CN116492852B - 一种除病毒纤维素滤膜及其制备方法 - Google Patents
一种除病毒纤维素滤膜及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及膜分离技术的领域，尤其是涉及一种除病毒纤维素滤膜及其制备方法。本申请通过改变铸膜液与凝固浴之间的表面张力比值，从而改变其在凝固浴中的分相速度，最终制备出期望的膜孔径，使得制备得到的纤维素滤膜具备截留尺寸在20nm及其以上病毒的能力，并且保证了本纤维素滤膜还具有极高的水通量以及机械性能的优势，大大降低了以天然纤维素为原料来制备除病毒过滤膜的难度，极大的提高了社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及膜分离技术的领域，尤其是涉及一种除病毒纤维素滤膜及其制备方法。
背景技术
分离膜技术利用膜两侧的压力差，实现原本不能自然分离的溶液的分离、纯化和浓缩，其优异的绿色、节能、高效特性让其在食品、化学和制药工业生产中得以广泛应用。
在生物、医药领域，膜分离技术因不会破坏蛋白质等活性物质的结构而赢得了广泛青睐，是生物制剂制造必不可少的工艺之一。目前生物制药制造过程中需要至少使用2种不同的去病毒方式，其中除病毒过滤和低pH病毒灭活法是最为常用的病毒去除/灭活方法。而低pH病毒灭活法主要灭活脂包膜病毒，而无法去除脂包膜病毒，如小白鼠病毒（MMV），这些病毒往往需要通过物理方法实现分离纯化，因为其对化学失活具有很高的抗性。因此，在生物制药产品的纯化过程中，使用除病毒滤膜能有效去除非脂包膜病毒。
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。该PES膜具有典型的双层结构(大孔径的预过滤层和小孔径的分层)，并且具有良好的病毒截留效果(LRV＞4)。以聚醚砜（PES）为材质所制备的除病毒过滤膜，虽然具有高不对称性和高通量（LMH＞400（25℃）@30psi），以及优异的病毒截留效果（LRV＞4），但是PES本身的疏水性能造成其蛋白质收率偏低。
如授权专利CN115025641B中阐述了一种高度亲水性能的再生纤维素（RC）除病毒中空过滤膜，该中空纤维素膜具有多孔进液面和多孔出液面，即滤膜在膜厚方向上的孔径先逐渐减小、后逐渐增大、再逐渐减小，同时病毒截留效果（LRV＞4）良好。与PES相比，以再生纤维素（RC）为材质所制备的除病毒过滤膜具有优异的亲水性能和高蛋白收率，但是受限于材质，其孔径分布较宽且具有较厚的截留层造成了RC除病毒过滤膜的水通量较低。如若提高病毒截留的能力，即LRV从＞5提高至＞6/7/8时，水通量的衰减更加剧烈。此外，目前市场中的RC除病毒过滤膜为中空纤维形式，不仅制备工艺比较复杂，需要双凝固浴，且力学强度也较低。
发明内容
本申请是为了克服现有技术中的滤膜对于蛋白质的收率偏低、水通量较低以及制备工艺复杂的缺陷，提供了一种除病毒纤维素滤膜及其制备方法以克服上述不足之处。
为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本申请首先提供了一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，至少包括以下步骤：
（S.1）使得纤维素溶解于铜氨溶液中，并配制成铸膜液的步骤；
（S.2）使得铸膜液的表面张力被调控至与凝固浴的表面张力之比为0.6-1.1的步骤；
（S.3）使得铸膜液流延至载体上从而形成液膜的步骤；
（S.4）使得液膜被浸入凝固浴中从而被固化形成水合纤维素膜的步骤；
（S.5）使得水合纤维素膜被酸洗再生和水洗的步骤，最终得到所述除病毒纤维素滤膜。
申请人在日常研究中发现，天然高分子（例如纤维素）在原料以及分子量分布具有不可控性，因此由纤维素制备多孔过滤膜的过程中存在孔径难以调控的问题。
此外，现有技术中制备纤维素滤膜的方式通常都是将包含有纤维素的铸膜液浸入到凝固浴中，从而形成纤维素滤膜。然而，采用传统的技术手段时含有纤维素的铸膜液在凝固浴中的分相速度较快，因此得到的纤维素膜的表面会形成致密的皮层结构，进而导致现有技术中制备得到的纤维素膜的水通量难以提升。
为了克服上述缺陷，申请人意外发现通过调控铸膜液的表面张力与凝固浴的表面张力之间的比值能够有效调控铸膜液在凝固浴中的分相速度，从而调控出我们所期望的膜孔径。申请人发现，当铸膜液的表面张力与凝固浴的表面张力越接近，会使得铸膜液在浸入到凝固浴后的分相速度降低，从而使得得到的膜表现出具有沿其厚度方向均匀变化的孔径的目的。
通常而言，当液膜浸入到凝固浴中之后，液膜的上表面与凝固浴之间的接触面积较大，使得铸膜液会容易迅速地从膜上表面流出，因此制备得到的膜的上表面的孔径相对下表面而言会更大。本申请中，申请人通过调控铸膜液的表面张力被调控至与凝固浴的表面张力之比为0.6-1.1之间时，使得铸膜液与凝固浴的表面张力较为接近，这导致了与未调控表面张力的铸膜液相比，本申请中的铸膜液在凝固浴中的分相速度更低，从而使得通过本方法制备得到的薄膜的上表面的孔径能够大幅提升。
而对于液膜的下表面，当未调控表面张力时，由于凝固浴对纤维素溶液的表面张力作用会抑制膜下方的液体流动，铸膜液不易从底部上升从而形成孔洞，因此导致薄膜下表面的纤维素结构较为紧密，具体表现为薄膜的下表面的孔洞的数量较少、孔径较小的现象，这便是采用传统的制备方法制得的纤维素膜的水通量较低的根本原因。
本申请中，由于铸膜液与凝固浴的表面张力较为接近，因此凝固浴从液膜上方的孔洞向下渗透时，对液膜下方的铸膜液产生的抑制作用较小，因此铸膜液能够更容易地从下表面上升，从而有效提升了纤维素薄膜下表面的孔洞数量。但是由于铸膜液与凝固浴之间的表面张力差异较小，因此凝固浴对于液膜的下表面的纤维素分子的拉伸力更小，因此纤维素滤膜下表面的纤维素分子排列也能够保持紧密的状态，因此纤维素薄膜下表面形成的孔洞的孔径也会相对更小，从而具体表现出下表面的孔洞的数量更多、孔径更小的现象。虽然纤维素薄膜下表面的单孔面积减小了，但是由于孔洞的数量更多，使得下表面的孔洞面积反而增加了，因此，通过本申请中的这一技术方案有效保证了纤维素膜的水通量能够保持在较高的水平。
根据实际测试结果表明，通过本申请中的制备方法能够获得在纤维素膜上获得具有非对称的多孔曲折结构，其在厚度方向上包括具有大孔结构的纳污层和具有小孔结构的分离层，其中纳污层的一侧为多孔进液面，分离层的一侧为多孔出液面，从电镜结果显示多孔进液面的孔径可以达到500nm-10000nm，这远远大于现有的纤维素膜的进液面孔径，而多孔出液面的孔径为16-20nm，因而能够轻松截留病毒等物质。与现有技术相比，通过本方法制备得到的纤维素膜的纳污层和分离层的厚度占比更大，其纳污层的厚度占膜整体的10-30%，分离层的厚度占膜整体的50-70%，因而能够大幅提升纤维素膜的水通量，这对于工业生产而言能够大幅提升过滤效率。同时，当滤液中的存在大蛋白聚集体时，纳污层能够将这些大蛋白聚集体进行截留，从而防止出现大蛋白聚集堵住多孔出液面的滤孔而导致的蛋白回收率降低的问题。
最后，如上所述，铸膜液与凝固浴的表面张力较为接近会使得凝固浴对于液膜的下表面的纤维素分子的拉伸力减小，从而导致纤维素分子排列能够保持在紧密状态，因此使得整体滤膜的拉伸强度以及断裂伸长率能够保持在更高的水平。经过实际测试发现，通过本申请中的这一技术方案制备得到的纤维素滤膜其拉伸强度能够达到15-20MPa，断裂伸长率也能够达到100-150%，这远远超过了现有技术中的纤维素滤膜所能够达到的效果。
作为优选，所述步骤（S.1）中的铸膜液，按照重量百分比计包含：固含量为6-15%的纤维素，含量为1.5-5%的铜，含量为6%-15%的氨，含量为0.1-3%的抗氧化剂。
通常而言，铸膜液中的纤维素的固含量越低，制备得到的膜的密度越低，因此制备得到的膜的孔径会越大，但是膜的力学性能，如强度、韧性等则会相应更低。而纤维素的固含量越高，膜的密度相对比较大，纤维素分子排列比较紧密，所以膜的力学性能也会相应提高，但是会使得膜的孔径会减小，膜的通量也会相应降低。
一般而言，在制备纤维素滤膜时，纤维素固含量在1%~4%之间比较常见，但是本申请的铸膜液纤维素的固含量为6-15%，明显高于传统的铸膜液的固含量。因此，在理论条件下，本申请采用高固含的铸膜液其制备得到的滤孔的孔径会偏小，从而导致水通量的下降，但是本申请通过调控铸膜液与凝固浴的表面张力之比，从而能够控制铸膜液在凝固浴中的分相速度更低，反而使得制备得到的纤维素滤膜的多孔进液面具有更大的孔径，而多孔出液面在保持小孔径的前提下具有更大的孔面积，从而有效保证了膜通量以及力学性能。
作为优选，所述步骤（S.1）中的铸膜液，按照重量百分比计包含：固含量为6-10%的纤维素，含量为3-5%的铜，含量为8-12%的氨，含量为1-2%的抗氧化剂。
作为优选，添加表面张力调节剂后，铸膜液调整后的表面张力值与原铸膜液表面张力值之比为0.4-0.9。
作为优选，所述纤维素的原材料可以是竹纤维素、阔/针叶浆、棉浆等天然高分子材料中的任意一种。
进一步优选，所选纤维素的分子量在8×104-1.6×105之间。
作为优选，所述含铜试剂可选为氢氧化铜或者碱性铜盐如碱式硫酸铜、碱式碳酸铜等其中的任意一种。
作为优选，所述氨为使用含氨量为25-28%的浓氨水。
作为优选，所述抗氧化剂可选为：1、酚类：2,6-二叔丁基对甲酚、没食子酸丙酯、去甲二氢愈创木脂酸等、生育酚（维生素E）及其衍生物；2、酮类：叔丁基氢醌等；3、胺类：乙醇胺、异羟酸、谷氨酸、酪蛋白及麻仁蛋白。卵磷脂、脑磷脂等；4、有机酸、醇及酯：草酸、柠檬酸、酒石酸、丙酸、丙二酸、硫代丙酸、维生素C及其衍生物、葡萄糖醛酸、半乳糖醛酸、甘露醇、山梨醇、硫代二丙酸双月桂醇酯、硫代二丙酸双硬脂酸酯等；5、无机酸及其盐类：磷酸及其盐类、亚磷酸及其盐类，优选使用无机盐和酚类抗氧化剂。
作为优选，所述步骤（S.1）中溶解温度可选为0-30℃；搅拌时间为3-20h。
作为优选，所述步骤（S.1）中溶解温度可选为10-20℃；搅拌时间为10-18h。
作为优选，所述步骤（S.2）中还包含向铸膜液中添加表面张力调节剂的步骤。
作为优选，所述步骤（S.2）中表面所述表面张力调节剂包括为丙酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇、乙二醇中的至少一种或多种的组合。
作为优选，步骤（S.2）中铸膜液调整后的表面张力值与原铸膜液表面张力值之比为0.4-0.9。
进一步优选，步骤（S.2）中铸膜液调整后的表面张力值与原铸膜液表面张力值之比为0.6-0.8。
作为优选，所述步骤（S.3）中将铸膜液除气泡处理后流延于玻璃板或者疏水性高分子薄膜表面，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为5-20mm/s；空气温度为5-30℃；空气流速为0-10m/s。
铸膜液流延后的刮膜速度、空气温度以及空气流速是制备纤维素滤膜过程中的重要工艺参数。它们对于膜的厚度、孔径、表面形貌等方面都有着一定程度的影响。一般而言，刮膜速度越快，制备得到的纤维素滤膜厚度越薄。刮膜速度过快会导致流延过程中液面波动，进而影响膜的质量。同时，空气温度影响着铸膜液的挥发速度，一般来说，空气温度越高，制备得到的膜厚会越薄。而空气流速越快，制备得到的膜表面越光滑，但是较快的空气流速也会导致铸膜液表面的润湿失效，进而影响膜的形成。本申请通过控制刮膜速度、空气温度以及空气流速能够有效提升纤维素膜的厚度、孔径以及表面形貌的均匀性。
进一步优选，所述步骤（S.3）中将铸膜液除气泡处理后流延于玻璃板或者疏水性高分子薄膜表面，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10-15mm/s；空气温度为10-20℃；空气流速为2-5m/s。
作为优选，所述步骤（S.4）中凝固浴的组成为10-60%乙醇水溶液。
作为优选，所述步骤（S.4）中凝固时间为1-10min，凝固浴温度为10-40℃。
进一步优选，所述步骤（S.4）中凝固时间为3-5min，凝固浴温度为20-30℃。
作为优选，所述步骤（S.5）中酸洗再生过程中使用质量浓度为3-10%的酸溶液。
作为优选，所述酸选自硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、柠檬酸、苹果酸中的任意一种或多种的组合。
作为优选，酸洗再生过程中温度为10-40℃，再生时间为3-15min。
第二方面，本申请还提供了一种通过所述方法制备得到的除病毒纤维素滤膜，所述膜主体结构包括纳污层和分离层，纳污层的一侧为多孔进液面，分离层的一侧为多孔出液面，纳污层的另一侧和分离层的另一侧以连续的纤维过渡，
所述多孔进液面SEM测量平均孔径为500nm-10000nm；
所述多孔出液面SEM测量平均孔径为16-20nm；
所述纳污层的SEM测量平均孔径为20-500nm；
所述分离层的SEM平均孔径为15-30nm；
所述纳污层的厚度占膜整体的10-30%；
所述分离层的厚度占膜整体的50-70%。
本申请中的滤膜为纤维素滤膜，相较于以聚醚砜（PES）滤膜而言，其具有良好的亲水性且对于蛋白质的吸附量较低，因此在过滤过程中能够有效减少蛋白质的损耗。同时，从其结构中可以看出，本申请提供的纤维素滤膜的多孔进液面和多孔出液面上的孔洞的孔径差异极大。多孔出液面上的孔洞的SEM测量平均孔径为16-20nm其能够对细小病毒具有极强的过滤效果，而多孔进液面的孔径甚至达到了多孔出液面的25-500倍，其能够对待过滤的液体中的大颗粒杂质起到良好的过滤效果，并且保证了多孔进液面的进液速率。同时纳污层的和分离层之间以连续的纤维过渡，因此本申请提供的纤维素滤膜沿其厚度方向发生均匀变化，并且由于纳污层的SEM测量平均孔径为20-500nm，因此能够对各种尺寸大小不一的大蛋白聚集体起到良好的截留作用，从而防止其堵住多孔出液面的滤孔从而造成蛋白回收率降低的问题。
此外，本申请中的滤膜为其纳污层以及分离层的厚度占比较大，纳污层的厚度占膜整体的10-30% ，分离层的厚度占膜整体的50-70%，因而远远高于目前纤维素滤膜的一般水平。因而本申请中的这一纤维素膜由于其具有高孔洞面积率的特性，能够使得待过滤液体能够快速通过纤维素膜，能够保证水通量始终处于较高的水平，缩短了过滤时间，有利于保证滤膜始终能够满足实际应用的需求。
作为优选，所述滤膜的水通量为40-200L/m2/h@30psi；所述滤膜的PP7截留测试结果为 LRV＞6；所述滤膜的PMI孔径分布结果为20-80nm；所述滤膜的厚度为80-100μm。
作为优选，所述滤膜的拉伸强度为15-20MPa，所述滤膜的断裂伸长率为100-150%。
滤膜的拉伸强度和断裂伸长率评价滤膜机械强度大小的最为关键的指标。在一定条件下，滤膜的拉伸强度越大，机械强度越优秀。拉伸强度指的是膜材料承受平行拉伸作用的能力。在测试时，膜样品受到拉伸载荷作用直至破坏，根据膜样品破坏时对应的最大拉伸载荷和膜样品尺寸（长度）的变化，就能计算出膜的拉伸强度和断裂伸长率。本发明的滤膜拉伸强度能够达到15-20 MPa，断裂伸长率为100-150%。这意味着本发明的滤膜具有较高的拉伸强度和断裂伸长率，在机械性能方面表现出色，具有较高的工业实用价值，完全能够满足市场需求。
因此，本申请具有以下有益效果：
本申请通过改变铸膜液与凝固浴之间的表面张力比值，从而改变其在凝固浴中的分相速度，最终制备出我们期望的膜孔径，使得制备得到的纤维素滤膜具备截留尺寸在20nm及其以上病毒的能力，并且保证了本纤维素滤膜还具有极高的水通量以及机械性能的优势，大大降低了以天然纤维素为原料来制备除病毒过滤膜的难度，极大的提高了社会效益。
附图说明
图1为实施例2对应的膜产品喷金后对应的扫描底面电镜图。
图2为实施例2对应的膜产品喷金后对应的扫描表面电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
将分子量为0.8×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为6wt%，铜浓度为1.5wt%，氨浓度为6wt%和亚硫酸钠为0.1wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的20%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例2
将分子量为0.8×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为6wt%，铜浓度为1.5wt%，氨浓度为6wt%，丙酮浓度为5wt%和亚硫酸钠为0.1wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的10%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。图1为本实施例对应的膜产品喷金后对应的扫描底面电镜图， 图2为本实施例对应的膜产品喷金后对应的扫描表面电镜图。
实施例3
将分子量为0.9×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为7wt%，铜浓度为1.8wt%，氨浓度为7wt%，DMAc浓度为8wt%和亚硫酸钠为0.6wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的15%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例4
将分子量为1.0×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为8wt%，铜浓度为2.0wt%，氨浓度为8.0wt%，甲醇浓度为10wt%和柠檬酸为1.0wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的20%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例5
将分子量为1.0×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂2,6-二叔丁基对甲酚溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为9wt%，铜浓度为2.6wt%，氨浓度为8.5wt%，乙二醇浓度为12wt%和2,6-二叔丁基对甲酚酸为1.5wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的25%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例6
将分子量为1.1×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂生育酚溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为10wt%，铜浓度为3wt%，氨浓度为9wt%，DMF为15wt%和生育酚为1.6wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的30%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例7
将分子量为1.1×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂没食子酸丙酯溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为11wt%，铜浓度为3.2wt%，氨浓度为10wt%，乙醇为15wt%和没食子酸丙酯为1.8wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的35%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例8
将分子量为1.2×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂葡萄糖溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为12wt%，铜浓度为3.5wt%，氨浓度为11wt%，丙酮为5wt%和葡萄糖为2.0wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的40%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例9
将分子量为1.3×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂叔丁基氢醌溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为13wt%，铜浓度为3.8wt%，氨浓度为12.0wt%，DMAc为8wt%和叔丁基氢醌为2.2wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的45%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例10
将分子量为1.4×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂草酸溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为14wt%，铜浓度为4.5wt%，氨浓度为13.0wt%，乙二醇为10wt%和草酸为2.5wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的50%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例11
将分子量为1.5×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt%，铜浓度为4.8wt%，氨浓度为14.0wt%，DMF为12wt%和亚硫酸钠为2.8wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的55%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例12
将分子量为1.6×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂磷酸钾溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt%，铜浓度为5.0wt%，氨浓度为15.0wt%，乙醇为15wt%和磷酸钾为3.0wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为10mm/s；空气温度为20℃；空气流速为5m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的60%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例13
将分子量为0.8×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为6wt%，铜浓度为1.5wt%，氨浓度为6wt%，丙酮浓度为5wt%和亚硫酸钠为0.1wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为5mm/s；空气温度为5℃；空气流速为10m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为10℃的10%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于10℃的10%硫酸溶液再生3min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例14
将分子量为0.8×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为6wt%，铜浓度为1.5wt%，氨浓度为6wt%，丙酮浓度为5wt%和亚硫酸钠为0.1wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上，并使用250微米的刮刀进行刮膜；刮膜速度为20mm/s；空气温度为30℃；空气流速为0m/s，充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的10%乙醇水溶液凝固15min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于40℃的3%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
对比例1
将分子量为1.1×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为8wt%，铜浓度为3wt%，氨浓度为6wt%和亚硫酸钠为1wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的60%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
对比例2
将分子量为1.1×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为8wt%，铜浓度为3.3wt%，氨浓度为8wt%和亚硫酸钠为1wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的60%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
对比例3
将分子量为1.1×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为8wt%，铜浓度为4wt%，氨浓度为10wt%和亚硫酸钠为1wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的60%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
对比例4
将分子量为1.5×105Mw的棉浆泊和抗氧化剂亚硫酸钠溶于配好的铜氨溶液中，进行过滤和脱泡处理，得到纤维素固含量为15wt%，铜浓度为4.8wt%，氨浓度为14.0wt%，DMF为12wt%和亚硫酸钠为2.8wt%的铸膜液。并将过滤和脱气好的铸膜液流延在玻璃板上充分铺展得到均匀的液膜。将流延在玻璃板上的纤维素液膜迅速放入温度为25℃的10%乙醇水溶液凝固5min，随后转移至25℃的纯水中清洗3min，清洗完后置于25℃的5%硫酸溶液再生5min，待纤维素膜的表面蓝色完全褪去后放置于50℃的纯水中进一步清洗膜上的有机溶剂和金属离子。
实施例1~14以及对比例1~4中的再生纤维素除病毒过滤膜的制备过程中的铸膜液以及凝固浴的配方和制膜工艺具体见表1所示。
表1
。
将实施例1~14以及对比例1~4中制备得到的再生纤维素除病毒过滤膜进行测试。
检测方法分别如下：
平均孔径测试：用孔径分布测试仪PMI进行测试，先裁切一定尺寸的膜，用不同浓度的乙醇将原先湿膜中的然后用低表面张力(15 .6mN/m)溶剂(美国PMI设备商提供)进行润湿，然后放入测试槽内，最后通过干-湿线得到平均孔径和开始出泡孔径。
泡压测试：将得到的膜用低表面张力液体13 .6mN/m（MTMNovecTM7100)）润湿后，对该膜用压缩氮气缓慢地施加压力，直至膜表面产生连续的气泡，此时的气体压力称为泡压(MPa)。
流速：采用Millipore的Virusmax测试装置加25mm的不锈钢可换膜过滤器进行测试(蛋白质透过率实验和病毒过滤实验均采用此装置)，有效过滤面积为4.1cm2，使用温度为25℃的超纯水，压力控制在2bar下进行过滤测试。
表面张力测试：在25℃的环境中，使用Dataphysics OCA20（德国）设备并以吊片法为核心动态测试铜氨溶液的表面张力，待表面张力值稳定不发生明显变化。
致密层厚测试：通过SEM截面图，测试出致密层的厚度。拉伸强度的测试：用裁膜刀将测试样品剪成宽1cm，长8-10cm的小膜片，用微机控制电子万能试验机LD22 .501量程范围0-50N进行拉伸强度的测试。蛋白质透过率测试：配制一定浓度的igg蛋白质溶液(比如1g/L、5g/L等)，经过0.22μm的预过滤排除颗粒和蛋白质溶液的预聚体。然后同样采用Millipore的Virusmax测试装置加25mm的不锈钢换膜过滤器进行测试，用紫外分光光度计UV-5(梅特勒所制)在280nm波长下，进行吸光度的测试。透过率计算公式如下：透过率＝C1/C0×100％，C1为透过液浓度，C0为原液浓度。
病毒截留实验测试：使用多克隆抗体IgG作为抗体溶液，向所得到的抗体溶液中添加5％的MVM鼠细小病毒和BVDV牛病毒性腹泻病毒，充分搅拌得到含有病毒的抗体溶液。采用Millipore的Virusmax测试装置加25mm的不锈钢换膜过滤器进行测试。
计算公式如下：LRV＝log10(C0/CF)
其中：C0表示含有病毒的抗体的原液的感染滴度，CF表示使用再生纤维素除病毒过滤膜后的过滤液中的感染滴度。
测试结果如下表2所示。
表2
。
从实施例1~14与对比例1-4可知，本申请通过改变铸膜液与凝固浴之间的表面张力比值，从而改变其在凝固浴中的分相速度，最终制备出我们期望的膜孔径，使得制备得到的纤维素滤膜具备截留尺寸在20nm及其以上病毒的能力，并且保证了本纤维素滤膜还具有极高的水通量以及机械性能的优势，大大降低了以天然纤维素为原料来制备除病毒过滤膜的难度，极大的提高了社会效益。
Claims (10)
1.一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
（S.1）使得纤维素溶解于铜氨溶液中，并配制成铸膜液的步骤；
（S.2）使得铸膜液的表面张力被调控至与凝固浴的表面张力之比为0.6-1.1的步骤；
（S.3）使得铸膜液流延至载体上从而形成液膜的步骤；
（S.4）使得液膜被浸入凝固浴中从而被固化形成水合纤维素膜的步骤；
（S.5）使得水合纤维素膜被酸洗再生和水洗的步骤，最终得到所述除病毒纤维素滤膜；
所述除病毒纤维素滤膜在厚度方向上包括纳污层和分离层，其中纳污层的一侧为多孔进液面，分离层的一侧为多孔出液面，所述多孔进液面SEM测量平均孔径为500nm-10000nm；所述多孔出液面SEM测量平均孔径为16-20nm；
所述步骤（S.1）中的铸膜液，按照重量百分比计包含：固含量为6-15%的纤维素，含量为1.5-5%的铜，含量为6%-15%的氨，含量为0.1-3%的抗氧化剂；其中，所述纤维素的原材料为竹纤维素、阔/针叶浆、棉浆中的任意一种；
所述步骤（S.3）中将铸膜液除气泡处理后流延于玻璃板或者疏水性高分子薄膜表面进行刮膜；刮膜速度为5-20mm/s；空气温度为5-30℃；空气流速为0-10m/s。
2.根据权利要求1所述的一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.2）中还包含向铸膜液中添加表面张力调节剂的步骤。
3.根据权利要求2所述的一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，其特征在于，
所述表面张力调节剂包括为丙酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇、乙二醇中的至少一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，其特征在于，
所述抗氧化剂为酚类抗氧化剂、酮类抗氧化剂、胺类抗氧化剂、有机酸类抗氧化剂、有机醇类抗氧化剂、有机酯类抗氧化剂、无机酸类抗氧化剂、无机酸盐类抗氧化剂中的任意一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.4）中凝固浴的组成为10-60%乙醇水溶液。
6.根据权利要求1或5所述的一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.4）中凝固时间为1-10min，凝固浴温度为10-40℃。
7.根据权利要求1所述的一种除病毒纤维素滤膜的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.5）中酸洗再生过程中使用质量浓度为3-10%的酸溶液；
酸洗再生过程中温度为10-40℃，再生时间为3-15min。
8.一种通过权利要求1~7中任意一项所述方法制备得到的除病毒纤维素滤膜，所述膜主体结构包括纳污层和分离层，纳污层的一侧为多孔进液面，分离层的一侧为多孔出液面，纳污层的另一侧和分离层的另一侧以连续的纤维过渡，其特征在于，
所述多孔进液面SEM测量平均孔径为500nm-10000nm；
所述多孔出液面SEM测量平均孔径为16-20nm；
所述纳污层的SEM测量平均孔径为20-500nm；
所述分离层的SEM平均孔径为15-30nm；
所述纳污层的厚度占膜整体的10-30%；
所述分离层的厚度占膜整体的50-70%。
9.根据权利要求8所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于，
所述滤膜的水通量为40-200L/m2/h@30psi；所述滤膜的PP7截留测试结果为 LRV＞6；所述滤膜的PMI孔径分布结果为20-80nm；所述滤膜的厚度为80-100μm。
10.根据权利要求8或9所述的除病毒纤维素滤膜，其特征在于，
所述滤膜的拉伸强度为15-20MPa，所述滤膜的断裂伸长率为100-150%。
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- 2023-06-27 CN CN202310759938.0A patent/CN116492852B/zh active Active
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|---|---|
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