冲体系为PBS，病毒挑战测试时料液加压为30psi。通过检测挑战液和滤液中PP7噬菌体的滴度计算LRV；通过检测挑战液和滤液中蛋白质的浓度计算蛋白质收率；通过记录流量和时间计算通量。

需要注意的是，在进行病毒挑战试验时，首先以单层滤膜制样进行试验；若单层滤膜测得的LRV小于4，则以双层滤膜制样进行试验，进一步测定双层滤膜时LRV和蛋白质收率。

三、机械性能

以各实施例、对比例中制得的滤膜作为试样，通过万能拉力试验机进行拉伸性能的测试，对滤膜的拉伸强度。

实施例1～7以及对比例1～2中滤膜的机械性能以及病毒截留能力记为下表：

需要注意的是，由于实施例5～7以及对比例1对于PP7噬菌体的LRV＞4(病毒截留率大于99.99％)，已经达到国际认可所需的病毒截留率，故并未进行双层滤膜的病毒挑战试验，因此，实施例5～7以及对比例1并无双层滤膜LRV数据和双层滤膜蛋白质收率数据。

而对比例2中制得的滤膜对于PP7噬菌体的LRV＜1，虽然其通量和蛋白质收率均较高，但是病毒泄露风险巨大，并无实用价值。故同样未进行进一步的双层滤膜病毒挑战试验，因此，对比例2也无双层滤膜LRV数据和双层滤膜蛋白质收率数据。

结论

通过比较实施例1～7以及对比例1的数据，不难看出，本申请中特定的具有大厚度、大孔径分离层的滤膜不但能够获得较高的病毒截留率(对于LRV为2～4的滤膜，可通过串联2～3张滤膜进行使用，以获得高LRV)，还能够获得较高的蛋白质收率(对于实施例1～4，即使串联2张滤膜使用，蛋白质收率仍达到95％甚至98％以上)。而不论是对比例1还是CN105980037B中的滤膜，以小孔径的分离层结构虽然能够获得较高的病毒截留率(LRV＞6甚至LRV＞7)，但是其蛋白质收率较低，仅有约80～90％。

此外，通过进一步分相对比例1制得的滤膜的各项性能，不难看出，滤膜具有显然较差的机械性能，这可能是由于，其预过滤层和分离层的纤维结构的直径之比达到约3.9，即滤膜的纤维结构在膜厚度方向上具有较为明显的不对称分布，这就意味着滤膜厚度方向上的力学性能并不均匀，很容易存在薄弱处，导致机械性能的下降。这与CN105980037B中的滤膜仅能在15psi的较低压下使用较为近似。

此外，对比例1的滤膜通量也显然较低，而主要影响滤膜通量的区域为分离层，分离层的SEM测量平均孔径与分离纤维的SEM测量平均直径之比较小，仅有约1.8，这使得分离层对于料液形成较大的阻力，加上对比例1中滤膜分离层的孔径更小，导致通量的显著下降且蛋白质收率明显下降。这说明了，常见的不对称度较高的亲水PVDF滤膜，高病毒截留率往往伴随着蛋白质收率的下降。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，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，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (20)

1.一种除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，包含多孔主体，所述多孔主体内具有非定向曲折通路，所述多孔主体靠近供给料液的一侧为进液面，所述多孔主体远离供给料液的一侧为出液面，所述多孔主体在膜厚度方向上以连续纤维过渡，其特征在于：所述多孔主体的SEM测量平均孔径由所述进液面向着所述出液面逐渐减小，所述多孔主体包括预过滤层以及用于截留直径20nm胶体金的分离层，所述分离层包括所述出液面，所述出液面的SEM测量平均孔径为60～160nm，所述分离层的厚度为15～45μm。

2.根据权利要求1所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述分离层包括分离纤维，所述分离纤维相互连接形成所述分离层的三维网络结构，所述分离纤维的SEM测量平均直径为30～50nm；所述预过滤层包括支撑纤维，所述支撑纤维相互连接形成所述预过滤层的三维网络结构，所述支撑纤维的SEM测量平均直径为30～55nm。

3.根据权利要求2所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：支撑纤维的SEM测量平均直径与分离纤维的SEM测量平均直径之比为0.8～1.5。

4.根据权利要求2所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述分离纤维的SEM测量平均长度为80～150nm，所述支撑纤维的SEM测量平均长度为120～180nm。

5.根据权利要求2所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述分离层的SEM测量平均孔径与所述分离纤维的SEM测量平均直径之比为2～7；所述预过滤层的SEM测量平均孔径与所述支撑纤维的SEM测量平均直径之比为3.5～8。

6.根据权利要求2所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述分离层的SEM测量平均孔径与所述分离纤维的SEM测量平均长度之比为1.1～1.4；所述预过滤层的SEM测量平均孔径与所述支撑纤维的SEM测量平均长度之比为1.2～1.7。

7.根据权利要求1所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述进液面的SEM测量平均孔径为200～500nm，所述进液面的SEM测量平均孔径与所述出液面的SEM测量平均孔径之比为1.2～6，所述多孔主体的比表面积为6～12m²/g。

8.根据权利要求1所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述分离层的SEM测量平均孔径变化梯度不大于8nm/μm，所述分离层的SEM测量平均孔径为100～200nm。

9.根据权利要求1所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述分离层靠近进液面一侧视为0％，所述出液面视为100％，所述分离层沿膜厚方向十等分，其中，所述分离层膜厚位置为0～10％的区域的SEM测量平均孔径与所述分离层膜厚位置为40～50％的区域的SEM测量平均孔径之比为K1，K1不大于2.2。

10.根据权利要求9所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述分离层膜厚位置为40～50％的区域的SEM测量平均孔径与所述出液面的SEM测量平均孔径之比为K2，K2不大于1.5。

11.根据权利要求10所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述K1大于K2，所述K1与所述K2之比为1.05～1.6。

12.根据权利要求1所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述预过滤层包括所述进液面，所述预过滤层的厚度为1～15μm，所述预过滤层的SEM测量平均孔径为150～300nm，所述预过滤层的SEM测量平均孔径变化梯度为5～20nm/μm。

13.根据权利要求1所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述滤膜的通量不低于50L·h^-1·m^-2@30psi，所述滤膜对于PP7噬菌体的对数去除率大于2；所述滤膜的拉伸强度为5～20MPa。

14.根据权利要求1～13任一项所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述出液面的SEM测量平均孔径为60～120nm，所述分离层的厚度为25～45μm，所述滤膜对于PP7噬菌体的对数去除率不小于4。

15.根据权利要求1～13任一项所述的除病毒用不对称亲水PVDF滤膜，其特征在于：所述出液面的SEM测量平均孔径为90～160nm，所述分离层的厚度为15～30μm，所述滤膜对于PP7噬菌体的对数去除率大于2且小于4。

16.一种权利要求1～15任一项所述的滤膜的制备工艺，其特征在于：包括以下工艺步骤：

S1、配制铸膜液，并将其流延到载体上形成液膜；所述铸膜液包括下列重量份物质组成：PVDF树脂18～30份、亲水添加剂5～25份；小分子添加剂20～50份和良溶剂20～40份；铸膜液中PVDF树脂的质量百分比大于20％；

S2、将相对湿度为60～90％的气流吹到所述液膜表面进行处理，制得生膜；其中气流与液膜之间的相对速度为0.1～6m/s，持续时间不小于5s；且气流温度低于铸膜液温度5～20℃；

S3、将生膜浸入萃取浴中进行进一步萃取和固化，得到固态膜；

S4、将固态膜进行亲水后处理，得到成品膜。

17.根据权利要求16所述的滤膜的制备工艺，其特征在于：所述PVDF树脂的数均分子量为30～120万；

所述亲水添加剂为聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇中的至少一种；

所述小分子添加剂为LiCl、NH₄Cl、纳米二氧化硅、丙酮、丁酮和四氢呋喃中的至少一种。

18.根据权利要求16所述的滤膜的制备工艺，其特征在于：所述步骤S3中，处理时间不小于3min，萃取浴包括水和小分子醇中的至少一种。

19.根据权利要求16所述的滤膜的制备工艺，其特征在于：

所述良溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、r-丁内酯中的至少一种；

所述小分子醇为乙醇和异丙醇中的至少一种。

20.一种膜过滤器，其特征在于：包括权利要求1～15任一项所述的滤膜，且所述膜过滤器满足以下条件：

A、所述滤膜的PP7噬菌体对数去除率大于等于4，所述膜过滤器内包括1～2张所述滤膜；

B、所述滤膜的PP7噬菌体对数去除率小于4，所述膜过滤器内2～3张所述滤膜。

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