ES2313743T3 - Una membrana de fibra hueca basada en polisulfona, y un proceso para preparar la misma. - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A LA PRODUCCION DE UNA MEMBRANA DE FIBRA HUECA A BASE DE POLISULFONA, QUE TIENE UN ELEVADO COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD AL AGUA Y UNA EXCELENTE PERMEABILIDAD, SIN LA POSIBILIDAD DE DETERIORO O SEPARACION, CARACTERIZADA POR EL USO DE UN LIQUIDO INTERNO DE COAGULACION Y/O UN LIQUIDO EXTERNO DE COAGULACION QUE CONTIENE DIETILENGLICOL (DEG) Y/O UNA SAL, QUE PUEDE FORMAR UN HIDRATO EN EL PROCESO DE PRODUCCION DE LA MEMBRANA DE FIBRA HUECA A BASE DE POLISULFONA, A TRAVES DE LOS PASOS SIGUIENTES: (A) EXTRUIR UN ADITIVO DE GIRO QUE COMPRENDE UNA RESINA A BASE DE POLISULFONAS, UN DISOLVENTE ORGANICO Y POLIVINILPIRROLIDONA (PVP) AL AIRE, A TRAVES DE UNA BOQUILLA BIANULAR DE GIRO PARA OBTENER UN PRODUCTO EXTRUIDO EN FORMA DE FIBRA HUECA, (B) INYECTAR SIMULTANEAMENTE UN LIQUIDO INTERNO DE COAGULACION DENTRO DE LA BOQUILLA BIANULAR DE GIRO EN EL ORIFICIO INTERIOR DE LA MISMA, Y (C) POSTERIORMENTE INTRODUCIR DICHO PRODUCTO EXTRUIDO EN UN LIQUIDO EXTERNO DE COAGULACION.
Description
Una membrana de fibra hueca basada en
polisulfona, y un proceso para preparar la misma.
La presente invención se refiere a una membrana
de fibra hueca basada en polisulfona como se define en la
reivindicación 7 y un proceso para preparar la misma como se define
en la reivindicación 1.
Se ha hecho una gran cantidad de investigaciones
sobre el material de membranas de separación que tienen
permeabilidad selectiva, y se han desarrollado celulosas,
poliamidas, poliacrilos y polivinilos como material de membrana y
prácticamente están en uso. Estos materiales, sin embargo, tienen
inconvenientes tales como bio-compatibilidad,
resistencia química, y resistencia al calor. Para evitar estos
inconvenientes, se han hecho estudios sobre resinas adaptables
usadas para diseñar plásticos como membrana de separación, y está en
uso una resina plástica de diseño del tipo basada en polisulfona
como material para membranas de separación. Como la resina basada
en polisulfona tiene excelentes propiedades tales como
bio-compatibilidad, resistencia química, resistencia
al calor, resistencia al fuego, y características mecánicas, se usa
ampliamente como material de membrana para hemodiálisis, micro
filtración, ultra filtración, ósmosis inversa, y separación de
gases.
Hablando en líneas generales, se producen
membranas de fibra hueca de polisulfona centrifugando el Aditivo de
Centrifugación compuesto de resina de polisulfona, disolvente
orgánico y aditivos tales como agua, polímero soluble, y líquido
coagulante interno en aire a través de una boquilla de
centrifugación bianular para obtener un producto extruido en forma
de una fibra hueca, y después coagulando el producto extruido por un
líquido coagulante
externo.
externo.
En el proceso para producir el Aditivo de
Centrifugación, se usan m-cresol,
N-metil-2-pirrolidona,
dimetilsulfóxido, dimetil acetamida, dimetil formamida y mezclas de
los mismos como disolvente.
Los polímeros solubles en agua se seleccionan
entre polietilenglicol, alcohol polivinílico, polivinilpirrolidona
y mezclas de los mismos.
Aunque habitualmente se usa agua para el líquido
coagulante tanto interno como externo, podría usarse una solución
acuosa que comprende dichos aditivos para el líquido coagulante
tanto interno como externo.
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Con respecto a membranas, en general, las dos
propiedades más importantes son la capacidad de eliminar más de un
cierto peso molecular de material de separación (a partir de ahora
llamada "capacidad de separación") y permeabilidad, pero estas
dos propiedades no son mutuamente compatibles: si la capacidad de
separación asciende, entonces la permeabilidad desciende
relativamente, y si tiene que aumentarse la permeabilidad, entonces
se disminuye la capacidad de separación. Por lo tanto, una tarea
importante del desarrollo de membrana es producir una membrana que
tenga una cierta capacidad de separación y mayor permeabilidad al
mismo tiempo.
En primer lugar, para mejorar la permeabilidad
de una membrana, deben formarse muchos poros grandes en la
membrana. Además, para elevar la capacidad de separación de una
membrana mientras mantiene una cierta permeabilidad, el tamaño de
los poros formados en la membrana debe ser similar.
Hasta la fecha, se han usado varios métodos,
como añadir polímero soluble en agua, disolvente y/o compuesto
alcohólico en el líquido coagulante interno y/o líquido coagulante
externo, para formar poros en la membrana. Estos métodos, sin
embargo, no pueden soportar la formación de poros de tamaño similar
para cumplir el cierto nivel requerido de capacidad de separación y
permeabilidad en membranas de hemodiálisis.
En el tiempo medio, si dicho polímero soluble en
agua que se está añadiendo en el Aditivo de Centrifugación,
permanece bastante en la membrana de fibra hueca después del proceso
de centrifugado, la permeabilidad, sin deterioro de la capacidad de
separación, mejorará a causa de la elevada hidrofilicidad de la
membrana de fibra hueca. De hecho, después del proceso de
centrifugación, la mayor parte del polímero soluble en agua filtra
al exterior de la membrana de fibra hueca durante los procesos de
coagulación y lavado, y permanece un poco en el interior de la
membrana de fibra hueca a causa de su elevada solubilidad en
agua.
El documento U.S.-A-5.340.480 (y
EP-A-0 568 045) describe que debe
aplicarse una solución acuosa que contiene polivinilpirrolidona
como líquido de coagulación interna para dejar polivinilpirrolidona
(a partir de ahora llamado "PVP"), el polímero soluble en
agua, en la superficie de la membrana de fibra hueca para la mejora
de la permeabilidad, pero la eficacia es insignificante. El líquido
de coagulación interna puede comprender opcionalmente una sal, tal
como cloruro de litio, cloruro de zinc y nitrato sódico.
La Patente Japonesa Abierta a Inspección Pública
Nº 58-104940 describe el uso de un agente
reticulante para fijar un polímero soluble en agua a la superficie
de una membrana de fibra hueca de polisulfona, pero el proceso y la
operación son muy complicados.
Las Patentes Japonesas Abiertas a Inspección
Pública Nº 63-97205 y 63-97634
describen el uso de tratamiento por calor o tratamiento por
radiación para fijar un polímero soluble en agua a la superficie de
una membrana de fibra hueca de polisulfona, pero el proceso es
complicado y requiere un equipo caro.
Además, el documento
US-A-5 049 276 describe membranas de
fibra hueca hechas, por ejemplo, de un polímero de polisulfona
donde dietilenglicol, junto a varios compuestos diferentes, puede
formar o ser parte del líquido de coagulación interna o
externa.
Por lo tanto, para mejorar la capacidad de
separación y permeabilidad de la membrana al mismo tiempo, se ha
requerido desarrollar las siguientes técnicas:
1. Una técnica para formar un tamaño similar de
poros en la membrana, y
2. Una técnica simple y eficaz para dejar
polímero soluble en agua que se añadió al Aditivo de Centrifugación,
en la membrana de fibra hueca.
La presente invención se refiere a la producción
de una membrana de fibra hueca basada en polisulfona que comprende
excelente capacidad de separación, permeabilidad y elevado
coeficiente de permeabilidad al agua formando mucho poros de tamaño
similar en una membrana de fibra hueca basada en polisulfona y
dejando mucho PVP, el polímero soluble en agua, en el interior de
la membrana.
La presente invención se refiere a una membrana
de fibra hueca basada en polisulfona principalmente para
hemodiálisis, y a un proceso para preparar la misma.
Más particularmente, la presente invención se
refiere a un proceso para producir una membrana de fibra hueca
basada en polisulfona como se define en la reivindicación 1.
La presente invención también se refiere a una
membrana de fibra hueca basada en polisulfona como se define en la
reivindicación 7.
Las propiedades de la membrana de fibra hueca
basada en polisulfona de la presente invención dependen de la
cantidad de DEG y sal que puede formar un hidrato contenida en el
líquido coagulante interno y/o externo.
La Figura 1 es un dibujo aproximado, que expresa
el mecanismo para formar un poro en una membrana de fibra hueca
cuando se aplica una solución de CaCl_{2} como líquido coagulante
interno y/o líquido coagulante externo.
1: Superficie de membrana 2: Hidrato de
CaCl_{2}
Más concretamente, la presente invención es
explica del siguiente modo. En primer lugar, se preparara un aditivo
de centrifugación disolviendo una resina basada en polisulfona en
un disolvente orgánico y se añade PVP en dicho disolvente orgánico.
En el proceso para preparar el aditivo de centrifugación, podrían
añadirse otros aditivos al mismo. La resina basada en polisulfona
usada en la presente invención tiene una unidad recurrente
representada por la siguiente fórmula. (I) o (II).
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Como disolvente orgánico, se aplican
m-cresol,
N-metil-2-pirrolidona,
dimetilsulfóxido, dimetil acetamida, dimetil formamida y mezclas de
los mismos.
Podrían usarse selectivamente una sal orgánica,
compuesto alcohólico, polietilenglicol, y alcohol polivinílico,
como aditivos.
Es deseable que dicho aditivo de centrifugación
esté compuesto por un 10-50% en peso de resina
basada en polisulfona, un 20-89% en peso de
disolvente orgánico, y un 1-30% en peso de aditivos
que comprenden PVP. Pero, la presente invención no restringe
específicamente la proporción de componentes de un aditivo de
centrifugación.
La siguiente etapa es preparar la membrana de
fibra hueca basada en polisulfona centrifugando el aditivo de
centrifugación y el líquido coagulante interno a través de una
boquilla de centrifugación bianular para obtener el producto
extruido, y coagulando el producto extruido en el líquido coagulante
externo, seguido de lavado, y enrollado. La boquilla de
centrifugación bianular tiene un diámetro externo e interno de 0,35
mm y 0,15 mm.
Durante el proceso de centrifugación, el
polímero se extruye a una velocidad de 2,5 g/minuto, y se mantiene
un hueco de aire a un nivel de 10 cm o así. Se aplica un líquido
coagulante interno y un líquido coagulante externo en el proceso
anterior. En otras palabras, al menos uno del líquido coagulante
interno y el líquido coagulante externo es una solución que
comprende DEG y una sal que puede formar un hidrato. Más
preferiblemente, al menos uno del líquido coagulante interno y el
líquido coagulante externo es una solución acuosa que contiene DEG
y una sal que puede formar un hidrato. Dicha sal que puede formar un
hidrato es CaCl_{2}, ZnCl_{2}, MgSO_{4}, Na_{2}SO_{4}, y
la más deseable es CaCl_{2}.
Antes de coagular el aditivo de centrifugación,
CaCl_{2}, MgSO_{4}, Na_{2}SO_{4} y similares que existen en
el líquido coagulante interno y/o líquido coagulante externo existen
en un estado de precipitación hidratado a causa de la
hidrofobicidad de las mismas (por ejemplo la hidrofobicidad de la
propia membrana) y aceleran la formación de poros en la
membrana.
En este proceso un núcleo de poro crece hasta un
cierto tamaño hasta que la membrana coagula completamente. Por
consiguiente, aumentará la cantidad de poros, y el tamaño también
será similar. En este proceso, si se añade un material retardador
de la coagulación de la membrana (por ejemplo: Dimetilformamida)
junto con CaCl_{2}, es posible agrandar los poros al tamaño
deseado ya que los poros van siendo más grandes debido a la
coagulación retardada. Sin embargo, la uniformidad de los poros se
deteriorará algo. Por lo tanto, es posible añadir selectivamente un
material retardador de la coagulación de membrana tal como
dimetilformamida en el líquido coagulante interno y/o líquido
coagulante externo dependiendo del material de separación.
Si se aplica una solución acuosa que contiene
una sal que no puede formar hidrato, como NaCl, al líquido
coagulante interno y/o líquido coagulante externo, la sal en el
líquido coagulante no puede pasar a través de la membrana a causa
de la fuerza de repulsión originada en la hidrofobicidad del aditivo
de centrifugación.
Sin embargo, una sal que puede formar un hidrato
del tipo de acuerdo con la presente invención, retira la fuerza de
repulsión, algo de la electricidad estática, por la hidratación de
la sal. Como resultado, es posible que la sal pase a través de la
membrana.
En el caso de que se aplique un líquido
coagulante interno y/o líquido coagulante externo, en que no esté
contenido DEG, la mayor parte del PVP filtra al exterior de la
membrana de fibra hueca durante los procesos de coagulación y
lavado después de centrifugación a causa de su elevada solubilidad
al agua.
Una pequeña cantidad de PVP, que no ha migrado
al exterior de la matriz polimérica durante el proceso de
centrifugación y coagulación permanece en el interior de la
membrana de fibra hueca.
Especialmente, como la superficie de dicha
membrana está en contacto directamente con el líquido coagulante
externo y coagula rápidamente, permanecerá relativamente mucho del
PVP en la superficie en lugar de en el interior de la membrana.
De acuerdo con la presente invención, el DEG
contenido en el líquido coagulante interno y/o líquido coagulante
externo deteriora la solubilidad de PVP en el líquido coagulante y
agua, y eleva la afinidad a la resina basada en polisulfona al
mismo tiempo y por lo tanto posibilita aumentar la cantidad restante
de PVP en la membrana de fibra hueca basada en polisulfona.
Se forma un complejo por enlaces de hidrógeno
entre el grupo funcional de pirrolidona y el grupo funcional -OH de
DEG.
Una vez se ha formado el complejo de PVP y DEG
como se ha mencionado anteriormente, se reduce la solubilidad de
PVP en el líquido coagulante y agua, y después permanece una gran
cantidad de PVP en el interior de la membrana de fibra hueca basada
en polisulfona.
\newpage
En caso de que no se forme el complejo, la parte
hidrófila de PVP restante en la matriz polimérica se agregará en el
interior de la matriz, y la parte hidrófoba de PVP restante en la
matriz polimérica se agregará en el exterior de la misma por la
propia hidrofobicidad de la resina basada en polisulfona.
Como resultado, el proceso de separación será
difícil.
Como en la presente invención, sin embargo, si
el líquido coagulante interno y/o líquido coagulante externo
contienen DEG, dicho problema anterior se resolverá a causa del
complejo hecho por PVP y DEG. De acuerdo con la presente invención,
es posible producir diversas fibras huecas basadas en polisulfona
que tienen diversas propiedades controlando el contenido de DEG o
contenido de sal que puede formar hidrato añadido en el líquido
coagulante interno y/o líquido coagulante externo, y finalmente
controlando el tamaño de poro y el contenido de material hidrófilo
restante en el interior de la membrana.
Más concretamente, si el contenido de DEG del
líquido coagulante interno y/o el líquido coagulante externo es
menor del 90% en peso, o si el contenido de sal que puede formar un
hidrato es menor del 40% en peso, la permeabilidad, llamada
coeficiente de permeabilidad al agua, disminuirá en algún grado,
pero la capacidad de separación mejorará. En este caso, la membrana
de fibra hueca basada en polisulfona producida tiene las siguientes
propiedades;
- \bullet
- al menos 0,01 m\ell/minuto/kgf/cm^{2} de coeficiente de permeabilidad al agua,
- \bullet
- al menos un 80% de índice de rechazo de Citocromo-C, y
- \bullet
- al menos un 50% de índice de rechazo de Vitamina B_{12}.
En el tiempo medio, si el contenido de DEG del
líquido coagulante interno y/o el líquido coagulante externo es al
menos el 90% en peso, o si el contenido de la sal que puede formar
un hidrato es al menos el 40% en peso, la permeabilidad, llamada
coeficiente de permeabilidad al agua, mejorará, pero la capacidad de
separación disminuirá en algún grado. En este caso, la membrana de
fibra hueca basada en polisulfona producida tiene las siguientes
propiedades;
- \bullet
- al menos 0,15 m\ell/minuto/kgf/cm^{2} de coeficiente de permeabilidad al agua,
- \bullet
- al menos un 30% de índice de rechazo de Citocromo-C, y
- \bullet
- al menos un 80% de índice de rechazo de Mioglobina.
Como la membrana de fibra hueca basada en
polisulfona producida de acuerdo con la presente invención tiene
muchos poros de tamaño similar, tiene excelente permeabilidad y
capacidad de separación al mismo tiempo.
El hecho de que los poros formados en la
membrana sean similares, puede demostrarse por la gran diferencia
de los índices de rechazo respectivos al medir dos tipos de material
de separación que tienen diferentes pesos moleculares.
Como una membrana de fibra hueca basada en
polisulfona producida de acuerdo con la presente invención tiene
mayor hidrofilicidad, tiene una excelente permeabilidad en
comparación con otras membranas que tienen un índice de rechazo
similar (en otras palabras, que tienen un tamaño de poro similar).
Se puede decir que la eficacia del proceso de separación se mejora
sin deteriorar la capacidad de separación debido a la elevada
permeabilidad de la membrana de fibra hueca.
Como es posible rechazar selectivamente material
de un tamaño deseado de una solución, en que se han mezclado varios
materiales, las membranas de fibra hueca basadas en polisulfona de
acuerdo con la presente invención pueden aplicarse de forma muy
eficaz en los campos médicos tales como en un riñón artificial.
El coeficiente de permeabilidad al agua y el
índice de rechazo del material de separación de la presente
invención se medirán de la siguiente manera:
Se prepara un pequeño tubo de vidrio como módulo
cargando 20 capas de fibra hueca (longitud: 15 cm). Después se
calcula la permeabilidad al agua (m\ell/minuto/kgf/cm^{2})
manteniendo la presión de la membrana intermedia a 1 kgf o así.
Se mide la concentración del material a separar
en solución acuosa antes y después de impregnar la membrana de
fibra hueca, y después se calcula el índice de rechazo del material
de separación por la siguiente ecuación.
Índice de
rechazo del Material de Separación (%)= \frac{A - B}{A} x
100
\newpage
En la anterior ecuación, A es la concentración
de material de separación en solución acuosa antes de impregnar la
membrana de fibra hueca, y B es la concentración de material de
separación en solución acuosa después de impregnar la membrana de
fibra hueca.
Más concretamente, la presente invención se
ilustra por los siguientes ejemplos y ejemplos comparativos.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
(No de acuerdo con la
invención)
Después de añadir un 17% en peso de resina de
polisulfona (P-3500: producto de Amoco Co.), un 10%
en peso de polivinilpirrolidona, y un 9% en peso de
polietilenglicol a un 64% en peso de dimetilformamida, se produce
un aditivo de centrifugación transparente mezclando y
disolviendo.
El aditivo de centrifugación se extruye a través
de la boquilla externa de una boquilla de centrifugación bianular
que tiene 0,35 mm de diámetro externo, y 0,15 mm de diámetro de
boquilla interno a una velocidad de 2,5 g/minuto, y simultáneamente
se extruye una solución de CaCl_{2}/agua (30% p/70% p) como
líquido coagulante interno a través de la boquilla interna de la
boquilla de centrifugación bianular a una velocidad de 2,4 g/minuto.
Después de pasar la fibra hueca extruida a través de un hueco de
aire de 10 cm, se produce una fibra hueca de polisulfona coagulando
y lavando en agua (líquido coagulante externo), y enrollando a una
velocidad de 50 m/minuto. Se produce una membrana de fibra hueca de
polisulfona introduciendo la fibra hueca de polisulfona mencionada
anteriormente en un módulo. Los resultados de medición de la
capacidad de separación y permeabilidad de la membrana de fibra
hueca de polisulfona producida se muestran en la Tabla 2.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplos 2-6, y
Ejemplos Comparativos
1-4
Se produce una membrana de fibra hueca de
polisulfona de acuerdo con el proceso y condiciones del Ejemplo 1,
excepto los cambios de composición del líquido coagulante interno
y/o líquido coagulante externo que se muestran en la Tabla 1. Los
resultados de medición de las capacidades de separación y
permeabilidades de las membranas de fibra hueca de polisulfona
producidas se muestran en la Tabla 2.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Aunque todos los índices de rechazo de
Citocromo-C (peso molecular 12.400) de la membrana
de fibra hueca de polisulfona producida de acuerdo con los ejemplos
1 - 4, y los ejemplos comparativos 1 - 2 están sobre el 80%, los
ejemplos 1 - 4 muestran mejores permeabilidades que los ejemplos
comparativos 1 - 2 debido a los mayores coeficientes de
permeabilidad al agua.
\newpage
Además, aunque todos los índices de rechazo de
Citocromo-C (peso molecular 12.400) de las membranas
de fibra hueca de polisulfona producidas de acuerdo con los
ejemplos 5 - 6, y los ejemplos comparativos 3 - 4 son menores del
30%, los ejemplos 5 - 6 muestran mejor selectividad que los ejemplos
comparativos 3 - 4 debido a los mayores coeficientes de
permeabilidad al agua, y mayor diferencia de los índices de rechazo
entre dos materiales que tienen diferentes pesos moleculares.
Las membranas de fibra hueca basadas en
polisulfona producidas de acuerdo con la presente invención no
solamente tienen una excelente permeabilidad debido a los poros de
tamaño similar y la existencia de material más hidrófilo sino que
también tienen excelente capacidad de separación debido a los poros
de tamaño similar con mayor coeficiente de permeabilidad al agua
que otras membranas de fibra hueca que tienen poros de tamaño
similar.
Claims (7)
1. Un proceso para producir una membrana de
fibra hueca basada en polisulfona usando un líquido coagulante
interno y un líquido coagulante externo, donde al menos uno del
líquido de coagulación interna y el líquido de coagulación externa
es una solución que comprende dietilenglicol (DEG) y una sal que
puede formar un hidrato, comprendiendo el proceso las siguientes
etapas:
(a) Extruir un aditivo de centrifugación que
comprende resina de polisulfona, disolvente orgánico y
polivinilpirrolidona (PVP) en aire a través de una boquilla de
centrifugación bianular para obtener un producto extruido en forma
de una fibra hueca,
(b) Inyectar simultáneamente dicho líquido
coagulante interno en la boquilla de centrifugación bianular en el
orificio interior de la misma, y
(c) Introducir posteriormente dicho producto
extruido en dicho líquido coagulante externo.
2. Un proceso para producir una membrana de
fibra hueca basada en polisulfona de acuerdo con la reivindicación
1, donde dicha sal que puede formar un hidrato, es CaCl_{2},
MgSO_{4}, Na_{2}SO_{4}, y ZnCl_{2}.
3. Un proceso para producir una membrana de
fibra hueca basada en polisulfona de acuerdo con la reivindicación
1, donde dicha sal que puede formar un hidrato, es CaCl_{2}.
4. Un proceso para producir una membrana de
fibra hueca basada en polisulfona de acuerdo con la reivindicación
1, donde dicho líquido coagulante interno y/o líquido coagulante
externo es una solución acuosa que contiene dicho dietilenglicol
(DEG).
5. Un proceso para producir una membrana de
fibra hueca basada en polisulfona de acuerdo con la reivindicación
1, donde dicho líquido coagulante interno y/o líquido coagulante
externo es una solución acuosa que contiene dicha sal que puede
formar un hidrato.
6. Un proceso para producir una membrana de
fibra hueca basada en polisulfona de acuerdo con la reivindicación
1, donde dicha resina de polisulfona es resina de polisulfona o
resina de polietersulfona.
7. Una membrana de fibra hueca basada en
polisulfona que se puede obtener por el proceso de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
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