JP2009095702A - 孔拡散・濾過による膜分離法 - Google Patents

Abstract

【課題】
孔拡散の問題点である（１）処理液量が減少しない（２）拡散液例で回収される目的物質の濃度が低い（３）物質の膜透過速度が小さい等を解消し、孔拡散膜分離の特徴を保持した膜分離方法を提案する。
【解決手段】
孔拡散膜分離において使用される膜の平均孔径と同等の大きさの微粒子の孔中での拡散速度が、濾過による微粒子の膜透過速度より大きい条件で濾過による物質移動を孔拡散膜分離に加える孔拡散・濾過方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は膜を利用した孔拡散型膜分離において、孔拡散型膜分離の特徴である粒子による孔の目詰りを極少化し、濾過の特徴である膜による水分移動も可能にし、かつ物質の膜移動速度を孔拡散と濾過との和に近い特性を持つ膜分離法に関する。

多孔膜を用いた濾過では多孔膜中の孔に微粒子が目詰りし、濾過の進行に伴なって濾過速度が急速に減少する。ここで多孔膜は孔が空間部として透過型電子顕微鏡で観察できる孔が体積分率で３０％以上観察される膜を意味する。この孔は約５ｎｍ以上の大きさを持つ。
この目詰りの進行を遅らせるために（１）膜の構造として多層構造膜とする（特許文献1）、（２）膜の表裏面の孔径を変化させ、濾過を孔径の大きい側から小さい側へ起こさせるように濾過方法を指定る。（特許文献２）、（３）平均孔径の大きな膜を用いて前濾過した後に本濾過を実施する。（特許文献3）、（４）膜内部にバイパス用の大きな孔を持たせて、多層体を構成する膜のすべてを濾過に有効に利用する濾過方法（特許文献４）が提案されている。

本発明中で多層構造膜とは膜をその断面方向から電子顕微鏡で観察した場合、厚さ０．１μｍ〜０．３μｍの帯状物が積層した形が観察され、膜の平面方向からの観察では網状物が観察される膜である。この膜は一般的にはミクロ相分離法で作製される。多孔膜であり、かつ多層構造膜である膜が本発明で利用される膜として最も望ましい構造を持つ膜である。一つの層の厚さが０．１μｍ〜０．３μｍであり、その具体的な厚さはミクロ相分離製膜の条件、特に相分離条件（温度、製膜用原液中の高分子濃度、相分離時間など）で決定される。

本発明中の膜分離に関する技術としては（１）膜の裏表面間の圧力差（これを膜間差圧という）を膜中での物質輸送の駆動力とする膜濾過技術と、（２）膜を介した2種の液体間での対象物質の濃度差を該物質の移動の駆動力とし、流体としての流れ（体積流れ）は起こらず該物質の分子の持つ熱運動性（いわゆるブラウン運動）の結果としての拡散流れを利用する膜拡散技術と、（３）膜を介した温度差や電圧差を駆動力とした物質の移動を利用する膜分離技術がある。

膜拡散技術には、（ａ）膜中の孔（直径５ｎｍ以上）を利用した拡散で、事実上水中と同じ拡散の活性化エネルギー０〜４Ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ）を示し、拡散係数の平均孔径依存性は正の相関性を示し、空孔率に比例する拡散（孔拡散）と、（ｂ）膜の非多孔部で、それを構成する高分子のセグメントのミクロブラウン運動で生じる自由体積部を拡散し、拡散の活性化エネルギーは１０Ｋｃａｌ／ｍｏｌｅ以上である拡散（溶解（透析）拡散）とがある。本発明では孔拡散膜分離技術に関する。

半径ａの微粒子の水中における拡散係数をＤとすると時間ｔの間に微粒子の移動する距離の2乗平均ｘ^２は２Dｔで与えられる。微粒子の集団としての移動速度はＤ・△Ｃ／ ｌ_ｄ（ここで△Ｃは多層構造膜で隣りあった層間かの微粒子濃度差がありｌ_ｄは層間距離である）で与えられる。本発明中の拡散速度は上記の層間での微粒子の移動速度を意味する。

液体の濾過速度（Ｊ）とは膜間差圧が△Ｐで、液体粘度がη、膜厚がｄで膜の平均孔径率がｒ_ｆであれば理論的にはＪ＝（△Ｐ／ｄ）（π／８ηｒ_ｆ ^４）である。実側される単位膜面積当りの濾過速度Ｊは（２）式で与えられる。
Ｊ＝（△Ｐ／ｄ）（π／８η・Ｐｒ）ｒ_ｆ ^２ （２）

孔拡散膜分離の操作条件的な特徴は（Ａ）膜間差圧が事実上零であることと（ｂ）駆動力は濃度勾配であり膜を介して濃度差が常に存在し、（ｃ）膜を介して一方には処理液（被拡散液）があり、他方には膜を介して拡散透過する物質の濃度が処理液中の濃度より低い溶液（通常水または食塩水）を外系から供給する点にある。
特許公告平成４−５００５４号「高分子多孔質中空糸及びそれを利用したウイルス除去方法」 特許公開平成３−１４６０６７号「血漿濾過方法」 特許公告平成２−５７９８２号「再生セルロース中空糸膜」 特許公表２００４−５００２２９号「フィルター及び流体の濾過方法」

孔拡散膜分離技術は（１）微粒子による孔の目詰りがないことと（２）微粒子除去機構として粒子径と孔径との関係で定まるふるい効果と粒子のブラウン運動の活発度の粒子径依存性効果との２効果のため同一膜を用いた場合にろ過膜分離より高い粒子除去率を示す特徴を持つ。また処理条件的には、平膜の場合でも△Ｐはほとんど零のための支持体を必要としない。孔の目詰りがないため処理液の精製度は必要なく処理液中の回収すべき物質の濃度が高い溶液の方が処理対象として好ましい。さらに目詰りがないため膜の再生利用が容易である。

一方、孔拡散の問題点として（ａ）処理液量が一定で減少することがない、（ｂ）物質の膜透過速度が、平均孔径が３０ｎｍ以上においては濾過の場合より一般に小さい、（ｃ）拡散液中物質の濃度が常に処理液中の濃度より小さい、（ｄ）回収率を高めると拡散液中物質の濃度は減少する。本発明では上記の（ａ）〜（ｄ）の問題点を解消し、孔拡散膜分離の特徴を保持した膜分離方法を提案する。

孔拡散の問題点の解消法として膜濃縮工程を孔拡散工程の前または後工程に加える方法がある。この方法では工程数が増える欠点のみでなく全体としての処理時間が増大し、２種類以上の膜を利用しなくてはならない。本発明では２種類の膜を必要とせず、複数の工程を組み合わせることなく孔拡散の問題点を解消することを目的としている。

膜間差圧△Ｐを零〜０．５気圧の範囲で変化させて平均孔径２０ｎｍの多孔性多層構造構造膜を用いて孔拡散実験を行った結果、アルブミン（卵）の１重量％の水溶液では△Ｐの増加を共にアルブミンの膜透過率と膜透過速度は増加する。ただし実験を継続すると目詰りが起る。一定の膜間差圧での孔拡散、あるいは処理液の一定の速度での膜透過を行った際の目詰り現象は前者では膜透過速度の急速な減少を、後者では膜間差圧の増加が起るのが一般的である。しかしある条件範囲ではこの目詰りをさけることができることを発見して本発明に至った。

多層構造構造へのタンパク水曜液の目詰り機構を検討した結果、以下のことが明らかとなった。目詰りの原因となる物質は２種類に分類された。すなわちタンパクの会合体や混在する微粒子でその大きさが平均孔径の１／２以上であるいわゆる微粒子である。もう一種は分子状に溶解したタンパク分子自体でその大きさは平均孔径の１／２未満である。前者による目詰りを血栓型目詰り、後者による目詰りを梗塞型目詰りと定義した。濾過速度を零に近づけると梗塞型目詰りは解消し、血栓型目詰りのみとなることを発見して本発明に至った。

本発明の最大の特徴は孔拡散・濾過方法と名付けた膜分離方法を利用する点にある。孔拡散・濾過とは（ａ）物質移動の駆動力は膜間差圧△Ｐと濃度勾配△Ｃ、（ｂ）物質は膜中の孔を通過する量が全体の通過量の５０％以上、（ｃ）拡散液側（濾液側でもある）に外系より液体が供給される。（ｄ）回収目的物質の拡散速度が該物質の濾過速度の１／２以上であること、（ｅ）利用される膜としては空孔率５０％以上、平均孔径５ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。孔拡散・濾過方法により孔拡散法の問題点が解消できる可能性がある。

本発明の第２の特徴は、ほぼ完全に除去すべき微粒子の大きさにほぼ近い平均孔径をもつ膜を使用し、該粒子の拡散速度が処理される液体の濾過速度より大きい条件で孔拡散・濾過される点にある。この条件を採用することにより孔拡散の特徴が生かされ、かつ回収すべき物質の回収率および膜透過速度が増加し、処理対象の液体の体積を減少させることができる。この際回収対象の物質の拡散により輸送される方向と濾過により輸送方向とは一致させる。

孔拡散では梗塞型の目詰りは、膜素材と吸着性のない物質については起らない。したがって上述の本発明の第２の特徴によって該物質の目詰りは防止される。膜分離技術が一般に水溶液に適用されることから水中での吸着性の小さい素材として親水性高分子が膜の素材として好ましい。特に親水性の大きな再生セルロースが特に良い。再生セルロースの多層構造膜はセルロース銅安溶液よりミクロ相分離法で製膜する方法、あるいはセルロース誘導体の溶液よりミクロ相分離法で製膜後、再生セルロースへけん化する方法がある。

溶液中に存在する微粒子の大きさが使用する膜の平均孔径よりはるかに大きい場合にはこれらの微粒子は濾過の際には血栓型の目詰りを膜表面でのみ起す。しかしこれらの微粒子は濾過以外の方法（例えば遠心分離法、沈降法など）で除去できる。そのため目詰りも防止可能である。膜を用いた場合、微粒子の直径が平均孔径の１／２〜２倍の微粒子は血栓型の目詰りを起こし、この目詰りが膜内部まで進行する。そのためこの目詰りの場合には逆洗による膜透過性の回復はむつかしい。

本発明の第３の特徴は、使用される膜の平均孔径に匹敵する大きさを持つ微粒子の拡散速度が液体の濾過速度より大きい条件に維持する点にある。このように維持することにより、微粒子の直径が平均孔径の１／２〜２倍の微粒子による血栓型の目詰りが起らなくなる。この条件を満足した孔拡散・濾過が実現されるには膜間差圧△Ｐが（１）式を満足するように膜厚ｄ、粘度ηおよび膜の平均孔径ｒ_ｆを組み合せれば良い。
△Ｐ≦ＫＤｄ・η／ｒ_ｆ ^２ （１）
ここでＤは上記微粒子の拡散係数、Ｋは膜の孔構造を反映した定数で非多層構造膜では４０００、多層構造膜では２×１０^５である。

孔拡散・濾過で膜に負荷できる圧力は（１）式からも明らかなように多層構造膜では大きく、また膜厚が大きいほど大きい。平均孔径の依存性が特に大きく、この依存性は平均孔径が小さいほど顕著である。平均孔径が２０ｎｍでは△Ｐは最大Ｋ・Ｄ・ｄ・η×１０^１２（ｃｍ^−２）まで可能である。（括弧内のディメンジョンは平均孔半径をｃｍ単位で表現したことを示す。）

孔拡散・濾過法で微粒子を効率的に除去する目的の場合には、（１）式を満足する膜間差圧を与え、使用する膜の平均孔径を微粒子の径に匹敵させ、膜としては多層構造膜とすることが重要である。これらを満足させることにより、目詰りのない状態で、微粒子を効率良く、しかも有用成分を早く高い回収率で精製できる。本発明技術では多層構造膜の平均孔径を高度に除去すべき微粒子の平均孔径とに一致させることにより、梗塞型の目詰りと血栓型の目詰りを極少化できる。

除去すべき微粒子がウイルスの場合、平均孔径が２０〜２５ｎｍの多層構造膜を利用すれば、ほぼすべてのウイルスが除去でき、しかも再生セルロース製の多層構造膜では共存するタンパクの膜透過率を高く維持することが可能となる。除去すべき微粒子がプリオンの場合、平均孔径を１０ｎｍに設定する。除去すべき微粒子がマイコプラズマであれば平均孔径８０ｎｍ、除去すべき微粒子が細菌であれば平均孔径は３００ｎｍに設定すれば良い。

本発明中の膜の平均孔径は（純水の粘度・膜厚・濾過速度／膜間差圧・空孔率）の平方根で与えられる。ここで濾過速度は一平方メートルの膜面積当たりの純水の濾過速度でｍｌ／分の単位で測定され、膜厚はμｍの単位、粘度はセンチポイズ、膜間差圧はｍｍＨｇ単位、空孔率は無次元単位である。この際の膜の平均孔径の単位はｎｍとなる。
空孔率は次式により与えられる。
空孔率＝（１―膜の見掛け密度／素材高分子の密度）
膜の見掛け密度は（膜の重量／膜の面積・膜厚）で算出される。素材高分子の密度は空孔率０％時の膜の密度でこれはすでに文献で与えられている。

本発明により孔拡散の問題点を解消し、その特徴を保持することができる。さらに濾過の特徴を有し、濾過の問題点も解消される。すなわち孔の目詰りが極少化し、単位膜面積の処理量が増加し、かつ処理液の前濾過も必要でなくなる。物質の膜透過速度は膜濾過単独より大きく孔拡散単独よりも大きい。微粒子除去性能は膜濾過よりも大きく、孔拡散より小さい。実用的な観点からは微粒子が多数分散した溶液を前処理することなく、またデットエンド濾過と同様に短時間で処理液量を少なくしつつ、微粒子成分を濃縮回収も可能である。

酢酸セルロース溶液よりミクロ相分離法により多層構造膜を作製し、アルカリ水溶液でケン化により平均孔径２０ｎｍ，膜厚１００μｍ，空孔率８５％の再生セルロース多孔性膜を作製する。この際膜表面の電子顕微鏡法で評価した平均孔径は１５ｎｍ、裏面の平均孔径は９０ｎｍとする。層数は４００層である。アルブミンの２重量％の溶液（温度２５度）を膜の裏面側に導入し、表面側に純水（温度２５度）を導入する。膜面積１ｍ^２当り８０ｍｌ／分で該溶液を膜裏面側にデットエンドで供給する。膜表面には純水を膜面積１ｍ^２当り８０ｍｌ／分で連続的にクロスフロー的に流す。この際膜間差圧は０．１２気圧以下に保たれ、４時間以上孔拡散・濾過膜分離が続きアルブミン回収率は１００％、回収直後の溶液中のアルブミン濃度は１重量％でありアルブミンの会合体等の微粒子成分は皆無（動的光散乱による確認）である。

孔拡散・濾過を実施するには膜の形態としては中空糸膜より平膜が適する。中空糸膜を利用する場合には内径を５００μｍ以上にするか、あるいは中空糸長を７ｃｍ以下に短くする。平膜をモジュールに成型する際溶液を導入する側には出入口は２個、拡散液側にも２個必要である。拡散液側には液体の流れが膜面積全体に行きわたるように不織布やメッシュ状物を設置する。（このモジュールを以降孔拡散モジュールと略称する）

酢化度５４．０％のアセテートをアセトン溶液に溶解後、ミクロ相分離法によってアセテート多層構造膜をつくり、これを０．１規定の水酸化ナトリウム溶液に浸漬し、水洗後アセトン／水系で乾燥した。得られ膜は多層構造を持つことを透過型電子顕微鏡で確認された。平均孔径は１０ｎｍで、空孔率は８６％、膜厚は８０μｍであった。有効面積１００ｃｍ^２の膜を孔拡散モジュールに装着した。膜の裏面側に３重量％のアルブミン水溶液を０．４ｍｌ／分でデットエンド型で供給した。膜の表面側には純水を０．４ｍｌ／分でタンジェンシャル型で流す。温度は２５度であった。４時間膜分離処理中に膜間差圧は除去に増加するがほぼ０．３気圧で一定となり目詰りが起っていないことがわかる。アルブミンの回収率は９５％、拡散液中のアルブミン濃度は約１．５重量％であった。拡散液は透明で動的光散乱では粒子の存在は無視できる程度であった。

本発明は微粒子除去が必要な分野のすべてに適用される。バイオ医薬品の製造工程でウイルスやプリオン除去用の分離技術として利用される。バイオリアクターへ直結させて反応生成物を分離回収し未反応物や酵素や細胞や菌を反応系にもどすなど、バイオ技術で
の精製工程での上流側でも利用される。無機および有機微粒子が混入している廃液の処理や、有用物質を回収するリサイクル分野でも利用される。

Claims (4)

1. 孔拡散型膜分離において、使用される膜の平均孔径に匹適する大きさを持つ微粒子の拡散速度が濾過による膜透過速度より大きい条件で、該膜の孔で拡散による物質移動の方向と同一方向で濾過による物質移動を加えることを特徴とする孔拡散濾過方法。
2. 請求項第1項において膜に負荷する圧力（膜間差圧）△Ｐが下記（１）式で与えられることを特徴とする孔拡散・濾過方法。
   ・ Ｐ≦ｋｄＤη／ｒ_ｆ ² （１）
   ここでＤは微粒子の拡散係数、ｄは膜厚、ηは分離対象とする液体の粘度ｒ_ｆは平均孔径、ｋは膜の孔構造を反映した定数で非多層構造構造膜では４０００、多層構造膜では２×１０^５である。
3. 請求項１，２項において孔拡散・濾過方法で微粒子を除去する場合において、使用する膜の平均孔径が該微粒子の平均粒径であり、かつ膜が多層構造を持つことを特徴とする孔拡散・濾過方法。
4. 請求項第３項において除去対象の微粒子がウイルスであり、膜の平均孔径は２０ｎｍであり、膜の素材として再生セルロースであることを特徴とする孔拡散・濾過方法。