JPH04250834A - 精密ろ過膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は精密ろ過膜の構造、特性
に関するものであり、特に大きい膜透過流束を維持する
ための濾過方式に使用される濾過膜に関するものである
。本発明の精密ろ過膜は、種々の高分子、微生物、酵母
、微粒子を含有あるいは懸濁する流体の分離、精製、回
収、濃縮などに適用され、特に濾過を必要とする微細な
微粒子を含有する流体からその微粒子を分離する必要の
あるあらゆる場合に適用することができ、例えば微粒子
を含有する各種の懸濁液、発酵液あるいは培養液などの
他、顔料の懸濁液などから微粒子を分離する場合にも適
用され、また微粒子を含む懸濁気体から微粒子を分離、
除去して気体を精製する、例えば医薬用アンプルへ充填
する無菌化窒素ガス、超純水製造装置への陽圧用ガスと
して充填する無塵、無菌のガスあるいはＩＣ製造ライン
における空調用無塵、無菌の空気などの製造のためにも
適用される。

【０００２】

【従来の技術】従来、膜を用いて懸濁物質を含有する原
流体から懸濁物質を分離する技術としては、例えば圧力
を駆動力とする逆浸透法、限外濾過法、精密濾過法、電
位差を駆動力とする電気透析法、濃度差を駆動力とする
拡散透析法等がある。これらの方法は、連続操作が可能
であり、分離操作中に温度やｐＨの条件を大きく変化さ
せることなく分離、精製あるいは濃縮ができ、粒子、分
子、イオン等の広範囲にわたって分離が可能であり、小
型プラント処理能力を大きく保つことができるので経済
的であり、分離操作に要するエネルギーが小さく、かつ
他の分離方法では難しい低濃度原流体の処理が可能であ
るなどの理由により広範囲に実施されている。そしてこ
れらの分離技術に用いられる膜としては、酢酸セルロー
ス、硝酸セルロース、再生セルロース、ポリスルホン、
ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリイミド等の有
機高分子等を主体とした高分子膜や耐熱性、耐薬品性な
どの耐久性に優れている多孔質セラミック膜などがあり
、主としてコロイドの濾過を対象とする場合は限外濾過
膜が使用され、微細な粒子の濾過を対象とする精密濾過
ではそれに適した微孔を有する精密濾過膜が使用されて
いる。

【０００３】ところで近年、バイオテクノロジーの進歩
に伴い、高純度化、高性能化、高精密化が要求されるよ
うになり、精密濾過あるいは限外濾過技術の応用分野が
拡大しつつある。しかしながら、精密濾過あるいは限外
濾過においては膜を用いて微粒子を分離する場合に、濃
度分極の影響によりケーク層が生じて透過流体の流れに
抵抗が生じ、また膜の目詰まりによる抵抗が大きくなっ
て膜透過流束が急激にかつ著しく低下してしまうとう問
題があり、これが精密濾過あるいは限外濾過の実用化を
妨げる最大の原因であった。またそれに用いられる膜は
汚染されやすく、その防止対策が必要である。濾過方法
としては、濾過されるべき全ての流体が濾材（濾布や膜
など）とケーク層を通過して流体中に含まれている微粒
子を分離するいわゆるデッドエンド型濾過方式がある。 このデッドエンド型濾過方式では流体が通過して懸濁物
質が分離されるためには濾材とケーク層が含有する流体
の流れを妨げる抵抗に打ち勝つ圧力が必要であり、この
ため精密濾過あるいは限外濾過においては、このような
デッドエンド濾過を行うと膜透過流束が小さくなってし
まうのである。このため、クロスフロー型濾過方式をす
ることが考えられた。このクロスフロー型濾過方式は、
濾過膜の膜表面に平行に濾過すべき原流体を流し、流体
は濾過膜を通って反対側へ透過し、この原流体と透過流
体の流れが直交しているためにこのように称されている
。このクロスフロー型濾過方式は、膜に平行な原流体の
流れによって膜面上に形成されたケーク層がはぎ取られ
るので従来のデッドエンド型濾過方式に比べて膜透過流
束が大きく、大量の原流体を直接連続的に分離、精製、
濃縮が可能であり、濾過性向上のためのフロック生成剤
を必要とせず、そのため捕集された懸濁物質に助剤が混
入せず、膜の微孔径と目的物質との相互作用をコントロ
ールすることによりきわめて純粋な濾過流体が得られる
等の特徴を有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、クロス
フロー型濾過方式は原理的には高度な分離技術であるが
、最大の問題である膜透過流束は、デッドエンド型濾過
方式に比べて大きいが、精密濾過方法としてこのクロス
フロー方式を採用しても十分高い膜透過流束が得られな
いという問題があった。また従来から行われている懸濁
物質と流体との分離の具体的な例を見ても、例えば発酵
液から菌体を分離する場合には、従来遠心分離法、ケー
ク濾過法、珪藻土濾過法などの一次濾過と精密濾過法等
の二次濾過が併用されているが、菌体等の分離ではプロ
セスの連続化が困難であり、酵素などの生成物が濾過助
剤に強く吸着することにより回収率が低下し、二次濾過
である精密濾過による菌体の収集の際には、膜面上に形
成されたケーク層や目詰まりによって濾過時間の経過と
共に膜透過流束が低下し、さらに遠心分離法により菌体
の活性が失われるという問題があった。

【０００５】これらの問題を解決するために、従来から
濾過膜への原流体の流入を断続的に停止したり、濾過膜
の透過流体側の弁を閉止することにより、濾過膜の膜面
に垂直にかかる圧力を断続的になくすあるいは減少させ
たり、また濾過膜の透過液側から圧力を加え透過液側か
ら原流体側へ流体を流すことによって、濾過膜の原流体
側の膜面上に堆積しているケーク層や付着層を断続的に
取り除く「逆洗」と称する試みがなされている。しかし
、これら逆洗が行われた場合、ケーク層、付着層と膜と
の吸着力、結合力が小さい剛体粒子等の場合には「逆洗
」の後、透過流束が濾過開始初期の透過流束まで回復す
るが、酵母や微生物等の高吸着性、高圧縮性の懸濁物質
の場合「逆洗」を行っても、ケーク層や付着層が十分取
り除けないため、透過流束は回復せず徐々に低下して結
果として経済的な透過流束を得ることができなかった。

【０００６】

【問題を解決するための手段】本発明は、上述した従来
技術にあった問題点を解決するために試されたものであ
って、実用性のある高い膜透過流束を持つ新規な精密ろ
過膜を提供することを目的とするものである。すなわち
本発明は、懸濁物を含む懸濁液からと懸濁物質と液体と
を分離する目的において、濾過膜の表面が親水性の高い
セルローズ層で覆われて且つ高い純水透過流束特性と表
面開孔率を有することを特徴とする酢酸セルローズ精密
ろ過膜を提供する。以下、本発明の精密ろ過膜およびそ
の製法について以下に詳しく説明する。

【０００７】酢酸セルローズから精密ろ過膜を製造する
時は、通常酢酸セルローズを溶液中から相分離させる方
法が使用されるが、本発明においてもかかる方法が好ま
しく使用される。即ち、酢酸セルローズの良溶剤、貧溶
剤及び又は非溶剤を含む酢酸セルローズ溶液をつくり、
この溶液を支持体に塗布又は流延した後に、これを乾燥
して酢酸セルローズの皮膜を形成し、あるいは最後に皮
膜を支持体から剥離すれば精密ろ過膜が得られる。ここ
で良溶剤とは、酢酸セルローズを溶解し、貧溶剤及び非
溶剤よりも揮発性が高いか又は低沸点の溶剤を指す。

【０００８】酢酸セルローズの一般的な良溶剤としては
、塩化メチレン、クロロホルム、塩化エチレン、塩化エ
チリデン、トリクロルエタン、テトラクロルエタン、臭
化エチルの如きハロゲン化炭化水素類、アセトン、メチ
ルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキ
サノンの如きケトン類、ジオキサン、テトラヒドロフラ
ン、メチルセロソルブ、エチルセロソルブの如きエーテ
ル類、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、酢酸メ
チル、酢酸エチル、酢酸アミル、プロピオン酸メチル、
酪酸エチル、酪酸メチルの如きエステル類、ギ酸、酢酸
、プロピオン酸の如き脂肪酸、ジメチルホルムアミド、
ジメチルスルホキシド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、
２−ピロリドン、ホルムアミドの如き極性有機溶剤など
の中から１種以上のが選ばれる。良溶剤は沸点が８０℃
以下のものが取扱上特に好ましく用いられる。

【０００９】ここで貧溶剤とは、酢酸セルローズを実質
的に溶解しないが膨潤させる溶剤であって、良溶剤と混
和するものが好ましい。貧溶剤の具体例としては、メタ
ノール、エタノール、ｎ−プロパノール、ｉ−プロパノ
ール、ブタノールの如きアルコール類が特に好ましく用
いられる。特に良溶剤よりも揮発性が低いかあるいは沸
点の高い溶剤が好ましい。

【００１０】更に非溶剤とは、酢酸セルローズを実質的
に溶解膨潤させず、貧溶剤と混和する溶剤である。非溶
剤は多くの場合は水であり、時にはヘキサン、ヘプタン
、デカンの如き脂肪族炭化水素類、シクロヘキサンの如
き脂環式炭化水素類、トルエン、ベンゼン、テトラリン
の如き芳香族炭化水素類、エチレングリコール、ジエチ
レングリコール、トリエチレングリコール、グリセリン
の如き多価アルコールなどが使用される。上記の三種の
溶剤はそれぞれ二種以上を混合して使用できることはい
うまでもない。

【００１１】酢酸セルローズの溶液には上記溶剤の他に
、有機リン酸エステルやフタル酸エステルの如き可塑剤
や、高級カルボン酸塩、高級アルコール硫酸エステル塩
、アルキルアリルスルホン酸塩の如きアニオン系界面活
性剤、アミン塩、アンモニウム塩の如きカチオン界面活
性剤、アルキルアリルエーテル、アルキルフェニルエー
テル、ポリオキシアルキルフェニルエーテル、ソルビタ
ンモノアルキルエステル、ポリエチレンオキサイドの如
きノニオン系界面活性剤、塩化ナトリウム、塩化マグネ
シウム、硫酸ナトリウムの如き無機塩類も添加すること
ができる。

【００１２】使用する酢酸セルローズは酢化度が４２％
から６２％のジアセテートや、トリアセテートと呼ばれ
るものを用いる。酢化度が５０％から６０％の範囲にあ
るものが微孔形成上好ましい。特に５５％から５９％の
ものが好ましい。酢化度の異なる二種以上の酢酸セルロ
ーズを混合して用いることもできる。この場合も、混合
した酢酸セルローズの平均酢化度が５０％から６０％の
範囲にあることが好ましい。ここで酢化度とは、酢酸セ
ルローズをアルカリで完全に鹸化して生成した酢酸重量
の、元の酢酸セルローズ重量に対する割合を、百分率で
表したものである。従ってセルローズのすべての水酸基
がアセチル基になっている三酢酸セルローズにおいては
、その酢化度は６２．５％となる。

【００１３】このようにして調製された酢酸セルローズ
溶液は硝子板、ステンレスベルト、プラスチックフィル
ムあるいは織布や不織布といった支持体上に流延あるい
は塗布される。その後支持体上の皮膜は乾燥される。乾
燥は皮膜中で酢酸セルローズを相分離させるためにおこ
なわれ、通常は良溶剤の沸点以下、好ましくは３５℃以
下の温度で乾燥される。この場合乾燥時間を長くすれば
、即ち徐々に乾燥すれば、精密ろ過膜の孔径は大きくな
り、膜の表面と裏面との孔径差は小さくなる傾向がある
。逆に乾燥を速くするように乾燥風量を多くしたり、乾
燥温度を高くしたりすると、孔径は小さくなり、膜の表
裏の孔径差は大きくなる傾向がある。また酢酸セルロー
ズ溶液に用いる良溶剤として揮発性の低い溶剤を用いた
り、沸点の高い溶剤を用いると、孔径は大きくなり表裏
の孔径差は小さくなる傾向がある。通常膜が空気と接し
ている側の孔径は支持体に接している側の孔径よりも小
さくなるが、支持体と直接接触している厚さ数ミクロン
部分の孔径だけはそのすぐ内部の孔径よりもかえって小
さくなる傾向がある。

【００１４】支持体に接触している内部よりも孔径の小
さな部分を特公昭５５−６４０６号に記載されているよ
うな方法、例えば接着剤有するプラスチックフィルム上
に膜を形成した後に表層のせいぜい５μｍ以下を剥離す
れば、表裏で孔径差が２倍から１００倍も異なる精密ろ
過膜が得られる。このように膜の表裏で孔径差の大きな
膜は、孔径の小さな部分で微粒子を捕捉する一方、その
反対側では孔径が大きいのでろ過抵抗が小さいという特
徴がある。特公昭５５−６４０６号の方法により膜の表
層を除去した時にはさらに膜の表面開孔率を飛躍的に向
上させることができる。通常製膜直後の表面開孔率は製
膜溶液組成、特に酢酸セルローズ濃度や乾燥条件により
異なるが、３０％を越えることはほとんどない。酢酸セ
ルローズ濃度が高い時や乾燥温度を高くしたり風量を多
くしたりして急乾燥したりして時は、表面開孔率が１０
％以下になることも稀ではない。しかし表層の数μｍを
除去することにより、開孔率は容易に３０％以上に大き
くすることができる。表層を除去した内部の開孔率は膜
全体の空隙率（膜中の空隙体積／見掛け上の膜体積×１
００）にほぼ比例する。通常膜の空隙率は５０％から８
５％であるので、表層を除去することにより表面開孔率
５０％から８５％の膜が容易に得られる。

【００１５】このようにして製膜した酢酸セルローズ膜
の表面に蛋白質や菌体が付着しにくくするためには、こ
の膜をアルカリ溶液中で表面のみ鹸化して、膜表面を再
生セルローズに変えてやればよい。ここで用いるアルカ
リはＮａＯＨ、ＫＯＨの如き一般的なアルカリならば何
でもよい。アルカリの濃度は室温で処理する時は０．１
規定から１規定の範囲が好ましく、特に０．２規定から
０．６規定の範囲が好ましい。この好ましい濃度は処理
する温度が高くなると低めに、処理温度が低くなると高
めにする必要があるのは言うまでもない。鹸化処理時間
を調節して、膜の平均酢化度が処理前よりも１％から１
０％減少するようにすると、膜の物理的力学的特性はあ
まり変化させないで表面の化学特性のみを大きく変化さ
せることができて好ましい。

【００１６】透過流束を高めるためには濾過膜の膜面に
垂直にかかる圧力を断続的になくすあるいは減少させる
「逆洗」を行った際、ケーク層や付着層は膜表面からは
ぎ取られる必要があるが、ケーク層、付着層と膜との結
合力が大きい場合には部分的あるいはほとんどケーク層
、付着層を取り除くことはできず、これら結合力を減少
させる必要があった。また、流体を透過液側から原流体
側に透過させる「逆洗」の際、濾過膜の透過抵抗が大き
い場合はケーク層、付着層をはぎ取る方向にかかる力が
低下し、上記同様にケーク層、付着層を取り除くことは
できなかった。本発明では、ケーク層、付着層と膜面と
の結合力を減少させる方法として濾過膜の表面の親水性
にし、特に表面を再生セルローズにすることにより蛋白
質との結合力を小さくできた。一方膜透過抵抗を低下さ
せることにより逆洗時に逆洗液を抵抗少なく、従ってケ
ーク層を剥ぎ取る力を損なわないで逆洗できるため、逆
洗による透過流束の回復が大きくなった。本発明は、「
逆洗」操作を行う場合に限定されず、クロスフロー型濾
過方式で原流体の流束を極端に高めたり、回転円筒型濾
過器のようにケース層や付着層を剥ぎ取る剪断力が極端
に大きいときは逆洗操作を行わなくても効果が顕著であ
る。

【００１７】本発明の精密ろ過膜を用いるクロスフロー
濾過方法を図１に示す。図２はクロスフロー濾過器の断
面図を表しており、懸濁物質が膜面上でケーク層を形成
している状態を示している。

【００１８】

【実施例】以下に具体例をあげて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 実施例１ 次の組成の酢酸セルローズ溶液を調製する。 酢酸セルローズ（酢過度５５．０）　　　　７．０部グ
リセリン　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　０．２部塩化メチレン　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　５４．０部メタノール　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３５．５
部水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　４．３部この溶液を、ニトロセ
ルローズが塗布され乾燥されたポリエステルシート上に
流延し、２５℃で２０分、続いて８０℃で３０分乾燥し
、ポリエステルシートから酢酸セルローズの膜を、その
支持体側に接している表層のみを除き、剥離する。これ
を０．３規定のＮａＯＨ溶液中で２３℃５分間鹸化した
後、水洗乾燥した。できた膜の平均孔径は（ＡＳＴＭ−
Ｆ３１６の方法による）０．２５ミクロン、２５℃水の
初期流束は２００ｍｌ／ｋｇ分、平均酢化度は５１であ
った。また走査型電子顕微鏡による表面および裏面の観
察による孔径の相違は、約２０倍であった。膜の空隙率
は６９％であった。

【００１９】比較例１ 実施例１の方法で製膜した膜の、その支持体側に接して
いる表層を剥離除去せず、さらに鹸化も行わずにそのま
まろ過試験に用いる。この膜の支持体に接していた側の
表面開孔率は約２０％であった。

【００２０】実施例２ 比較例１の膜を０．３規定のＮａＯＨ溶液中で２３℃５
分間鹸化した後、水洗乾燥した。

【００２１】実施例３ 大腸菌（ＩＦＯ−３３０１）を０．９ｗｔ／％の生理食
塩水に１ｄｒｙ　ｇ／ｌ　の含有率で分離させたものを
懸濁液として用い、実施例１および２および比較例１で
つくった精密濾過膜を用いてクロスフロー濾過を行った
。使用したモジュールは有効膜面積１００ｃｍ２　の薄
層流路式のもので、実験条件は圧力差０．５ｋｇ／ｃｍ
２　、原流体の流量１０１／ｍｉｎ　、液温度２５℃で
あった。濾過開始後原流体を送るポンプを断続的に停止
して逆洗を行った。逆洗はポンプ運転１５０秒、停止３
０秒で操作した。図３に透過流束の経時変化を示した。 この結果、表面を鹸化処理して再生セルローズとした膜
は鹸化処理をしない膜よりも長時間十日流束を高く維持
できた。また表面開孔率の高い膜は低い膜よりも長時間
十日流束を高く維持できた。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、基本的には逆洗を伴う
濾過方式において高い膜透過流束が得られ、それによっ
て種々の懸濁物質を含有する液体から各懸濁成分の分離
、回収、精製、濃縮などがきわめて効率的しかも経済的
に行われる。そしてさらにプロセスの連続化及び装置の
小型化が可能であり、膜の選択性を利用して目的物のみ
を連続的に選択的に分離刷ることができ、酵母や菌体な
どを反応液中に固定することよりバイオリアクターへの
応用ができ、従来技術に比べて運転管理が容易でかつ高
濃度で運転が可能であり、膜の透過性を回復させるため
に特別な洗浄などを必要としないなど諸々の効果が奏せ
られる。

【００２３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本濾過膜を用いるクロスフロー濾過方法の概念
を示した説明図である。図において、供給タンク１内の
懸濁液を配管２を経てポンプ３により濾過膜を内蔵した
モジュール５通して循環する。この際懸濁液の圧力は圧
力調整バルブ８によって調整する。この圧力を圧力計４
により、液の流量はフローメーター９により読み取る。 逆洗はポンプ３を停止することにより行われる。

【００２４】

【図２】クロスフロー濾過器内の断面図であり、懸濁物
質が濾過膜の表面上にケーク層を形成している状態を表
している。

【００２５】

【図３】周期的に逆洗を行った場合の透過流束の経時変
化を示している。

【００２６】

【符号の説明】

１　　供給タンク　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　２　　一次側配管３　　ポンプ　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　４、７　　圧力計５
　　ろ過モジュール　　　　　　　　　　　　　　　　
　　６　　透過液側配管 ８　　圧力調製バルブ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　９　　フローメーター １０　　透過液タンク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　平均酢化度５０％から６０％の酢酸セ
   ルローズ微孔性膜をアルカリ鹸化し、平均酢化度を元の
   酢化度より３％から１０％低下させたことを特徴とする
   、クロスフローろ過用精密ろ過膜。
2. 【請求項２】　　表面開孔率が３０％以上である請求項
   １の精密ろ過膜。
3. 【請求項３】　　膜の厚さ方向に孔径が連続的に小さく
   なる異方性孔構造を有し、その孔径が大なる表面の孔径
   が反対側表面の孔径の２倍から１００倍の範囲であるこ
   とを特徴とする、請求項２の精密ろ過膜。