CN1029773C - 高渗性聚砜中空纤维超滤膜制备 - Google Patents

Abstract

一种高渗性聚砜中空纤维超滤膜的制备工艺包括采用聚砜-溶剂-非溶剂-盐-表面活性剂五元体系配制的制膜液及干喷-湿纺法纺丝技术两个主要过程。利用本发明技术可以制备出具有不同切割分子量的中空纤维超滤膜，它们具有高纯水渗透性。所制备的滤膜组装成超滤器可在胸腺肽的生产，人α-干扰素的纯化、糖化酶和尿激酶等酶制剂浓缩及其它生化制品的分离、浓缩和灭菌或超纯水生产应用具有广泛工业应用前景。

Description

本发明涉及一种高分子超滤膜的制备方法，具体地说是提供一种制备具有高渗透性能中空纤维超滤膜的工艺方法。

随着生物工程的迅速发展，由于超滤膜及其分离技术具有可在常压，常温或低温下操作，无相变，能保持滤液的pH值，且可同时浓缩和纯化等特点，正在逐渐取代传统工艺过程。广泛应用于酶制剂、疫苗、药物、基因工程生物制品的分离，浓缩和纯化，在生物酶膜反应器方面的应用也取得了长足进展。中空纤维超滤器以其膜装填密度大等特点成为广泛采用的一种超滤器，而中空纤维超滤膜的研制是其核心问题。中空纤维系通常是采用凝胶法制备的，基于高分子溶液在沉淀剂作用下发生相转化的过程。由于中空纤维膜的成型是靠自身的粘度自我支撑，因而使纺丝膜液的粘度下限受到很大限制，而且在沉淀过程中，膜的内外表面都发生溶剂与沉淀剂的交换，并相互作用而影响膜的最终结构。膜结构主要取决于两方面效应：1、制膜溶液和沉淀体系的平衡热力学性质;2、在膜形成过程中溶剂和沉淀剂交换速率对成膜过程动力学的影响。在实际膜的制备过程中则主要为选配适当的中空纤维超滤膜的制膜液体系及膜制备过程采用的工艺条件。以往文献报导制备中空纤维超滤膜的制膜浆液体系一般为三元体系，最有代表性的如美国Amlcon公司制造的单皮层结构膜，是以聚砜-溶剂-盐（氯化锌）三元体系为基;日本旭化成公司制造的双皮层结构膜，采用以聚砜-溶剂-电解质三元体系。

本发明的目的是提供一种新的制备中空纤维超滤膜的工艺，这样制成的膜具有高孔容，即具有高水渗透性能。同时，通过控制膜表面孔径和膜结构形态，从而制造出各种截留性能的滤膜。

本发明为制得高渗透性能的中空纤维超滤膜，采用以聚砜-溶剂-非溶剂-盐-表面活性剂五元体系所配成制膜液体系。由于非溶剂，盐和表面活性剂的加入，使得制膜浆液粘度提高，从而可配制较低聚合物含量的膜液，而又保证纺丝时必要的粘度要求，较易获得多孔容的滤膜，并且由于加入表面活性剂，也改善了膜的亲水性和浸润角，从而提高水渗透性。

所用聚砜（Psf）可采用特性粘度为η＝0.5～0.7的产品;溶剂可采用二甲基乙酰胺（DMAC），二甲基甲酰胺（DMF），二甲基亚砜（DMSO）或者N-甲基吡咯烷酮（NMP）;非溶剂为去离子水;盐可为硝酸锂，氯化锂或高氯酸镁;表面活性剂可采用TritonX-100，吐温T-80或者其它乳化剂。上述五元体系的制膜液中，其重量百分比为：

聚砜：15～25%;溶剂：70～82.5%;非溶剂，盐和表面活性剂：2.5～5%;而非溶剂，盐和表面活性剂又按下重量百分比配制：非溶剂，90.5～95.5%;盐，4～8%;表面活性剂，0.5～1.5%。按上述比例配制浆液的具体过程为：取定量聚砜加入搅拌釜，再称取定量非溶剂（去离子水），盐和表面活性剂搅拌均匀后倒入定量的溶剂中，搅拌后倒入搅拌釜内将物料搅均，进行真空脱 泡，静止5小时以上制得制膜浆液。为保证浆液各组份充分混均，在搅拌釜搅拌过程中应保持恒温50～60℃，以80～120转/分过程速度，搅拌12～20小时为宜。

本发明的制备工艺，除上述选择原料配制制膜液外，另一制备要点就是采用一适当的制膜工艺条件。本发明中滤膜的制备是采用干喷-湿纺法纺丝技术而制成的。其工艺流程如图1所示。如图1所示纺丝制膜工艺流程图中：1、料罐，2、过滤器;3、泵;4、喷头;5、外凝槽;6、8、滚筒;7、洗槽;9、内凝剂罐。喷头4具有同心圆环式结构（内管、外管、外管壁）。料罐1中制膜液，经过滤器2过滤后由泵3打入喷头4，从圆环间外管隙中喷出，而内管注入内凝介质使初生态纤维形成中空，然后注入外凝槽5的凝固浴中凝固成膜。根据制膜液的不同配比，适当地调节纺丝操作条件：喷头结构与尺寸，喷头温度，内外凝介质和温度，喷头至凝固浴间距离，泵喂料，内凝供给和拉伸速度等，可在一定范围内改变膜的孔径大小和结构形态，从而获得具有不同分子切割性能的中空纤维超滤膜。喷头的结构，其适当的尺寸为：内管直径d孔：0.3～0.5mm，外管内径d内：0.6～0.9mm，外管外径d外：0.8～1.1mm。合适的工艺条件为：料液温度（喷头温度）：5～25℃，内外凝介质：0～50%溶剂的水溶液，内外凝温度：5～25℃，喷距凝溶距离：10～20mm。按上述条件可以制得超滤膜，为使所得膜可以在干燥状态下保存，还必须对膜进行保护处理。本发明中采用的保护处理是利用15～30%甘油和0.5～1.5%表面活性剂的水溶液一次浸润纤维膜的方法，经这样处理后，制得中空纤维超滤膜在干燥保存过程中完全保持其高渗透性能，并在组装中空纤维超滤器时，保证中空纤维丝与环氧树脂粘接材料良好粘接性能。下面通过实例对本发明的制备工艺给予进一步说明。

实例1中空纤维滤膜的制备

按下列重量百分比称取原料，Psf，18.6%;DMAC，78.8%，H₂O，LiNO₃和T-80 2.6%配制制膜浆液，其过程为：先将94%H₂O，5%LINO₃和1%T-80混合后加入DMAC中搅拌均匀，倒入搅拌釜中与Psf一起搅拌，放置12小时，搅拌温度为50℃，速度为120转/分，配制好的制膜液压入料罐1中进行真空脱泡。其喷头尺寸为d_外＝1.0mm，d_内＝0.7mm，d_孔＝0.45mm，浆液从喷头环形空隙喷出，温度控制在5℃，然后注入外凝浴凝固，再经水洗槽，以9米/分卷速卷绕集束成丝。内凝液用泵注入初生态纤维中心以形成中空，内凝液为30%DMAC水溶液，外凝为水，外凝温度为5℃，水洗槽温度为25℃。纺制成的中空纤维膜经保护液处理后即可在干态时组装成中空纤维超滤器，RS₃。

实例2中空纤维滤膜的制备2

按下列重量百分比称取原料：Psf，23%，DMAC，74%，H₂O，LICl和T-80，3%配制制膜浆液，按实例1所述制备过程，只不过用LICl代替LINO₃，喷头温度控制在25℃，外凝温度为20℃，其它条件同实例1相同制得中空纤维膜，采用同样保护处理和组成超滤器BS1。

实例3、4中空纤维滤膜的制备3，4

按实例1所述制备过程和条件，但浆液配比采用下列重量百分比，Psf，16.5%;DMSO80.9%H₂O，LINO₃和T-80，2.6%配成制膜浆液喷头尺寸为d_外＝1.1mm，d_内＝0.8mm，d_孔＝0.5mm，其它与实例1相同，重复实例1过程制得中空纤维膜，组装成超滤器BS5。

按Psf，15.5%，NMP81.9%;H₂O，LINO₃和T-80，2.6%配成制膜浆液，采用上述喷头尺头其它与实例1相同，重复实例1过程制得中空纤维膜，组装成超滤BS10。

实例5中空纤维滤膜性能试验

将上述实例1～4制得的中空纤维滤膜10～20根，装入φ10×300mm玻璃管中，两端用环氧树脂粘接剂密封，组装成小型超滤器BS3、BS1、BS5、BS10，测定膜的截留率和水渗透性能。其截留性能如表1，水渗透性能如表2。

由表1、2结果，上述本发明制备的BS系列中空纤维滤膜可切割分子量为1万、3万、5万、10万，具有不同截留特性。同时所制成的滤膜具有较好的纯水渗透性能。利用扫描电镜进一步研究BS系列中空纤维滤膜的结构，其断面为双排指状孔结构，内外均有致密皮层，测试爆破压力在1.0～1.3MPa，具有较好的机械强度。

实例6BS中空纤维超滤膜精制胸腺肽

利用实例2制备的中空纤维滤膜及BS1精制 胸腺肽实验。未经超滤精制的胸腺肽悬浊液，经调节pH值一般在6.0附近，总蛋白含量是10mg/ml左右，其中有很多分子量大于1万的杂蛋白和细菌。经BS中空纤维超滤膜超滤精制所得的结果见表3。

以上均按中国药典1985年版方法测试。

表3中V0是样品原始体积，V1中样品精制终止时浓缩体积，Cp是渗透液（精制产品）平均浓度值。该表数据由BS1型中空纤维超滤膜组件所得。组件有效膜面积为0！m²，操作工作压力为0.1MPa，样品液温度小于10℃。试验结果表明BS1膜不仅达到精制胸腺肽之目的，而且还可以去除热源和细菌。

实例7    BS中空纤维滤膜纯化人α-干扰素实验

利用实例1制备中空纤维滤膜及BS3纯化人α-干扰素实验，经干扰素诱生剂诱导人血白细胞而产生的人α-干扰素粗品，其pH值在6.0左右。原料液温度在10℃以下，效价一般在2×10³单位，以此样品做了多次重复性超滤实验。将BS中空纤维超滤所得产品和实验结果经动物试验、细菌培养、热源测定及紫外光谱仪检测和电泳仪分析进行对比，结果见下列表4：

从上述实例可以看到，利用本发明提供现体系制膜液配方所调制浆液及制膜工艺技术，可制备出具有不同切割分子量的中空纤维超滤膜，它们具有高纯水渗透性。所制备的滤膜组装成超滤器在胸腺肽的生产，人α-干扰素的终端纯化和灭菌及其它生化制品的分离、浓缩和灭菌方面或超纯水生产中具有广泛应用前景。

表1    BS系列中空纤维滤膜典型的

溶质截留特性（截留率%）

溶质    分子量    BS1    BS3    BS5    BS10

枯草杆菌肽    1，400

细胞色素C    12，400    95

核糖核酸酶    13，700    61    16    0

糜蛋白酶    25，000    85    67    0

卵蛋白酶    45，000    98    98

牛血清蛋白    67，000    98    98    98    77

γ-球蛋白    156，000    96

表2    BS系列中空纤维滤膜纯水渗透性性能

膜型号    切割分子量    纯水渗透率

升/小时·米·0.1MPa25℃

BS1    10，000    60～80

BS3    30，000    160～210

BS5    50，000    250～300

BS10    100，000    560～600

项目    样品体积    历时    V1    Cp（mg/ml）

（ml） （min） V1 产品质量^＊

1    500    20    3.3    5.40    合格

2    1630    72    16    5.85    合格

3    2900    155    29    5.31    合格

4    3800    216    38    7.28    合格

＊    热源检测-《生物制品热原质试验规程》

细菌培养-《生物制品无菌试验规程》

多肽含量-《福林-酚法》

表4    BS中空纤维超滤膜纯化人α-干扰素实验

项目    样品体积    历时    ＊    效价    热源与细菌

（ml）    （min）    CR    单位/ml    检测

1    1000    28    6    ＞500    合格

2    1850    68    11    ≥8000    合格

3    4260    155    28    ≥8000    合格

4    1500    53    10    ≥10000    合格

＊ V_CR体积浓缩倍数，膜型号为BS₃，

操作压力为0.1MPa

＊＊    热源检测-《生物制品热原质试验规程》

细菌培养-《生物制品无菌试验规程》

Claims (3)

1、一种高渗性聚砜中空纤维超滤膜的制备方法，它包括选择制膜液配方及干喷-湿纺纺丝制膜技术两个主要部分，其特征在于制膜液是采用聚砜-溶剂-非溶剂-盐-表面活性剂五元体系配制的，其配方为(重量百分比)：聚砜：15～25%，溶剂：70～82.5%；非溶剂、盐和表面活性剂：2.5～5%；而非溶剂、盐和表面活性剂又按下重量百分比配制：非溶剂：90.5～95.5%；盐：4～8%；表面活性剂：0.5～1.5%；纺丝制膜技术合适工艺条件为：料液温度(喷头温度)：5～25℃；内外凝介质：0～50%溶剂的水溶液；内外凝温度：5～25℃；喷头距凝浴距离：10～20mm。

2、按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于所采用的制膜液中聚砜（PSf）可采用特性粘度为η＝0.5～0.7的产品;溶剂可采用二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或者N-甲基吡咯熔酮;非溶剂为去离子水，盐可为硝酸锂、氯化锂或高氯酸镁;表面活性剂，可采用Trlton  X-100或吐温T-80。

3、按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于对所制得滤膜可进行保护处理，即利用15～30%甘油和0.5～1.5%表面活性剂的水溶液浸润纤维膜的处理方法。

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